CN111092561B - 一种混合型mmc解锁后子模块电容电压快恢复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合型MMC换流器解锁后子模块电容电压快恢复方法，涉及模块化多电平换流器技术领域。当换流器通过闭锁保护成功阻断故障电流后，各个桥臂全桥和半桥阀段根据自身阀段电压与额定电压的差异来确定待加入前馈补偿环节的符号。然后，各个子模块的均压控制器在原有均压环的基础上加入基于桥臂电流的前馈补偿环节，增强比例控制器的能量调节作用。待子模块电容电压快速恢复到额定值以后，将前馈补偿环节切除以保证换流器的正常运行。本发明有效加速混合型MMC解锁后子模块电容电压恢复速度，从而满足了直流配电网中直流故障清除后，为保证供电可靠性，对换流器重启的快速性要求。

Description

一种混合型MMC解锁后子模块电容电压快恢复方法
技术领域
本发明涉及模块化多电平换流器技术领域，尤其涉及一种混合型MMC解锁后子模块电容电压快恢复方法。
背景技术
随着分布式新能源规模的的不断扩大以及电动汽车数量的日益增加，配电网中的直流源、荷数目大幅上升，相较交流配电网，直流配电网能有效减少变流环节，提高光伏、风能等分布式新能源接入能力和能源利用效率。但工程实践表明，直流配电网特有的“低阻尼”、“低惯性”的特点，导致直流系统故障发展速度极快；此外，大规模的新能源并网采用架空线路显得更为迫切，但架空线路更易发生短路故障。故障发生后，换流阀通常因为IGBT过电流而闭锁，非故障区域因为换流器的闭锁而发生停电。为了保证配电系统的可靠性，需要换流器具有故障穿越能力。
传统直流输电中换流器采用电网换相换流器(LCC)，但其存在串联晶闸管难均压以及换相容易失败等问题；现在很多的柔性直流工程采用模块化多电平变换器(MMC)的拓扑结构，它具有易扩展、输出谐波少、损耗低等优点，但是工程投运的MMC换流器均采用半桥子模块，故障发生后由于续流二极管的存在无法对故障电流进行阻断，严重影响设备及系统的安全运行。为能够有效清除故障，各种具有故障阻断能力的新型子模块拓扑被提出，如全桥子模块、箝位双子模块等。这些改进的子模块依靠增加了开关器件数目、运行损耗以及控制的复杂程度来获得故障阻断能力，不适合应用于实际工程中。而采用半桥和全桥混合级联的方式，不仅具有直流故障阻断能力、控制简单成熟而且具有一定的经济性，被认为是一种具有应用前景的拓扑结构。
换流站的故障恢复能力是构建直流电网并保证其可靠性的关键问题。当暂时性故障被清除或多端系统中故障线路被隔离后，需立即重启动来恢复供电，保证故障恢复的快速性。对于换流站而言，故障恢复时的主要问题是实现各桥臂电容电压的再平衡，通过加速子模块电容电压的恢复能够实现整个换流站的快速恢复以及对重要负荷的快速供电。而现有文献大都致力于研究各种具有故障阻断能力的子模块拓扑结构，鲜有探究换流器解锁后加速子模块电容电压恢复的方法。
发明内容
发明目的：混合型MMC闭锁阻断故障后，应能快速重启恢复对负荷的供电，从而保证直流电网的供电可靠性。本发明提供一种混合型MMC故障解锁后子模块电容电压快恢复方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
一种混合型MMC解锁后子模块电容电压快恢复方法，所述混合型MMC每个桥臂由若干个半桥子模块和全桥子模块混合级联而成。当MMC通过闭锁保护清除故障后，各子模块的均压控制器在原有均压环的基础上加入基于各自桥臂电流的前馈补偿环节，以增强原有均压环对于子模块电容的能量调节作用，待子模块电容电压恢复到额定值以后，将前馈补偿环节切除以保证MMC的正常运行；
加入前馈补偿环节后整个控制环路的输出电压表达式为：
upx_i＝upx_ref+Kp(vdcp_av-vdcp_i)·sgn(ip)+Kffip (1)
其中upx_i为整个控制环路的输出电压，upx_ref为子模块的参考调制波，Kp为比例控制器的比例增益系数，vdcp_av为单个桥臂内子模块电容平均电压的参考值，vdcp_i为该桥臂内第i个子模块电容电压的实时采样值，ip为上桥臂电流，Kff为前馈补偿环节的前馈系数。
进一步的，MMC的调制采用载波移相脉宽调制技术，每个子模块的均压采用分级均压控制，该分级均压控制包括控制单相上下桥臂总能量的电容电压平均控制环和对每个子模块能量进行调节的电容电压均衡控制环。
进一步的，所加入的前馈补偿环节根据不同子模块阀段实际的电压调节需求确定前馈系数的正负，若MMC解锁时子模块电容电压高于额定值，则前馈系数的符号为负，若MMC解锁时子模块电容电压低于额定值，则前馈系数的符号为正，以保证子模块能量调节方向的正确性。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供的一种混合型MMC解锁后子模块电容电压快恢复方法，能够在换流站闭锁后重启的过程中加速子模块电容电压恢复至额定值，保证直流电网供电的可靠性。且仅需要投切相应的前馈补偿环节，无需额外的充电设备，节约换流站占地与投资成本。该方法简单有效，易于实施，保证了换流器重启过程的快速性。
附图说明
图1为混合型MMC拓扑结构；
图2为子模块电容电压平均控制框图；
图3为改进后的子模块电容电压均衡控制框图；
图4为换流器解锁后在原有均压环下A相上下桥臂电容电压仿真波形，其中，(a)为下桥臂，(b)为上桥臂；
图5为加入前馈环节且前馈系数取0.4但未及时切除时A相上下桥臂电容电压仿真波形，其中，(a)下为桥臂，(b)为上桥臂；
图6为加入前馈环节且前馈系数取0.4且及时切除时A相上下桥臂电容电压仿真波形，其中，(a)为下桥臂，(b)为上桥臂；
图7为加入前馈环节且前馈系数取0.8时A相上下桥臂电容电压仿真波形，其中，(a)为下桥臂，(b)为上桥臂；
图8为本发明方法的实施流程图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明提出一种能够加速MMC换流器解锁后电容电压恢复的控制策略，该混合型MMC的每个桥臂由半桥子模块和全桥子模块混合级联而成。考虑到本发明采用闭锁方式进行故障电流的阻断，对全桥的负电平没有需求，因此换流器正常运行时，全桥工作在半桥模式，即仅输出0和+Uc两种电平。换流器采用载波移相的调制方法，每个子模块的电容电压均衡采用均压环来进行控制。当直流侧发生金属性双极短路故障后，故障电流达到保护阈值时，换流器闭锁。故障清除后，单个桥臂内以及不同桥臂间全桥和半桥子模块间的电压差异会导致换流器解锁时桥臂会出现一定的过冲电流。而原有均压环只能对单个子模块电容能量进行微调，因此换流器故障解锁后子模块电容电压恢复速度较慢。但注意到，桥臂电流也是子模块电容电压恢复到额定值的媒介，因此，本发明在原有的均压环基础上，引入基于桥臂电流的前馈补偿环节，增强均压环的能量调节作用，使得每个子模块能够在解锁后快速恢复到额定值。
由于闭锁后全桥子模块电容电压反压投入到故障回路中来吸收故障能量进行故障的阻断，全桥电容电压会在此阶段升高，而半桥电容电压保持闭锁前的值不变。因此，各个桥臂内全桥阀段和半桥阀段电容电压补偿的需求不同，需要根据各自阀段的需求修改相应前馈系数的符号，从而保证每个子模块能量调节方向的正确性。
电流前馈补偿环节所附加的补偿功率在子模块电容电压偏离额定值时，它的存在加强了均压环的调节作用。但是存在的不足是，当电容电压达到额定值后，该补偿功率不为零，需及时切回原均压控制，保证换流器稳态运行性能。
本发明方法针对的混合型MMC拓扑如图1所示，每个桥臂由半桥子模块和全桥子模块混合级联而成，为保证直流侧发生短路故障后，反压投入的全桥子模块电容电压既能阻断交流源，也能清除短路电流，全桥与半桥的数目配比采用1：1。
本发明方法采用载波移相脉宽调制技术(CPS-PWM)，能够在较低的开关频率下实现较高的等效开关频率，降低了换流器的开关损耗，并且能够通过改变移相角有效消除谐波，具有良好的谐波特性。对桥臂内的子模块电压采用分级均压控制，一方面是电容电压平均控制，如图2采用双闭环控制，通过对环流的控制实现了对整相桥臂能量的控制。另一方面是电容均衡控制，如图3所示，传统均压方法只利用了一个简单的比例控制器对单个子模块电压进行调节，符号函数的加入是为了保证能量调节方向的正确。本发明方法在传统均压环的基础上加入基于桥臂电流的前馈补偿环节，间接增强比例控制器的能量调节作用。其输出电压表达式为
upx_i＝upx_ref+Kp(vdcp_av-vdcp_i)·sgn(ip)+Kffip (1)
其中upx_i为整个控制环路的输出电压，upx_ref为子模块的参考调制波，Kp为比例控制器的比例增益系数，vdcp_av为单个桥臂内子模块电容平均电压的参考值，vdcp_i为该桥臂内第i个子模块电容电压的实时采样值，ip为上桥臂电流，Kff为前馈补偿环节的前馈系数。
因此注入到第i个子模块内的瞬时功率为：
ppx_i(t)＝upx_ref·ip+Kp·Δvdcp_i·sgn(ip)·ip+Kffip 2 (2)
＝ppx_ref+padd1+padd2
其中，Padd1为比例控制器闭环调节所附加的补偿功率，其正负取决于Δvdcp_i的正负，且注意到当子模块电容电压达到额定值后，Padd1约为0。而Padd2为设置的电流前馈补偿环节所附加的补偿功率，在子模块电容电压偏离额定值时，它的存在加强了均压环的调节作用。但是存在的缺点是，当电容电压达到额定值后，Padd2不为0，为了保证环流器稳态运行性能，需及时切回原均压控制
并且，注意到各个桥臂内不同子模块阀段的电容电压的补偿需求不同，应修改相应Padd2的符号，亦即前馈系数的符号。如图4中的(a)所示，闭锁后A相下桥臂中，全桥电容电压偏高(高于额定值750V)，而半桥子模块电容电压会偏低(低于额定值750V)，因此对应的子模块均压环修正为：
upa_hi＝upa_ref+Kp(vdcp_av-vdcp_i)·sgn(ip)+Kffip (3)
upa_fi＝upa_ref+Kp(vdcp_av-vdcp_i)·sgn(ip)-Kffip (4)
其中，upa_hi为A相下桥臂第i个半桥模块控制环路的输出电压，upa_fi为A相下桥臂第i个全桥模块控制环路的输出电压，upa_ref为a相下桥臂子模块的参考调制波。
为了验证本方法的效果，做出以下仿真实验，给定参数如表1所示。
表1混合型MMC的基本参数
参数 数值 参数 数值
交流相电压峰值 2550V<sub>AC</sub> 平波电抗器 100mH
直流额定电压 6000V<sub>DC</sub> 子模块电容电压 750V<sub>DC</sub>
额定功率 100kW 子模块电容值 2mF
桥臂电抗器 10mH 桥臂子模块个数 8
交流侧电感 20mH 全桥子模块个数 4
根据表1的参数，对本发明的电容电压快恢复方法进行仿真验证。
换流器A相桥臂子模块电容电压波形如图4中的(a)和(b)所示，在换流器闭锁后，全桥子模块电容反极性串联在故障回路中来阻断交流源的溃流，故障回路中的能量向全桥子模块充电，其电容电压上升。半桥子模块保持闭锁前的值不变。故障解除后，在原有均压环的作用下，下桥臂子模块电容电压经过一定的调节时间(190ms)，能在0.44ms左右稳定在额定值，且子模块间的电容电压保持了均衡。换流器A相上桥臂子模块电容电压也能在0.44ms左右稳定在额定值。
在均压环中加入基于桥臂电流的前馈环节后，桥臂电容电压有了较快的恢复效果，如图5中的(a)和(b)所示。当前馈系数Kff取0.4时，A相下桥臂电容电压在换流器解锁后能够160ms(0.25ms-0.41ms)的暂态过程恢复到750V的额定值，恢复速度增快了15.79％。同时A相上桥臂子模块电容电压也能够在0.412ms左右恢复至额定值，恢复速度增快了14.74％。
从仿真波形图中，我们也可以看到一个问题：当子模块电容电压恢复到750V后，PI控制器的调节作用很小，但是此时由于前馈补偿环节的存在，会使得子模块电容电压继续升高或者降低，而达到一个新的稳态值，但是却偏离了电容电压的额定值，这将会影响整个换流器的性能。因此，需要及时将前馈补偿环节切除，保证MMC的正常运行。图6中的(a)和(b)为在子模块电容电压恢复到额定值之后，将所添加的前馈环节及时切除后的电容电压波形，由图可见，上下桥臂中半桥与全桥子模块均能很快稳定在750V。
如图7中的(a)和(b)所示，当前馈系数Kff取0.8时，A相下桥臂电容电压在换流器解锁后能够经历115ms(0.25ms-0.365ms)的暂态过程恢复到750V的额定值，恢复速度增快了39.47％，电容均衡速度明显加快。而A相上桥臂子模块电容电压也能够在0.38ms左右恢复至额定值，恢复速度增快了31.57％。
图8为混合型MMC解锁后子模块电容电压快恢复方法的流程图。本发明提供的一种混合型MMC解锁后子模块电容电压快恢复方法，能够加速换流器故障清除后的重启过程，且保证了变换器的稳定运行。

Claims (2)

1.一种混合型MMC解锁后子模块电容电压快恢复方法，所述混合型MMC每个桥臂由若干个半桥子模块和全桥子模块混合级联而成，其特征在于：当直流侧发生金属性双极短路故障，MMC通过闭锁保护清除故障后，针对单个桥臂内以及不同桥臂间全桥和半桥子模块进行以下处理：各子模块的均压控制器在原有均压环的基础上加入基于各自桥臂电流的前馈补偿环节，以增强原有均压环对于子模块电容的能量调节作用，待子模块电容电压恢复到额定值以后，将前馈补偿环节切除以保证MMC的正常运行；
加入前馈补偿环节后整个控制环路的输出电压表达式为：
upx_i＝upx_ref+Kp(vdcp_av-vdcp_i)·sgn(ip)+Kffip (1)
其中upx_i为整个控制环路的输出电压，upx_ref为子模块的参考调制波，Kp为比例控制器的比例增益系数，vdcp_av为单个桥臂内子模块电容平均电压的参考值，vdcp_i为该桥臂内第i个子模块电容电压的实时采样值，ip为上桥臂电流，Kff为前馈补偿环节的前馈系数；
MMC的调制采用载波移相脉宽调制技术，每个子模块的均压采用分级均压控制，该分级均压控制包括控制单相上下桥臂总能量的电容电压平均控制环和对每个子模块能量进行调节的电容电压均衡控制环。
2.根据权利要求1所述的一种混合型MMC解锁后子模块电容电压快恢复方法，其特征在于：所加入的前馈补偿环节根据不同子模块阀段实际的电压调节需求确定前馈系数的正负，若MMC解锁时子模块电容电压高于额定值，则前馈系数的符号为负，若MMC解锁时子模块电容电压低于额定值，则前馈系数的符号为正，以保证子模块能量调节方向的正确性。
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