CN104065290B - 模块化多电平换流器电平数倍增方法及启动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及模块化多电平换流器电平数倍增方法及启动方法。该控制方法在不考虑冗余控制时仅需将每个桥臂中的至少三个子模块控制在额定模块电容电压(简称模块电压)的一半，从而依靠输出一半子模块电压实现电平数翻倍的效果。半压子模块(HVSM)集合参与全压子模块(FVSM)的均压控制，同时半压子模块内部进行均压，维持两种子模块的电压稳定。方法易于实现，不需进行任何拓扑和调制策略的改变，且不影响全压子模块的控制及均压效果。在该方法控制下，单桥臂N个子模块的换流器能从N+1电平提升至2N‑2电平，电平数提升了近一倍。
Description
技术领域
本发明涉及一种半桥式子模块模块化多电平换流器电平数倍增方法及启动方法。
背景技术
随着全控型电力电子器件的发展和电力电子技术在电力系统中的应用，基于电压源换流器的柔性直流输电技术日益受到重视。模块化多电平换流器是柔性直流输电系统应用中电压源换流器的一种，它由多个半桥或全桥式子模块按照一定的方式连接而成，通过分别控制各个子模块IGBT组件的投入和切除状态使换流器输出的交流电压逼近正弦波，实现能量的高效传输。
模块化多电平换流器在小功率场合的应用，会遇到模块数较少导致的系统电平数较少，交流输出阀侧电压、电流谐波较大的问题。由此加大了电力滤波器成本，且降低了并网电能质量。若增大模块数，会使阀控系统更为复杂，难以提高控制频率，且增加了子模块的投资。本发明在小功率场合具备很好的应用前景。
压接式IGBT串联构成高压子模块，在高压大容量柔性直流输电系统中有很好的应用前景。但高压子模块的应用同样会遇到子模块数过少，系统电平数低的问题。
电平数少，谐波问题较严重。电平数与子模块数有直接关系，子模块数越多，电平数越多，同时电平数还受处罚频率与输出电压调制臂的影响。
《A novel topology and control strategy of modular multilevel converter》(上海交大)的论文中曾提出了一种通过每桥臂增加一个全桥子模块方法，该方法将全桥子模块控制在半桥子模块额定电压的一半，实现了电平数翻倍的效果。同时利用全桥子模块具备正负两种投入方式，控制模块电容的充放电，可以达到维持模块电压的作用。
上述方法需要借助对换流器硬件部分的改进，成本高，控制复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种，用以解决现有技术需要借助硬件改进、控制复杂的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
一种半桥式子模块模块化多电平换流器电平数倍增方法，至少三个子模块控制为半压子模块，其余子模块控制为全压子模块；半压子模块中，一个为增电平半压模块，用于提供系统需要的一半模块额定电压，两个控制为均压半压模块，作为整体，用于参与全压子模块的控制及均压。
当系统需要输出的桥臂电压为模块电压整倍数时，增电平半压模块设置为切除状态，全压子模块与两个均压半压模块需要投入个数为桥臂电压除以额定子模块电压的数值。
当电流方向为正时，投入电容电压较低的子模块；当电流方向为负时，投入电容电压较高的子模块。
当系统需要输出的桥臂电压超过一半模块的电压时，增电平半压模块设置为投入状态，全压子模块及两个均压半压模块整体需要的投入个数需向下取整。
两个均压半压模块作为整体参与全压子模块均压时，使用的电压值为3个半压模块电压均值二倍。
启动方法为：首先进行不控整流充电至稳定；然后进行软启均压控制，将半压子模块调整至额定子模块电压的一半，全压子模块继续充电至额定子模块电压。
软启均压控制中，需要闭锁子模块个数由阀侧线电压除以子模块额定电压的数值决定；同时确定全压子模块的切除个数n，及增电平半压模块的驱动状态；当电流方向为正时，切除电容电压较高的n个子模块；当电流方向为负时，切除电容电压较低的n个子模块。
本发明的控制方法在不考虑冗余控制时仅需将每个桥臂中的3个子模块控制在额定模块电容电压(简称模块电压)的一半，从而依靠输出一半子模块电压实现电平数翻倍的效果。半压子模块(HVSM)集合参与全压子模块(FVSM)的均压控制，同时半压子模块内部进行均压，维持两种子模块的电压稳定。方法易于实现，不需进行任何拓扑和调制策略的改变，且不影响全压子模块的控制及均压效果。在该方法控制下，单桥臂N个子模块的换流器能从N+1电平提升至2N-2电平，电平数提升了近一倍。为了适应实际工程的需求，本发明提出了该控制方法专用的启动控制策略，在正常运行前将全压子模块和半压子模块充电至额定子模块电压和半额定电压。为提高工程系统的可靠性，本发明提出了冗余控制策略，在部分半压子模块出现故障时，保证系统持续正常运行。冗余方法实现简单，对原方法的改动小，且具备较好的扩展性。
附图说明
图1为模块化多电平换流器结构图；
图2为本发明正常运行控制方法(3个半压模块)结构图；
图3为本发明冗余控制方法结构图；
图4为正常运行工况新方法与传统方法仿真对比波形；
图5为正常运行工况新方法子模块电压仿真波形；
图6为屏蔽桥臂环流抑制功能时阀侧交流电压仿真对比波形；
图7为启动控制的仿真波形；
图8为冗余控制的仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
作为本发明的一种实施方式，如图1所述半桥子模块多电平换流器，在不考虑冗余控制时，本发明仅需将三个子模块控制在全压子模块额定电压的一半，从而依靠输出一半子模块电压实现电平数翻倍的效果。
由于桥臂电流中存在一定的直流分量，导致在电流正负半周时为半压子模块充放电的电量不同。当系统工作在0.85的空载调制度时，系统在额定有功功率、零无功功率的最恶劣工况运行时，桥臂电流为单个子模块充放电电量之比将达到4倍以上。半压子模块均压控制中，应根据系统充放电电量调节投入的半压子模块个数，以保证半压子模块整体的充放电电量平衡。
该工况下，若仅使用一到两个半压子模块，难以在不牺牲控制性能的前提下，保证半压子模块电压稳定，同时达到电平数翻倍的效果。因此本文将三个半桥子模块控制在一般全压子模块额定电压。
三个半压子模块中有一个子模块(简称增电平半压模块)用于提供系统需要的一半模块额定电压，另外两个子模块(简称均压半压模块)作为整体参与到全压子模块的控制及均压。
增电平半压模块并非固定由某一个子模块充当，而是由三个半压模块的均压策略决定。
当系统需要输出的桥臂电压为模块电压整倍数时，增电平半压模块设置为切除状态，全压子模块(包括两个均压半压模块整体)需要投入个数与传统控制方法相同，为桥臂电压除以额定子模块电压的数值。
当系统需要输出的桥臂电压含一半模块电压时，增电平半压模块设置为投入状态，全压子模块(包括两个均压半压模块整体)需要的投入个数需向下取整，例如桥臂电压为5.5倍额定模块电压时，需投入5个全压子模块。
全压子模块的均压策略如下，当电流方向为正时，投入电容电压较低的子模块；当电流方向为负时，投入电容电压较高的子模块。投入个数上文已确定，其他子模块切除。
两个均压半压模块作为整体参与全压子模块均压时，使用的电压值为3个半压模块电压均值二倍。
全压子模块均压策略可以得到所有全压子模块的驱动状态，及两个均压半压模块的驱动状态。
由不同功能半压模块的驱动状态确定半压模块的总切除数。相同的软启均压策略控制下，将驱动状态分配给3个半压模块，即可实现半压模块的均压。
全压子模块和半压子模块按上述均压策略执行，既能保证全压子模块之间电压均衡，3个半压子模块电压均衡，且半压模块电压值能够很好的控制在全压子模块电压的一半。
在该方法控制下，单桥臂N个子模块的换流器能从N+1电平提升至2N-2电平，接近提升了一倍。
正常运行中，系统需要半压子模块电压维持在全压子模块电压值的一半。故该控制方法下换流器不能使用传统的启动方法，专用启动方法如下：
首先进行不控整流充电至稳定，稳定后所有子模块电压(包括半压子模块)基本保持一致。之后需要进行软启均压控制，将半压子模块调整至额定子模块电压的一半，全压子模块继续充电至额定子模块电压。
具体实现如下：子模块充电至额定电压需要闭锁子模块个数由阀侧线电压除以子模块额定电压的数值决定。同时确定了切除子模块个数(个数均近似取为0.5整倍数)。由此可以确定全压子模块的切除个数n，及增电平半压模块的驱动状态。
含均压半压模块整体的全压子模块软启均压策略为，当电流方向为正时，切除电容电压较高的n个子模块；当电流方向为负时，切除电容电压较低的n个子模块。根据均压结果可得全压子模块的驱动状态，和两个均压半压模块的驱动状态。
由不同功能半压模块的驱动状态确定半压模块的总切除数。相同的软启均压策略控制下，将驱动状态分配给3个半压模块，即可完成软启均压控制。
实施例2
如图3所示为冗余系统的控制框图，由于需要应用冗余设计来增加系统工作可靠性。全压子模块冗余控制在传统方法中已经有应用，本发明仅分析半压子模块冗余的控制方法。
控制方法与实施例1基本相同，区别在于半压子模块数量是M个，多于3各，其中3个按照实施例方式进行控制，M-3个作为冗余半压模块。
将冗余半压模块与工作半压模块一起进行控制、均压，冗余方法(见图3)是上述方法基础上进行改进，下文只阐述改进部分。
冗余半压模块参与半压模块的整体均压控制，但半压模块投入个数计算时，不考虑冗余半压模块，依然按只有3个半压模块的方法确定。
在全压子模块的均压控制中，依然选用2个半压均压子模块作为一个整体参与到全压子模块的均压中。但该整体电压取所有(M个)半压模块电压平均值的二倍。
对故障半压子模块的处理可按全压子模块故障处理方式执行。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种半桥式子模块模块化多电平换流器电平数倍增方法，其特征在于，至少三个子模块控制为半压子模块，其余子模块控制为全压子模块；半压子模块中，一个为增电平半压模块，用于提供系统需要的一半单个全压子模块额定电压，两个控制为均压半压模块，作为整体，用于参与全压子模块的控制及均压。
2.根据权利要求1所述的半桥式子模块模块化多电平换流器电平数倍增方法，其特征在于，当系统需要输出的桥臂电压为模块电压整倍数时，增电平半压模块设置为切除状态，全压子模块与两个均压半压模块需要投入个数为桥臂电压除以额定子模块电压的数值。
3.根据权利要求2所述的半桥式子模块模块化多电平换流器电平数倍增方法，其特征在于，当系统需要输出的桥臂电压超过一半模块的电压时，增电平半压模块设置为投入状态，全压子模块及两个均压半压模块整体需要的投入个数需向下取整。
4.根据权利要求2所述的半桥式子模块模块化多电平换流器电平数倍增方法，其特征在于，两个均压半压模块作为整体参与全压子模块均压时，使用的电压值为3个半压模块电压均值二倍。
5.根据权利要求1所述的半桥式子模块模块化多电平换流器电平数倍增方法，其特征在于，在实施所述半桥式子模块模块化多电平换流器电平数倍增方法时，首先进行不控整流充电至稳定；然后进行软启均压控制，将半压子模块调整至额定子模块电压的一半，全压子模块继续充电至额定子模块电压。
6.根据权利要求5所述的半桥式子模块模块化多电平换流器电平数倍增方法，其特征在于，软启均压控制中，需要闭锁子模块个数由阀侧线电压除以额定子模块电压的数值决定；同时确定全压子模块的切除个数n，及增电平半压模块的驱动状态。
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