CN104038060A - 柔性直流输电系统模块化多电平换流器均压方法 - Google Patents

Abstract

一种柔性高压直流输电系统模块化多电平换流器均压方法，利用模块化多电平换流器的控制系统对模块化多电平换流器进行均压控制；所述的均压方法由换流器控制保护系统CCP根据模块化多电平换流器每个桥臂所有功率模块的电压平均值、某一功率模块分组控制系统VGC所对应的功率模块的电压平均值、通过闭环调节器、桥臂电流、符号判断环节和导通模块数前馈项动态地分配每个功率模块分组控制系统VGC所需导通功率模块的数量。该方法由功率模块分组控制系统VGC实现所对应的K个功率模块电压的分布式均衡控制，换流器控制保护系统CCP只需动态地计算并分配出每个VGC所需要导通的功率模块数量。

Description

柔性直流输电系统模块化多电平换流器均压方法

技术领域

本发明涉及一种柔性高压直流输电系统模块化多电平换流器中功率模块的电压均衡控制方法。

背景技术

近年来，基于电压源换流器(Voltage Source Converter，VSC)的高压柔性直流输电系统(VSC-HVDC)以其可四象限运行、滤波器小、可向无源网络供电等诸多优点在输电领域获得了广泛关注。而模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的出现更是为柔性直流输电的发展注入了新的活力，也使得多端口直流输电系统易于实现。

用于柔性直流输电系统的模块化多电平变流器内部含有大量功率模块。为了保证模块化多电平变流器的稳定运行，必须对所有功率模块的电压进行实时控制，以保证每个功率模块的电压均在其内部元器件，特别是半导体开关器件，如IGBT、IEGT等，以及模块电容的耐压承受范围内。

另外，对应用于柔性直流输电系统中的模块化多电平变流器来说，为了提高换流器在运行过程中的可靠性，换流器内部每个桥臂中的功率模块均有冗余设置：当模块化多电平变流器在运行过程中出现某些功率模块故障，但故障模块的数量不超过设计要求范围，则这些功率模块会自行旁路，而不会影响整个模块化多电平变流器的运行或者使系统停机。例如，中国南方电网公司在广东南澳岛的全球首个±160kV三端柔性直流输电工程中，每个模块化多电平变流器的冗余功率模块数量均为10％，即每个桥臂中出现故障的功率模块数量只要不超过桥臂功率模块总数量的10％，则出现故障的功率模块会自行旁路，而整个换流器继续运行。对于模块化多电平换流器的控制系统来说，其对功率模块的电压均衡控制算法应该保证在故障的功率模块被旁路的前后均能实现良好的效果，而不应该受模块故障的影响。

模块化多电平换流器的控制系统一般包括两部分，即负责整个换流器宏观电气量(如交直流电压、电流，有功、无功功率等)控制的上层控制系统——换流器控制保护系统(CCP)和负责部分功率模块的下层控制系统——功率模块分组控制系统(VGC)。当柔性直流输电系统中的电压等级较高时，模块化多电平变流器每个桥臂中的功率模块数量将会十分巨大。例如，中国南方电网公司在广东南澳岛的全球首个±160kV三端柔性直流输电工程中的青澳换流站和金牛换流站的每个桥臂功率模块数量高达220个。这样庞大数量的功率模块使得换流器控制系统，特别是CCP的运算负担很重，需要高性能的处理器才能完成。

为了解决这一问题，相关的专利也提出了简化的算法。中国专利CN101860203A通过设定电压上、下限，将均压控制的重点放在电容电压越限的子模块上，而对电容电压未越限的子模块引入保持因子使其在一定程度上保持原来投切状态，因此可以在不明显增加功率模块电容电压波动的前提下，显著降低器件的开关频率。但是，这一方法仍然需要CCP对模块化多电平变流器每个桥臂中所有功率模块的电容电压进行排序和均衡控制，因此CCP的运算负担依然很重。同时，这一方法也不适用于模块化多电平变流器运行过程中出现功率模块故障的情况。

中国专利CN103066805A提出了一种将多个功率模块捆绑为一个捆绑模块组之后整体投切的电容电压平衡控制方法，即根据CCP提供的每个桥臂需要开通功率模块的总数量，先选择捆绑模块组的数量，再选择剩余的单个功率模块的数量。这一方法使模块化多电平换流器控制系统需要处理的功率模块数量级别下降一个级别，可以减少控制系统的运算量。但是，在某一捆绑模块组内部出现功率模块故障后，该捆绑模块组的电压将会比其余的捆绑模块组的电压显著降低，导致在对捆绑模块组电压排序及选择具体的捆绑模块组时出现问题。因此，该方法也不适用于捆绑模块组内出现功率模块故障的情况。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种柔性直流输电系统模块化多电平换流器均压方法。本发明既可以减轻控制系统的程序运算负担，也可以实现在功率模块出现故障情况下对模块电压的良好均衡控制。

本发明利用模块化多电平换流器的控制系统对模块化多电平换流器进行均压控制；所述的模块化多电平换流器的控制系统包括控制整个换流器宏观电气量的换流器控制保护系统CCP和控制部分功率模块的M个功率模块分组控制系统VGC-1、VGC-2、…、VGC-N，M为正整数。每个功率模块分组控制系统VGC负责K个功率模块的电压均衡控制，K为正整数。由换流器控制保护系统CCP根据模块化多电平换流器每个桥臂所有功率模块的电压平均值、某一功率模块分组控制系统VGC所对应的功率模块的电压平均值、通过换流器控制保护系统CCP的闭环调节器、桥臂电流、符号判断环节和导通模块数前馈项动态地分配每个功率模块分组控制系统VGC所需导通功率模块的数量。本发明可以实现换流器功率模块均衡控制算法的分布式运算，减小控制系统运算负担。另外，本发明能实现模块化多电平变流器在功率模块出现故障情况下的电压均衡控制，同时也不影响整个换流器可冗余运行的功率模块数量。

所述的换流器控制保护系统CCP计算前面M-1个分组控制系统VGC-x，x＝1，2，…，M-1需要导通的功率模块数量时，以该桥臂的所有功率模块电压平均值作为参考值，以第x功率模块分组控制系统VGC-x所对应模块的电压平均值为反馈值，参考值和反馈值两者相减之后输入给换流器控制保护系统CCP的闭环调节器，例如PI调节器。闭环调节器的计算结果提供给换流器控制保护系统CCP的符号判断环节，符号判断环节根据该桥臂电流i_arm的极性选择其输出——若i_arm为该桥臂的功率模块充电，则符号判断环节将闭环调节器的计算结果直接输出；若i_arm为该桥臂的功率模块放电，则符号判断环节将闭环调节器的计算结果反相后输出。符号判断环节的输出结果与换流器控制保护系统CCP的导通模块数前馈项相加，得到第x功率模块分组控制系统VGC-x所需要导通的功率模块数量N_{VGC-x_ON}。

所述的第x功率模块分组控制系统VGC-x中的导通模块数前馈项由下式计算得到：

N_{arm_ON}×(K-N_{fault_VGC-x})/(N_{arm_total}-N_{fault_VGC-1}-N_{fault_VGC-2}-…-N_{fault_VGC-M})

其中，N_{arm_ON}为换流器控制保护系统CCP计算得到的每个均压控制周期内每个桥臂需要导通的模块数，K为每个VGC所对应的功率模块数，N_{fault_VGC-x}为第x功率模块分组控制系统VGC-x所对应功率模块中已经发生故障的功率模块数，N_{arm_total}为该桥臂所有功率模块的数量。

换流器控制保护系统CCP根据下式计算得到第M个分组控制系统VGC-M所需导通模块的数量N_{VGC-M_ON}：

N_{VGC-M_ON}＝N_{arm_ON}-N_{VGC-1_ON}-N_{VGC-2_ON}-…-N_{VGC-(M-1)_ON}

其中，N_{arm_ON}为换流器控制保护系统CCP计算得到的每个均压控制周期内每个桥臂需要导通的模块数，N_{VGC-x_ON}为上述步骤中由换流器控制保护系统CCP计算得到的第x功率模块分组控制系统VGC-x所需要导通的功率模块数量，x＝1，2，…，M-1。

附图说明

图1为模块化多电平变流器的控制系统架构图；

图2为本发明均压方法在换流器控制保护系统CCP中的具体实现流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为模块化多电平变流器的控制系统架构图，图1所示的模块化多电平换流器的控制系统包括控制整个换流器宏观电气量的换流器控制保护系统CCP和控制部分功率模块的M个功率模块分组控制系统VGC-1、VGC-2、…、VGC-N，M为正整数。每个功率模块分组控制系统VGC负责K个功率模块的电压均衡控制，K为正整数。

图2为本发明均压方法在换流器控制保护系统CCP中的具体实现流程图。在每个均压控制周期内，首先由换流器控制保护系统CCP计算得到每个桥臂的导通模块数Narm_ON，然后换流器控制保护系统CCP根据模块化多电平换流器每个桥臂所有功率模块的电压平均值、某一功率模块分组控制系统VGC所对应的功率模块的电压平均值、桥臂电流，通过换流器控制保护系统CCP的闭环调节器、符号判断环节和导通模块数前馈项动态地分配每个功率模块分组控制系统VGC所需导通功率模块的数量。所述的均压方法由功率模块分组控制系统VGC实现所对应的K个功率模块电压的分布式均衡控制，而换流器控制保护系统CCP只需动态地计算并分配出每个VGC所需要导通的功率模块数量。

其中：

1、第x功率模块分组控制系统VGC-x所需导通模块数量的计算方法为：

换流器控制保护系统CCP计算前面M-1个分组控制系统VGC-x，x＝1，2，…，M-1需要导通的功率模块数量时，以该桥臂的所有功率模块电压平均值作为参考值，以第x功率模块分组控制系统VGC-x所对应模块的电压平均值为反馈值，参考值和反馈值两者相减之后输入给换流器控制保护系统CCP的闭环调节器，例如PI调节器。闭环调节器的计算结果提供给符号判断环节，符号判断环节根据该桥臂电流i_arm的极性选择其输出——若i_arm为该桥臂的功率模块充电，则符号判断环节将闭环调节器的计算结果直接输出；若i_arm为该桥臂的功率模块放电，则符号判断环节将闭环调节器的计算结果反相后输出。符号判断环节的输出结果与导通模块数前馈项相加得到第x功率模块分组控制系统VGC-x所需要导通的功率模块数量N_{VGC-x_ON}。

所述的第x功率模块分组控制系统VGC-x中的导通模块数前馈项由下式计算得到：

N_{arm_ON}×(K-N_{fault_VGC-x})/(N_{arm_total}-N_{fault_VGC-1}-N_{fault_VGC-2}-…-N_{fault_VGC-M})

其中，N_{arm_ON}为换流器控制保护系统CCP计算得到的每个均压控制周期内每个桥臂需要导通的模块数，K为每个功率模块分组控制系统VGC所对应的功率模块数，N_{fault_VGC-x}为第x功率模块分组控制系统VGC-x所对应功率模块中已经发生故障的功率模块数，N_{arm_total}为该桥臂所有功率模块的数量。

2、第M功率模块分组控制系统VGC-M所需导通模块数量的计算方法为：

换流器控制保护系统CCP根据下式计算得到第M个分组控制系统VGC-M所需导通模块的数量N_VGC-_{M_ON}：

N_{VGC-M_ON}＝N_{arm_ON}-N_{VGC-1_ON}-N_{VGC-2_ON}-…-N_{VGC-(M-1)_ON}

其中，N_{arm_ON}为换流器控制保护系统CCP计算得到的每个均压控制周期内每个桥臂需要导通的模块数，N_{VGC-x_ON}(x＝1，2，…，M-1)为上述步骤中由换流器控制保护系统CCP计算得到的第x功率模块分组控制系统VGC-x所需要导通的功率模块数量。

Claims (4)

1.一种柔性高压直流输电系统模块化多电平换流器均压方法，利用模块化多电平换流器的控制系统对模块化多电平换流器进行均压控制；所述的模块化多电平换流器的控制系统包括控制整个换流器宏观电气量的换流器控制保护系统CCP和控制部分功率模块的M个功率模块分组控制系统VGC-1、VGC-2、…、VGC-N，M为正整数；每个功率模块分组控制系统VGC负责K个功率模块的电压均衡控制，K为正整数，其特征在于，所述的均压方法由换流器控制保护系统CCP根据模块化多电平换流器每个桥臂所有功率模块的电压平均值、某一功率模块分组控制系统VGC所对应的功率模块的电压平均值、桥臂电流，通过闭环调节器、符号判断环节和导通模块数前馈项动态地分配每个功率模块分组控制系统VGC所需导通功率模块的数量；所述的均压方法由功率模块分组控制系统VGC实现所对应的K个功率模块电压的分布式均衡控制，换流器控制保护系统CCP动态地计算并分配出每个功率模块分组控制系统VGC所需要导通的功率模块数量。

2.如权利要求1所述的柔性高压直流输电系统模块化多电平换流器均压方法，其特征在于，所述的换流器控制保护系统CCP计算前面M-1个分组控制系统VGC-x，x＝1，2，…，M-1，需要导通的功率模块数量时，以该桥臂的所有功率模块电压平均值作为参考值，以第x功率模块分组控制系统VGC-x所对应模块的电压平均值为反馈值，将参考值和反馈值两者相减之后输入给换流器控制保护系统CCP的闭环调节器，闭环调节器的计算结果提供给换流器控制保护系统CCP的符号判断环节，符号判断环节根据该桥臂电流i_arm的极性选择其输出：若i_arm为该桥臂的功率模块充电，则符号判断环节将闭环调节器的计算结果直接输出；若i_arm为该桥臂的功率模块放电，则符号判断环节将闭环调节器的计算结果反相后输出；符号判断环节的输出结果与换流器控制保护系统CCP的导通模块数前馈项相加，得到第x功率模块分组控制系统VGC-x所需要导通的功率模块数量N_{VGC-x_ON}。

3.如权利要求2所述的柔性高压直流输电系统模块化多电平换流器均压方法，其特征在于，所述的第x功率模块分组控制系统VGC-x中的导通模块数前馈项由下式计算得到：

N_{arm_ON}×(K-N_{fault_VGC-x})/(N_{arm_total}-N_{fault_VGC-1}-N_{fault_VGC-2}-…-N_{fault_VGC-M})

其中，N_{arm_ON}为换流器控制保护系统CCP计算得到的每个均压控制周期内每个桥臂需要导通的模块数，K为每个功率模块分组控制系统VGC所对应的功率模块数，N_{fault_VGC}-_x为第x功率模块分组控制系统VGC-x所对应功率模块中已经发生故障的功率模块数，N_{arm_total}为该桥臂所有功率模块的数量。

4.如权利要求1所述的柔性高压直流输电系统模块化多电平换流器功率模块均压方法，其特征在于，所述的换流器控制保护系统CCP根据下式计算得到第M个分组控制系统VGC-M所需导通模块的数量N_{VGC-M_ON}：

N_{VGC-M_ON}＝N_{arm_ON}-N_{VGC-1_ON}-N_{VGC-2_ON}-…-N_{VGC-(M-1)_ON}

其中，N_{arm_ON}为换流器控制保护系统CCP计算得到的每个均压控制周期内每个桥臂需要导通的模块数，N_{VGC-x_ON}为换流器控制保护系统CCP计算得到的第x功率模块分组控制系统VGC-x所需要导通的功率模块数量，，x＝1，2，…，M-1。