CN106452143B - 基于载波移相的模块化多电平换流器mmc热冗余策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于电力系统模型仿真与控制领域的基于载波移相的模块化多电平换流器MMC热冗余策略。将MMC子模块分为运行状态与冗余状态。按照设定时间间隔，从每个桥臂所有子模块中选取设定数量的运行状态子模块，并且将其电容电压输入控制器，对控制器输出的控制信号进行扩维，使其等于每个桥臂所有子模块数，以使每个子模块都有相应的触发信号。当发生故障后，在子模块选择前进行子模块选择预处理，使得电容电压的选择与控制信号的扩维能够在剔除故障子模块的基础上进行。本发明通过使每个电容按照一定的时间间隔投入运行而使每个电容电压都维持在额定值附近，在发生故障后，容冗余子模块替换故障子模块时，不会对系统的正常运行造成影响。

Description

基于载波移相的模块化多电平换流器MMC热冗余策略

技术领域

本发明属于电力系统运行与控制技术领域，涉及一种基于载波移相的模块化多电平换流器MMC热冗余策略。

背景技术

模块化多电平换流器即MMC由于其采用级联结构，输出电平数高，波形谐波含量少，无需消耗大量无功功率等优点而得到广泛应用。为了使电平数达到要求，其每个桥臂往往串联大量的子模块。而在运行过程中，其子模块会由于种种原因而发生故障，无法正常运行。因此，通常在每个桥臂上串联多于正常运行时所需要的子模块，称为冗余子模块。目前MMC的调制方式主要有两种方式：载波移相(CPS-SPWM)与最近电平逼近(NLM)。其中基于载波移相调制策略的现有冗余机制为：正常运行时不投入冗余子模块，发生故障后，冗余子模块代替故障子模块以维持MMC的正常运行。这种冗余机制冗余子模块利用率低，且由于正常状态下冗余子模块不投入，造成冗余子模块电容电压为0，在冗余子模块替换故障子模块的过程中，会造成直流侧电压等电气量的波动，不利于系统稳定运行。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于载波移相的模块化多电平换流器MMC热冗余策略，其特征在于，包括：

步骤1、将桥臂子模块依次编号，在每个给定时间间隔，按轮换顺序设定处于运行状态和处于热冗余状态的子模块；采集每个桥臂所有子模块的电容电压，将处于运行状态的子模块电容电压输入控制器；

步骤2、根据控制器输出的控制信号，对应的赋值给处于运行状态的子模块，并将此时处于热冗余状态的子模块的控制信号赋0值；

步骤3、当检测到子模块故障时，从步骤1中每个桥臂所有子模块中剔除故障子模块，并将其闭锁，打开旁路开关，隔离故障子模块；进入子模块选择预处理过程，把子模块个数从N转变为N-1；经过预处理之后，对剔除故障子模块数组in_1按照步骤1中的轮换顺序重新设定处于运行状态和处于热冗余状态的子模块；

步骤4：重新设定当前处于正常运行的子模块电容电压输入控制器，并将控制信号依次赋值给当前处于运行状态的子模块；处于热冗余状态的子模块的电容电压和故障子模块电容电压不输入控制器，其控制信号为0。

步骤1中MMC每个桥臂子模块总数量为N，其中热冗余子模块数为M，0<M<N；在每个时刻，将N个子模块按顺序编号：1至N，每次选择N-M个子模块，并将其电容电压输入控制器；

所述按轮换顺序设定处于运行状态和处于热冗余状态的子模块的过程为：设△t为时间间隔，i为累计时间间隔，p为处于运行状态的子模块在所有子模块中的编号，k为p的初始序号；time为运行时刻，dt为运行步长，N为单桥臂所有子模块数，M为热冗余子模块数，j为投入运行的N-M个子模块的编号；in为每个桥臂所有子模块数组，out为处于运行状态的子模块数组；

处于运行状态的子模块选择按time是否小于i分为两部分；

1)当time小于i时，此时刻并没有重新选择处于正常运行的子模块，仍然按上一时刻的初始序号进行电容电压选择，令p＝k，j＝1，进入选择过程：

判断j是否小于等于N-M，若j小于等于N-M，则表示处于正常运行状态的子模块选择仍未结束，进一步判断p是否小于等于N，若p小于等于N，则表示所选择的运行状态的子模块序号未超出正常子模块序号，令out(j)＝in(p)，p＝p+1，j＝j+1，若p大于N，则表示所选择的运行状态的子模块序号已超出了正常子模块序号，需要减去N，重新从第1个子模块开始赋值，令中间变量g＝p-N，out(j)＝in(g)，p＝p+1，j＝j+1；

若j大于N-M，则表示此时刻处于正常运行状态的子模块选择已结束，令time＝time+dt，并继续判断time是否大于i；

2)当time大于i时，此时刻需要重新选择处于运行状态的子模块；为了能从上一时刻所选择的运行状态的子模块序号的后一个序号开始选择，令k＝k+1，并判断k是否小于等于N；

若k小于等于N，则表示k仍在正常子模块序号内，进一步令p＝k，j＝1，令i＝i+△t，进入运行状态子模块的选择过程：判断j是否小于等于N-M，若j小于等于N-M，则表示处于正常运行状态的子模块选择仍未结束，进一步判断p是否小于等于N，若p小于等于N，则表示所选择的运行状态的子模块序号未超出正常子模块序号，令out(j)＝in(p)，p＝p+1，j＝j+1，若p大于N，则表示所选择的运行状态的子模块序号已超出了正常子模块序号，需要减去N，重新从第1个子模块开始赋值，令中间变量g＝p-N，out(j)＝in(g)，p＝p+1，j＝j+1；若j大于N-M，则表示此时刻处于正常运行状态的子模块选择已结束，令time＝time+dt，并继续判断time是否大于i；

若k大于N，则表示上一时刻运行状态子模块初始序号已为最后一个子模块，运行状态子模块的选择需要重新从第1个编号开始，所以令k＝1，之后继续执行k小于等于N的逻辑，从而进入运行状态子模块的选择逻辑；

在选择运行状态子模块的同时记录其电容电压。

所述步骤3中子模块选择预处理过程为：

设j′为故障前所有子模块编号，r为剔除故障子模块之后的子模块编号，f为故障子模块序号，in_1为剔除故障子模块数组，in为未剔除故障子模块数组；

当发生子模块故障时，令j′＝1，r＝1，判断j′是否小于等于N，若j′小于等于N，则表示此时对于子模块选择的预处理未结束，进一步判断j′是否等于f，若j′不等于f，则表示编号为j′所对应的子模块未发生故障，令in_1(r)＝in(j)，r＝r+1，同时令j′＝j′+1；若j′等于f，则表示编号为j′所对应的子模块发生故障，跳过此故障子模块，直接令j′＝j′+1；

若j′大于N，则表示子模块选择预处理结束，跳出子模块选择预处理。

有益效果

为了当基于载波移相调制的MMC子模块发生故障时，冗余子模块替换故障子模块的过程中不产生直流侧电压等电气量的波动，系统仍处于正常运行状态，本发明的方法是在正常运行期间，按照一定的时间间隔，将冗余子模块投入运行。当发生故障后，切除故障子模块，故障子模块的电容电压由于未投入运行而维持在切除时的值，而未故障子模块电容电压仍与正常运行状态时保持一致，仍然处于正常运行状态与冗余状态之间互相切换。当子模块发生故障被切除后，直流侧电压几乎没有波动。本发明提出热冗余策略在当子模块发生故障被切除的过程中，对系统所造成的波动较小的优点。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2子模块选择过程流程图；

图3子模块选择效果；

图4故障时子模块选择预处理流程图；

图5电容电压选择模块；

图6控制信号扩维模块；

图7 PSCAD中热冗余策略输入界面；

图8采用热冗余策略后电容电压波形；

图9采用热冗余策略后直流侧电压波形。

具体实施方式

本发明提出了一种基于载波移相的模块化多电平换流器MMC热冗余策略，具体的流程如附图1所示。

在PSCAD中搭建了双端HBSM-MMC系统，调制方式采用载波移相。其中一端采用了所提出的基于载波移相的MMC子模块热冗余策略。其参数为：每个桥臂子模块数N＝10，其中冗余子模块数M＝3，设置time＝3s时，第7个子模块发生故障。

步骤1、当time<3时，MMC系统处于正常运行状态，其子模块选择按照附图2所示逻辑依次从10个子模块中选择7个子模块，并将其电容电压输入控制器，其选择效果如附图3所示；

步骤2、当time<3时，MMC系统处于正常运行状态，其控制输出的控制信号需要从7维扩为10维。扩展规则为：将控制器输出控制信号依次赋值给步骤1中所选择的运行状态的子模块；热冗余子模块控制信号则赋为0，即闭锁信号。

步骤3、当time>3时，桥臂中第7个子模块发生故障，将第7个子模块闭锁，并打开其旁路开关，隔离故障子模块。需要重新设定处于运行状态和处于热冗余状态的子模块。在进行子模块选择前，加入了子模块选择预处理逻辑，子模块选择预处理过程如附图4所示将发生故障的第7个子模块剔除。

步骤4、在此基础上，执行步骤1与步骤2所示逻辑。

实例：在PSCAD/EMTDC中实现了上述子模块选择逻辑(包括故障时的处理)，其所对应的实现电容电压选择逻辑与控制信号扩维逻辑的自定义模块分别如附图5、6所示。其中，附图5左端输入为每个桥臂所采集到的所有子模块电容电压，右端输出为每个桥臂处于运行状态的子模块电容电压。附图6左端输入为控制器所输出的每个桥臂处于运行状态的子模块控制信号，右端输出为每个桥臂所有子模块的触发信号。双击可进入其设置界面，其设置界面相同，都如附图7所示。其中，num为每个桥臂总的子模块数，the number of faultSM为故障子模块序号，total number of redundant SMs为每个桥臂冗余子模块数，timeinterval为时间间隔，failure time为故障时刻。在本例中，每个桥臂总的子模块数为10，故障子模块序号为7，每个桥臂冗余子模块数为3，时间间隔为0.01s，故障时刻为3s。对于采用所提出的基于载波移相的MMC子模块热冗余策略端的仿真结果如附图8、9所示，其中附图8中加粗线为故障子模块电容电压。

由附图8可看出，在正常运行状态时，所有子模块电容电压都在正常波动与维持恒定值之间互相交替。其中，正常波动对应于子模块处于运行状态，维持恒定值对应于子模块处于热冗余状态。当故障发生后，故障子模块被切除，故障子模块的电容电压由于未投入运行而维持在切除时的值，如附图8中粗线所示。而未故障子模块电容电压仍与正常运行状态时保持一致：仍然处于正常运行状态与冗余状态之间互相切换。由附图9可看出，当子模块发生故障被切除后，直流侧电压几乎没有波动。证明了所提出热冗余策略在当子模块发生故障被切除的过程中，对系统所造成的波动较小的优点。

以上所述，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 (2)

1.基于载波移相的模块化多电平换流器MMC热冗余方法，其特征在于，

包括：

步骤1、将桥臂子模块依次编号，当未检测到子模块故障时，在每个设定时间间隔，按轮换顺序设定处于运行状态和处于热冗余状态的子模块；采集每个桥臂所有子模块的电容电压，将处于运行状态的子模块电容电压输入控制器；

步骤2、根据控制器输出的控制信号，对应的赋值给处于运行状态的子模块，并将此时处于热冗余状态的子模块的控制信号赋0值；

步骤3、当检测到子模块故障时，从步骤1中每个桥臂所有子模块中剔除故障子模块，并将其闭锁，打开旁路开关，隔离故障子模块；进入子模块选择预处理过程，把子模块个数从N转变为N-1；经过预处理之后，对剔除故障子模块数组in_1按照步骤1中的轮换顺序重新设定处于运行状态和处于热冗余状态的子模块；

步骤4：重新设定当前处于正常运行的子模块电容电压输入控制器，并将控制信号依次赋值给当前处于运行状态的子模块；处于热冗余状态的子模块的电容电压和故障子模块电容电压不输入控制器，其控制信号为0；

步骤1中MMC每个桥臂子模块总数量为N，其中热冗余子模块数为M，0<M<N；在每个时刻，将N个子模块按顺序编号：1至N，每次选择N-M个子模块，并将其电容电压输入控制器；

所述按轮换顺序设定处于运行状态和处于热冗余状态的子模块的过程为：

设△t为时间间隔，i为累计时间间隔，p为处于运行状态的子模块在所有子模块中的编号，k为p的初始序号；time为运行时刻，dt为运行步长，N为单桥臂所有子模块数，M为热冗余子模块数，j为投入运行的N-M个子模块的编号；in为每个桥臂所有子模块数组，out为处于运行状态的子模块数组；

处于运行状态的子模块选择按time是否小于i分为两部分；

1)当time小于i时，此时刻并没有重新选择处于正常运行的子模块，仍然按上一时刻的初始序号进行电容电压选择，令p＝k，j＝1，进入选择过程：

判断j是否小于等于N-M，若j小于等于N-M，则表示处于正常运行状态的子模块选择仍未结束，进一步判断p是否小于等于N，若p小于等于N，则表示所选择的运行状态的子模块序号未超出正常子模块序号，令out(j)＝in(p)，p＝p+1，j＝j+1，若p大于N，则表示所选择的运行状态的子模块序号已超出了正常子模块序号，需要减去N，重新从第1个子模块开始赋值，令中间变量g＝p-N，out(j)＝in(g)，p＝p+1，j＝j+1；

若j大于N-M，则表示此时刻处于正常运行状态的子模块选择已结束，令time＝time+dt，并继续判断time是否大于i；

2)当time大于i时，此时刻需要重新选择处于运行状态的子模块；为了能从上一时刻所选择的运行状态的子模块序号的后一个序号开始选择，令k＝k+1，并判断k是否小于等于N；

若k小于等于N，则表示k仍在正常子模块序号内，进一步令p＝k，j＝1，令i＝i+△t，进入运行状态子模块的选择过程：判断j是否小于等于N-M，若j小于等于N-M，则表示处于正常运行状态的子模块选择仍未结束，进一步判断p是否小于等于N，若p小于等于N，则表示所选择的运行状态的子模块序号未超出正常子模块序号，令out(j)＝in(p)，p＝p+1，j＝j+1，若p大于N，则表示所选择的运行状态的子模块序号已超出了正常子模块序号，需要减去N，重新从第1个子模块开始赋值，令中间变量g＝p-N，out(j)＝in(g)，p＝p+1，j＝j+1；若j大于N-M，则表示此时刻处于正常运行状态的子模块选择已结束，令time＝time+dt，并继续判断time是否大于i；

若k大于N，则表示上一时刻运行状态子模块初始序号已为最后一个子模块，运行状态子模块的选择需要重新从第1个编号开始，所以令k＝1，之后继续执行k小于等于N的逻辑，从而进入运行状态子模块的选择逻辑；

在选择运行状态子模块的同时记录其电容电压。

2.根据权利要求1所述基于载波移相的模块化多电平换流器MMC热冗余方法，其特征在于，所述步骤3中子模块选择预处理过程为：

设j′为故障前所有子模块编号，r为剔除故障子模块之后的子模块编号，f为故障子模块序号，in_1为剔除故障子模块数组，in为未剔除故障子模块数组；

当发生子模块故障时，令j′＝1，r＝1，判断j′是否小于等于N，若j′小于等于N，则表示此时对于子模块选择的预处理未结束，进一步判断j′是否等于f，若j′不等于f，则表示编号为j′所对应的子模块未发生故障，令in_1(r)＝in(j)，r＝r+1，同时令j′＝j′+1；若j′等于f，则表示编号为j′所对应的子模块发生故障，跳过此故障子模块，直接令j′＝j′+1；

若j′大于N，则表示子模块选择预处理结束，跳出子模块选择预处理。