CN103259432A - 一种三相全桥模块化多电平换流器桥臂电容平衡控制方法 - Google Patents

一种三相全桥模块化多电平换流器桥臂电容平衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，其公开了一种三相全桥模块化多电平换流器桥臂电容平衡控制方法，其基于当前子模块的开关状态，桥臂电流以及投入子模块指令确定下一时刻正向投入、反向投入的子模块，从而实现桥臂内子模块电容电压的平衡控制。本发明最大程度上利用了全桥子模块的开关状态，尽可能实现子模块内各器件的开关频率保持一致，便于实现均一化设计；相比于半桥式结构，在相同控制条件及控制要求下，单个器件的开关频率有所降低；所提出的控制方法对直流侧正常及故障下换流器的运行控制均适用，无需进行控制切换。

Description

一种三相全桥模块化多电平换流器桥臂电容平衡控制方法
技术领域
本发明属于电力系统柔性直流输电技术领域，具体涉及一种三相全桥模块化多电平换流器桥臂电容平衡控制方法。
背景技术
模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter，MMC)采用目前国际上较为流行的新型多电平拓扑结构。其核心单元——子模块(Sub Module，SM，图1所示)可以为半桥式，也可以为全桥式结构。相比于半桥式模块化多电平换流器，其显著特点在于其具备直流故障的穿越能力。全桥子模块是由四个带有反并联二极管的可自关断的电力电子开关器件和一个电容器构成。三相全桥式换流器基本拓扑结构如图2所示，其由三个相单元(Phase Module或Phase Unite，图2中的1)组成，每个相单元包含上下对称的换流桥臂(Converter Leg，图2中的2)，而每个换流桥臂又由多个子模块和一个桥臂电抗器串联而成。
正常运行时，模块化多电平换流器通过控制子模块中四个开关器件的开通关断，合理地控制各相子模块的投入和切除，即可得到不同的交流输出电压。换流器各相投入的子模块共同构成了直流侧电压。由此可见，换流器子模块电容电压的平衡直接关系到换流器交直流侧输出电压质量。
模块化多电平换流器与两电平换流器的显著区别在于其分布式电容结构。子模块电容电压的平衡控制是模块化多电平换流器的关键性技术之一。子模块电容电压的不平衡，将导致换流器输出电压出现畸变，影响换流器的交直流侧控制效果，甚至引起系统的不稳定。因此，子模块电容电压保持相对稳定、一致是模块化多电平换流器正常运行的首要前提。
模块化多电平换流器子模块电压平衡包括各桥臂内部子模块电容电压的平衡，上下桥臂电容电压的平衡，相间电容电压平衡以及总的电容电压平衡。其中桥臂内子模块电容电压的平衡是其他三种平衡的基础。桥臂内子模块电容电压的平衡主要是根据子模块电容电压大小、桥臂电流方向以及投入模块数指令的变化确定桥臂内需要投入或切出的子模块单元。
申请号：201210127195.7，名称为“一种级联式STATCOM直流侧电容电压平衡控制方法”的专利（戴超波、吉平等人），提出了一种直接电流控制和间接电流控制相结合的STATCOM直流侧电容电压平衡控制方法。具体过程为：首先生成有功电流参考值，再次选择特殊桥，并生成STATCOM输出电流参考值，最后对特殊桥采用间接电流控制，对非特殊桥进行直接电流控制。由于需要对每一个子模块设计独立的控制器，因此该控制方法仅适用于子模块数量较少的场合。同时，由于级联式STATCOM并无直流引出线，因此该控制方法并不完全适合于需要考虑直流双极故障的全桥式模块化多电平换流器的电容电压平衡控制。
在2011年中国电机工程学报出版的由管敏源、徐政主编的“MMC型VSC-HVDC系统电容电压的优化平衡控制”主要针对半桥式模块化多电平提出了一种电容电压优化平衡控制策略，该控制策略通过引入保持因子，对未越限子模块投切状态进行优化，降低了开关器件的开关频率。上述控制方法一定程度上优化了半桥式模块化多电平换流器子模块的开关频率，但相比于半桥式子模块，全桥式子模块的开关状态更为复杂，同时全桥式模块化多电平换流器双极直流短路故障下桥臂需要输出反向电压，因此上述控制方法对于全桥式模块化多电平换流器并不完全适用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种三相全桥模块化多电平换流器桥臂电容平衡控制方法，实现桥臂内全桥子模块电容电压的平衡控制。
本发明提供的一种三相全桥模块化多电平换流器桥臂电容平衡控制方法，所述换流器由3相六个桥臂构成，每个桥臂包括1个电抗器和N个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与电网的变压器连接；另一端与另两个桥臂的级联的子模块一端连接，形成正负极母线；其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：
（1）将每个桥臂中N/2个子模块正向投入，N/2个子模块反向投入；
（2）对桥臂各子模块电容电压按照子模块开关状态及电压大小依次从大到小进行排序；
（3）判断桥臂电流大小，若桥臂电流大于0，则判断子模块电压最大者是否正向投入，且正向投入子模块电压最大值与反向投入子模块电压最小值之差是否大于设定阈值I，若满足上述条件（即子模块电压最大者正向投入，且正向投入子模块电压最大值与反向投入子模块电压最小值之差大于设定阈值），则进行步骤（4），否则结束控制方法；若桥臂电流小于0，则判断子模块电容电压最大者是否反向投入，且反向投入子模块电压最大值与正向投入子模块电压最小值之差是否大于设定阈值II，若满足上述条件（即子模块电容电压最大者反向投入，且反向投入子模块电压最大值与正向投入子模块电压最小值之差大于设定阈值II），则进行步骤（4），否则结束控制方法；
（4）判断当前输出电平指令与上一时刻输出电平指令是否存在变化，并根据桥臂电流方向控制子模块的投入方向。
其中，步骤（4）包括：
当桥臂电流大于0：
若当前输出电平指令较上一时刻增加n个，则依次将反向投入最小的NINT(n/2)个子模块切换至正向投入；若当前输出电平指令与上一时刻保持不变，则将正向投入电压最大子模块与方正向投入最小子模块状态互换；若当前输出电平指令较上一时刻减少n个，则依次将正向投入最大的NINT(n/2)个子模块切换至反向投入；
当桥臂电流小于0：
若当前输出电平指令较上一时刻增加n个，则依次将反向投入最大的NINT(n/2)个子模块切换至正向投入；若当前输出电平指令与上一时刻保持不变，则将反向投入电压最大子模块与正向投入最小子模块状态互换；若当前输出电平指令较上一时刻减少n个，则依次将正向投入最小的NINT(n/2)个子模块切换至反向投入。
按照四舍五入算法后，桥臂子模块输出电平为偶数。
其中，所述阈值I和阈值II由用户确定。
其中，所述步骤（2）中子模块的开关状态是通过桥臂各子模块控制器监测得到。
其中，步骤（2）中子模块电容电压是通过桥臂各子模块控制器监测得到。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
（1）本发明子模块内部各器件的开关频率基本一致，有利于子模块的均一化设计；
（2）本发明在相同控制要求及条件下，单个子模块的开关频率降低，其造价也随之降低；
（3）本发明的控制方法对正常运行及直流侧故障下桥臂子模块电压平衡均适用。
（4）本发明无需额外的切换信号即可满足如双极直流故障下子模块电压的平衡控制要求。
附图说明
图1为本发明提供的全桥子模块结构示意图。
图2为本发明提供的全桥式模块化多电平换流器结构示意图。
图3为本发明提供的全桥子模块电容平衡控制方法流程图。
图4为本发明提供的有功无功曲线图。
图5为本发明提供的直流电压示意图。
图6为本发明提供的A相上桥臂子模块电容电压示意图。
图7为本发明提供的A相下桥臂子模块电容电压示意图。
图8为本发明提供的A相交流侧电流示意图。
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。
针对全桥式模块化度电平换流器桥臂内部电容平衡控制，本发明提供了一种桥臂内子模块电容电压通用平衡控制方法。在本发明中，通过对比桥臂电容各开关状态子模块的电容电压，并根据当前桥臂电流的方向以及上层控制指令，调整桥臂内相关子模块的开关状态，以实现响应上层控制指令的同时，保证桥臂内子模块电容电压的相对一致。按照所设计的平衡控制方法，子模块各开关器件具有相同的开关频率，对于正常运行以及直流侧故障下桥臂子模块电容电压平衡控制均适用。
结合图1-图8对所述模块化多电平能量平衡控制方法详细步骤进行相关说明：
（1）如图3所示，将桥臂中N/2个子模块正向投入，同时将N/2个子模块反向投入；其中N代表单桥臂子模块个数，N为偶数；
（2）对桥臂各子模块电容电压按照开关状态依次从大到小进行排序；电容电压排序可由已有的控制算法得到；各子模块电容电压实际值和开关状态可通过子模块控制器反馈给换流器阀级控制等设备获得。其中，全桥子模块的开关状态如表1所示，其中T1-T4表示子模块中4个IGBT模块，Ism为子模块电流，Vsm为子模块电压：
表1全桥子模块开关状态
Figure BDA00003034357000041
（3）判断桥臂电流大小，若桥臂电流大于0，则判断子模块电压最大者是否正向投入，且正向投入子模块电压最大值与反向投入子模块电压最小值之差是否大于设定阈值I，若满足上述条件，则进行下一步，否则跳出本次循环；若桥臂电流小于0，则判断子模块电容电压最大者是否反向投入，且反向投入子模块电压最大值与正向投入子模块电压最小值之差是否大于设定阈值II，若满足上述条件，则进行下一步，否则跳出本次循环；
阈值I和阈值II，其作用是为了减少子模块开关器件的开关频率，设定阈值越大，开关器件的开关频率越低，反之则越高；所述阈值可以根据控制的要求进行动态调节。
（4）判断当前输出电平指令与上一时刻输出电平指令是否存在变化，并根据桥臂电流方向控制子模块的投入方向，其中：
当桥臂电流大于0，若当前输出电平指令较上一时刻增加n个，则依次将反向投入最小的NINT(n/2)个子模块切换至正向投入；若当前输出电平指令与上一时刻保持不变，则将正向投入电压最大子模块与方正向投入最小子模块状态互换；若当前输出电平指令较上一时刻减少n个，则依次将正向投入最大的NINT(n/2)个子模块切换至反向投入；
当桥臂电流小于0，若当前输出电平指令较上一时刻增加n个，则依次将反向投入最大的NINT(n/2)个子模块切换至正向投入；若当前输出电平指令与上一时刻保持不变，则将反向投入电压最大子模块与正向投入最小子模块状态互换；若当前输出电平指令较上一时刻减少n个，则依次将正向投入最小的NINT(n/2)个子模块切换至反向投入。
本实施例的步骤（2）至步骤（4）中所述正向投入和反向投入子模块的具体状态可通过子模块控制器反馈给换流器阀级控制等设备获得。
其中，步骤（4）中所述NINT()为四舍五入算法；步骤（4）中所述电平指令即可大于0，也可小于0。
特别说明的是如果没有步骤（4）电平指令变化时反向或正向子模块的状态切换，桥臂输出电平数将无法保证换流器输出指令的有效跟踪；如果没有步骤（4）电平指令不变时，正向投入电压最大子模块与反向投入电压最小子模块状态互换或反向投入电压最大子模块与正向投入子模块最小子模块状态互换，子模块之间的电压平衡度将降低。
桥臂子模块电容电压平衡是换流器正常运行的基础。在采用本实施例的控制方法后，能够充分利用子模块各开关器件，尽可能实现子模块内各开关器件的开关频率保持相对一致，便于实现子模块内部的均一化设计。相比于半桥式子模块结构，在相同控制条件及控制要求下，单个器件的开关频率有所降低。所提出的平衡控制方法对正常运行及直流侧故障下均适用，无需进行控制切换（如图4-图8所示）。
如图5所示，为1.6秒时发生直流双极故障的直流电压示意图。通过本实施例的平衡控制方法，其结果如图4所示，在故障下，系统仍然可以实现功率的有效控制。以A相桥臂的子模块为例，如图6和图7所示，上桥臂子模块电容电压和下桥臂子模块的电容电压的仿真结果表示，不论是在正常运行（1.6秒之前）还是在双极故障期间（1.6秒之后）均能保持相对平衡。并且A相交流侧电流仿真图如图8所示，从图中可看出，交流侧电流不论是在正常运行期间还是在故障之后，均能实现对交流侧电流的有效控制，不会出现很大的短路电流。
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)

1.一种三相全桥模块化多电平换流器桥臂电容平衡控制方法，所述换流器由3相六个桥臂构成，每个桥臂包括1个电抗器和N个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与电网的变压器连接；另一端与另两个桥臂的级联的子模块一端连接，形成正负极母线；其特征在于，所述方法包括如下步骤：
（1）将每个桥臂中N/2个子模块正向投入，N/2个子模块反向投入；
（2）对桥臂各子模块电容电压按照子模块开关状态及电压大小依次从大到小进行排序；
（3）判断桥臂电流大小，若桥臂电流大于0，则判断子模块电压最大者是否正向投入，且正向投入子模块电压最大值与反向投入子模块电压最小值之差是否大于设定阈值I，若满足上述条件，则进行步骤（4），否则结束控制方法；若桥臂电流小于0，则判断子模块电容电压最大者是否反向投入，且反向投入子模块电压最大值与正向投入子模块电压最小值之差是否大于设定阈值II，若满足上述条件，则进行步骤（4），否则结束控制方法；
（4）判断当前输出电平指令与上一时刻输出电平指令是否存在变化，并根据桥臂电流方向控制子模块的投入方向。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4）包括：
当桥臂电流大于0：
若当前输出电平指令较上一时刻增加n个，则依次将反向投入最小的NINT(n/2)个子模块切换至正向投入；若当前输出电平指令与上一时刻保持不变，则将正向投入电压最大子模块与方正向投入最小子模块状态互换；若当前输出电平指令较上一时刻减少n个，则依次将正向投入最大的NINT(n/2)个子模块切换至反向投入；
当桥臂电流小于0：
若当前输出电平指令较上一时刻增加n个，则依次将反向投入最大的NINT(n/2)个子模块切换至正向投入；若当前输出电平指令与上一时刻保持不变，则将反向投入电压最大子模块与正向投入最小子模块状态互换；若当前输出电平指令较上一时刻减少n个，则依次将正向投入最小的NINT(n/2)个子模块切换至反向投入。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阈值I和阈值II由用户确定。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（4）按照四舍五入算法后，桥臂子模块输出电平为偶数。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）中子模块的开关状态是通过桥臂各子模块控制器监测得到。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中子模块电容电压是通过桥臂各子模块控制器监测得到。
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