CN110995037A - 电容参数性故障下模块化多电平换流器环流控制方法 - Google Patents

电容参数性故障下模块化多电平换流器环流控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了电容参数性故障下模块化多电平换流器环流控制方法，具体为：首先通过检测各相上下桥臂电流计算各相环流，再采用带通滤波器将各相环流中的基频环流滤出，接着对基频环流进行旋转坐标变换及正负序分解，然后对基频环流的正序以及负序分量分别进行前馈解耦控制，并将正序及负序环节的输出电压相加得到基频环流控制器的输出参考电压u fj ，最后将u fj 与系统控制输出的参考电压以及二倍频环流抑制参考电压相加，即得到上、下桥臂新的参考电压，经过调制控制得到各子模块的触发脉冲，从而抑制电容参数性故障下MMC系统的相间基频环流。与现有的环流控制方法相比，本发明既不改变换流器结构，也无需注入特定次谐波，控制算法简单，易于理解和实施。

Description

电容参数性故障下模块化多电平换流器环流控制方法
技术领域
本发明涉及电容参数性故障下模块化多电平换流器环流控制方法，属于多电平电力电子变换器技术领域。
背景技术
随着电力电子技术的发展，模块化多电平换流器(Modular MultilevelConverter，MMC)以其高度模块化的结构，成为了中高压、大容量电力电子换流器的核心技术。MMC具有易扩展、谐波含量低、便于冗余设计等诸多优势，在柔性直流输电、电机驱动、储能等方面取得了广泛应用。
MMC的可靠运行是该技术研究的关键之一。MMC的故障来源主要包括功率半导体器件故障、电容故障、布线及终端故障以及其他故障。在MMC的故障来源中，电容故障占比30％。电容故障包括结构性故障和参数性故障，且主要表现为参数性故障。电容参数性故障指的是，由于内部化学作用、电容老化、电容非额定状态运行等因素，电容值发生一定程度的改变。在实际应用中，电解电容由于其容量大、成本低、不易短路等特点，依然有着较多应用。但是，电解电容值降低到一定程度时，如额定值的80％，需要对其进行更换。但在更换前，电容参数性故障将对MMC系统的运行造成一定程度的影响。由于电容参数性故障，MMC桥臂中各子模块(Submodule，SM)的电容容值不再完全一致，此时上下桥臂电压的基频分量相加不再为零，导致MMC相间环流中出现基频分量。一方面，基频环流提高了功率开关管的额定电流容量，增加了开关管的功率损耗，可能导致功率开关管发热严重甚至损坏，降低MMC系统运行的可靠性；另一方面，电容故障引起的基频分量引起了MMC输出侧电压与电流的畸变，降低系统运行效率。
针对MMC中的电容参数性故障问题，现有技术仅仅关注了电容发生参数性故障后的电容容值检测问题，而忽略了电容老化更换前电容容值变化对于MMC系统产生的影响，未提出相关技术对电容参数性故障下引起的MMC系统基频环流进行容错控制。因此，针对MMC系统发生电容参数性故障引起的基频环流问题，需要提出一种基频环流抑制方法进行容错控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供电容参数性故障下模块化多电平换流器环流控制方法，有效抑制了电容参数性故障下MMC系统的相间基频环流。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
电容参数性故障下模块化多电平换流器环流控制方法，包括如下步骤：
步骤1，检测各相上桥臂电流和下桥臂电流，并计算各相环流；
步骤2，采用带通滤波器提取各相环流中的基频分量，得到基频环流；
步骤3，对基频环流进行旋转坐标变换以及正负序分解，得到基频环流的正序旋转分量ifd_p、ifq_p和负序旋转分量ifd_n、ifq_n；
步骤4，对基频环流的正序旋转分量ifd_p、ifq_p进行前馈解耦控制，得到正序旋转电压控制值ufd_p及ufq_p，再对正序旋转电压控制值ufd_p及ufq_p进行静止坐标变换，得到三相正序静止电压控制值ufa_p、ufb_p、ufc_p；
步骤5，对基频环流的负序旋转分量ifd_n、ifq_n进行前馈解耦控制，得到负序旋转电压控制值ufd_n及ufq_n，再对负序旋转电压控制值ufd_n及ufq_n进行静止坐标变换，得到三相负序静止电压控制值ufa_n、ufb_n、ufc_n；
步骤6，将每相对应的正序静止电压控制值与负序静止电压控制值相加，得到基频环流控制器的输出参考电压ufj，j＝a,b,c相；
步骤7，将基频环流控制器的输出参考电压ufj与系统控制输出的参考电压uj_ref以及二倍频环流抑制控制参考电压u2fj相加，得到上、下桥臂新的参考电压upj_ref和unj_ref，再分别对upj_ref和unj_ref进行调制控制得到上、下桥臂各子模块的触发脉冲，从而抑制电容参数性故障下MMC系统的相间基频环流。
作为本发明的一种优选方案，步骤1所述各相环流，计算公式为：
ijz＝iju+ijl
其中，ijz表示各相环流，iju表示各相上桥臂电流，ijl表示各相下桥臂电流，j＝a,b,c相。
作为本发明的一种优选方案，步骤4所述对基频环流的正序旋转分量ifd_p、ifq_p进行前馈解耦控制，得到正序旋转电压控制值ufd_p及ufq_p，具体为：
将基频环流的正序旋转分量ifd_p与ifd_p的参考值比较再经过PI控制器得到控制调节值uPIfd_p，根据公式ufd_p＝uPIfd_p-2ωLsifd_p求得d轴电压控制量ufd_p；将基频环流的正序旋转分量ifq_p与ifq_p的参考值比较再经过PI控制器得到控制调节值uPIfq_p，根据公式ufq_p＝uPIfq_p+2ωLsifq_p求得q轴电压控制量ufq_p；即正序旋转电压控制值ufd_p及ufq_p。
作为本发明的一种优选方案，步骤5所述对基频环流的负序旋转分量ifd_n、ifq_n进行前馈解耦控制，得到负序旋转电压控制值ufd_n及ufq_n，具体为：
将基频环流的负序旋转分量ifd_n与ifd_n的参考值比较再经过PI控制器得到控制调节值uPIfd_n，根据公式ufd_n＝uPIfd_n-2ωLsifd_n求得d轴电压控制量ufd_n；将基频环流的负序旋转分量ifq_n与ifq_n的参考值比较再经过PI控制器得到控制调节值uPIfq_n，根据公式ufq_n＝uPIfq_n+2ωLsifq_n求得q轴电压控制量ufq_n；即负序旋转电压控制值ufd_n及ufq_n。
作为本发明的一种优选方案，步骤7所述系统控制输出的参考电压uj_ref，计算方式为：
对MMC系统经过功率外环控制和电流内环控制得到系统正序分量和负序分量的控制电压，再将正序分量的控制电压和负序分量的控制电压相加得到系统控制输出的参考电压uj_ref。
作为本发明的一种优选方案，步骤7所述二倍频环流抑制控制参考电压u2fj，计算方式为：
用MMC相间二倍频环流替换基频环流，对MMC相间二倍频环流做步骤3至步骤6相同的处理，得到二倍频环流抑制控制参考电压u2fj。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明针对电容参数性故障引起的MMC系统相间基频环流问题，提出了一种电容参数性故障下模块化多电平换流器基频环流控制策略。该策略通过引入前馈解耦控制，得到基频环流的输出参考电压，再结合系统控制的参考电压与二倍频环流抑制控制的参考电压得到上下桥臂新的参考电压，经过调制得到各子模块的触发脉冲，从而抑制电容参数性故障下MMC系统的相间基频环流。所提出的控制方法用于抑制相间基频环流，其控制策略借鉴了二倍频环流抑制控制，相对于谐波注入法等其他环流抑制方法，该方法易于理解和实施。
2、本发明控制方法无需改变换流器结构，故现有MMC系统控制方法仍适用，如系统控制方法、二倍频环流控制方法、功率器件故障检测方法等。
3、由于电容电解液会随着电容使用时间的增加而减少，故电容容值也会随着时间不断变化，电容参数性故障是MMC系统运行中的重要故障，然而，目前尚未有技术解决此问题。本发明首创性地提出电容参数性故障下基频环流控制算法，对现有工程而言实用价值高。
附图说明
图1(a)是三相MMC系统框图。
图1(b)是三相MMC中的子模块单元图。
图2是本发明所提出的电容参数性故障下模块化多电平换流器环流控制框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明针对电容参数性故障下模块化多电平换流器相间基频环流的问题，提出了适用于MMC的电容参数性故障下的功率损耗控制方法，该方法通过引入前馈解耦控制，得到基频环流的输出参考电压ufj，再将ufj与系统控制输出的参考电压以及二倍频环流抑制控制参考电压相加，得到上下桥臂新的参考电压，再经过调制控制得到各子模块的触发脉冲，从而抑制电容参数性故障下MMC系统的相间基频环流。
本发明中MMC的拓扑采用三相六桥臂结构，如图1(a)所示，每个桥臂中含有n个半桥结构的子模块，和一个桥臂电感Ls，每个子模块由一个电解电容，两个功率开关管T1、T2，和两个反并联二极管D1、D2组成，如图1(b)所示，基频环流的抑制方法为：将相间环流的基频分量经过坐标变换、前馈解耦控制，得到正序及负序环节的输出电压，再将正序及负序环节的输出电压相加得到基频环流控制器的输出参考电压，最后结合系统控制以及二倍频环流抑制控制得到上下桥臂新的控制电压，经过调制得到各子模块的触发脉冲，从而抑制电容参数性故障下MMC的相间基频环流。
如图2所示，电容参数性故障下模块化多电平换流器环流控制策略，包括：通过检测各相上下桥臂电流计算各相环流，再采用带通滤波器将各相环流中的基频环流滤出，接着经过坐标变换、前馈解耦控制，得到正负序环节的输出电压，将正负序环节的输出电压相加得到基频环流控制器的输出参考电压ufj，将ufj与系统控制输出的参考电压uj_ref以及二倍频环流抑制控制参考电压u2fj相加，得到上、下桥臂新的参考电压upj_ref和unj_ref，经过调制控制得到各子模块的触发脉冲，从而抑制电容参数性故障下MMC系统的相间基频环流。具体包括以下步骤：
(1)计算相间环流。检测各相上桥臂电流iju及下桥臂电流ijl，根据公式ijz＝iju+ijl，得到各相环流ijz，j＝a,b,c。
(2)提取相间环流的基频分量。采用带通滤波器将各相环流中的基频环流ifj滤出。
(3)得到基频环流的正负序旋转分量。对基频环流进行旋转坐标变换及正负序分解，得到基频环流的正序旋转分量ifd_p、ifq_p和负序旋转分量ifd_n、ifq_n。
(4)得到正序静止电压控制值。对基频环流的正序旋转分量ifd_p、ifq_p进行前馈解耦控制，得到正序旋转电压控制值ufd_p及ufq_p，再对正序旋转电压控制值ufd_p及ufq_p进行静止坐标变换，得到三相正序静止电压控制值ufa_p、ufb_p、ufc_p。
正序分量前馈解耦控制，具体如下：将基频环流的正序旋转分量ifd_p、ifq_p与指令值比较再经过PI控制器得到控制调节值uPIfd_p和uPIfq_p，根据公式ufd_p＝uPIfd_p-2ωLsifd_p可求得d轴电压控制量ufd_p，根据公式ufq_p＝uPIfq_p+2ωLsifq_p可求得q轴电压控制量ufq_p。
(5)得到负序静止电压控制值。对基频环流的负序旋转分量ifd_n、ifq_n进行前馈解耦控制，得到负序旋转电压控制值ufd_n及ufq_n，再对负序旋转电压控制值ufd_n及ufq_n进行静止坐标变换，得到三相负序静止电压控制值ufa_n、ufb_n、ufc_n。
负序分量前馈解耦控制，具体如下：将基频环流的负序旋转分量ifd_n、ifq_n与指令值比较再经过PI控制器得到控制调节值uPIfd_n和uPIfq_n，根据公式ufd_n＝uPIfd_n-2ωLsifd_n可求得d轴电压控制量ufd_n，根据公式ufq_n＝uPIfq_n+2ωLsifq_n可求得q轴电压控制量ufq_n。
(6)得到基频环流控制器的输出参考电压。将正序环节的输出电压ufa_p、ufb_p、ufc_p与负序环节的输出电压ufa_n、ufb_n、ufc_n相加，得到基频环流控制器的输出参考电压ufa、ufb、ufc。
(7)得到上下桥臂的参考电压。将ufj与系统控制输出的参考电压uj_ref以及二倍频环流抑制控制参考电压u2fj相加，得到上、下桥臂新的参考电压upj_ref和unj_ref，再经过调制控制得到各子模块的触发脉冲，从而抑制电容参数性故障下MMC系统的相间基频环流。
系统控制，具体如下：经过功率外环控制和电流内环控制分别得到正序分量和负序分量的控制电压，再将正序环节与负序环节的控制电压相加得到系统控制的输出参考电压uj_ref。
二倍频环流抑制控制，具体如下：经过坐标变换及前馈解耦控制，得到二倍频环流抑制控制参考电压u2fj。
本发明尤其适用于处于电容参数性故障状态下的MMC系统，所提出的方法能够有效抑制由电容参数性故障产生的基频环流。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.电容参数性故障下模块化多电平换流器环流控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，检测各相上桥臂电流和下桥臂电流，并计算各相环流；
步骤2，采用带通滤波器提取各相环流中的基频分量，得到基频环流；
步骤3，对基频环流进行旋转坐标变换以及正负序分解，得到基频环流的正序旋转分量ifd_p、ifq_p和负序旋转分量ifd_n、ifq_n；
步骤4，对基频环流的正序旋转分量ifd_p、ifq_p进行前馈解耦控制，得到正序旋转电压控制值ufd_p及ufq_p，再对正序旋转电压控制值ufd_p及ufq_p进行静止坐标变换，得到三相正序静止电压控制值ufa_p、ufb_p、ufc_p；
步骤5，对基频环流的负序旋转分量ifd_n、ifq_n进行前馈解耦控制，得到负序旋转电压控制值ufd_n及ufq_n，再对负序旋转电压控制值ufd_n及ufq_n进行静止坐标变换，得到三相负序静止电压控制值ufa_n、ufb_n、ufc_n；
步骤6，将每相对应的正序静止电压控制值与负序静止电压控制值相加，得到基频环流控制器的输出参考电压ufj，j＝a,b,c相；
步骤7，将基频环流控制器的输出参考电压ufj与系统控制输出的参考电压uj_ref以及二倍频环流抑制控制参考电压u2fj相加，得到上、下桥臂新的参考电压upj_ref和unj_ref，再分别对upj_ref和unj_ref进行调制控制得到上、下桥臂各子模块的触发脉冲，从而抑制电容参数性故障下MMC系统的相间基频环流。
2.根据权利要求1所述电容参数性故障下模块化多电平换流器环流控制方法，其特征在于，步骤1所述各相环流，计算公式为：
ijz＝iju+ijl
其中，ijz表示各相环流，iju表示各相上桥臂电流，ijl表示各相下桥臂电流，j＝a,b,c相。
3.根据权利要求1所述电容参数性故障下模块化多电平换流器环流控制方法，其特征在于，步骤4所述对基频环流的正序旋转分量ifd_p、ifq_p进行前馈解耦控制，得到正序旋转电压控制值ufd_p及ufq_p，具体为：
将基频环流的正序旋转分量ifd_p与ifd_p的参考值比较再经过PI控制器得到控制调节值uPIfd_p，根据公式ufd_p＝uPIfd_p-2ωLsifd_p求得d轴电压控制量ufd_p；将基频环流的正序旋转分量ifq_p与ifq_p的参考值比较再经过PI控制器得到控制调节值uPIfq_p，根据公式ufq_p＝uPIfq_p+2ωLsifq_p求得q轴电压控制量ufq_p；即正序旋转电压控制值ufd_p及ufq_p。
4.根据权利要求1所述电容参数性故障下模块化多电平换流器环流控制方法，其特征在于，步骤5所述对基频环流的负序旋转分量ifd_n、ifq_n进行前馈解耦控制，得到负序旋转电压控制值ufd_n及ufq_n，具体为：
将基频环流的负序旋转分量ifd_n与ifd_n的参考值比较再经过PI控制器得到控制调节值uPIfd_n，根据公式ufd_n＝uPIfd_n-2ωLsifd_n求得d轴电压控制量ufd_n；将基频环流的负序旋转分量ifq_n与ifq_n的参考值比较再经过PI控制器得到控制调节值uPIfq_n，根据公式ufq_n＝uPIfq_n+2ωLsifq_n求得q轴电压控制量ufq_n；即负序旋转电压控制值ufd_n及ufq_n。
5.根据权利要求1所述电容参数性故障下模块化多电平换流器环流控制方法，其特征在于，步骤7所述系统控制输出的参考电压uj_ref，计算方式为：
对MMC系统经过功率外环控制和电流内环控制得到系统正序分量和负序分量的控制电压，再将正序分量的控制电压和负序分量的控制电压相加得到系统控制输出的参考电压uj_ref。
6.根据权利要求1所述电容参数性故障下模块化多电平换流器环流控制方法，其特征在于，步骤7所述二倍频环流抑制控制参考电压u2fj，计算方式为：
用MMC相间二倍频环流替换基频环流，对MMC相间二倍频环流做步骤3至步骤6相同的处理，得到二倍频环流抑制控制参考电压u2fj。
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