CN103280952B - 一种模块化多电平换流器的控制系统及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化多电平换流器的控制系统及其应用方法。模块化多电平换流器的控制系统包括一个主控制单元、<i>M</i>₁个桥臂控制单元、一组高速数字总线、一组通讯总线；每个桥臂控制单元包括<i>M</i>₂个阀组控制单元，各个阀组控制单元通过光纤控制本阀组内子模块的投入、切除、旁路以及闭锁，并且实现与子模块在电气上的隔离。模块化多电平换流器子模块电压均衡算法由阀组内均压和阀组间均压两部分构成。本发明用于控制并管理模块化多电平换流器子模块的投入、切除、旁路以及闭锁，实现模块化多电平换流器子模块电压的均衡，适用于模块化多电平换流器子模块数量庞大的应用场合，可以大幅降低控制系统的设计难度，具有模块化设计、扩展性能好的特点。

Description

一种模块化多电平换流器的控制系统及其应用方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术、测控技术和电力系统领域，尤其涉及一种模块化多电平换流器的控制系统设计方案。

背景技术

柔性直流输电技术被认为是多端直流输电、可再生能源发电并网以及交流系统异步互联的一种理想解决方案。常规的柔性直流输电技术，其换流器拓扑基本采用两电平电压源换流器或者三电平电压源换流器，存在du/dt高、开关损耗大等缺点。与两电平电压源换流器或者三电平电压源换流器相比，模块化多电平换流器具有输出电压电平数高、谐波特性好、模块化设计、易于扩展以及开关损耗小等优点，因而特别适合于柔性直流输电技术。

模块化多电平换流器的各个子模块需要独立工作，并且与控制系统在电气上完全隔离(工程上一般采用光纤进行隔离)。在高压、大功率应用场合中，如高压直流输电、柔性交流输电，模块化多电平换流器的一个桥臂通常由几百个子模块级联而成，例如已经投入运行的美国TransBayCableProject，其模块化多电平换流器的一个桥臂有200个子模块。如此多的子模块导致控制系统在硬件设计上非常复杂，且控制任务繁多，为模块化多电平换流器控制系统的设计和实现带来难度。常规的控制系统方案是：将模块化多电平换流器的所有子模块交由一块FPGA进行管理和控制，该方案虽然结构简单、易于开发，但是控制系统所能控制的子模块数严重受制于FPGA的规模。对于模块化多电平换流器的主桥路而言，可以通过级联不同数量的子模块来匹配不同的电压等级和功率等级，实现主桥路的模块化设计，但是常规的控制系统方案却不能通过简单的扩展来匹配不同的电压等级和功率等级，需要重新设计控制系统的硬件平台、重新选择FPGA。在大量子模块数的应用场合中，常规控制系统方案中FPGA的选型、控制系统的研发均存在较大的难度。

发明内容

本发明旨在提供一种模块化多电平换流器的控制系统及其应用方法，特别适用于大功率电力电子设备制造技术、电力传动技术、柔性交流输电技术以及高压直流输电技术等领域。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种模块化多电平换流器的控制系统，包括一个主控制单元、M₁个桥臂控制单元，M₁等于模块化多电平换流器的桥臂数量、一组高速数字总线、一组通讯总线；每个桥臂控制单元包括M₂个阀组控制单元，各个阀组控制单元通过光纤控制本阀组内N个子模块的投入、切除、旁路以及闭锁，并且实现与子模块在电气上的隔离；主控制单元和各个阀组控制单元通过高速数字总线和通讯总线连接。

所述的主控制单元的核心组成包括数字信号处理器、dSPACE、FPGA、实施控制计算机及其它用于换流器控制的处理器中的一种或多种，负责完成模块化多电平换流器系统级的控制任务以及系统级的保护。

所述的阀组控制单元的核心组成为FPGA，负责完成本阀组内所有子模块电压的采集、均衡以及子模块的投入、切除、旁路、闭锁。

所述的模块化多电平换流器的控制系统的应用方法包括一种新型的模块化多电平换流器子模块电压均衡算法；该算法包括阀组内均压和阀组间均压；阀组内均压负责各个阀组内部子模块电压的均衡；阀组间均压负责一个桥臂内部各个阀组之间子模块电压平均值的均衡。

以模块化多电平换流器的一个桥臂为例，所述的阀组间均压的过程为：

1)利用式(1)～(4)计算出N₁、N₂、N_VG1和N_VG2；N_a为本桥臂期望投入的子模块数，N₁、N₂、N_VG1和N_VG2为中间变量；INI(x)为取整函数，即舍去x小数部分；

N₁＝INT(N_a/M₂)(1)

N₂＝N_a-M₂×N₁(2)

N_VG1＝N₁(3)

$N_{VG2}=\left\{\begin{array}{cc}{N}_1& (N_2=0)\\ N_1+1& (N_2>0)\end{array}\right.---\left(4\right)$

2)对本桥臂内各个阀组的子模块电压平均值U₁，U₂,…,U_M1进行排序；

3)若N₂＝0，则本桥臂内每个阀组期望投入N_VG1个子模块；

4)若N₂>0，则依据当前桥臂电流方向i分配子模块数；当i>0时，子模块电容充电，本桥臂内子模块电压平均值较低的N₂个阀组投入N_VG2个子模块，其余阀组投入N_VG1个子模块；当i<0时，子模块电容放电，本桥臂内子模块电压平均值较高的N₂个阀组投入N_VG2个子模块，其余阀组投入N_VG1个子模块。

所述的阀组内均压的过程为：根据本阀组当前的桥臂电流方向i、本阀组内各个子模块电压的排序结果以及本阀组需要投入的子模块数N_v，来确定本阀组内各个子模块的触发脉冲；若i>0，子模块电容充电，选择投入本阀组内N_v个子模块电压较低的子模块，剩余N-N_v个子模块切除；若i<0，子模块电容放电，选择投入本阀组内N_v个子模块电压较高的子模块，剩余N-N_v个子模块切除。

本发明的有益效果在于：本发明用于控制并管理模块化多电平换流器子模块的投入、切除、旁路以及闭锁，实现模块化多电平换流器子模块电压的均衡，适用于模块化多电平换流器子模块数量庞大的应用场合，可以大幅降低控制系统的设计难度并且缩短控制系统的研发周期，具有模块化设计、扩展性能好的特点。

附图说明

图1是本发明一种模块化多电平换流器的控制系统的结构示意图。

图2A是本发明的稳态实验验证结果(M₁＝6，M₂＝4，N＝10)的模块化多电平换流器交流端输出线电压。

图2B是本发明的稳态实验验证结果(M₁＝6，M₂＝4，N＝10)的模块化多电平换流器A相桥臂电流、交流输出电流以及环流。

图2C是本发明的稳态实验验证结果(M₁＝6，M₂＝4，N＝10)的模块化多电平换流器A相上桥臂第1个阀组内第1个子模块的电压值和下桥臂第1个阀组内第1个子模块的电压值。

实验波形各标号说明如下：U_ab,U_bc和U_ca为模块化多电平换流器交流端输出线电压；i_pa,和i_na分别为A相上、下桥臂电流；i_a和i_ca分别为A相交流输出电流和A相环流；u_cpa1和u_cna1分别为A相上桥臂第1个阀组内第1个子模块的电压值和下桥臂第1个阀组内第1个子模块的电压值。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

如图1所示，主控制单元和桥臂控制单元之间的黑色实线代表高速数字总线，黑色虚线代表通讯总线，双向箭头代表阀组控制单元与子模块之间的光纤连接。

如图1所示，一种模块化多电平换流器的控制系统包括一个主控制单元、M₁个桥臂控制单元(M₁等于模块化多电平换流器的桥臂数量)、一组高速数字总线、一组通讯总线；每个桥臂控制单元又可分为M₂个阀组控制单元，各个阀组控制单元通过光纤控制本阀组内N个子模块的投入、切除、旁路以及闭锁，并且实现与子模块在电气上的隔离。主控制单元和各个阀组控制单元通过高速数字总线和通讯总线连接。

主控制单元的核心硬件构成为数字信号处理器、dSPACE、FPGA、实施控制计算机或者其它可应用于换流器控制的处理器中的一种或者多种，主要负责完成模块化多电平换流器系统级的控制任务以及系统级的保护，如有功无功控制、定直流电压控制等；阀组控制单元的核心硬件构成为FPGA，主要负责完成本阀组内所有子模块电压的采集、均衡以及子模块的投入、切除、旁路、闭锁。

本发明模块化多电平换流器子模块电压的均衡算法包括阀组内均压和阀组间均压；其中阀组内均压负责各个阀组内部子模块电压的均衡；阀组间均压负责一个桥臂内部各个阀组之间子模块电压平均值的均衡。

主控制单元的任务是：完成模块化多电平换流器系统级的控制任务，如有功无功控制、定直流电压控制等，产生模块化多电平换流器各个桥臂的参考桥臂电压；依据参考桥臂电压，采用最近电平逼近调制、载波相移调制技术或者其它调制技术，获得模块化多电平换流器各个桥臂期望投入的子模块数；依据阀组间均压，确定模块化多电平换流器各个桥臂的各个阀组期望投入的子模块数。现以模块化多电平换流器的一个桥臂为例，说明阀组间均压的原理。假设模块化多电平换流器一个桥臂的M₂个阀组的子模块电压平均值分别为U₁，U₂,…,U_M1；该桥臂当前期望投入的子模块数为N_a；定义桥臂电流i从直流正极母线流向直流负极母线方向为正方向。阀组间均压的具体过程为：

(1)利用式(1)～(4)计算出中间变量N₁、N₂、N_VG1和N_VG2，其中，INI(x)为取整函数，舍去x小数部分；

N₁＝INT(N_a/M₂)(1)

N₂＝N_a-M₂×N₁(2)

N_VG1＝N₁(3)

$N_{VG2}=\left\{\begin{array}{cc}{N}_1& (N_2=0)\\ N_1+1& (N_2>0)\end{array}\right.---\left(4\right)$

(2)对本桥臂内各个阀组的子模块电压平均值U₁，U₂,…,U_M1进行排序；

(3)若N₂＝0，则本桥臂内每个阀组期望投入N_VG1个子模块；

(4)若N₂>0，则依据当前桥臂电流方向分配子模块数；当i>0时(子模块电容充电电流)，本桥臂内子模块电压平均值较低的N₂个阀组投入N_VG2个子模块，其余阀组投入N_VG1个子模块；当i<0时(子模块电容放电电流)，本桥臂内子模块电压平均值较高的N₂个阀组投入N_VG2个子模块，其余阀组投入N_VG1个子模块。

主控制单元获得模块化多电平换流器各个阀组期望投入的子模块数后，通过高速数字总线发送给各个阀组控制单元。

阀组控制单元的任务是：采集本阀组内所有子模块的电压；实现本阀组内子模块电压的均衡；产生本阀组内各个子模块的触发脉冲；完成本阀组内各个子模块的保护。阀组内均压具体实现本阀组内所有子模块电压的均衡，其具体做法是：根据本阀组当前的桥臂电流方向i、本阀组内各个子模块电压的排序结果以及本阀组需要投入的子模块数N_v，来确定本阀组内各个子模块的触发脉冲，即若i>0(子模块电容充电电流)，选择投入本阀组内N_v个子模块电压较低的子模块，剩余N-N_v个子模块切除；若i<0(子模块电容放电电流)，选择投入本阀组内N_v个子模块电压较高的子模块，剩余N-N_v个子模块切除。

阀组控制单元采集、监测本阀组内各个子模块的状态，并通过通讯总线将本阀组内子模块的电容电压、子模块状态上传给主控制单元。

图2A-2C为本发明的稳态实验结果。图2A中，可以看出模块化多电平换流器交流端三相线电压近乎为正弦波，由于电平数较高，所以构成电压的细小阶梯已经无法辨别。图2B中，A相交流电流近乎为正弦，畸变较小，而桥臂电流波形畸变严重；A相环流含有显著的直流分量和2次谐波分量，直流分量在2A左右，谐波环流峰值也达到约1.7A。图2C为A相上桥臂第1个阀组内第1个子模块和下桥臂第1个阀组内第1个子模块的电压值，可以看出，子模块电压在10±10％V附近波动，符合工程实际。

Claims (1)

1.一种模块化多电平换流器的控制系统的模块化多电平换流器的子模块电压均衡算法，其特征在于：

所述的模块化多电平换流器的控制系统，包括一个主控制单元、M₁个桥臂控制单元，M₁等于模块化多电平换流器的桥臂数量、一组高速数字总线、一组通讯总线；每个桥臂控制单元包括M₂个阀组控制单元，各个阀组控制单元通过光纤控制本阀组内N个子模块的投入、切除、旁路以及闭锁，并且实现与子模块在电气上的隔离；主控制单元和各个阀组控制单元通过高速数字总线和通讯总线连接；

所述的主控制单元的核心组成包括数字信号处理器、数字空间dSPACE、FPGA、计算机及其它用于换流器控制的处理器中的一种或多种，负责完成模块化多电平换流器系统级的控制任务以及系统级的保护；

所述的阀组控制单元的核心组成为FPGA，负责完成本阀组内所有子模块电压的采集、均衡以及子模块的投入、切除、旁路、闭锁；

所述的模块化多电平换流器的子模块电压均衡算法包括阀组内均压和阀组间均压；阀组内均压负责各个阀组内部子模块电压的均衡；阀组间均压负责一个桥臂内部各个阀组之间子模块电压平均值的均衡；

对于模块化多电平换流器的一个桥臂，所述的阀组间均压的过程为：

1)利用式(1)～(4)计算出中间变量N₁、N₂、N_VG1和N_VG2；N_a为本桥臂期望投入的子模块数；INT(x)为取整函数，即舍去x小数部分；

N₁＝INT(N_a/M₂)(1)

N₂＝N_a-M₂×N₁(2)

N_VG1＝N₁(3)

$N_{VG2}=\left\{\begin{array}{cc}{N}_1& (N_2=0)\\ N_1+1& (N_2>0)\end{array}\right.---\left(4\right)$

2)对本桥臂各个阀组的子模块电压平均值U₁，U₂,…,U_M2进行排序；

3)若N₂＝0，则本桥臂每个阀组期望投入N_VG1个子模块；

4)若N₂>0，则依据当前的桥臂电流方向i分配子模块数；当i>0时，子模块电容充电，本桥臂内子模块电压平均值较低的N₂个阀组投入N_VG2个子模块，其余阀组投入N_VG1个子模块；当i<0时，子模块电容放电，本桥臂内子模块电压平均值较高的N₂个阀组投入N_VG2个子模块，其余阀组投入N_VG1个子模块；

所述的阀组内均压的过程为：根据本阀组当前的桥臂电流方向i、本阀组内各个子模块电压的排序结果以及本阀组需要投入的子模块数N_v，来确定本阀组内各个子模块的触发脉冲；若i>0，子模块电容充电，选择投入本阀组内N_v个子模块电压较低的子模块，剩余N-N_v个子模块切除；若i<0，子模块电容放电，选择投入本阀组内N_v个子模块电压较高的子模块，剩余N-N_v个子模块切除。