CN106787885A - 一种无冗余子模块的mmc系统容错控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种无冗余子模块的MMC系统容错控制方法,是一种能够实现MMC系统冗余子模块耗尽但系统不允许停机检修的故障穿越控制方法。首先检测故障子模块的位置,通过旁路开关将故障子模块切除,其他正常子模块不作任何处理;然后根据故障子模块的数量将故障相的调制波进行限幅,并计算出零序电压值,该故障相桥臂剩余正常子模块的电容电压重新排序;最后在其余正常相的调制波中注入零序电压实现调制波的重组,保证输出线电压的平衡。所涉及的容错控制方法避免了系统中性点的偏移,增强了设备的可靠性,提高了运行效率,有利于维持系统不间断、稳定的运行。本发明适用于电工技术领域。
Description
技术领域
本发明属于电工技术领域,具体涉及一种无冗余子模块的MMC系统容错控制方法。
背景技术
模块化组合多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)以其模块化结构、电压等级拓展方便以及较强的容错能力等优点,成为近几年来关注的热点。MMC换流器可以在较低的开关频率下得到比较优质的输出波形,开关频率的降低意味着开关器件损耗的降低,换流器的可靠性和系统的经济性能得到提高和改善。MMC换流器的输出电压的谐波含量较低,允许直接挂网运行,不需要增加滤波环节,有利于降低成本。
MMC换流器每相桥臂是由多个子模块级联而成,单个子模块中的开关器件为MMC系统中最容易发生故障的部分,并且级联的子模块越多,发生故障的概率越大。当MMC子模块发生故障的时候,目前多采用启用冗余子模块和增加外围电路等硬件冗余措施。处于硬件冗余的子模块有2种工作模式,一种是冗余子模块处于冷备用状态;另一种工作模式为子模块处于热备用模式。当系统发生故障时,冗余子模块将代替故障子模块参与到系统的正常投切中;但当冗余子模块耗尽时,系统将被迫停运检修。
当子模块发生故障时需要对故障子模块进行切除,现阶段切除故障子模块的方式一般有两种,一种是对故障子模块及其共用载波的子模块进行切除,同时正常相的对应子模块也要对称切除;另一种方式是仅对故障子模块及其共用载波子模块进行切除,减少了切除子模块的数量。但是这两种方式都有对正常子模块的切除弊端,降低了正常子模块的使用率,同时降低了系统的经济性。
目前MMC系统常用的调制策略主要有最近电平逼近技术、载波层叠SPWM技术、载波移相SPWM技术、多电平SVPWM技术等。前三个控制策略都较为简单,但不能直接实现无冗余子模块系统容错运行;多电平SVPWM技术虽然含有冗余的空间矢量但是运算量较大,控制较繁琐,在MMC的调制策略中很少应用。如何选择合适的调制策略,对于实现系统良好输出和减少环流具有重要的意义。
发明内容
本发明目的在于解决现有技术的缺陷,提供一种无冗余子模块的MMC系统容错控制方法,当子模块发生故障且冗余子模块耗尽时可以实现故障穿越,对故障子模块数量超出预留冗余量,系统又不允许停机检修的情况具有重要的意义,是一种维持系统不间断运行、提高安全可靠性的有效控制方法。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种无冗余子模块的MMC系统容错控制方法,它是基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)实现的,采用双调制波CPS-SPWM调制策略,包括以下步骤:
步骤1:根据故障定位的结果确定故障子模块的位置,通过旁路开关将故障子模块切除,其余正常子模块不做任何处理;
步骤2:在步骤1的基础上,根据故障子模块个数s的范围,将三相调制波进行相应的处理,当s≤n(1-m)/2,参考电压不变,不动作的脉冲分配给故障子模块,此时的三相调制波不需要重组;当s>n(1-m)/2时,输出电压超出了临界电压,需要对故障相调制波进行限幅处理,并通过故障相计算出零序电压值;
其中:s为故障子模块的数量,n为单个桥臂的子模块数量,m为系统的调制比;
步骤3:在步骤2结束后,在其余正常相的调制波中注入零序电压,实现调制波的重组;检测桥臂电流信号,将故障相剩余正常子模块的电容电压重新排序,其他相电容电压保持原有的排序方式不变。
所述模块化多电平换流器由三相六个桥臂构成,每一相上下桥臂合成一个相单元,每个桥臂由n个子模块和电抗器L串联而成;子模块包括上下串联的两个绝缘栅双极型晶体管T1和T2,两个绝缘栅双极型晶体管T1和T2分别反并联一个二极管D1和D2,子模块电容Uc并联在两个串联绝缘栅双极型晶体管两端,旁路模块并联在绝缘栅双极型晶体管T2两端;旁路模块包括旁路开关K以及两个反向并联晶闸管D3和D4,旁路开关K的开通和闭合实现子模块的投入和切除,晶闸管D3承担系统过电流,保护二极管,晶闸管D4用于辅助旁路开关,实现故障子模块的快速切除。
所述双调制波CPS-SPWM调制策略能够平衡开关负荷,使系统具有等效开关频率高,输出谐波含量低等优点。
每相上下桥臂各分担交流输出功率的一半,每个子模块对应一路载波,三角载波平均分配,相邻载波之间相位相差θ=2π/n,上下桥臂对应载波之间相位相差θ=π/n,载波的分布特点有利于实现较好的三相自动均压效果,有利于减少输出波形的谐波含量。
所述步骤1中对故障子模块的切除过程如下:
1):确定故障子模块的位置;
2):封锁故障子模块开关器件的触发信号,动作于辅助旁路开关D3,D4或者旁路开关K;
3):当故障子模块超过系统稳定运行规定的最大故障子模块数量时,断开高压侧开关,系统停止供电。
所述步骤2中对故障相的调制波处理如下:
假设故障子模块位于A相上桥臂,则临界电压为:
其中s为故障子模块的数量,n为单个桥臂的子模块数量,Ud为直流侧电压,m’为故障后的调制比,即m’=(n-2s)/n;
由于故障相为A相,所以A相的调制比变为:
设注入系统的零序电压为v0,则通过故障相前后调制波可得所需注入的零序电压值:
v0=m’-ua
则新合成的A相调制波电压为:
其中ua表示A相故障前的调制波电压。
所述步骤2中对故障相剩余正常子模块的电容电压重新排序,将载波组和新合成的调制波以CPS-SPWM的调制策略以及n+1电平调制模式计算出当前上、下桥臂所需要的子模块数Np和Nn,利用计算机信息采集技术实时采集故障相子模块电容电压uci(其中i=1,2…n*),并将其按升序或降序排列,排序参考的方向标准由上下两个桥臂的电流ip和in符号决定。为保证上下桥臂电容电压排序保持平衡,将子模块中电容电压较高者优先放电,电容电压较低者优先充电,最终使得所有子模块电容电压充放电达到一种平衡的状态,从而实现模块化多电平变换器的电容电压动态平衡。
所述步骤3中对正常相的调制波进行处理,当A相发生故障时,将重构三相调制波,将A相调制波固定在定值1-2s/n,由此算出注入的零序电压v0,然后正常相B相C相的调制波分别修正为正序和零序相加之和。
新合成的B、C两相的调制电压u'b和u'c为:
其中ub表示B相故障前的调制波电压,uc表示C相故障前的调制波电压。
当故障相桥臂的调制电压未超过临界值UL时,系统按照故障前的控制策略运行;当故障桥臂的电压超过临界电压值UL时,需重构三相调制电压。即当系统的调制比m∈[(1-2s/n),1]时,故障桥臂将限幅在UL。
需要信号重构的时间区域和不需要重构的时间区域分别为T1和T2:
故障相调制信号为:
非故障相调制波在各个时刻的表达式为:
本发明一种无冗余子模块的MMC系统容错控制方法,其特点是仅对故障子模块进行切除,减少子模块的切除数量,有利于提高正常子模块的利用率,且通过对三相调制波进行重组,避免了中性点的偏移,实现MMC系统三相对称输出。本发明可以实现无冗余子模块的MMC系统发生子模块故障时的故障穿越,对于像海上风场侧MMC的故障子模块数量超出冗余量、且不允许停机检修时具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明容错控制实施方案流程图;
图2(a)为模块化多电平换流器的拓扑结构,图2(b)为带旁路开关的模块单元,图中ua、ub、uc分别为模块化多电平换流器的三相输出电压,SM1、SM2…SMn表示子模块;
图3为双调制波CPS-SPWM在MMC中的实现过程示意图,图中M1(t)、M2(t)分别为上、下桥臂的正弦载波信号,C1、C2、C3、C4为上桥臂子模块对应的四路载波,C5、C6、C7、C8为下桥臂子模块对应的四路载波;
图4为零序电压注入法示意图,其中图4(a)为未超出临界电压,图4(b)为超出临界电压;
图5为故障相电容电压排序示意图;
图6为故障后重构的三相调制波,图中1为三角载波,2为A相调制波,3为B相调制波,4为C相调制波;
图7为容错控制策略前后三相输出线电压效果图,区域1为正常运行状态,区域2为故障运行状态,区域3为加入容错控制策略后运行状态,7-1为线电压uAB,7-2为线电压uBC,7-3为线电压uCA;
图8为容错控制策略前后环流抑制效果图,区域1为正常运行时相间环流,区域2为故障运行时相间环流,区域3为加入容错控制策略后相间环流。
具体实施方式
为了更具体的阐述本发明,下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1流程图所示,一种无冗余子模块的MMC系统容错控制方法的实施步骤为:
步骤1:根据故障定位的结果确定故障子模块的位置,通过旁路开关将故障子模块切除,其余正常子模块不做任何处理;
步骤2:在步骤1的基础上,根据故障子模块个数s的范围,将三相调制波进行相应的处理,当s≤n(1-m)/2,参考电压不变,不动作的脉冲分配给故障子模块,此时的三相调制波不需要重组;当s>n(1-m)/2时,输出电压超出了临界电压,需要对故障相调制波进行限幅处理,并通过故障相计算出零序电压值;
其中:s为故障子模块的数量,n为单个桥臂的子模块数量,m为系统的调制比;
步骤3:在步骤2结束后,在其余正常相的调制波中注入零序电压,实现调制波的重组;检测桥臂电流信号,将故障相剩余正常子模块的电容电压重新排序,其他相电容电压保持原有的排序方式不变。
如图2所示,模块化多电平换流器由三相六个桥臂构成,每一相上下桥臂合成一个相单元,每个桥臂由n个子模块和电抗器L串联而成;子模块包括上下串联的两个绝缘栅双极型晶体管T1和T2,两个绝缘栅双极型晶体管T1和T2分别反并联一个二极管D1和D2,子模块电容Uc并联在两个串联绝缘栅双极型晶体管两端,旁路模块并联在绝缘栅双极型晶体管T2两端;旁路模块包括旁路开关K以及两个反向并联晶闸管D3和D4,旁路开关K的开通和闭合实现子模块的投入和切除,晶闸管D3承担系统过电流,保护二极管,晶闸管D4用于辅助旁路开关,实现故障子模块的快速切除。
当子模块发生故障时,系统将检测各子模块的状态并发出切除指令,具体过程如下:
1):确定故障子模块的位置;
2):封锁故障子模块开关器件的触发信号,动作于辅助旁路开关D3,D4或者旁路开关K;
3):当故障子模块超过系统稳定运行规定的最大故障子模块数量时,断开高压侧开关,系统停止供电。
采用双调制波CPS-SPWM调制策略时,每相上下桥臂各分担交流输出功率的一半,每个子模块对应一路载波,三角载波平均分配,相邻载波之间相位相差θ=2π/n,上下桥臂对应载波之间相位相差θ=π/n,载波的分布特点有利于实现较好的三相自动均压效果,有利于减少输出波形的谐波含量。
如图3所示,假设每相上下桥臂各有4个子模块,即每相有8个子模块,则系统将有八路载波信号,M1(t)、M2(t)分别为上、下桥臂的正弦载波信号,C1、C2、C3、C4为上桥臂子模块对应的四路载波,C5、C6、C7、C8为下桥臂子模块对应的四路载波,相邻载波之间相位相差角度θ=π/4,上下桥臂对应载波之间相位相差角度θ=π/8,A相上桥臂电压uPa和下桥臂电压uNa为5电平,桥臂中点输出电压ua为9电平。通过采用双调制波CPS-SPWM调制技术,可以实现平衡开关负荷,等效开关频率高,输出谐波含量低的目标。
当故障相电压未超过临界电压时,各相参考电压不作调整,如图4(a),反之,各相相电压进行重构,由正序和零序分量叠加而成,如图4(b)。
假设故障子模块位于A相上桥臂,则临界电压为:
其中s为故障子模块的数量,n为单个桥臂的子模块数量,Ud为直流侧电压,m’为故障后的调制比,即m’=(n-2s)/n;
由于故障相为A相,所以A相的调制比变为:
设注入系统的零序电压为v0,则通过故障相前后调制波可得所需注入的零序电压值为:
v0=m’-ua (3)
则新合成的A相调制波电压为:
其中ua表示A相故障前的调制波电压。
新合成的B、C两相的调制电压u'b和u'c为:
其中ub表示B相故障前的调制波电压,uc表示C相故障前的调制波电压。
当故障相桥臂的调制电压未超过临界值UL时,系统按照故障前的控制策略运行;当故障桥臂的电压超过临界电压UL时,需重构三相调制电压。即当系统的调制比m∈[(1-2s/n),1]时,故障桥臂将限幅在UL。
如图5所示,对故障相剩余正常子模块的电容电压重新排序,将载波组和新合成的调制波以CPS-SPWM的调制策略以及n+1电平调制模式计算出当前上、下桥臂所需要的子模块数Np和Nn,利用计算机信息采集技术实时采集故障相子模块电容电压uci(其中i=1,2…n*),并将其按升序或降序排列,排序参考的方向标准由上下两个桥臂的电流ip和in符号决定。为保证上下桥臂电容电压排序保持平衡,将子模块中电容电压较高者优先放电,电容电压较低者优先充电,最终使得所有子模块电容电压充放电达到一种平衡的状态,从而实现模块化多电平换流器的电容电压动态平衡。
如图6所示,对故障之后三相调制波进行选择性重构,需要信号重构的时间区域和不需要重构的时间区域分别为T1和T2:
故障相调制信号为:
非故障相调制波在各个时刻的表达式为:
根据本发明所述内容及图2拓扑图搭建了单端MMC离网仿真平台以验证本发明所提出的一种无冗余子模块的MMC系统容错控制效果,系统参数如表1所示。
表1仿真参数表
假设A相上桥臂某一子模块0.3s时发生故障并将该故障子模块切除,0.6s时对三相调制波注入零序电压,重组调制波,其故障前后的输出波形及相间环流变化如图7和图8所示,其中区域1为正常运行状态,区域2为故障状态,区域3为系统加入容错控制方法后的运行状态。
由图7可知,正常运行时,MMC系统输出线电压三相对称,由于采用双调制CPS-SPWM调制技术,所以输出的线电压均为17电平阶梯波;0.3s时,发生故障,三相线电压不再对称,谐波含量较多,系统所受扰动较大;0.6s时,加入本发明所述容错控制策略,三相线电压保持对称输出,并且幅值、相位与正常运行时近似相同,由此可见本发明所述的容错控制方法的效果非常明显。
图8从相间环流的角度来阐述本发明所提出方法的可靠性,当故障发生时相间环流较大,对子模块的损耗大大增加,如果持续故障运行则子模块的开关管和电容使用寿命将会缩短。当采用本发明所述容错控制策略后,相间环流虽然比正常运行情况下稍有增加,但相比于故障情况时的相间环流明显降低,提高了MMC系统的可靠性。
Claims (8)
1.一种无冗余子模块的MMC系统容错控制方法,它是基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)实现的,采用双调制波CPS-SPWM调制策略,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:根据故障定位的结果确定故障子模块的位置,通过旁路开关将故障子模块切除,其余正常子模块不做任何处理;
步骤2:在步骤1的基础上,根据故障子模块个数s的范围,将三相调制波进行相应的处理,当s≤n(1-m)/2,参考电压不变,不动作的脉冲分配给故障子模块,此时的三相调制波不需要重组;当s>n(1-m)/2时,输出电压超出了临界电压,需要对故障相调制波进行限幅处理,并通过故障相计算出零序电压值;
其中:s为故障子模块的数量,n为单个桥臂的子模块数量,m为系统的调制比;
步骤3:在步骤2结束后,在其余正常相的调制波中注入零序电压,实现调制波的重组;检测桥臂电流信号,将故障相剩余正常子模块的电容电压重新排序,其他相电容电压保持原有的排序方式不变。
2.根据权利要求1所述的一种无冗余子模块的MMC系统容错控制方法,其特征在于:所述模块化多电平换流器由三相六个桥臂构成,每一相上下桥臂合成一个相单元,每个桥臂由n个子模块和电抗器L串联而成;子模块包括上下串联的两个绝缘栅双极型晶体管T1和T2,两个绝缘栅双极型晶体管T1和T2分别反并联一个二极管D1和D2,子模块电容Uc并联在两个串联绝缘栅双极型晶体管两端,旁路模块并联在绝缘栅双极型晶体管T2两端;旁路模块包括旁路开关K以及两个反向并联晶闸管D3和D4,旁路开关K的开通和闭合实现子模块的投入和切除,晶闸管D3承担系统过电流,保护二极管,晶闸管D4用于辅助旁路开关,实现故障子模块的快速切除。
3.根据权利要求1所述的一种无冗余子模块的MMC系统容错控制方法,其特征在于:所述双调制波CPS-SPWM调制策略能够平衡开关负荷,使系统具有等效开关频率高,输出谐波含量少等优点;
每相上下桥臂各分担交流输出功率的一半,每个子模块对应一路载波,三角载波平均分配,相邻载波之间相位相差θ=2π/n,上下桥臂对应载波之间相位相差θ=π/n,载波的分布特点有利于实现较好的三相自动均压效果,有利于减少输出波形的谐波含量。
4.根据权利要求1所述的一种无冗余子模块的MMC系统容错控制方法,其特征在于:所述步骤1中对故障子模块的切除过程如下:
1):确定故障子模块的位置;
2):封锁故障子模块开关器件的触发信号,动作于辅助旁路开关D3,D4或者旁路开关K;
3):当故障子模块超过系统稳定运行规定的最大故障子模块数量时,断开高压侧开关,系统停止供电。
5.根据权利要求1所述的一种无冗余子模块的MMC系统容错控制方法,其特征在于:所述步骤2中对故障相的调制波处理如下:
假设故障子模块位于A相上桥臂,则临界电压为:
其中,s为故障子模块的数量,n为单个桥臂的子模块数量,Ud为直流侧电压,m’为故障后的调制比,即m’=(n-2s)/n;
由于故障相为A相,所以A相的调制比变为:
设注入系统的零序电压为v0,则通过故障相前后调制波可得所需注入的零序电压值:
v0=m′-ua
则新合成的A相调制波电压为:
(定值)
其中ua表示A相故障前的调制波电压。
6.根据权利要求1所述的一种无冗余子模块的MMC系统容错控制方法,其特征在于:所述步骤2中对故障相剩余正常子模块的电容电压重新排序,将载波组和新合成的调制波以CPS-SPWM的调制策略以及n+1电平调制模式计算出当前上、下桥臂所需要的子模块数Np和Nn,利用计算机信息采集技术实时采集故障相子模块电容电压uci(其中i=1,2…n*),并将其按升序或降序排列,排序参考的方向标准由上下两个桥臂的电流ip和in符号决定。为保证上下桥臂电容电压排序保持平衡,将子模块中电容电压较高者优先放电,电容电压较低者优先充电,最终使得所有子模块电容电压充放电达到一种平衡的状态,从而实现模块化多电平变换器的电容电压动态平衡。
7.根据权利要求1所述的一种无冗余子模块的MMC系统容错控制方法,其特征在于:所述步骤3中对正常相的调制波进行处理,当A相发生故障时,将重构三相调制波,将A相调制波固定在定值1-2s/n,由此算出注入的零序电压v0,然后正常相B相C相的调制波分别修正为正序和零序相加之和;
新合成的B、C两相的调制电压u'b和u'c为:
其中ub表示B相故障前的调制波电压,uc表示C相故障前的调制波电压。
8.根据权利要求1所述的一种无冗余子模块的MMC系统容错控制方法,其特征在于:当故障相桥臂的调制电压未超过临界值UL时,系统按照故障前的控制策略运行;当故障桥臂的电压超过临界电压值UL时,需重构三相调制电压。即当系统的调制比m∈[(1-2s/n),1]时,故障桥臂将限幅在UL;
需要信号重构的时间区域和不需要重构的时间区域分别为T1和T2:
故障相调制信号为:
非故障相调制波在各个时刻的表达式为:
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