CN111585461A - 一种模块化多电平变换器故障容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化多电平变换器故障容错控制方法，包括以下步骤：步骤一：仅以系统的交流电流为优化对象，通过模型预测控制优化交流电流输出特性；步骤二：以系统的环流为主优化对象，以系统的交流电流为辅优化对象，通过模型预测控制进行多目标优化，使系统输出特性最优；步骤三：进行子模块电容电压平衡控制。本发明大大减少了计算量；在正常工作状态和子模块不对称故障运行状态下都可正常工作，并具有良好的输出性能和环流抑制效果，且动态性能良好。

Description

一种模块化多电平变换器故障容错控制方法

技术领域

本发明属于大功率变换器控制技术领域，具体涉及一种模块化多电平变换器故障容错控制方法。

背景技术

模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)因其具有模块化、易扩展、输出特性好、具有公共直流母线等优势，在中高压大功率领域，特别是高压直流输电领域，得到了广泛的研究和应用。MMC的应用场合决定了其必须具有很强的不间断工作能力，但由于MMC拓扑由大量的子模块级联组成，其本身的可靠性并不高，个别或多个子模块的故障容易引起变换器故障，因此，需要采取故障容错控制策略使得MMC在子模块故障后仍然能够稳定运行并保持良好的输出特性。

MMC变换器子模块故障的容错控制是目前MMC变换器研究的热点之一，现有的容错控制方法可以分为基于有冗余子模块的控制和基于无冗余子模块的控制二大类。基于冗余子模块的容错控制需要在每个桥臂上配备一个或多个冗余子模块，增加了系统的复杂程度和成本，且当故障子模块数量超过冗余子模块数量时，系统必须停机，系统的可靠性受限。因此，一些文献研究了无冗余子模块MMC的故障容错控制方案，以简化变换器结构和提高其运行可靠性。现有的子模块故障容错控制方案在不对称故障运行时都需要对调制波进行重组，而且都是基于传统比例积分(PI)控制器控制输出功率，并采用比例谐振(PR)控制器进行环流抑制，动态响应较慢，控制结构复杂且控制参数较多，设计较为困难。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种模块化多电平变换器故障容错控制方法，结构简单，具有良好的输出性能和环流抑制效果且动态性能良好。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种模块化多电平变换器故障容错控制方法，包括以下步骤：

步骤一：仅以系统的交流电流为优化对象，通过模型预测控制优化交流电流输出特性；

步骤二：以系统的环流为主优化对象，以系统的交流电流为辅优化对象，通过模型预测控制进行多目标优化，使系统输出特性最优；

步骤三：进行子模块电容电压平衡控制。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，上述步骤一包括以下步骤：

步骤101：根据检测到的电路参数和交流电流参考值，分别计算上、下桥臂的电压预测值，计算公式为：

其中，R_o和L_o分别为传输线缆的电阻和电感，T_s为采样周期，U_dc为直流侧电压，L为桥臂电感；i_j(k)表示k时刻的j相交流电流测量值，i_jref(k+1)为交流电流参考值，u_j(k+1)表示k+1时刻的j相交流电压测量值，u_uj(k+1)和u_lj(k+1)分别表示k+1时刻的j相上下桥臂电压预测值；j＝a,b,c，a,b,c为三相；

步骤102：分别计算上、下桥臂的子模块数量N_uj、N_lj：

其中，U_curef＝U_dc/(N-N_ue)，U_clref＝U_dc/(N-N_le)；U_curef和U_clref分别为上下桥臂子模块电容电压额定值，N为桥臂子模块数量，N_ue和N_le分别为上、下桥臂故障子模块数量；

步骤103：将N_uj、N_lj代入n_uj、n_lj，重新计算上、下桥臂的电压预测值，计算公式为：

u_uj(k+1)＝n_uj×U_curef

u_lj(k+1)＝n_lj×U_clref

步骤104：计算交流电流性能优化的代价方程，计算公式为：

步骤105：定义J_min＝+∞；若J_min>J_oj，则J_min＝J_oj，更新n_uj、n_lj；若J_min≤J_oj，进入步骤106；

步骤106：判断n_lj是否等于N_lj+1；若n_lj不等于N_lj+1，则令n_lj＝N_lj+1，然后回到步骤103；若n_lj等于N_lj+1，则进入步骤107；

步骤107：判断n_uj是否等于N_uj+1；若n_uj不等于N_uj+1，则令n_uj＝N_uj+1，然后回到步骤103；若n_uj等于N_uj+1，完成交流电流输出特性优化。

进一步地，上述步骤二包括以下步骤：

步骤201：根据交流电流优化模型预测控制得出的上、下子模块数量n_uj、n_lj，计算桥臂环流的预测值，计算公式为：

其中，i_cj(k)表示k时刻的j相环流测量值，i_cj(k+1)表示k+1时刻的j相环流预测值。

步骤202：计算需要补偿的电压值，计算公式为：

其中，Δu_sum,arm为需要补偿的电压值，i_cjref(k+1)为交流电流参考值；

步骤203：分别计算上、下桥臂的子模块增量N_cuj、N_clj，然后将N_cuj、N_clj代入n_cuj、n_clj；计算公式为：

步骤204：将n_uj+n_cuj、n_lj+n_clj代入n_uj、n_lj，重新计算上、下桥臂的电压预测值，计算公式为：

u_uj(k+1)＝n_uj×U_curef

u_lj(k+1)＝n_lj×U_clref

步骤205：计算多目标性能优化的代价方程，计算公式为：

步骤206：定义J_min＝+∞；若J_min>J_sumj，则J_min＝J_sumj，更新n_cuj、n_clj；若J_min≤J_sumj，则直接进入第七步。

步骤207：判断n_clj是否等于N_clj+1；若n_clj不等于N_clj+1，则n_clj＝N_clj+1，然后回到步骤204；若n_clj等于N_clj+1，进入步骤208；

步骤208：判断n_cuj是否等于N_cuj+1；若n_cuj不等于N_cuj+1，则n_cuj＝N_cuj+1，然后循环到第四步；若n_cuj等于N_cuj+1，判定系统输出特性达到最优，进入步骤三。

进一步地，上述步骤三包括以下步骤：

定义一个桥臂电流方向为正方向；

若桥臂电流大于零，以冒泡升序排序，从子模块电容电压最小值开始，选择1～n_uj+n_cuj个子模块投入运行；若桥臂电流小于零，以冒泡降序排序，从子模块电容电压最大值开始，选择1～n_uj+n_cuj个子模块投入运行。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种模块化多电平变换器故障容错控制方法通过交流电流优化模型预测控制、多目标优化模型预测控制和基于冒泡排序算法的子模块电容电压平衡控制三步组成；本发明大大减少了计算量；在正常工作状态和子模块不对称故障运行状态下都可正常工作，并具有良好的输出性能和环流抑制效果，且动态性能良好。

附图说明

图1为本发明的基于半桥子模块的模块化多电平变换器结构框图。

图2为本发明的模块化多电平变换器的单相等效电路框图。

图3为本发明的模块化多电平变换器故障容错控制方法框图。

图4为本发明的交流电流优化控制流程示意图。

图5为本发明的多目标优化控制流程示意图。

图6为本发明的有故障时交流电流动态实验波形示意图。

图7为本发明的有故障时环流动态实验波形示意图。

图8为本发明的有故障时子模块电容电压动态实验波形1示意图。

图9为本发明的有故障时子模块电容电压动态实验波形2示意图。

具体实施方式

现在结合附图1-9对本发明作进一步详细的说明。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1和图2所示，在本发明的其中一个实施例中，基于半桥子模块的模块化多电平变换器每相由上下两个桥臂通过两个桥臂电感连接而成，每个桥臂包含N个子模块，每个子模块由一个储能电容和两个功率器件组成。一般情况下，子模块中还有一个旁路开关T用于旁路故障子模块。图2所示为模块化多电平变换器单相等效电路图。

如图3所示，基于多步模型预测控制的模块化多电平变换器故障容错控制方法框图，由交流电流优化模型预测控制、多目标优化模型预测控制和基于冒泡排序算法的子模块电容电压平衡控制三步组成，具体实施步骤如下：

步骤一：仅以系统的交流电流为优化对象，通过模型预测控制优化交流电流输出特性；

如图4所示，在本实施例中，步骤101：根据检测到的电路参数和交流电流参考值，分别计算上、下桥臂的电压预测值，计算公式为：

其中，R_o和L_o分别为传输线缆的电阻和电感，T_s为采样周期，U_dc为直流侧电压，L为桥臂电感；i_j(k)表示k时刻的j相交流电流测量值，i_jref(k+1)为交流电流参考值，u_j(k+1)表示k+1时刻的j相交流电压测量值，u_uj(k+1)和u_lj(k+1)分别表示k+1时刻的j相上下桥臂电压预测值；j＝a,b,c，a,b,c为三相；

步骤102：分别计算上、下桥臂的子模块数量N_uj、N_lj：

其中，U_curef＝U_dc/(N-N_ue)，U_clref＝U_dc/(N-N_le)；U_curef和U_clref分别为上下桥臂子模块电容电压额定值，N为桥臂子模块数量，N_ue和N_le分别为上、下桥臂故障子模块数量；

步骤103：将N_uj、N_lj代入n_uj、n_lj，重新计算上、下桥臂的电压预测值，计算公式为：

u_uj(k+1)＝n_uj×U_curef

u_lj(k+1)＝n_lj×U_clref

步骤104：计算交流电流性能优化的代价方程，计算公式为：

步骤105：定义J_min＝+∞；若J_min>J_oj，则J_min＝J_oj，更新n_uj、n_lj；若J_min≤J_oj，进入步骤106；

步骤106：判断n_lj是否等于N_lj+1；若n_lj不等于N_lj+1，则令n_lj＝N_lj+1，然后回到步骤103；若n_lj等于N_lj+1，则进入步骤107；

步骤107：判断n_uj是否等于N_uj+1；若n_uj不等于N_uj+1，则令n_uj＝N_uj+1，然后回到步骤103；若n_uj等于N_uj+1，完成交流电流输出特性优化。

步骤二：以系统的环流为主优化对象，以系统的交流电流为辅优化对象，通过模型预测控制进行多目标优化，使系统输出特性最优；

如图5所示，在本实施例中，步骤201：根据交流电流优化模型预测控制得出的上、下子模块数量n_uj、n_lj，计算桥臂环流的预测值，计算公式为：

其中，i_cj(k)表示k时刻的j相环流测量值，i_cj(k+1)表示k+1时刻的j相环流预测值。

步骤202：计算需要补偿的电压值，计算公式为：

其中，Δu_sum,arm为需要补偿的电压值，i_cjref(k+1)为交流电流参考值；

步骤203：分别计算上、下桥臂的子模块增量N_cuj、N_clj，然后将N_cuj、N_clj代入n_cuj、n_clj；计算公式为：

步骤204：将n_uj+n_cuj、n_lj+n_clj代入n_uj、n_lj，重新计算上、下桥臂的电压预测值，计算公式为：

u_uj(k+1)＝n_uj×U_curef

u_lj(k+1)＝n_lj×U_clref

步骤205：计算多目标性能优化的代价方程，计算公式为：

步骤206：定义J_min＝+∞；若J_min>J_sumj，则J_min＝J_sumj，更新n_cuj、n_clj；若J_min≤J_sumj，则直接进入第七步。

步骤207：判断n_clj是否等于N_clj+1；若n_clj不等于N_clj+1，则n_clj＝N_clj+1，然后回到步骤204；若n_clj等于N_clj+1，进入步骤208；

步骤208：判断n_cuj是否等于N_cuj+1；若n_cuj不等于N_cuj+1，则n_cuj＝N_cuj+1，然后循环到第四步；若n_cuj等于N_cuj+1，判定系统输出特性达到最优，进入步骤三。

步骤三：进行子模块电容电压平衡控制。

在本实施例中，针对基于冒泡排序算法的子模块电容电压平衡控制，以上桥臂为例，下桥臂步骤相同。具体步骤如下：以图1中桥臂电流方向为正方向。若桥臂电流大于零，以冒泡升序排序，从子模块电容电压最小值开始，选择1～n_uj+n_cuj个子模块投入运行；若桥臂电流小于零，以冒泡降序排序，从子模块电容电压最大值开始，选择1～n_uj+n_cuj个子模块投入运行。

在本发明的其中一个实施例中，搭建了实验平台进行实验验证，子模块电容电压为100V。动态变化过程：动态实验的交流电流为10A，开始为正常工作状态，t1时刻先将上桥臂模块2旁路，经过10ms后在t2时刻将下桥臂子模块故障4旁路，经过20ms在t3时刻后将上桥臂子模块2改为正常运行子模块。

在本实施例中，图6为本发明的有故障时交流电流动态实验波形。由图看出，在动态变化过程中，交流电流一直跟随参考值变化，控制效果很好。

图7为本发明的有故障时环流动态实验波形。由图看出，在故障前和故障后，环流都被抑制的很好。

图8为本发明的有故障时子模块电容电压动态实验波形1。由图可以看出，上桥臂的子模块电容电压先上升，然后下桥臂的子模块电容电压在10ms后开始上升，与故障情况相符。

图9为本发明的有故障时子模块电容电压动态实验波形2。由图可以看出，子模块电容电压动态过程较慢，但最终上桥臂子模块电容电压稳定在97V上下左右，下桥臂子模块电容电压稳定在127V上下波动。

在本实施例中，本发明的有益效果如下：

1)、只需要采用一种控制策略即可完成MMC故障前和故障后的正常工作，故障后不需要调整控制策略。

2)、交流电流优化控制和多目标优化控制算法结构相同，且无控制参数，简化了软件设计要求。

3)、只通过上述计算步骤即可找到系统最优解，与子模块数量N无关，与传统模型预测控制方法相比，在子模块数较多时，计算量的减小十分显著，且易于在微控制器上实现。

4)、使MMC在正常状态和上下桥臂子模块不对称故障运行状态下都可正常工作，并具有良好的输出性能和环流抑制效果，且动态性能良好。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种模块化多电平变换器故障容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：仅以系统的交流电流为优化对象，通过模型预测控制优化交流电流输出特性；

步骤二：以系统的环流为主优化对象，以系统的交流电流为辅优化对象，通过模型预测控制进行多目标优化，使系统输出特性最优；

步骤三：进行子模块电容电压平衡控制。

2.根据权利要求1所述的模块化多电平变换器故障容错控制方法，其特征在于，所述步骤一包括以下步骤：

步骤101：根据检测到的电路参数和交流电流参考值，分别计算上、下桥臂的电压预测值，计算公式为：

其中，R_o和L_o分别为传输线缆的电阻和电感，T_s为采样周期，U_dc为直流侧电压，L为桥臂电感；i_j(k)表示k时刻的j相交流电流测量值，i_jref(k+1)为交流电流参考值，u_j(k+1)表示k+1时刻的j相交流电压测量值，u_uj(k+1)和u_lj(k+1)分别表示k+1时刻的j相上下桥臂电压预测值；j＝a,b,c，a,b,c为三相。

步骤102：分别计算上、下桥臂的子模块数量N_uj、N_lj：

其中，U_curef＝U_dc/(N-N_ue)，U_clref＝U_dc/(N-N_le)；U_curef和U_clref分别为上下桥臂子模块电容电压额定值，N为桥臂子模块数量，N_ue和N_le分别为上、下桥臂故障子模块数量；

步骤103：将N_uj、N_lj代入n_uj、n_lj，重新计算上、下桥臂的电压预测值，计算公式为：

u_uj(k+1)＝n_uj×U_curef

u_lj(k+1)＝n_lj×U_clref

步骤104：计算交流电流性能优化的代价方程，计算公式为：

步骤105：定义J_min＝+∞；若J_min>J_oj，则J_min＝J_oj，更新n_uj、n_lj；若J_min≤J_oj，进入步骤106；

步骤106：判断n_lj是否等于N_lj+1；若n_lj不等于N_lj+1，则令n_lj＝N_lj+1，然后回到步骤103；若n_lj等于N_lj+1，则进入步骤107；

步骤107：判断n_uj是否等于N_uj+1；若n_uj不等于N_uj+1，则令n_uj＝N_uj+1，然后回到步骤103；若n_uj等于N_uj+1，完成交流电流输出特性优化。

3.根据权利要求1所述的模块化多电平变换器故障容错控制方法，其特征在于，所述步骤二包括以下步骤：

步骤201：根据交流电流优化模型预测控制得出的上、下子模块数量n_uj、n_lj，计算桥臂环流的预测值，计算公式为：

其中，i_cj(k)表示k时刻的j相环流测量值，i_cj(k+1)表示k+1时刻的j相环流预测值。

步骤202：计算需要补偿的电压值，计算公式为：

其中，Δu_sum,arm为需要补偿的电压值，i_cjref(k+1)为交流电流参考值；

步骤203：分别计算上、下桥臂的子模块增量N_cuj、N_clj，然后将N_cuj、N_clj代入n_cuj、n_clj；计算公式为：

步骤204：将n_uj+n_cuj、n_lj+n_clj代入n_uj、n_lj，重新计算上、下桥臂的电压预测值，计算公式为：

u_uj(k+1)＝n_uj×U_curef

u_lj(k+1)＝n_lj×U_clref

步骤205：计算多目标性能优化的代价方程，计算公式为：

步骤206：定义J_min＝+∞；若J_min>J_sumj，则J_min＝J_sumj，更新n_cuj、n_clj；若J_min≤J_sumj，则直接进入第七步。

步骤207：判断n_clj是否等于N_clj+1；若n_clj不等于N_clj+1，则n_clj＝N_clj+1，然后回到步骤204；若n_clj等于N_clj+1，进入步骤208；

步骤208：判断n_cuj是否等于N_cuj+1；若n_cuj不等于N_cuj+1，则n_cuj＝N_cuj+1，然后循环到第四步；若n_cuj等于N_cuj+1，判定系统输出特性达到最优，进入步骤三。

4.根据权利要求1所述的模块化多电平变换器故障容错控制方法，其特征在于，所述步骤三包括以下步骤：

定义一个桥臂电流方向为正方向；

若桥臂电流大于零，以冒泡升序排序，从子模块电容电压最小值开始，选择1～n_uj+n_cuj个子模块投入运行；若桥臂电流小于零，以冒泡降序排序，从子模块电容电压最大值开始，选择1～n_uj+n_cuj个子模块投入运行。

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