CN106711999A - 基于调制波重构的mmc‑statcom故障处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于调制波重构的MMC‑STATCOM故障处理装置。该装置包括主电路、检测电路、控制电路和驱动电路；所述主电路由连接电网的电感和MMC换流器组成；所述检测电路用于采样负载侧电流、补偿电流、电容电压、电网电压以及桥臂电流；所述控制电路用于实现坐标变换、电压冗余排序、调制波重构、载波层叠；所述驱动电路用于将DSP输出的PWM信号进行放大、隔离驱动功率开关管。

Description

基于调制波重构的MMC-STATCOM故障处理装置
技术领域
本发明涉及故障处理技术，具体涉及一种基于调制波重构的MMC-STATCOM故障处理装置。
背景技术
随着电力系统的飞速发展，对无功补偿的电压等级和容量的要求越来越高，一系列级联多电平拓扑结构的无功补偿装置应运而生。MMC无功补偿装置在高压大功率场合的应用日渐增加，而多个子模块级联的结构使故障发生的频率大大增加，如：IGBT、储能电容故障等。子模块故障会引起相间环流增加；输出电压不对称；达不到无功补偿的效果。
常见的故障处理方法是采用冗余子模块方法，即在系统正常运行时，冗余模块处于备用状态，不参与系统工作；当子模块发生故障时，冗余模块代替子模块进行工作。该方案的缺点是冗余模块接入及充电需要花费很长时间，系统将经历一段较长时间的暂态过程，当子模块发生故障时，由于上、下桥臂电流不均衡会导致环流瞬间增加。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，本发明提供了一种基于调制波重构的MMC-STATCOM故障处理装置，以至少解决现有的冗余子模块方法存在的冗余模块接入及充电需要花费很长时间、系统将经历一段较长时间的暂态过程以及当子模块发生故障时由于上、下桥臂电流不均衡会导致环流瞬间增加的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于调制波重构的MMC-STATCOM故障处理装置，该装置包括主电路、检测电路、控制电路和驱动电路；所述主电路由连接电网的电感和MMC换流器组成；所述检测电路用于采样负载侧电流、补偿电流、电容电压、电网电压以及桥臂电流；所述控制电路用于实现坐标变换、电压冗余排序、调制波重构、载波层叠；所述驱动电路用于将DSP输出的PWM信号进行放大、隔离驱动功率开关管。
进一步地，将该装置应用于电网高压大功率的无功补偿的情况下，当MMC子模块发生故障时，通过旁路故障子模块，采用调制波重构方式，使装置继续实现无功补偿的功能
进一步地，该装置具有三相MMC拓扑结构，每相的上、下两桥臂由n个SM模块级联而成，每个桥臂串联一个电感，每个SM模块由两个互补导通的IGBT、一个储能电容和一个故障旁路开关组成，当MMC中某个子模块发生故障时，开关闭合，将故障子模块旁路。
进一步地，该装置采用载波层叠脉宽调制方法，设MMC每个桥臂的子模块数为n个，则采用n个层叠的三角载波与调制波比较输出PWM波，输出的PWM信号叠加为n+1电平信号,输出相电压电平数为2n+1。
进一步地，当子模块发生故障时，采用调制波重构的方式处理。
进一步地，采用电压冗余排序法使电容电压保持平衡。
进一步地，经电压、电流前馈解耦和PI调节后，得到调制信号ua、ub、uc，再对故障信号进行检测，当故障信号为0时，ua、ub、uc直接进行载波层叠调制；当故障信号为1时，将调制波ua、ub、uc进行重构，再与三角载波比较经电压排序后生成PWM波。
本发明的基于调制波重构的MMC-STATCOM故障处理装置，适用于高压、大功率无功补偿MMC领域。当系统中有子模块出现故障时，该装置能保证系统继续稳定运行，实现无功补偿的功能，抑制相间环流，具有故障处理能力。
本发明的基于调制波重构故障处理装置不但能解决无功补偿问题，还可以通过电压冗余排序的方式保证上、下桥臂电流平衡，抑制相间环流。
本发明在MMC无功补偿装置的基础上，增加了故障处理功能，在MMC子模块无故障的状态下，系统正常工作，当MMC中某个子模块发生故障时，该装置通过调制波重构的方法使系统继续稳定、可靠地工作，不但可以实现无功补偿功能，还能有效地抑制环流。
本发明的基于调制波重构故障处理装置还具有以下优点：采用调制波重构的方法，解决子模块故障问题，达到无功补偿的效果；采用基于载波层叠脉宽调制的电压冗余排序法，有效地抑制相间环流，平衡MMC子模块电容电压；采用电压、电流前馈解耦控制方式提高系统闭环控制；采用DSP控制，提高系统处理的实时性。
附图说明
本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：
图1是本发明的基于调制波重构的MMC-STATCOM故障处理装置的系统整体结构框图；
图2A是三相MMC拓扑结构图；
图2B是图2A中SM子模块的电路结构图；
图3是载波层叠脉宽调制图及故障输出电压；
图4是调制波重构图及故障处理后输出电压；
图5是电压冗余排序图；
图6是旁路单元选择示意图；
图7A是故障前三相相电压和线电压图；
图7B是故障后三相相电压和线电压图；
图8是调制波重构控制图；
图9是电流检测电路；
图10是电压过零检测电路；
图11是直流电压检测电路；
图12是驱动电路；
图13是系统软件主程序流程图；
图14是A/D转换中断服务子程序流程图；
图15是捕获中断子程序流程图；
图16是T1周期中断子程序流程图；
图17是故障保护子程序流程图；
图18是故障处理前a相电网电压电流波形；
图19是故障处理后a相电网电压电流波；
图20是故障处理前环流波形；
图21是故障处理后环流波形；
图22是故障处理前输出相电压波形；
图23是故障处理前输出线电压波形；
图24是故障处理后输出相电压波形；
图25是故障处理后输出线电压波形。
本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本发明实施例的理解。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明提供了一种基于调制波重构的MMC-STATCOM故障处理装置。如图1所示，该装置包括主电路1、检测电路2、控制电路3和驱动电路4；所述主电路1由连接电网的电感1-1和MMC换流器组成1-2；所述检测电路2用于采样负载侧电流、补偿电流、电容电压、电网电压以及桥臂电流；所述控制电路3以TI公司的TMS320F2812和FPGA为核心，主要用于实现坐标变换、电压冗余排序、调制波重构、载波层叠几部分的功能；所述驱动电路4用于将DSP输出的PWM信号进行放大、隔离驱动功率开关管。
进一步地，将该装置应用于电网高压大功率的无功功率补偿的情况下，当MMC子模块发生故障时，本发明的STATCOM装置不需要停止整个系统工作，而是通过旁路故障子模块，采用调制波重构方式，使装置继续实现无功补偿的功能。
进一步地，该装置具有故障处理能力，如图2A是该装置具有三相MMC拓扑结构，图2B是其中SM子模块的电路结构示意图，每相的上、下两桥臂由4个SM模块级联而成，每个桥臂串联一个电感，每个SM模块由两个互补导通的IGBT、一个储能电容和一个故障旁路开关组成，当MMC中某个子模块发生故障时，开关闭合，将故障子模块旁路。
进一步地，该装置采用载波层叠脉宽调制方法，以下以n＝4为例加以说明设MMC每个桥臂的子模块数为4个，则采用4个层叠的三角载波与调制波比较输出PWM波，如图3所示以上桥臂为例，输出的PWM信号可叠加为5电平信号，采用载波层叠脉宽调制方式能使MMC输出9个电平，当a相上桥臂第一个SM子模块故障时，输出三相电压处于不平衡状态。应当说明的是，n的取值并不限于4，也可以是其它自然数，如6、8等。
进一步地，当子模块发生故障时，采用调制波重构的方式处理。如图4所示，以a相第一个模块故障为例，将不需要动作的开关信号分配给该模块，在该时间段内对三相调制波进行调整，调制比为原来的3/4倍，并使a相上桥臂调制波不再与第一层的三角载波比较，虽然a相电平数减少，但保证输出三相线电压基波有相同的幅值并保持平衡。
进一步地，采用电压冗余排序法使电容电压保持平衡，如图5所示，当某个子模块发生故障被旁路时，需要排除该模块后，重新进行电压排序，通过判断电平数和桥臂电流的充放电情况，再确定投入子模块，将无开关动作的PWM信号给故障模块，有效的PWM信号分配给其余子模块。
进一步地，本发明中的故障处理方法不但能使输出线电压保持平衡，通过旁路故障单元还可以解决由于子模块故障而引起的相间环流，有效地抑制环流骤升，使其保持在安全工作范围内，图6旁路单元选择示意图。
进一步地，在系统核心控制中，电压环是为了平衡直流侧电容电压，经电压、电流前馈解耦和PI调节后，得到调制信号ua、ub、uc，再对故障信号进行检测，当故障信号为0时，ua、ub、uc直接进行载波层叠调制；当故障信号为1时，将调制波ua、ub、uc进行重构，再与三角载波比较经电压排序后生成PWM波。
本发明的目的在于提供一种经济、可靠、快速地解决MMC子模块故障问题的无功补偿装置，使系统工作在不对称的状态，保证输出线电压平衡，有效抑制环流，达到无功补偿的效果。
本发明的基于调制波重构的MMC-STATCOM故障处理装置的控制部分是检测负载侧电流经过坐标变换、电压、电流双闭环控制得到调制波信号，当系统发生故障时，采用调制波重构方法，经过载波层叠调制方式生成PWM波。主要包括以下2个部分：基于载波层叠脉宽调制的电压冗余排序和调制波重构。优选实施例
(一)基于载波层叠脉宽调制的电压冗余排序
基于载波层叠脉宽调制的电压冗余排序的具体实现方法如图5所示，以下均以n＝4为例加以说明。
(1)正常工作时，将所有参考波形与载波比较产生的PWM信号进行叠加，确定投切子模块数，通过电压排序生成PWM信号分配给各个模块。如图3所示，每个桥臂的调制信号与4个层叠的三角载波进行比较，得到的电平转换信号可以叠加成5电平的波形，该波形确定每一时刻MMC上、下桥臂所需要投切的子模块个数，将该信号指令送给电压排序模块中，将MMC子模块按照电容电压值得大小进行排序，再判断桥臂电流方向，当电流大于0时，表示充电状态，则选择投切电压低的n0个子模块；当电流小于0时，表示放电状态，则选择投切电压高的n0个子模块，生成的PWM信号经驱动电路后控制开关管的通断，使输出电压达到9电平。
(2)当MMC子模块发生故障时，以a相第一个模块故障为例，发生故障的模块被旁路，此时若仍然按照原电压排序方式进行，会因为a相上桥臂缺少一个工作子模块而使相间环流骤升，相间环流ijcir表达式为：
其中，ijp是上桥臂电流，ijn是下桥臂电流。
如图6所示，将每个子模块等效为电压源，当Vap1发生故障旁路后，相当于上桥臂减少一个电压源工作，电流iap会大幅度减小，而ian不变，则ijcir增加，因此，必须调整传统电压排序方法。
调整方法是：将故障子模块排除，对剩余工作子模块排序，由载波层叠后得到的电平叠加信号和桥臂电流信号重新确定投入的子模块，生成PWM波，将不需要开关动作的PWM波分配给故障子模块，而将其余PWM波按需求分配给正常子模块工作，经电压冗余排序后，MMC桥臂间的环流得到抑制，达到容错的效果。
(二)调制波重构
如图7A所示，当MMC装置正常运行时，电压相量的模相等，相位间互差120°，若将相量的终端连接到一起，便构成了等边三角形，其中性点在三角形中点，其边长为三相输出线电压的幅值，如图7B所示,当a相上桥臂子模块发生故障后，故障单元被旁路，相电压幅值不再相同，导致输出线电压不再对称，其中性点位置发生偏移。
调制波重构法以保证线电压对称为出发点，故障相调制波达到其临界电压U0时，需要被限幅在U0以下，其中U0的表达式如下：
其中：s是故障模块个数；n是桥臂子模块个数；Ud是直流母线电压。
设原故障相电压为vj，则需要注入的电压voff表达式为：
voff＝U0sin(ωt+θ)-vj (3)
其中，j表示a,b,c三相。
则重构后的调制波信号为：
以n＝4且a相上桥臂第一个子模块故障为例，此时U0＝1/2Ud，在va>U0的时间T内，三相上桥臂的调制信号需要重构，即：
其中，M为调制比。
T的范围是：
即
根据式(5)和式(6)对ωt进行判断，如图8所示，当ωt不在时间T内，则调制波不重构，用原波形与载波比较；当ωt在时间T内时，调制波重构，重构图形如图4所示。经过调制波重构方法后，达到输出相电压平衡的目的。
本发明通过软硬件结合的方法，首先，由电流检测电路采样负载侧电流和补偿电流，电压过零检测电路检测a相电网电压的频率，直流电压检测电路对MMC电容电压进行采样，以DSP和FPGA作为核心控制芯片，对其进行系统编程控制，输出PWM波形，最后，经过驱动电路的功放、隔离驱动子模块的IGBT。
(一)硬件部分
1、电流检测电路
图9为电流检测电路，采用电流霍尔传感器CHB-25NP对负载电流、补偿电流和桥臂电流进行检测，以A相为例，采样的电流通过霍尔传感器的采样电阻RM得到UM，经隔离、偏置、低通滤波和嵌位处理后输入到DSP的A/D口。
2、电压过零检测电路
图10为电压过零检测电路，该电路由两部分组成，第一部分由电阻、电容组成的RC滤波电路，减小系统和电网的相位误差，第二部分由电压比较器LM311构成，实现过零比较，同时设计了一个滞环环节来抑制干扰。
3、直流电压检测电路
图11为直流侧电压采样电路，HCNR201为线性光耦，通过线性光耦采样直流电压，经电阻分压、滤波、隔离处理后，由DSP进行采样。
4、驱动电路
图12为驱动电路，采用HCPL-3120门驱动光电耦合器驱动芯片，该芯片可直接驱动1200V/100A的IGBT，由控制电路输出的PWM信号接入光耦的3脚，经过隔离、放大，驱动IGBT。
5、控制电路
控制单元实现系统的软件编程部分，由控制芯片DSP和FPGA联合完成，DSP选择TI公司的TMS320F2812作为主控制器，具有精度高、成本低、功耗小等，FPGA选用ALTER的EP3C10E144C8型号FPGA作为辅控制器，输出PWM波形。
(二)软件部分
系统的软件部分包括主程序、A/D转换子程序、故障保护子程序、捕获中断子程序、T1周期中断子程序。
1、主程序
图13为系统软件主程序流程图，系统进入主程序入口，对DSP和FPGA控制芯片内部初始化，包括I/O口的初始化、中断初始化、事件管理器初始化、A/D初始化，配置完成后等待中断。
2、A/D转换中断服务子程序
图14为A/D转换中断服务子程序流程图该子程序目的是对采样的模拟信号转化成数字信号，对转换结果读取后，进行电流、电压的PI调节。
3、捕获中断子程序
图15为捕获中断子程序流程图，捕获中断的目的是检测电网电压的频率，实现锁相环功能。在A相电压信号上升沿的过零点开启捕获中断，将捕获值送给定时器T2，连续两次采样的数值之差就是电网频率，若电网波动值超出一定范围时，捕获值无效。
4、T1周期中断子程序
图16为T1周期中断子程序流程图，T1中断子程序的作用是实现电流、电压的检测，将检测信号送给FPGA，判断桥臂电流极性，接收来自FPGA的子模块电容电压信号、子模块故障信号和调制波重构信号。
5、保护中断子程序
图17为故障保护子程序流程图，该部分保证系统安全、可靠运行，当DSP检测到过压、过流、短路等故障信号时，DSP进入保护中断，封锁PWM脉冲，设置故障标志，等待。
系统仿真
为验证本发明的可行性和有效性，进行系统仿真。
图18是当a相上桥臂其中一个子模块发生故障时，系统补偿后的a相电网电压、电流的波形，从图中可以看出，无法实现无功补偿的效果。
图19是故障处理后a相电网电压、电流波形，此时，电压电流同相位，且电流是正弦波形，说明该装置可以实现无功补偿的功能。
图20是故障处理前桥臂环流波形，其中a相桥臂的环流的峰值达到120A。
图21是故障处理后桥臂环流波形，由图中可以看出，经过基于调制波重构的电压冗余排序法处理后，环流均在4A以下，环流抑制效果明显。
图22是故障时MMC输出的三相线电压波形，其中a相的电压波形杂乱，且三相电压不对称。
图23是故障处理前MMC输出相电压波形，其波形发生严重畸变。
图24是故障处理后MMC输出相电压波形，可以看出b相和c相均保持为9电平，a相虽然少一个电平，但三相电压保持稳定状态。说明调制波重构处理方法可以有效的解决MMC子模块故障问题。
图25是故障处理后输出的线电压波形，此时三相线电压达到平衡状态。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.基于调制波重构的MMC-STATCOM故障处理装置，其特征在于，所述基于调制波重构的MMC-STATCOM故障处理装置包括主电路、检测电路、控制电路和驱动电路；
所述主电路由连接电网的电感和MMC换流器组成；所述检测电路用于采样负载侧电流、补偿电流、电容电压、电网电压以及桥臂电流；所述控制电路用于实现坐标变换、电压冗余排序、调制波重构、载波层叠；所述驱动电路用于将DSP输出的PWM信号进行放大、隔离驱动功率开关管。
2.根据权利要求1所述的基于调制波重构的MMC-STATCOM故障处理装置，其特征在于，将该装置应用于电网高压大功率的无功功率补偿的情况下，当MMC子模块发生故障时，通过旁路故障子模块，采用调制波重构方式，使装置继续实现无功补偿的功能。
3.根据权利要求1所述的基于调制波重构的MMC-STATCOM故障处理装置，其特征在于，该装置具有三相MMC拓扑结构，每相的上、下两桥臂由n个SM模块级联而成，每个桥臂串联一个电感，每个SM模块由两个互补导通的IGBT、一个储能电容和一个故障旁路开关组成，当MMC中某个子模块发生故障时，开关闭合，将故障子模块旁路。
4.根据权利要求1所述的基于调制波重构的MMC-STATCOM故障处理装置，其特征在于，该装置采用载波层叠脉宽调制方法，MMC每个桥臂的子模块数为n个，则采用n个层叠的三角载波与调制波比较输出PWM波，输出的PWM信号叠加为n+1电平信号，输出相电压电平数为2n+1。
5.根据权利要求1所述的基于调制波重构的MMC-STATCOM故障处理装置，其特征在于，当子模块发生故障时，采用调制波重构的方式处理。
6.根据权利要求1所述的基于调制波重构的MMC-STATCOM故障处理装置，其特征在于，采用电压冗余排序法使电容电压保持平衡。
7.根据权利要求1所述的基于调制波重构的MMC-STATCOM故障处理装置，其特征在于，经电压、电流前馈解耦和PI调节后，得到调制信号ua、ub、uc，再对故障信号进行检测，当故障信号为0时，ua、ub、uc直接进行载波层叠调制；当故障信号为1时，将调制波ua、ub、uc进行重构，再与三角载波比较，经电压排序后生成PWM波。
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