CN111756052A - 一种基于零序电压注入的mmc-statcom容错策略 - Google Patents

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Abstract

本发明中公开了一种基于零序电压注入的MMC‑STATCOM容错策略，属于电工技术领域；方法包括以下步骤：步骤1：注入的三相共模电压计算方法；步骤2：容错控制的应用范围；步骤3：容错控制流程。本项目将采用零序电压分量注入方法，只须旁路故障相中的故障单元，其容错运行时的各个子模块电容的额定电压可以保持不变，避免了容错运行时逆变器性能的下降。

Description

一种基于零序电压注入的MMC-STATCOM容错策略
技术领域
本发明涉及电工技术领域，具体涉及一种基于零序电压注入的MMC-STATCOM容错策略。
背景技术
随着电力电子装置在高压大容量电力系统中应用的快速发展，电网中的无功功率所带来的危害也日益增大。一方面，由于大型非线性负载的增设，给电网带来了严重的谐波污染并降低了系统的功率因数，极大地降低了电网的供电质量。另一方面，随着高精尖科学技术领域的发展，精密仪器的制造、生产和使用过程对电能质量的要求越来越严格。因此，电能质量问题引起了学者们的高度重视，如何有效地治理电网中的谐波和补偿系统的无功功率成为了保证电网安全、稳定和经济运行的主要问题。基于全桥级联的静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator,STATCOM)可以直接连接到中压电网中，在配电系统中用于管理无功功率以及在中压高功率工业中提高电能质量，但全桥级联变换器在中压电网中运行与畸变不平衡情况下亦有自己的局限性。模块化多电平变换器(ModularMultilevel Converter,MMC)弥补了传统级联多电平变换器在诸多性能上的不足，具有较高的运行效率、出色的不平衡补偿能力、良好的模块拓展能力及故障容错和恢复能力。因此，MMC用作STATCOM在高压大功率电力电子变换器领域受到日益广泛的关注，被公认为中高压无功补偿领域的新一代变流器。
但是由于MMC-STATCOM装置的子模块众多，含有大量的开关器件，增加了系统发生故障的可能性。因此，关于子模块故障容错控制技术的研究至关重要，否则这类问题将不可避免的影响着无功补偿装置对电网电能质量的有效治理。如果电网中的电能存在着电能质量问题，这将会严重影响我国的工业生产水平和居民生活水平，也会对国民经济造成巨额的经济损失。因此，提高MMC-STATCOM补偿装置子模块的性能，解决装置运行中存在的上述关键技术问题势在必行。
发明内容
当MMC-STATCOM装置中的子模块发生故障时，为了维持系统的正常运转，失效子模块必须被旁路，同时控制方法和调制技术也必须做相应的调整。本发明采用零序电压分量注入方法，只须旁路故障相中的故障单元，其容错运行时的各个子模块电容的额定电压可以保持不变，避免了容错运行时逆变器性能的下降。该方法以保证线电压不变为出发点，当故障相电压超出临界电压时，将其限定在一个固定值，其余正常相电压则输出线电压与固定值的差值，最后进行调制重构。
所述方法包含以下步骤：
步骤1：注入的三相共模电压计算方法
步骤2：容错控制的应用范围
步骤3：容错控制流程。
所述步骤1的注入的三相共模电压计算方法，其具体计算方法如下：
该方法以保证线电压不变为出发点，当故障相电压超出临界电压时，vj被限幅在ve，其余正常相电压则输出线电压vk(k＝ab,bc,ca)与ve的差值。这里，临界电压Ue的表达式由式(1)给出，其中s为故障模块个数，Ud为直流母线电压。
Figure BDA0002571905490000021
注入三相共模电压voff的表达式如下：
voff＝Ue-vj(j＝a,b,c) (2)
其中vj表示故障相理想输出电压值。
所述步骤2的容错控制的应用范围是指，当n远大于s时，临界电压就趋近于逆变器等效直流侧电压，因而中性点调整的幅度很小。因此当故障相电压vj小于或等于Ue时，各相电压不加以调整；否则，类似于中性点偏移方法，各相电压由正序和零序分量叠加而成。
所述步骤3包含以下三个步骤：
步骤3-1：判断是否需要发送故障重构信号
步骤3-2：调制重构
步骤3-3：轮换载波层叠PWM。
所述步骤3-1是否需要发送故障重构信号判断方法为：
当调制比M≤(1-2sn)时将不需要动作的开关信号分配给发生故障的子模块，这样故障情况与正常情况就没有区别。当调制比在(1-2sn)<M≤1的范围内时则需要发送故障重构信号。
所述步骤3-2调制重构是指当调制比在(1-2sn)<M≤1的范围内时故障相调制波被限幅在[-1,(1-2sn)]，根据故障相超出临界和未超出临界电压的时间区间，分析获取故障相调制信号的区间表达式，进一步分析推导其余非故障相的调制信号表达式。最终将重构的调制信号表达式应用到容错控制中。
所述步骤3-3轮换载波层叠PWM是指利用载波和重构后的调制波，通过轮换载波层叠PWM，向MMC各个子模块发送脉冲信号，最终实现系统的故障容错控制。
轮换载波层叠PWM是指：在某一个时间周期T内，使所有载波在各个子模块间轮换，则在NT(N为桥臂模块数)时间段内，每个子模块分别被每列载波控制T时间，从而所有子模块的平均开关频率以及平均投入时间有望达到一致，避免电容电压不均衡现象。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明采用零序电压分量注入方法只须旁路故障相中的故障单元，其容错运行时的各个子模块电容的额定电压可以保持不变，这样既避免了对系统暂态冲击的危险，也不会出现相间环流骤升，确保容错运行时逆变器性能不会下降。
附图说明
图1为三相共模电压注入方法示意图(未超出临界电压)；
图2为三相共模电压注入方法示意图(超出临界电压)；
图3为不对称供电MMC简化示意图；
图4为容错控制总体框架示意图；
图5为MMC多载波轮换层叠调制技术的实现原理
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
定性分析MMC-STATCOM内部模块故障的旁路模式，分析比较对称旁路、不对称旁路及零序电压分量注入三种容错控制方式，由于零序电压分量注入法只须旁路故障相中故障单元及其共用载波的单元，所涉及的子模块减少到2个，并能使其容错运行时的各个子模块电容的额定电压保持不变，避免了容错运行时调制信号的参考值的二次设定以及逆变器性能的下降。因此，进一步分析零序电压分量注入法的原理和实现步骤。该方法以保证线电压不变为出发点，当故障相电压超出临界电压时，vj被限幅在ve，其余正常相电压则输出线电压vk(k＝ab,bc,ca)与ve的差值。这里，临界电压Ue的表达式由式(1)给出，其中s为故障模块个数，Ud为直流母线电压。
Figure BDA0002571905490000031
注入三相共模电压voff的表达式如下：
voff＝Ue-vj(j＝a,b,c) (2)
其中vj表示故障相理想输出电压值。
当n远大于s时，临界电压就趋近于逆变器等效直流侧电压，因而中性点调整的幅度很小。因此当故障相电压vj小于或等于Ue时，各相电压不加以调整，如图1所示；否则，类似于中性点偏移方法，各相电压由正序和零序分量叠加而成，如图2所示。
对于典型的的模块化多电平逆变器系统，可以建立如图3所示的简化模型等效电路，图中Za，Zb，Zc为各相负载阻抗值。由于是三相三线系统的应用，故开关S断开。
因为三相负载对称，三相共模电压注入法的负载中性点与电源中性点之间的电压等于零序电压。而零序分量构成不了回路，因而不会有零序电流出现，逆变器输出平衡的三相电流，可以保证负载的工作正常。
假设BDCMMC-STATCOM的a相下桥臂1个子模块发生故障，n＝4，为了维持常的输出，系统容错控制总体框架如图4所示。
当调制比M≤(1-2sn)时，将不需要动作的开关信号分配给发生故障的子模块，这样故障情况与正常情况就没有区别；当调制比(1-2sn)<M≤1的范围内时，故障相调制波被限幅在[-1,(1-2sn)]，根据故障相超出临界和未超出临界电压的时间区间，分析获取故障相调制信号的区间表达式，进一步分析推导其余非故障相的调制信号表达式。最终将重构的调制信号表达式应用到容错控制中，利用载波和重构后的调制波，通过轮换载波层叠PWM，向MMC各个子模块发送脉冲信号，最终实现系统的故障容错控制。
图5给出了具体实现原理：以某一时间T为周期让所有载波vc1至vcN在各个子模块间轮换，则在NT(N为桥臂模块数)时间段内，每个子模块分别被每列载波控制T时间。图5中给出的载波轮换周期T为载波周期。由图可知，在NT时间段内，每个子模块的载波以T为轮换周期，一共轮换N次，保证在NT时间段内，每个子模块被所有载波vc1至vcN分别控制T时间，从而所有子模块的平均开关频率以及平均投入时间有望达到一致，避免电容电压不均衡现象。

Claims (7)

1.一种基于零序电压注入的MMC-STATCOM容错策略，其特征在于：所述方法包含以下步骤：
步骤1：注入的三相共模电压计算方法
步骤2：容错控制的应用范围
步骤3：容错控制流程。
2.根据权利要求1所述的一种基于零序电压注入的MMC-STATCOM容错策略，其特征在于：
所述步骤1的三相共模电压计算方法具体计算方式如下：
该方法以保证线电压不变为出发点，当故障相电压超出临界电压时，vj被限幅在ve，其余正常相电压则输出线电压vk(k＝ab,bc,ca)与ve的差值。这里，临界电压Ue的表达式由式(1)给出，其中s为故障模块个数，Ud为直流母线电压。
Figure FDA0002571905480000011
注入三相共模电压voff的表达式如下：
voff＝Ue-vj(j＝a,b,c) (2)
其中vj表示故障相理想输出电压值。
3.根据权利要求1所述的一种基于零序电压注入的MMC-STATCOM容错策略，其特征在于：
所述步骤2的容错控制的应用范围是指，当n远大于s时，临界电压就趋近于逆变器等效直流侧电压，因而中性点调整的幅度很小。因此当故障相电压vj小于或等于Ue时，各相电压不加以调整；否则，类似于中性点偏移方法，各相电压由正序和零序分量叠加而成。
4.根据权利要求1所述的一种基于零序电压注入的MMC-STATCOM容错策略，其特征在于：
所述步骤3包含以下三个步骤：
步骤3-1：判断是否需要发送故障重构信号
步骤3-2：调制重构
步骤3-3：轮换载波层叠PWM。
5.根据权利要求1所述的一种基于零序电压注入的MMC-STATCOM容错策略，其特征在于：
所述步骤3-1是否需要发送故障重构信号判断方法为：
当调制比M≤(1-2s/n)时将不需要动作的开关信号分配给发生故障的子模块，这样故障情况与正常情况就没有区别。当调制比在(1-2s/n)<M≤1的范围内时则需要发送故障重构信号。
6.根据权利要求1所述的一种基于零序电压注入的MMC-STATCOM容错策略，其特征在于：
所述步骤3-2调制重构是指当调制比在(1-2s/n)<M≤1的范围内时故障相调制波被限幅在，根据故障相超出临界和未超出临界电压的时间区间，分析获取故障相调制信号的区间表达式，进一步分析推导其余非故障相的调制信号表达式。最终将重构的调制信号表达式应用到容错控制中。
7.根据权利要求1所述的一种基于零序电压注入的MMC-STATCOM容错策略，其特征在于：
所述步骤3-3轮换载波层叠PWM是指利用载波和重构后的调制波，通过轮换载波层叠PWM，向MMC各个子模块发送脉冲信号，最终实现系统的故障容错控制。
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