CN103187724A - 一种模块化多电平柔性直流输电系统子模块冗余控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模块化多电平柔性直流输电系统子模块冗余控制方法，包括如下步骤：（1）正常工作时将每个桥臂原有的N个子模块和新增的M个冗余子模块同时投入使用；（2）阀基控制设备检测N个子模块和M个冗余子模块，当其中的i个子模块出现故障时，所述阀基控制设备将故障的i个子模块旁路，并将重新分配N-M-i个子模块的电压；（3）判断故障的子模块的个数，若i>=M，则停止换流器系统运行，若i<M，则继续运行换流器。本发明通过加入冗余子模块，提高了模块化多电平换流器的可靠性和应对故障能力，减少了模块化多电平换流器的电容工作电压和平均开关频率。
Description
技术领域
本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种模块化多电平柔性直流输电系统子模块冗余控制方法。
背景技术
模块化多电平技术采用模块化设计，扩展性强，可作为高压直流输电场合应用的柔性直流输电技术。这种情况下其桥臂需要串联大量子模块，以减少每个子模块承受电压大小。
由于实际应用场合的复杂性，模块化多电平技术的所采用的脆弱开关器件（IGBT）在系统异常工况下容易遭受过电压、过电流应力，导致子模块故障或损害，必须设计可靠快速的冗余子模块投切方案。
模块化多电平技术拓扑包括三个相单元，每一个相单元包括两个桥臂，每个桥臂由若干个结构相同的串联的子模块与桥臂电抗串联而成，如附图1所示。图中SM表示子模块。通过控制子模块的投入和切出，就可以形成稳定的直流输出电压。由于其特殊的结构，模块化多电平换流器在单个或多个子模块发生故障情况下，为了维持系统继续运行，需要快速旁路故障模块，投入冗余子模块。
常规的冗余控制方法是，保持子模块额定电压不变，保持每相投入子模块数量N不变，当子模块故障后，快速旁路子模块并投入相同数量的冗余子模块，这种控制方法没有最大化利用冗余子模块，无法达到效用最大化。
考虑正常工作情况下每个桥臂共需要N子模块，即正常工作时同一相上、下桥臂共有N个子模块同时为投入状态，N个为切除状态。设直流侧电压为UDC，则正常工作情况下，每个投入子模块承受电压为Usm=UDC/N。
同一时刻，一个桥臂的所有子模块并不是都需要投入，但在一个周期内所有子模块都可能被投入使用，子模块投入与否和投入时间取决于子模块电容电压和与之相关的模块化多电平换流器电容平衡算法。
然而，在实际应用中，柔性直流输电系统可能受到各种异常工况的影响，如系统故障等，模块化多电平换流器子模块所采用的电力电子开关多为电力电子开关器件，其能够耐受的电压和电流应力裕度并不大，一旦遭受异常工况下的过电压、过电流应力，很容易造成损坏，其经济损失巨大。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种模块化多电平柔性直流输电系统子模块冗余控制方法，能够实现子模块故障情况下的快速切换要求。
本发明提供的一种模块化多电平柔性直流输电系统子模块冗余控制方法，模块化多电平柔性直流输电系统包括换流器，每个换流器由三相六桥臂构成，每个桥臂包括串联的电感和N个子模块；其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：
（1）将每个桥臂的N个子模块和新增的M个冗余子模块同时投入使用；
（2）阀基控制设备检测N个子模块和M个冗余子模块运行状态，当其中的i个子模块出现故障时，所述阀基控制设备将故障的i个子模块旁路，并将重新分配N-M-i个子模块的电压；
（3）判断故障的子模块的个数，若i>=M，则停止换流器系统运行，若i<M，则继续运行换流器。
其中，所述阀基控制设备包括依次连接的桥臂分段控制单元、桥臂汇总控制单元和环流控制单元。
其中，步骤（2）阀基控制设备检测子模块的步骤包括：
1）桥臂分段控制单元将子模块状态上传给桥臂汇总控制单元进行汇总；
2）桥臂汇总控制单元将汇总的信息传给环流控制单元；
3）所述环流控制单元将信息传给上位机进行显示。
其中，步骤（2）中当i个子模块出现故障时，所述阀基控制设备将故障的i个子模块旁路，并将重新分配N-M-i个子模块的电压的步骤包括；
①桥臂分段控制单元将子模块状态上传给桥臂汇总控制单元进行汇总；
②桥臂汇总控制单元根据汇总的信息，判断出故障的子模块，并将故障信息传给环流控制单元；
③所述环流控制单元将故障信息传给上位机显示，并下发指令，将故障的子模块旁路，下发调制量信息，通过此调制量信息，决定余下正常工作子模块的投切，产生电压。
其中，桥臂汇总控制单元重新分配N-M-i个子模块的电压的表达式为：
Usm=UDC/（N+M-i）；
式中，Usm为每个投入的子模块重新分配的电压；UDC为直流端需要的电压值；N为换流器的子模块个数；M为新增的冗余子模块个数；i为故障的子模块个数。
其中，所述子模块由半桥结构的IGBT模块和电容并联构成；所述半桥结构的IGBT模块由上管IGBT模块和下管IGBT模块串联形成；所述下管IGBT模块并联有旁路开关K。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
本发明通过加入冗余子模块，提高了模块化多电平换流器的可靠性和应对故障能力，减少了模块化多电平换流器的电容工作电压和平均开关频率；
本发明通过阀基控制设备实时监控子模块状态，并且传给上位机显示，便于操作人员观看。
本发明实现了子模块故障情况下的快速切换要求。
附图说明
图1为本发明提供的换流器的拓扑结构图。
图2为本发明提供的子模块结构图。
图3为本发明提供的阀基控制设备示意图。
图4为本发明提供的冗余控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
一个桥臂在正常工作时除了串联N个子模块外还需要添加M个冗余子模块，以使子模块电力电子器件或子模块发生其它故障情况下，控制系统能够快速旁路故障模块，防止过应力继续发展。其中，N和M为正整数。
本专利提出了对模块化多电平技术的冗余子模块控制方案，该方案针对模块化多电平的冗余子模块进行快速投入、切除和旁路控制：
正常情况下，让M个冗余子模块与模块化多电平换流器正常工作需要的N个子模块同时工作，使原来每相同时投入N个子模块变为同时投入N+M个子模块，并减少子模块工作电压；当桥臂中一个或多个子模块发生故障时，旁路故障子模块并减少正常工作时投入的子模块数量，增大子模块电容电压。当故障子模块数量多于冗余子模块数量时，停止系统运行。
子模块结构如图2所示，由半桥结构的IGBT模块和电容并联构成；所述半桥结构的IGBT模块由上管IGBT模块和下管IGBT模块串联形成；所述下管IGBT模块并联有旁路开关K。
本实施例提出的一种模块化多电平柔性直流输电系统子模块冗余控制方法，其流程图如图4所示，具体包括如下步骤：
（1）将每个桥臂原有的N个子模块和新增的M个冗余子模块投入使用；
正常情况下，没有子模块发生故障情况下，每相同时投入N+M个子模块，其它子模块切除。一个周期内，每个桥臂投入子模块数量在0到N+M之间变化，切除子模块数量从0到N之间变化。每个子模块承受电压为Usm=UDC/（N+M）。这样既可以增加输出电压电平数，减少谐波；还可以减少子模块工作电压，减少子模块电容充放电波动。
（2）阀基控制设备检测N个子模块和M个冗余子模块工作状态，当其中的i个子模块出现故障时，所述阀基控制设备将故障的i个子模块旁路，并将重新分配N-M-i个子模块的电压；
阀基控制设备包括依次连接的桥臂分段控制单元、桥臂汇总控制单元和环流控制单元。其结构如图3所示。桥臂分段控制单元用于检测子模块状态；桥臂汇总控制单元用于将6个桥臂的桥臂分段控制单元检测的数据汇总，并传给环流控制单元；环流控制单元用于发出指令，并将所有信息发送给上位机显示。桥臂分段控制单元、桥臂汇总控制单元、环流控制单元和上位机均可采用服务器实现。
阀基控制设备检测子模块的步骤包括：
1）桥臂分段控制单元将子模块状态上传给桥臂汇总控制单元进行汇总；
2）桥臂汇总控制单元将汇总的信息传给环流控制单元；
3）所述环流控制单元将信息传给上位机进行显示。
当i个子模块出现故障时，所述阀基控制设备将故障的i个子模块旁路，并将重新分配N-M-i个子模块的电压的步骤包括；
①桥臂分段控制单元将子模块状态上传给桥臂汇总控制单元进行汇总；
②桥臂汇总控制单元根据汇总的信息，判断出故障的子模块，并将故障信息传给环流控制单元；
③所述环流控制单元将故障信息传给上位机显示，并下发指令，将故障的子模块旁路，下发调制量信息，通过此调制量信息，决定子模块的投切，产生电压。
对运行的子模块而言，当桥臂中有i（1<i<M）个子模块发生故障时，立即将这i个子模块旁路，使该相正常工作投入子模块变为N+M-i。这样一个周期内，每个桥臂投入子模块数量在0到N+M-i之间变化，退出子模块数量从0到N-i之间变化。每个子模块承受电压为Usm=UDC/（N+M-i）。
（3）判断故障的子模块的个数，若i>=M，则停止换流器系统运行，对子模块进行检修、替换。若i<M，则继续运行换流器。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种模块化多电平柔性直流输电系统子模块冗余控制方法，模块化多电平柔性直流输电系统包括换流器，每个换流器由三相六桥臂构成，每个桥臂包括串联的电感和N个子模块；其特征在于，所述方法包括如下步骤：
（1）将每个桥臂的N个子模块和新增的M个冗余子模块同时投入使用；
（2）阀基控制设备检测N个子模块和M个冗余子模块运行状态，当其中的i个子模块出现故障时，所述阀基控制设备将故障的i个子模块旁路，并将重新分配N-M-i个子模块的电压；
（3）判断故障的子模块的个数，若i>=M，则停止换流器系统运行，若i<M，则继续运行换流器。
2.如权利要求1所述的冗余控制方法，其特征在于，所述阀基控制设备包括依次连接的桥臂分段控制单元、桥臂汇总控制单元和环流控制单元。
3.如权利要求1所述的冗余控制方法，其特征在于，步骤（2）阀基控制设备检测子模块的步骤包括：
1）桥臂分段控制单元将子模块状态上传给桥臂汇总控制单元进行汇总；
2）桥臂汇总控制单元将汇总的信息传给环流控制单元；
3）所述环流控制单元将信息传给上位机进行显示。
4.如权利要求1所述的冗余控制方法，其特征在于，步骤（2）中当i个子模块出现故障时，所述阀基控制设备将故障的i个子模块旁路，并将重新分配N-M-i个子模块的电压的步骤包括；
①桥臂分段控制单元将子模块状态上传给桥臂汇总控制单元进行汇总；
②桥臂汇总控制单元根据汇总的信息，判断出故障的子模块，并将故障信息传给环流控制单元；
③所述环流控制单元将故障信息传给上位机显示，并下发指令，将故障的子模块旁路，下发调制量信息，通过此调制量信息，决定余下正常工作子模块的投切，产生电压。
5.如权利要求4所述的冗余控制方法，其特征在于，桥臂汇总控制单元重新分配N-M-i个子模块的电压的表达式为：
Usm=UDC/（N+M-i）；
式中，Usm为每个投入的子模块重新分配的电压；UDC为直流端需要的电压值；N为换流器的子模块个数；M为新增的冗余子模块个数；i为故障的子模块个数。
6.如权利要求1所述的冗余控制方法，其特征在于，所述子模块由半桥结构的IGBT模块和电容并联构成；所述半桥结构的IGBT模块由上管IGBT模块和下管IGBT模块串联形成；所述下管IGBT模块并联有旁路开关K。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 102209 Beijing City, Changping District science and Technology Park in the future smart grid research institute hospital Co-patentee after: CHINA-EPRI ELECTRIC POWER ENGINEERING Co.,Ltd. Patentee after: GLOBAL ENERGY INTERCONNECTION Research Institute Co-patentee after: SHANGHAI MUNICIPAL ELECTRIC POWER Co. Co-patentee after: State Grid Corporation of China Address before: 102211 Beijing city Changping District Xiaotangshan town big East Village Road No. 270 (future technology city) Co-patentee before: CHINA-EPRI ELECTRIC POWER ENGINEERING Co.,Ltd. Patentee before: STATE GRID SMART GRID Research Institute Co-patentee before: SHANGHAI MUNICIPAL ELECTRIC POWER Co. Co-patentee before: State Grid Corporation of China |
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| CP03 | Change of name, title or address | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20170524 Address after: 102209 Beijing City, Changping District science and Technology Park in the future smart grid research institute hospital Co-patentee after: STATE GRID SHANGHAI MUNICIPAL ELECTRIC POWER Co. Patentee after: GLOBAL ENERGY INTERCONNECTION Research Institute Co-patentee after: State Grid Corporation of China Address before: 102209 Beijing City, Changping District science and Technology Park in the future smart grid research institute hospital Co-patentee before: CHINA-EPRI ELECTRIC POWER ENGINEERING Co.,Ltd. Patentee before: GLOBAL ENERGY INTERCONNECTION RESEARCH INSTITUTE Co-patentee before: SHANGHAI MUNICIPAL ELECTRIC POWER Co. Co-patentee before: State Grid Corporation of China |
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| TR01 | Transfer of patent right |