CN106533235A - 一种含冗余控制的半桥mmc换流器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种含冗余控制的半桥MMC换流器及控制方法，当某一个模块发生故障后，引起输出电压不会暂时畸变，避免换流器闭锁。所述换流器，包括三个相单元；每个相单元包含两个桥臂和两个桥臂电抗器，桥臂电抗器与对应桥臂串联；每个桥臂由n个半桥子模块串联构成，所述n的数量大于桥臂的k个载波数量，载波之间的相位相差为π/k；其中，n和k为正整数；每个所述半桥子模块由两个IGBT和一个电容呈半桥型连接组成。控制方法中通过电容电压排序，实现了桥臂内部电容的均压控制，从而避免了电容电压的闭环控制，降低了算法的复杂性，减少了计算资源的占用。

Description

一种含冗余控制的半桥MMC换流器及控制方法
技术领域
本发明涉及电力变换领域，具体为一种含冗余控制的半桥MMC换流器及控制方法。
背景技术
对于模块数目较多的换流器，一般采用最近电平逼近调制，此时，由于模块数目较多，输出电压波形较好，但是针对配电电压等级的换流器，其模块数目较少，如果采用最近电平逼近调制，输出电压的波形畸变较为严重，但是如果采用载波移相调制，每个模块都会对应一个载波(三角波)，载波之间的相位偏差为：π/n。当某一个模块发生故障后，n的值也就相应的发生变化，从而导致载波之间的相位也发生变化，会导致在模块发生故障之后，引起输出电压的暂时的畸变，严重时会导致换流器闭锁。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种含冗余控制的半桥MMC换流器及控制方法，当某一个模块发生故障后，引起输出电压不会暂时畸变，避免换流器闭锁。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种含冗余控制的半桥MMC换流器，包括三个相单元；每个相单元包含两个桥臂和两个桥臂电抗器，桥臂电抗器与对应桥臂串联；每个桥臂由n个半桥子模块串联构成，所述n的数量大于桥臂的k个载波数量，载波之间的相位相差为π/k；其中，n和k为正整数；每个所述半桥子模块由两个IGBT和一个电容呈半桥型连接组成。
一种采用以上所述的半桥MMC换流器的控制方法，包括如下对每个桥臂的控制步骤，
步骤1，采用调制波m与k个载波的比较结果，得到每个载波相对应的开关信号；通过对所有开关信号进行求和，得到在n个半桥子模块中需要投入的半桥子模块的数量sum；
步骤2，如果实际投入半桥子模块数量a与需要投入的全桥子模块的数量sum相等，则桥臂不执行投切指令，执行步骤1；
不相等则根据半桥子模块中电容电压的大小和电流方向，确定桥臂的一次投切指令，投入或切除一个全桥子模块，执行步骤3；
步骤3，根据得到的半桥子模块的投切指令和当前状态，确定需要投切的半桥子模块中IGBT的开关信号并进行对应控制；
步骤4，重复步骤1-3，实现半桥MMC换流器的冗余控制。
优选的，所述步骤1中，调制波m由如下公式得到，
其中，uref为参考电压，ucapi为电容电压的瞬时值，n为半桥子模块的数量。
进一步，步骤1的具体步骤如下，
步骤1.1，由调制波m与k个载波的比较结果，得到每个载波相对应的开关信号；
设C为第i个载波，d[i]为第i个载波对应的开关信号；
如果C>m，则d[i]＝0；
如果C≤m，则d[i]＝1；
步骤1.2，确定桥臂中需要投入的子模块的数目为sum＝Σd[i]；其中，i＝1～k，-k≤sum≤k，k为载波的数目。
优选的，步骤2的具体步骤如下，
步骤2.1，根据电容电压进行排序，对半桥子模块进行如下标记，
将处于非零状态且电容电压最大的半桥子模块标记为k1；
将处于非零状态且电容电压最小的半桥子模块标记为k2；
将处于零状态且电容电压最大的半桥子模块标记为k3；
将处于零状态且电容电压最小的半桥子模块标记为k4；
步骤2.2，根据确定实际投切的半桥子模块的数量a，判断桥臂是否需要执行投入或切除操作；
当sum＝a时，桥臂不执行投入或切除操作；
当sum≠a时：
如果n<a，执行一次切除操作；
如果n>a，执行一次投入操作；
步骤2.3，确定半桥子模块的投切指令和对应的状态变化；
如果电流＞0，电容处于充电状态，如果需要投入一个半桥子模块，则将k4的状态由0变为1；
如果电流＞0，电容处于充电状态，如果需要切除一个半桥子模块，则将k1的状态由1变为0；
如果电流≤0，电容处于放电状态，如果需要投入一个半桥子模块，则将k3的状态由0变为1；
如果电流≤0，电容处于放电状态，如果需要切除一个半桥子模块，则将k2的状态由1变为0；
进一步，步骤3的具体步骤为，根据如下半桥子模块的状态与IGBT的开关信号对应关系进行半桥子模块的状态控制，
当半桥子模块的状态为0时，半桥子模块的下管导通，上管关断；
当半桥子模块的状态为1时，半桥子模块的上管导通，下管关断。
再进一步，每一个IGBT的状态由关断转为开通时，开通时间滞后Δt，形成死区时间。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明将半桥子模块的数量设置大于对应桥臂中的载波数量，使其具有冗余数量，在某些子模块发生故障时，通过投切操作将子模块旁路之后，调制算法不必采用任何措施，既可以继续运行，从而避免了电压的暂时畸变，也避免了子模块故障导致的换流器闭锁的风险；算法实现简单，稳定性好；该算法的可扩展性强，适合不同子模块数目的换流器。控制方法中通过电容电压排序，实现了桥臂内部电容的均压控制，从而避免了电容电压的闭环控制，降低了算法的复杂性，减少了计算资源的占用。
附图说明
图1为本发明实例中所述的半桥MMC换流器。
图2为本发明实例中所述的半桥MMC换流器的电压调制方法示意图。
图中：相单元2-1，桥臂2-2，桥臂电抗器2-3，变压器2-4。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种含冗余控制的半桥模块化多电平换流器，如图1所示，其包括三个相单元2-1；每个相单元包含两个桥臂2-2和两个桥臂电抗器2-3；每个桥臂由n个半桥子模块串联构成，所述n的数量大于桥臂的k个载波数量，载波之间的相位相差π/k；其中，所述n、k为正整数；每个所述半桥子模块由两个IGBT和一个电容组成。
多电平换流器的交流侧通过变压器2-4接入电网，模块化多电平换流器的直流侧电压为Uvsc。
采用上述的模块化多电平换流器的控制过程，其包括如下对每个桥臂的控制步骤：
步骤1，采用调制波m与k个载波的比较结果，得到每个载波相对应的开关信号；通过对所有开关信号进行求和，得到在n个半桥子模块中需要投入的半桥子模块的数量；
步骤2，如果实际投入半桥子模块数量a与需要投入的半桥子模块的数量sum相等，则桥臂不执行投切指令，执行步骤1；
不相等则根据半桥子模块中电容电压的大小和电流方向，确定桥臂的一次投切指令，投入或切除一个半桥子模块，执行步骤3；
步骤3，根据得到的半桥子模块的投切指令和当前状态，确定需要投切的半桥子模块中IGBT的开关信号并进行对应控制；
步骤4，重复步骤1-3，实现半桥MMC换流器的冗余控制。
所述调制波m的生成过程包括：
根据参考电压uref，以及与电容电压的瞬时值ucapj，得到调制波m，调制波m的生成方法：
其中，i＝1～n，n为半桥子模块的数量。
采用调制波m与k个载波进行比较的过程包括：
如图2所示，设C为第i个载波，d[i]为第i个载波对应的开关信号；i＝1～k；。
如果C>m，则d[i]＝0；如果C≤m，则d[i]＝1；
然后由sum＝Σd[i]；得到桥臂中需要投入的半桥子模块的数目；其中，sum为桥臂中需要投入半桥子模块的数目；-k≤sum≤k，k为载波的数目；k个载波错开角度180/k，构成载波移相。
所述确定采用的子模块的状态；
第一步：根据电容电压对半桥子模块进行排序；
找出处于非零状态，电容电压最大的半桥子模块，序号标记为k1；
找出处于非零状态，电容电压最小的半桥子模块，序号标记为k2；
找出处于零状态，电容电压最大的半桥子模块，序号标记为k3；
找出处于零状态，电容电压最小的半桥子模块，序号标记为k4；
第二步：判断桥臂是否需要执行投入或切除操作；
实际投入的所有的子模块的数量和为a，
当sum＝a时，桥臂不执行投入或切除操作；
当sum≠a时：
如果n<a，执行一次切除操作；
如果n>a，执行一次投入操作；
第三步：半桥子模块状态的分配；
如果电流＞0，电容处于充电状态，如果需要投入一个半桥子模块，则将k4的状态由0变为1；
如果电流＞0，电容处于充电状态，如果需要切除一个半桥子模块，则将k1的状态由1变为0；
如果电流≤0，电容处于放电状态，如果需要投入一个半桥子模块，则将k3的状态由0变为1；
如果电流≤0，电容处于放电状态，如果需要切除一个半桥子模块，则将k2的状态由1变为0；
所述确定IGBT的开关信号的过程为：
当半桥子模块的状态为0时，半桥子模块的下管导通，上管关断。
当半桥子模块的状态为1时，半桥子模块的上管导通，下管关断。
每一个IGBT的状态由关断转为开通时，开通时间滞后Δt，形成死区时间。
下面通过一个实例详细说明：
假设桥臂中的子模块数目为n＝22个，而载波的个数为k＝20,载波间相位差为π/20＝9°；
假设在某一时刻，计算得到的调制波m的值为0.5，计算出sum为10，则需要投入的子模块数目为sum＝10个。
第一步：电容排序，假设经过电容电压的排序，结果如下：
处于非零状态，电容电压最大的子模块为模块1，令其序号为k1；
处于非零状态，电容电压最小的子模块为模块3，令其序号为k2；
处于零状态，电容电压最大的子模块为模块5，令其序号为k3；
处于零状态，电容电压最小的子模块为模块7，令其序号为k4；
第二步：判断桥臂是否需要执行投入或切除操作
假设实际投入的子模块数目为a＝9，由上文得知需投入的子模块数目sum＝10，sum≠a。根据以下判断：
如果n<a，执行一次切除操作；
如果n>a，执行一次投入操作；
由此可知需要投入一个子模块。
第三步：子模块状态的分配
假设此时桥臂中的电流i＞0，则桥臂中的电容正在被充电，
根据以下判断：
如果电流＞0，处于充电状态，如果需要投入一个子模块，则将k4的状态由0变为1；
如果电流＞0，处于充电状态，如果需要切除一个子模块，则将k1的状态由1变为0；
如果电流≤0，处于放电状态，如果需要投入一个子模块，则将k3的状态由0变为1；
如果电流≤0，处于放电状态，如果需要切除一个子模块，则将k2的状态由1变为0；
由此可知需要将序号为k4的子模块的状态由0变为1；将IGBT的半桥子模块的上管导通，下管关断。则完成一次控制过程。
对于本发明各个实施例中所阐述的方案，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种含冗余控制的半桥MMC换流器，其特征在于，包括三个相单元；
每个相单元包含两个桥臂和两个桥臂电抗器，桥臂电抗器与对应桥臂串联；
每个桥臂由n个半桥子模块串联构成，所述n的数量大于桥臂的k个载波数量，载波之间的相位相差为π/k；其中，n和k为正整数；
每个所述半桥子模块由两个IGBT和一个电容呈半桥型连接组成。
2.一种采用权利要求1所述的半桥MMC换流器的控制方法，其特征在于，包括如下对每个桥臂的控制步骤，
步骤1，采用调制波m与k个载波的比较结果，得到每个载波相对应的开关信号；通过对所有开关信号进行求和，得到在n个半桥子模块中需要投入的半桥子模块的数量sum；
步骤2，如果实际投入半桥子模块数量a与需要投入的全桥子模块的数量sum相等，则桥臂不执行投切指令，执行步骤1；
不相等则根据半桥子模块中电容电压的大小和电流方向，确定桥臂的一次投切指令，投入或切除一个全桥子模块，执行步骤3；
步骤3，根据得到的半桥子模块的投切指令和当前状态，确定需要投切的半桥子模块中IGBT的开关信号并进行对应控制；
步骤4，重复步骤1-3，实现半桥MMC换流器的冗余控制。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述步骤1中，调制波m由如下公式得到，
m = u r e f &Sigma; i = 1 n u c a p i ;
其中，uref为参考电压，ucapi为电容电压的瞬时值，n为半桥子模块的数量。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，步骤1的具体步骤如下，
步骤1.1，由调制波m与k个载波的比较结果，得到每个载波相对应的开关信号；
设C为第i个载波，d[i]为第i个载波对应的开关信号；
如果C>m，则d[i]＝0；
如果C≤m，则d[i]＝1；
步骤1.2，确定桥臂中需要投入的子模块的数目为sum＝Σd[i]；其中，i＝1～k，-k≤sum≤k，k为载波的数目。
5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，步骤2的具体步骤如下，
步骤2.1，根据电容电压进行排序，对半桥子模块进行如下标记，
将处于非零状态且电容电压最大的半桥子模块标记为k1；
将处于非零状态且电容电压最小的半桥子模块标记为k2；
将处于零状态且电容电压最大的半桥子模块标记为k3；
将处于零状态且电容电压最小的半桥子模块标记为k4；
步骤2.2，根据确定实际投切的半桥子模块的数量a，判断桥臂是否需要执行投入或切除操作；
当sum＝a时，桥臂不执行投入或切除操作；
当sum≠a时：
如果n<a，执行一次切除操作；
如果n>a，执行一次投入操作；
步骤2.3，确定半桥子模块的投切指令和对应的状态变化；
如果电流＞0，电容处于充电状态，如果需要投入一个半桥子模块，则将k4的状态由0变为1；
如果电流＞0，电容处于充电状态，如果需要切除一个半桥子模块，则将k1的状态由1变为0；
如果电流≤0，电容处于放电状态，如果需要投入一个半桥子模块，则将k3的状态由0变为1；
如果电流≤0，电容处于放电状态，如果需要切除一个半桥子模块，则将k2的状态由1变为0。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，步骤3的具体步骤为，根据如下半桥子模块的状态与IGBT的开关信号对应关系进行半桥子模块的状态控制，
当半桥子模块的状态为0时，半桥子模块的下管导通，上管关断；
当半桥子模块的状态为1时，半桥子模块的上管导通，下管关断。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，每一个IGBT的状态由关断转为开通时，开通时间滞后Δt，形成死区时间。
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