CN104269838B - 一种柔性直流输电系统的阀级控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性直流输电系统的阀级控制方法，属于电力电子及用户电力技术领域。本发明通过将阀级设备接收到的三相调制信号，经过相关运算得到上下桥臂应该投入的子模块数，然后将采集回来的子模块电容电压值按照从小到大的顺序进行排序，最后判断桥臂电流的方向，如果是充电电流则投入电容电压较小的子模块，如果是放电电流则投入电容电压较大的子模块。本发明的阀级控制方法能够在明显降低排序算法所占用时间的同时保持电容电压均衡，保证阀级控制周期达到微秒级的水平下，能够有效的维持所有桥臂子模块电容电压处于同一水平，且交流输出电压谐波含量低，有利于减少系统的损失，也降低了工程造价。

Description

一种柔性直流输电系统的阀级控制方法

技术领域

本发明涉及一种柔性直流输电系统的阀级控制方法，属于电力电子及用户电力技术领域。

背景技术

相对于传统的柔性直流输电系统（基于IGBT串联技术），基于模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)的柔性直流输电系统因其结构简单，易于工程实施等特点在近年来引起了国内外专家学者的广泛关注。

MMC拓扑结构中一个重要的特点是将储能电容放到了串联的子模块当中。这带来了一系列的问题，比如由于桥臂电流的存在，使得各个子模块的电容电压时刻在变化，如何保持每个子模块的电容电压稳定成为一个技术难点，且随着电平数的增多，传统高压直流的阀基电子设备已不适用，故需增加专门的阀级控制来实现子模块电容电压的均衡控制。由于电平数很高的情况下，阀级控制器需在短时间内处理大量数据，故还需将调制算法、排序算法和选择算法协同考虑，以达到降低控制周期的目的。由于柔性直流输电系统拓扑结构上的对称性，阀级控制算法适用于整流侧和逆变侧，且可以根据不同电平数的柔性直流输电系统进行灵活调整，随着电平数的增多，并不会明显增加阀级控制器的控制周期。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性直流输电系统的阀级控制方法，以解决目前阀级控制过程在电平数很高的情况下需要在短时间内处理大量数据的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供1.一种柔性直流输电系统的阀级控制方法，其特征在于，该阀级控制方法的步骤如下：

1）根据柔性直流输电系统中阀级设备极控下发的信号，确定阀级设备各相上下桥臂实际投入的子模块数Nu和N1，Nu表示上桥臂应投入的子模块数，N1表示下桥臂投入的子模块数；

2）将接收到的阀级设备各相上下桥臂的子模块电容电压分别按照从小到大的顺序进行排序；

3）根据桥臂电流方向和电压排序结果，选择投入相应的子模块个数，如果桥臂的电流方向为充电电流，则投入电容电压较低的Nu或N1个子模块，如果桥臂的电流方向为放电电流，则投入电容电压较高的Nu或N1个子模块。

所述的步骤1）中换流阀各相上下桥臂实际投入的子模块数的计算过程如下：

A.将阀级设备极控下发的调制信号Mod_refj,j=a,b,c扩大N/2倍，即其中N为一个桥臂不含冗余模块对应的子模块总数，j代表相；

B.将Mod_step1信号向上偏移N/2，即

C.将Mod_step2信号取整，得到上桥臂投入子模块数Nuj，由于在柔性直流输电系统中Nuj+Nlj=N，故下桥臂投入子模块数Nlj=N-Nuj，即

N_uj=round(Mod_step2)

N_lj=N-N_uj

其中Nuj代表j相的上桥臂投入的子模块数，Nlj代表j相的下桥臂投入的子模块数。

所述步骤2）中对每相上下桥臂子模块电容电压的排序过程如下：

a.分别查看各个子模块电容电压，将比其电容电压小的子模块的个数记录下来，得到序号M1、M2、M3…MN；

b.将得到的序号M1、M2、M3…MN的大小进行排序。

所述步骤3）中选择投入相应的子模块过程如下：

如果桥臂上的电流方向为充电电流时，投入排序过程中序号比Nu或N1小的子模块，即电容电压较低的子模块，若为放电电流，选择算法投入排序算法序号中比（N-Nu）或（N-N1）大的子模块，即电容电压较高的子模块。

所述排序过程可根据应用电平数的不同既可以串行执行也可以并行执行。

本发明的有益效果是:本发明通过将阀级设备接收到的三相调制信号，经过相关运算得到上下桥臂应该投入的子模块数，然后将采集回来的子模块电容电压值按照从小到大的顺序进行排序，最后判断桥臂电流的方向，如果是充电电流则投入电容电压较小的子模块，如果是放电电流则投入电容电压较大的子模块。本发明的阀级控制方法能够在明显降低排序算法所占用时间的同时保持电容电压均衡，保证阀级控制周期达到微秒级的水平下，能够有效的维持所有桥臂子模块电容电压处于同一水平，且交流输出电压谐波含量低，有利于减少系统的损失，也降低了工程造价。

附图说明

图1是本发明实施例中的柔性直流输电系统的基本结构图；

图2是本发明柔性直流输电系统的阀级控制方法原理图；

图3是本发明实施例中调制算法给出的投入子模块数的波形示意图；

图4是采用本发明实施例中阀级控制方法的输出的交流电压示意图。

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说明。

本发明的柔性直流输电系统由三相六个桥臂构成，每个桥臂由耦合或者非耦合的电感和N个完全相同的子模块级联构成。每个子模块包含两个IGBT，两个反向二极管和一个直流电容组成，结构如图1所示，直流电流和上下桥臂电流流向如图1所示，该柔性直流输电系统的阀级控制方法由调制算法、排序算法和选择算法组成，具体原理见图2，该柔性直流输电系统的阀级控制方法包括以下步骤：

1根据柔性直流输电系统中阀级设备极控下发的信号，确定阀级设备各相上下桥臂实际投入的子模块数。该过程是将极控下发的调制信号转化为应投入的子模块个数。

本实施例利用阀级调制算法计算阀级设备各相应相上下桥臂实际投入子模块数Nuj、Nlj，

接收阀级设备极控下发的标幺化调制参考信号（Mod_refj,j=a,b,c）,将接收到的极控下发的调制信号Mod_refj,j=a,b,c扩大N/2倍，即

$\mathrm{Mod}\_\mathrm{step}1=\frac{N}{2}*\mathrm{Mod}\_\mathrm{refj};$

将Mod_step1信号向上偏移N/2，即

$\mathrm{Mod}\_\mathrm{step}2=\frac{N}{2}+\mathrm{Mod}\_\mathrm{step}1;$

将Mod_step2信号取整，得到上桥臂投入子模块数Nuj，由于在柔性直流输电系统中Nuj+Nlj=N，故下桥臂投入子模块数Nlj=N-Nuj，即

N_uj=round(Mod_step2)

N_lj=N-N_uj

其中N为一个桥臂不含冗余模块对应的子模块总数，j代表相，Nuj代表j相的上桥臂投入的子模块数，Nlj代表j相的下桥臂投入的子模块数。采用本调制算法得到的投入子模块数如图3所示。

2.利用排序算法将接收到的相应相上下桥臂子模块电容电压进行分别按照从小到大的顺序进行排序，即上桥臂子模块电容电压单独排序，下桥臂子模块电容电压单独排序。

具体实现方式如下（由于拓扑结构的对称性，以A相上桥臂说明）：将第1个子模块电容电压与其余N-1个子模块电容电压进行比较，记录比第1个子模块电容电压小的子模块电容电压的个数M1；将第2个子模块电容电压与其余N-1个子模块电容电压进行比较，记录比第2个子模块电容电压小的子模块电容电压的个数M2，其余依次类推，得到序号M1、M2、M3…MN，从而实现子模块电容电压从小到大排序，该排序方法减少了排序所占用时间，最终将得到N个数据（M1-MN）传输给选择算法使用。

3.利用选择算法根据相应桥臂电流（Iuj、Ilj，j=a，b，c）方向，选择投入Nuj、Nlj个子模块。

具体实现方式如下：如果相应相上桥臂电流方向为充电电流，此时选择投入排序中比Nu小的子模块，即电容电压较低的子模块；若相应相上桥臂电流方向为放电电流，此时选择投入排序中序号比（N-Nu）大的子模块，即电容电压较高的子模块；同理，对于下桥臂，如果相应相下桥臂电流方向为充电电流，此时选择投入排序中序号比N1小的子模块，即电容电压较低的子模块；若相应相下桥臂电流方向为放电电流，此时选择投入排序中序号比（N-N1）大的子模块，即电容电压较高的子模块，从而得到相应子模块的控制信号（Sm_ctluj1-Sm_ctlujn,Sm_ctllj1-Sm_ctlljn），保证输出交流电压质量的同时也能保证子模块电容电压处于同一水平，如图4所示。

上述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种柔性直流输电系统的阀级控制方法，其特征在于，该阀级控制方法的步骤如下：

1)根据柔性直流输电系统中阀级设备极控下发的信号，确定阀级设备各相上下桥臂实际投入的子模块数Nu和N1，Nu表示上桥臂应投入的子模块数，N1表示下桥臂投入的子模块数；

2)将接收到的阀级设备各相上下桥臂的子模块电容电压分别按照从小到大的顺序进行排序；

3)根据桥臂电流方向和电压排序结果，选择投入相应的子模块个数，如果桥臂的电流方向为充电电流，则投入电容电压较低的Nu或N1个子模块，如果桥臂的电流方向为放电电流，则投入电容电压较高的Nu或N1个子模块。

2.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统的阀级控制方法，其特征在于，所述的步骤1)中换流阀各相上下桥臂实际投入的子模块数的计算过程如下：

A.将阀级设备极控下发的调制信号Mod_refj,j＝a,b,c扩大N/2倍，即其中N为一个桥臂不含冗余模块对应的子模块总数，j代表相；

B.将Mod_step1信号向上偏移N/2，即

C.将Mod_step2信号取整，得到上桥臂投入子模块数Nuj，由于在柔性直流输电系统中Nuj+Nlj＝N，故下桥臂投入子模块数Nlj＝N-Nuj，即

N_uj＝round(Mod_step2)

N_lj＝N-N_uj

其中Nuj代表j相的上桥臂投入的子模块数，Nlj代表j相的下桥臂投入的子模块数。

3.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统的阀级控制方法，其特征在于，所述步骤2)中对每相上下桥臂子模块电容电压的排序过程如下：

a.分别查看各个子模块电容电压，将比其电容电压小的子模块的个数记录下来，得到序号M1、M2、M3…MN；

b.将得到的序号M1、M2、M3…MN的大小进行排序。

4.根据权利要求3所述的柔性直流输电系统的阀级控制方法，其特征在于，所述步骤3)中选择投入相应的子模块过程如下：

如果桥臂上的电流方向为充电电流时，投入排序过程中序号比Nu或N1小的子模块，即电容电压较低的子模块，若为放电电流，选择算法投入排序算法序号中比(N-Nu)或(N-N1)大的子模块，即电容电压较高的子模块。

5.根据权利要求3所述的柔性直流输电系统的阀级控制方法，其特征在于，所述排序过程根据应用电平数的不同既可以串行执行也可以并行执行。