CN104917415A - 一种混合模块化多电平换流器的直流故障穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合模块化多电平换流器的直流故障穿越控制方法。本发明的控制方法通过控制桥臂中半桥和全桥结构子模块投入和切除，实现在稳态期间桥臂内半桥和全桥结构子模块电容电压的平衡；实现暂态直流故障期间交直流电流电压的有效控制。基于有效运行的半桥和全桥结构子模块，通过跟踪同桥臂内半桥结构子模块和全桥结构子模块电容电压，以及监测直流侧故障状态，动态分配同桥臂内半桥结构子模块和全桥结构子模块投入数指令。本发明实现了稳态期间混合型模块化多电平换流器各桥臂内半桥和全桥结构子模块的电压平衡控制，同时保证了对直流双极故障期间交流侧电流的有效控制，能够保证换流器的持续运行，不会因故障导致换流器闭锁。

Description

一种混合模块化多电平换流器的直流故障穿越控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统柔性直流输电技术领域，具体涉及一种混合模块化多电平换流器的直流故障穿越控制方法。

背景技术

半桥和全桥结构子模块混合型模块化多电平变流器(Cell Hybrid Modular MultilevelConverter，CH-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)分为两种。一种是由两个带有反并联二极管的可关断电力电子开关器件和一个电容器构成的半桥结构子模块（Half Bridge Sub-Module，HBSM，图1中的3）；另一种是由四个带有反并联二极管的可关断电力电子开关器件和一个电容器构成的全桥结构子模块（Full Bridge Sub-Module，FBSM，图1中的4）。若干个半桥结构子模块级联构成了一个半桥结构子模块阀段（HBSM Valve）；若干个全桥结构子模块级联构成了一个全桥结构子模块阀段（FBSM Valve）；半桥结构子模块阀段、全桥结构子模块阀段和一个桥臂电抗器串联构成了换流桥臂(Converter Leg)，上下对称的换流桥臂则构成了一个相单元(Phase Module或Phase Unite，图1中的2)。同H桥臂级联多电平结构类似，其由包含A、B、C（或a、b、c）三个相单元。

正常运行时，子模块混合型模块化多电平换流器通过控制半桥中两个开关期间的开通和关断，以及全桥中四个开关期间的开通和关断，控制各桥臂子模块的投入和切除数，得到不同的桥臂输出电压。同相内，通过控制上下桥臂输出电压，得到不同的交流输出电压。三相投入的子模块电压及桥臂电抗上压降共同构成了直流电压。由此可见，桥臂内半桥和全桥结构子模块的电容电压平衡直接关系到换流器交直流输出电压质量。

在直流侧发生暂时性双极短路故障时，通过控制并调整各桥臂中半桥和全桥结构子模块组输出电压指令来得以实现。与正常运行所不同的是，在此阶段半桥结构子模块组的输出电压指令将设定为0；交流侧输出电压将全部由全桥结构子模块来承担，同相内上下桥臂全桥输出电压指令为换流器输出电压指令的一半。

赵成勇、刘兴华等人的“一种模块化多电平换流器的子模块分组均压控制方法”（申请号：201210451946.0），提出了一种桥臂分组子模块电压平衡的控制方法。该方法通过对各桥臂子模块进行同等数量分组，并计算各分段的能量平衡因子，确定各组投入子模块数来实现同桥臂内子模块的相对均衡。但是，需要指出的是，上述控制方法仅适用于各分段内子模块数量一致的场合，当分段内子模块数量由于子模块故障等因素而减少时或各分段间模块数量存在较大差异时，该文所提出的控制方案将不再适用，需进行一定的改进。

赵成勇、刘兴华等人的“一种建立模块化多电平换流器的混合结构模型的方法”（申请号：201210451918.9），提出了一种模块化多电平换流器的混合结构模型的方法。该混合结构换流器即由半桥和全桥结构子模块构成的混合子模块模块化多电平换流器。与本发明所涉及的换流器在结构上的不同之处在于其桥臂电抗器上并有由晶闸管构成的放电通路。在控制方法方面，文中并没有详细给出稳态期间半桥和全桥结构子模块电容电压平衡的控制方法；同时，对于瞬时直流侧故障，文中所设计的穿越方法同样需要闭锁换流器来实现。

上述两种控制方法的根本不足之处分别在于：其一，分组控制方法鲁棒性不足；其二，直流瞬时性故障仍然需要闭锁换流器。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种混合模块化多电平换流器的直流故障穿越控制方法，本发明实现了稳态期间混合型模块化多电平换流器各桥臂内半桥和全桥结构子模块的电压平衡控制，同时保证了对直流双极故障期间交流侧电流的有效控制。所提出的控制方法能够保证换流器的持续运行，不会因故障导致换流器闭锁。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种混合模块化多电平换流器的直流故障穿越控制方法，所述混合模块化多电平换流器由三相构成，每相由串联的结构相同的上下两桥臂构成；上下两桥臂的中点处连接模块化多电平换流器的交流端；

所述上下两桥臂中每个桥臂由1个电抗器、若干级联的半桥结构子模块和若干级联的全桥结构子模块组成；每个桥臂中级联的半桥结构子模块和级联的全桥结构子模块串联后的一端通过电抗器与模块化多电平换流器的交流端连接；另一端与另两相桥臂的级联的子模块一端连接，形成所述模块化多电平换流器直流端的正负极母线；

其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

（1）监测直流电压值u_dc以及桥臂电流变化率d(i_jp,n)/dt，确定直流短路故障信号Sdc值；其中j=A、B、C，分别代表A，B，C三相；p代表上桥臂，n代表下桥臂；

（2）根据短路故障信号Sdc值，判断是否发生直流双极短路故障；

（3）当没有发生直流双极短路故障时，根据桥臂内半桥结构子模块和全桥结构子模块的模块数目、桥臂电流方向以及桥臂内半桥结构子模块电容电压平均值与同桥臂内全桥结构子模块电容电压平均值的大小关系，初步确定各桥臂半桥结构子模块和全桥结构子模块投入数指令；

（4）进一步比较半桥结构子模块电容电压平均值与同桥臂内全桥结构子模块电容电压平均值的大小关系，并确定投入子模块数指令的修正量；

（5）根据步骤（4）计算得到的修正量，对桥臂内半桥结构子模块投入数指令和全桥结构子模块投入数指令分别进一步修正为n_hpnj＝n_hpnj-Δn_pnj，n_fpnj＝n_fpnj+Δn_pnj；

（6）当发生直流双极短路故障时，重新设定桥臂内半桥结构子模块和全桥结构子模块投入数指令，桥臂内半桥结构子模块投入数设定为0，全桥结构子模块投入数设定为n_fpnj＝n_hfpnj；

（7）根据上述步骤确定的子模块投入个数，半桥结构子模块和全桥结构子模块对应的阀基控制设备将最终确定桥臂内各半桥结构子模块和全桥结构子模块的开关状态，并进行触发控制，保证两种子模块电容电压的相对平衡；

（8）按照步骤（1）-（7），保证桥臂内半桥结构子模块和全桥结构子模块电容电压的相对稳定；在故障发生后，换流器能够实现对交流侧电流的有效控制，保证换流器不会因直流侧瞬时性短路故障而出现的闭锁停运。

进一步地，所述步骤（2）中，若直流短路故障信号Sdc＝1，认为没有发生直流双极短路故障；桥臂内半桥结构子模块投入模块数初步设定为n_hpnj＝Round((n_hfpnj×N_hpnj)/(N_hpnj+N_fpnj))；桥臂内全桥结构子模块投入模块数初步设定为n_fpnj＝Round((n_hfpnj×N_fpnj)/(N_hpnj+N_fpnj))；其中nh_fpnj为j相上桥臂或下桥臂投入模块数指令；N_hpnj为j相上桥臂或下桥臂中半桥结构子模块阀段正常工作的模块数；N_fpnj为j相上桥臂或下桥臂中全桥结构子模块阀段正常工作的模块数；Round()为四舍五入算法。

进一步地，所述步骤（3）中，当桥臂内半桥结构子模块投入模块数n_hpnj与桥臂内全桥结构子模块投入模块数n_fpnj之和大于半桥结构子模块投入模块数n_hfpnj时，则判断桥臂电流i_jpn大小；若i_jpn＞0，则比较桥臂内半桥结构子模块电容电压平均值u_{smhpnj_avg}与同桥臂内全桥结构子模块电容电压平均值u_{smfpnj_avg}的大小关系；若u_{smhpnj_avg}＞u_{smfpnj_avg}，则半桥结构子模块阀段投入模块数修正为n_hpnj＝n_hpnj–1；否则，全桥结构子模块阀段投入模块数修正为n_fpnj＝n_fpnj–1；若i_jpn＜0，且若u_{smhpnj_avg}＞u_{smfpnj_avg}，则全桥结构子模块阀段投入模块数修正为n_fpnj＝n_fpnj–1；否则，半桥结构子模块阀段投入模块数修正为n_hpnj＝n_hpnj–1。

进一步地，所述步骤（4）中，进一步比较半桥结构子模块电容电压平均值u_{smhpnj_avg}与同桥臂内全桥结构子模块电容电压平均值u_{smfpnj_avg}的大小关系，若二者之差绝对值大于设定阈值Δu_set时，则计算得到投入模块数的修正量Δn_pnj；投入模块数的修正量Δn_pnj为半桥和全桥结构子模块均值之差Δu_smpnj＝u_{smhpnj_avg}-u_{smfpnj_avg}乘以K_p，再乘以i_jpn，最后将三者乘积四舍五入取整得到。

进一步地，所述步骤（6）中，若直流短路故障信号Sdc＝0，则认为发生直流双极短路故障，此时j相上下桥臂输电电压指令将不在含有直流分量，上下桥臂将分别承担一半的交流输出电压u_ejref，设定桥臂中半桥结构子模块阀段内投入子模块个数n_hpnj＝0；同时，设定全桥结构子模块阀段内投入子模块个数n_fpnj＝n_hfpnj；

当检测到Sdc＝0时，全桥臂投入子模块数n_fpnj为正或为负；当为负时，说明全桥结构子模块阀段需要反向投入n_fpnj个模块。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

本发明所提出的混合子模块模块化多电平换流器稳态期间的电容电压平衡控制方法，保证了半桥结构子模块和全桥结构子模块电容电压的相对均衡；同时满足了直流瞬时性故障穿越的性能要求，故障期间无需闭锁换流器。减少了所需开关器件、相关的驱动器等设备，实现了经济效益和设备性能的统一。

瞬时性故障期间，无需闭锁换流器，保证了功率控制的连续性；可为模块化多电平换流器在架空线方式下直流输电领域的运用所借鉴。

附图说明

图1是本发明提供的混合模块化多电平换流器的直流故障穿越控制方法的流程图；

图2是本发明提供的子模块混合型模块化多电平换流器结构示意图；

图3是本发明提供的桥臂总的投入模块数计算示意图；

图4是本发明提供的修正量Δn_pnj的确定示意图；

图5是本发明提供的A相上下桥臂半桥结构子模块电容电压平均值波形图；

图6是本发明提供的A相上下桥臂全桥结构子模块电容电压平均值波形图；

图7是本发明提供的A相上下桥臂全桥结构子模块电流波形图；

图8是本发明提供的直流双极短路故障发生前后交流侧电流波形图；

图9是本发明提供的双极直流电压波形图。

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。

针对子模块混合型模块化多电平换流器稳态及其直流故障穿越问题，本发明提出了一种混合模块化多电平换流器的直流故障穿越控制方法。在本发明中，通过监测直流电压值及其变化率来确定是否发生直流双极短路故障。若没有发生短路故障，根据桥臂内半桥和全桥子模块数量以及两者子模块电压的平均值来确定各半桥子模块阀段和全桥子模块阀段内投入子模块数量；若发生了直流短路故障，则使桥臂内半桥子模块投入子模块数为0，输出的交流电压由全桥子模块来承担。所设计的控制方法，具有较强的鲁棒性，直流故障穿越期间无需闭锁换流器，从而弥补了现有技术存在的不足。

混合模块化多电平换流器由三相构成，每相由串联的结构相同的上下两桥臂构成；上下两桥臂的中点处连接模块化多电平换流器的交流端；

上下两桥臂中每个桥臂由1个电抗器、若干级联的半桥结构子模块和若干级联的全桥结构子模块组成；每个桥臂中级联的半桥结构子模块和级联的全桥结构子模块串联后的一端通过电抗器与模块化多电平换流器的交流端连接；另一端与另两相桥臂的级联的子模块一端连接，形成所述模块化多电平换流器直流端的正负极母线。子模块混合型模块化多电平换流器结构示意图如图2所示。

本发明提供的混合模块化多电平换流器的直流故障穿越控制方法的流程图如图1所示，包括下述步骤：

（1）监测直流电压值u_dc以及桥臂电流变化率d(i_jp,n)/dt，确定直流短路故障信号Sdc值；其中j=A、B、C，分别代表A，B，C三相；p代表上桥臂，n代表下桥臂；

（2）根据短路故障信号Sdc值，判断是否发生直流双极短路故障；

若直流短路故障信号Sdc＝1，认为没有发生直流双极短路故障；桥臂内半桥结构子模块投入模块数初步设定为n_hpnj＝Round((n_hfpnj×N_hpnj)/(N_hpnj+N_fpnj))；桥臂内全桥结构子模块投入模块数初步设定为n_fpnj＝Round((n_hfpnj×N_fpnj)/(N_hpnj+N_fpnj))；其中n_hfpnj为j相上桥臂或下桥臂投入模块数指令；N_hpnj为j相上桥臂或下桥臂中半桥结构子模块阀段正常工作的模块数；N_fpnj为j相上桥臂或下桥臂中全桥结构子模块阀段正常工作的模块数；Round()为四舍五入算法。

（3）当没有发生直流双极短路故障时，根据桥臂内半桥结构子模块和全桥结构子模块的模块数目、桥臂电流方向以及桥臂内半桥结构子模块电容电压平均值与同桥臂内全桥结构子模块电容电压平均值的大小关系，初步确定各桥臂半桥结构子模块和全桥结构子模块投入数指令；

当桥臂内半桥结构子模块投入模块数n_hpnj与桥臂内全桥结构子模块投入模块数n_fpnj之和大于半桥结构子模块投入模块数n_hfpnj时，则判断桥臂电流i_jpn大小；若i_jpn＞0，则比较桥臂内半桥结构子模块电容电压平均值u_{smhpnj_avg}与同桥臂内全桥结构子模块电容电压平均值u_{smfpnj_avg}的大小关系；若u_{smhpnj_avg}＞u_{smfpnj_avg}，则半桥结构子模块阀段投入模块数修正为n_hpnj＝n_hpnj–1；否则，全桥结构子模块阀段投入模块数修正为n_fpnj＝n_fpnj–1；若i_jpn＜0，且若u_{smhpnj_avg}＞u_{smfpnj_avg}，则全桥结构子模块阀段投入模块数修正为n_fpnj＝n_fpnj–1；否则，半桥结构子模块阀段投入模块数修正为n_hpnj＝n_hpnj–1。桥臂总的投入模块数计算示意图如图3所示。

（4）进一步比较半桥结构子模块电容电压平均值u_{smhpnj_avg}与同桥臂内全桥结构子模块电容电压平均值u_{smfpnj_avg}的大小关系，若二者之差绝对值大于设定阈值Δu_set时，则计算得到投入模块数的修正量Δn_pnj；投入模块数的修正量Δn_pnj为半桥和全桥结构子模块均值之差Δu_smpnj＝u_{smhpnj_avg}-u_{smfpnj_avg}乘以K_p，再乘以i_jpn，最后将三者乘积四舍五入取整得到。修正量Δn_pnj的确定示意图如图4所示。

（5）根据步骤（4）计算得到的修正量，对桥臂内半桥结构子模块投入数指令和全桥结构子模块投入数指令分别进一步修正为n_hpnj＝n_hpnj-Δn_pnj，n_fpnj＝n_fpnj+Δn_pnj；

（6）当发生直流双极短路故障时，重新设定桥臂内半桥结构子模块和全桥结构子模块投入数指令，桥臂内半桥结构子模块投入数设定为0，全桥结构子模块投入数设定为n_fpnj＝n_hfpnj；包括：

若直流短路故障信号Sdc＝0，则认为发生直流双极短路故障，此时j相上下桥臂输电电压指令将不在含有直流分量，上下桥臂将分别承担一半的交流输出电压u_ejref，设定桥臂中半桥结构子模块阀段内投入子模块个数n_hpnj＝0；同时，设定全桥结构子模块阀段内投入子模块个数n_fpnj＝n_hfpnj；双极直流电压波形图如图9所示。

当检测到Sdc＝0时，全桥臂投入子模块数n_fpnj为正或为负；当为负时，说明全桥结构子模块阀段需要反向投入n_fpnj个模块。

（7）根据上述步骤确定的子模块投入个数，半桥结构子模块和全桥结构子模块对应的阀基控制设备将最终确定桥臂内各半桥结构子模块和全桥结构子模块的开关状态，并进行触发控制，保证两种子模块电容电压的相对平衡；

（8）按照步骤（1）-（7），保证桥臂内半桥结构子模块和全桥结构子模块电容电压的相对稳定；在故障发生后，换流器能够实现对交流侧电流的有效控制（A相上下桥臂全桥结构子模块电流波形图如图7所示），保证换流器不会因直流侧瞬时性短路故障而出现的闭锁停运。A相上下桥臂半桥结构子模块和全桥结构子模块电容电压平均值波形图分别如图5和6所示。

如果没有步骤（4）得到的修正量Δn_pnj，同桥臂内半桥和全桥子模块电容电压的平衡将无法得到有效保证，进而会影响换流器交直流侧电压的控制效果，导致功率振荡等现象。如果有步骤（4）所述修正量Δn_pnj，半桥和全桥子模块电容电压误差将控制在一定范围之内（如图5和6所示）。

特别说明的是如果没有步骤（6）所述调制策略的切换，换流器交流侧电流将无法得到控制，也就无法实现直流故障的穿越控制。如果有步骤（6）所述调制策略的切换，即便是直流电压为0的条件下，依然可以实现对交流电流的有效控制（如图8所示）。

本发明所提出的混合子模块模块化多电平换流器稳态期间的电容电压平衡控制策略，保证了半桥子模块和全桥子模块电容电压的相对均衡；同时满足了直流瞬时性故障穿越的性能要求，故障期间无需闭锁换流器。减少了所需开关器件、相关的驱动器等设备，实现了经济效益和设备性能的统一。

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 (5)

1.一种混合模块化多电平换流器的直流故障穿越控制方法，所述混合模块化多电平换流器由三相构成，每相由串联的结构相同的上下两桥臂构成；上下两桥臂的中点处连接模块化多电平换流器的交流端；

所述上下两桥臂中每个桥臂由1个电抗器、若干级联的半桥结构子模块和若干级联的全桥结构子模块组成；每个桥臂中级联的半桥结构子模块和级联的全桥结构子模块串联后的一端通过电抗器与模块化多电平换流器的交流端连接；另一端与另两相桥臂的级联的子模块一端连接，形成所述模块化多电平换流器直流端的正负极母线；

其特征在于，所述方法包括下述步骤：

（1）监测直流电压值u_dc以及桥臂电流变化率d(i_jp,n)/dt，确定直流短路故障信号Sdc值；其中j=A、B、C，分别代表A，B，C三相；p代表上桥臂，n代表下桥臂；

（2）根据短路故障信号Sdc值，判断是否发生直流双极短路故障；

（3）当没有发生直流双极短路故障时，根据桥臂内半桥结构子模块和全桥结构子模块的模块数目、桥臂电流方向以及桥臂内半桥结构子模块电容电压平均值与同桥臂内全桥结构子模块电容电压平均值的大小关系，初步确定各桥臂半桥结构子模块和全桥结构子模块投入数指令；

（4）进一步比较半桥结构子模块电容电压平均值与同桥臂内全桥结构子模块电容电压平均值的大小关系，并确定投入子模块数指令的修正量；

（5）根据步骤（4）计算得到的修正量，对桥臂内半桥结构子模块投入数指令和全桥结构子模块投入数指令分别进一步修正为n_hpnj＝n_hpnj-Δn_pnj，n_fpnj＝n_fpnj+Δn_pnj；

（6）当发生直流双极短路故障时，重新设定桥臂内半桥结构子模块和全桥结构子模块投入数指令，桥臂内半桥结构子模块投入数设定为0，全桥结构子模块投入数设定为n_fpnj＝n_hfpnj；

（7）根据上述步骤确定的子模块投入个数，半桥结构子模块和全桥结构子模块对应的阀基控制设备将最终确定桥臂内各半桥结构子模块和全桥结构子模块的开关状态，并进行触发控制，保证两种子模块电容电压的相对平衡；

（8）按照步骤（1）-（7），保证桥臂内半桥结构子模块和全桥结构子模块电容电压的相对稳定；在故障发生后，换流器能够实现对交流侧电流的有效控制，保证换流器不会因直流侧瞬时性短路故障而出现的闭锁停运。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤（2）中，若直流短路故障信号Sdc＝1，认为没有发生直流双极短路故障；桥臂内半桥结构子模块投入模块数初步设定为n_hpnj＝Round((n_hfpnj×N_hpnj)/(N_hpnj+N_fpnj))；桥臂内全桥结构子模块投入模块数初步设定为n_fpnj＝Round((n_hfpnj×N_fpnj)/(N_hpnj+N_fpnj))；其中n_hfpnj为j相上桥臂或下桥臂投入模块数指令；N_hpnj为j相上桥臂或下桥臂中半桥结构子模块阀段正常工作的模块数；N_fpnj为j相上桥臂或下桥臂中全桥结构子模块阀段正常工作的模块数；Round()为四舍五入算法。

3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤（3）中，当桥臂内半桥结构子模块投入模块数n_hpnj与桥臂内全桥结构子模块投入模块数n_fpnj之和大于半桥结构子模块投入模块数n_hfpnj时，则判断桥臂电流i_jpn大小；若i_jpn＞0，则比较桥臂内半桥结构子模块电容电压平均值u_{smhpnj_avg}与同桥臂内全桥结构子模块电容电压平均值u_{smfpnj_avg}的大小关系；若u_{smhpnj_avg}＞u_{smfpnj_avg}，则半桥结构子模块阀段投入模块数修正为n_hpnj＝n_hpnj–1；否则，全桥结构子模块阀段投入模块数修正为n_fpnj＝n_fpnj–1；若i_jpn＜0，且若u_{smhpnj_avg}＞u_{smfpnj_avg}，则全桥结构子模块阀段投入模块数修正为n_fpnj＝n_fpnj–1；否则，半桥结构子模块阀段投入模块数修正为n_hpnj＝n_hpnj–1。

4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤（4）中，进一步比较半桥结构子模块电容电压平均值u_{smhpnj_avg}与同桥臂内全桥结构子模块电容电压平均值u_{smfpnj_avg}的大小关系，若二者之差绝对值大于设定阈值Δu_set时，则计算得到投入模块数的修正量Δn_pnj；投入模块数的修正量Δn_pnj为半桥和全桥结构子模块均值之差Δu_smpnj＝u_{smhpnj_avg}-u_{smfpnj_avg}乘以K_p，再乘以i_jpn，最后将三者乘积四舍五入取整得到。

5.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤（6）中，若直流短路故障信号Sdc＝0，则认为发生直流双极短路故障，此时j相上下桥臂输电电压指令将不在含有直流分量，上下桥臂将分别承担一半的交流输出电压u_ejref，设定桥臂中半桥结构子模块阀段内投入子模块个数n_hpnj＝0；同时，设定全桥结构子模块阀段内投入子模块个数n_fpnj＝n_hfpnj；

当检测到Sdc＝0时，全桥臂投入子模块数n_fpnj为正或为负；当为负时，说明全桥结构子模块阀段需要反向投入n_fpnj个模块。