CN112688293B - 一种直流能量动态调节装置的容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流能量动态调节装置的容错控制方法，步骤是：采集直流电压、装置电流、正常子模块电压，记录正常子模块个数；计算正常子模块电压之和及其指令值；计算正常子模块总功率和功率调节量；计算需要投入的子模块个数；对正常子模块实施排序均压算法，生成各子模块开关信号。此种控制方法能够避免未完全旁路故障模块对投入子模块数计算的影响，实现容错状态下对耗能功率和直流电压的精确控制。

Description

一种直流能量动态调节装置的容错控制方法

技术领域

本发明属于大功率电力电子变流技术领域，具体涉及一种直流能量动态调节装置控制方法。

背景技术

在柔性直流输电系统中，直流能量动态调节装置常用来实现高压直流能量的动态耗散或调节，在柔性直流输电系统存在孤岛供电的应用场景下起着关键作用。尤其在发电端为与风电类似的惯性电源的情况下，当受电端发生故障时，由于功率无法送出，将在直流侧累积能量，造成直流输电线路的电压升高，威胁到设备的安全运行。在很多场合，直流能量动态调节装置也被称为直流斩波器(DC chopper)或动态制动系统(dynamic brakingsystem)。

现有的直流能量动态调节装置大多采用了模块化技术，系统中均包含大量的子模块以及功率半导体器件。在运行过程中，容易出现部分子模块故障的情况，为避免整个装置完全停运，传统的处理方法是仿照模块化多电平换流器的故障处理方法，将这些发生故障的子模块通过旁路开关或旁路晶闸管短路，使之不再影响装置正常部分的运行。但这样的做法使故障模块既不能输出一定电压，又不能再参与能量的消耗，从而导致剩余子模块需要承受的电压应力和耗能功率增大。随着被旁路的子模块数的增加，剩余子模块承受的电压应力和耗能功率超过其设计极限时，装置就无法继续正常运行。

然而，在某些情况下，并不需要完全旁路故障模块。例如，如图1所示第二种子模块形式，采用多级旁路机制，当发生轻微故障时，仅进行部分旁路，即闭合与耗能支路可控功率半导体器件并联的旁路开关，只有在直流电容电压超过旁路晶闸管击穿电压时，才会通过击穿晶闸管将整个子模块完全旁路。这样发生轻微故障的子模块，其耗能电阻仍然可以参与耗能，减轻了正常模块的功率压力。另一方面，某些子模块仅发生通讯故障，虽然主控制器无法对其进行控制，但这样的子模块除失去通讯功能外，其余部分完好无损，完全可以通过自身的子模块控制器继续工作，参与能量消耗，并维持自身电压稳定，因此是不必旁路的。

现有的直流能量动态调节装置的控制方法仅适用于传统的完全旁路故障模块的故障处理措施，没有考虑上述部分旁路或仅发生通讯故障而未旁路的子模块。图2展示了传统控制方法的典型框图。传统控制方法中，参与投入子模块数计算的电压为直流母线电压，没有用到正常子模块电压的信息，这在完全旁路故障模块的故障处理措施下是可行的，但在存在部分旁路或未旁路的仅发生通讯故障的子模块时，必然影响到投入子模块数计算的准确性，使控制性能恶化。

因此，现有控制方法不能适应装置中存在未完全旁路故障单元的情况，有必要提出能够兼容未完全旁路故障子模块的新控制方法。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种直流能量动态调节装置的容错控制方法，通过在主控制器中引入正常子模块电压参与功率前馈及功率偏差计算；在仅发生通讯故障的子模块中实施耗能状态自识别的滞环自控制，从而避免未完全旁路故障模块对投入子模块数计算的影响，实现容错状态下对耗能功率和直流电压的精确控制。

为了达成上述目的，本发明采用的具体的方案如下：

一种直流能量动态调节装置的容错控制方法，所述系统包括N个均压耗能子模块同方向串联，N为大于等于2的整数；其中所述均压耗能子模块包括直流电容与耗能支路的并联连接，所述耗能支路由可控功率半导体器件与耗能电阻串联连接构成；在N各均压耗能子模块中，有N_act个子模块处于正常状态(N_act≤N)，其余N-N_act个子模块处于故障状态；在N-N_act个故障子模块中，有X个子模块仅发生通讯故障，其余N-N_act-X个子模块则存在除通讯故障以外的故障；控制方法包括如下步骤：

步骤1：采集直流电压U_dc、直流能量动态调节装置的电流I_chp；采集各正常子模块电压U_{SMact_i}(下标i代表第i个子模块，0<i≤N_act)；并记录正常子模块个数N_act。

步骤2：将各正常子模块电压U_{SMact_i}求和，得到正常子模块电压之和U_dcact。

步骤3：根据直流电压U_dc、各正常子模块电压之和U_dcact及直流电压指令U_dcref得到正常子模块电压之和的指令值U_dcactref。

步骤4：根据各正常子模块电压之和U_dcact与直流能量动态调节装置的电流I_chp得出装置正常子模块总功率P_act

步骤5：根据根据各正常子模块电压之和U_dcact及其指令值U_dcactref得出电压偏差量ΔU，经过电压控制器得出功率调节量ΔP。

步骤6：根据功率调节量ΔP、正常子模块总功率P_act、投入的单个子模块耗能功率P_SM计算需要投入的模块个数：

N_on＝f(ΔP,P_act,P_sm)

其中f是以ΔP、P_act、P_SM为自变量的函数；

步骤7：根据各正常子模块电压U_{SMact_i}、投入的子模块个数N_on，对正常子模块实施排序均压算法，生成各正常子模块的开关信号。

其中，所述X个仅发生通讯故障的子模块，其控制方法为：

步骤1：子模块切换为自控制模式，不接受外部指令，子模块自身控制器根据最近一个开关周期的占空比判断装置是否处于耗能状态。

步骤2：子模块自身控制器根据此时装置是否处于耗能状态，设定电压滞环控制上下限值。若处于耗能状态，设置滞环上限值U_H为耗能状态下的滞环上限定值U_H1，设置滞环下限值U_L为耗能状态下的滞环下限定值U_L1；若处于非耗能状态，设置滞环下限值U_H为非耗能状态下的滞环下限定值U_H2，设置滞环下限值U_L为非耗能状态下的滞环下限定值U_L2。

步骤3：子模块自身控制器采集本模块的直流电容电压控制可控功率半导体器件导通和关断；当本模块的直流电容电压超过滞环上限U_H时，开通可控功率半导体器件；当本模块的直流电容电压低于下限U_L时，关断可控功率半导体器件。

其中，所述步骤3中，直流电压指令U_dcref可以是给定常数，也可以是变量，由电压外环指令值U_dccmd与直流电压U_dc的偏差经过电压外环控制器产生。电压外环指令值U_dccmd为给定常数。

其中，所述步骤3中，正常子模块电压之和的指令值U_dcactref的计算方法为直流电压指令U_dcref与正常子模块电压之和U_dcact的和减去直流电压U_dc。

其中，所述步骤5中，电压偏差量ΔU是U_dcactref与U_dcact之差，或者是分别以U_dcactref和U_dcact为自变量的函数之差。

其中，所述步骤5中，电压控制器为比例控制器或PI控制器。

其中，所述步骤6中，投入的子模块个数N_on的计算方法为：

其中，函数round(x)的作用是按照四舍五入原则返回与自变量x最接近的整数值。

其中，所述步骤6中，投入的单个子模块的耗能功率P_SM等于U_dcact ²/N_act/R，其中R为单个子模块的耗能电阻阻值。

其中，所述步骤7中，排序均压算法的内容是，对直流能量动态调节装置全部正常子模块的电容电压进行采样，按照电容电压高低进行排序，在保证投入子模块个数等于N_on的前提下，优先投入电容电压高的子模块。

其中，所述电压外环控制器是比例控制器或PI控制器。

采用上述方案后，本发明的有益效果是：

(1)本发明避免了直流能量动态调节装置中处于未完全旁路状态的故障子模块对控制算法的干扰。主控制器只能对正常模块进行控制，因此需要知道正常模块的电压值、指令值及功率前馈值，然而未完全旁路的故障子模块无法通过主控制器控制，但它们的电压、功率并不为0，从而使正常子模块的电压之和不再等于总直流电压。但传统方法仍然使用整个装置的总电压计算功率前馈和实施电压闭环控制，必然引入部分旁路模块带来的计算偏差，使控制效果变差，甚至出现不稳定现象。而本发明通过引入正常模块电压准确计算了正常模块电压之和的指令值、反馈值以及功率前馈值，从而避免了未完全旁路故障单元对控制的干扰。

(2)本发明可以实现通讯故障模块对装置状态的自识别，在子模块失去通讯的情况下，根据自身占空比判断当前装置处于耗能状态或非耗能状态，自主决定滞环上下限。当处于耗能状态时，可以使用较小滞环环宽，减少电压波动；当处于非耗能状态时可以使用较大滞环环宽，降低开关频率，减少损耗，提高装置效率。

(3)本发明提出了直流能量动态调节装置的电压双闭环控制方法，可以避免因正常模块电压采样偏差较大导致的控制误差。由于内环电压指令U_dcref可以通过外环电压控制器进行调节，即便正常子模块的电压采样出现误差，仍能通过外环电压控制调整内环电压指令，使直流电压稳定在给定值U_dccmd。

附图说明

图1是本发明直流能量动态调节装置的典型拓扑；

图2是传统直流能量动态调节装置的控制框图；

图3是本发明直流能量动态调节装置的控制流程图；

图4是本发明通讯故障子模块自控制的流程图；

图5是本发明第一实施例的正常子模块电压之和指令值生成方法；

图6是本发明第二实施例的正常子模块电压之和指令值生成方法。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明应用的一种直流能量动态调节装置2，包括N个均压耗能子模块3同方向串联，N为大于等于2的整数，串联后连接在正极母线1和负极母线4之间；其中各所述均压耗能子模块包括电容支路11与耗能支路10的并联连接，所述耗能支路10由可控功率半导体器件9与耗能电阻5串联连接构成；所述均压耗能子模块还包括旁路开关7；对于图1中的子模块形式1，旁路开关7并联在子模块的输出端子两端，子模块还包含第一二极管8和第二二极管6；对于图1中的子模块形式2，旁路开关7并联在可控功率半导体器件9两端，子模块还包含旁路晶闸管12。在N个均压耗能子模块中，有N_act个子模块处于正常状态(N_act≤N)，其余N-N_act个子模块处于故障状态；在N-N_act个故障子模块中，有X个子模块仅发生通讯故障，其余N-N_act-X个子模块则存在除通讯故障以外的故障。

本发明的第一实施例，应用于直流能量动态调节装置正常子模块电压采样精度较高的场合。直流能量动态调节装置的主控制器采用图3所述控制流程图对正常子模块实施控制。控制按以下步骤实施：

步骤1：采集直流电压U_dc、直流能量动态调节装置的电流I_chp；采集各正常子模块电压U_{SMact_i}(下标i代表第i个子模块，0<i≤N_act)；并记录正常子模块个数N_act。

步骤2：将各正常子模块电压U_{SMact_i}求和，得到正常子模块电压之和U_dcact。

步骤3：按照图5计算正常子模块电压之和的指令值U_dcactref，其中，U_dcref为给定的常数U_dccmd。

步骤4：根据各正常子模块电压之和U_dcact与直流能量动态调节装置的电流I_chp得出装置正常子模块总功率P_act。

步骤5：根据根据各正常子模块电压之和U_dcact及其指令值U_dcactref得出电压偏差量ΔU，经过电压控制器得出功率调节量ΔP。

其中，电压偏差量ΔU是U_dcactref与U_dcact之差，或者是分别以U_dcactref和U_dcact为自变量的函数之差。本实施例中令ΔU＝U_dcactref-U_dcact；电压控制器可以是PI或比例控制器，本实施例中采用比例控制器，令ΔP＝KΔU，K为比例系数。

步骤6：根据功率调节量ΔP、功率前馈量P_actf、投入的单个子模块耗能功率P_SM计算需要投入的模块个数，计算方法为：

其中，函数round(x)的作用是按照四舍五入原则返回与自变量x最接近的整数值。投入的单个子模块的耗能功率P_SM等于

其中R为单个子模块的耗能电阻阻值。

步骤7：根据各正常子模块电压U_{SMact_i}、需要投入的子模块个数N_on，对正常子模块实施排序均压算法，生成各正常子模块的开关信号。

其中，排序均压算法的内容是，对直流能量动态调节装置全部正常子模块的电容电压进行采样，按照电容电压高低进行排序，在保证投入子模块个数等于N_on的前提下，优先投入电容电压高的子模块。

与此同时，仅发生通讯故障的子模块在自身控制器的控制下按照图4所示流程图进行自控制，控制步骤如下：

步骤A1：子模块切换为自控制模式，不接受外部指令，进入自控制模式的初始时刻，子模块默认装置处于通讯故障发生前的状态：若通讯故障前装置处于耗能状态，则默认此时装置处于耗能状态；若通讯故障前装置处于非耗能状态，则默认此时装置处于非耗能状态。

此后，子模块自身控制器根据最近一个开关周期的占空比循环判断装置是否处于耗能状态，当其占空比大于D_H＝0.05时，判定此时装置处于耗能状态；当占空比小于某一定值D_L＝0.01时，判定此时装置已退出耗能状态。当占空比位于D_L与D_H之间时，维持之前的判断。

步骤A2：子模块自身控制器根据此时装置是否处于耗能状态，设定电压滞环控制上下限值。若处于耗能状态，设置滞环上限值U_H为耗能状态下的滞环上限定值U_H1，设置滞环下限值U_L为耗能状态下的滞环下限定值U_L1；若处于非耗能状态，设置滞环下限值U_H为非耗能状态下的滞环下限定值U_H2，设置滞环下限值U_L为非耗能状态下的滞环下限定值U_L2。

对于本实施例，子模块额定电压2kV，设置耗能状态下的滞环上下限为U_H1＝2.2kV，U_L1＝1.8kV；非耗能状态下的滞环上下限为：U_H1＝2.2kV，U_L1＝1.6kV。这样能够在耗能期间减小直流电压波动，退出耗能后降低开关频率和损耗。

步骤A3：子模块自身控制器采集本模块的直流电容电压控制可控功率半导体器件导通和关断；当本模块的直流电容电压超过滞环上限U_H时，开通可控功率半导体器件；当本模块的直流电容电压低于下限U_L时，关断可控功率半导体器件。

本发明还包括第二实施例，该实施例应用于直流能量动态调节装置正常子模块电压采样精度较低的场合。直流能量动态调节装置的主控制器同样采用图3所述控制流程图对正常子模块实施控制。控制按以下步骤实施：

步骤1～2与第一实施例相同。

步骤3：按照图6计算正常子模块电压之和的指令值U_dcactref，其中，U_dcref为电压外环控制器的输出。电压外环控制器的指令为U_dccmd，反馈为U_dc，控制器选择PI控制器。由于电压外环的存在，即便正常模块电压U_dcactr出现误差，仍能保证直流电压被控制在U_dccmd。

步骤4～7与第一实施例相同。

与此同时，仅发生通讯故障的子模块在自身控制器的控制下按照图4所示流程图进行自控制，控制步骤与第一实施例相同。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，参照上述实施例进行的各种形式修改或变更均在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种直流能量动态调节装置的容错控制方法，所述直流能量动态调节装置包括N个均压耗能子模块同方向串联，N为大于等于2的整数；在N个均压耗能子模块中，有N_act个子模块处于正常状态，N_act≤N，其余N-N_act个子模块处于故障状态；在N-N_act个故障子模块中，有X个子模块仅发生通讯故障，其余N-N_act-X个子模块则存在除通讯故障以外的故障；其特征在于所述容错控制方法包括如下步骤：

步骤1，采集直流电压U_dc、直流能量动态调节装置的电流I_chp；采集各正常子模块电压U_{SMact_i}，其中，下标i代表第i个子模块，0<i≤N_act；并记录正常子模块个数N_act；

步骤2，将各正常子模块电压U_{SMact_i}求和，得到正常子模块电压之和U_dcact；

步骤3，根据直流电压U_dc、各正常子模块电压之和U_dcact及直流电压指令U_dcref得到正常子模块电压之和的指令值U_dcactref；

步骤4，根据各正常子模块电压之和U_dcact与直流能量动态调节装置的电流I_chp得出装置正常子模块总功率P_act；

步骤5，根据各正常子模块电压之和U_dcact及其指令值U_dcactref得出电压偏差量ΔU，经过电压控制器得出功率调节量ΔP；

步骤6，根据功率调节量ΔP、正常子模块总功率P_act、投入的单个子模块耗能功率P_SM计算需要投入的子模块个数：

N_on＝f(ΔP,P_act,P_SM)

其中f是以ΔP、P_act、P_SM为自变量的函数；

步骤7，根据各正常子模块电压U_{SMact_i}、需要投入的子模块个数N_on，对正常子模块实施排序均压算法，生成各正常子模块的开关信号。

2.如权利要求1所述的一种直流能量动态调节装置的容错控制方法，其特征在于：所述X个仅发生通讯故障的子模块，其控制方法为：

步骤A1，子模块切换为自控制模式，不接受外部指令，子模块自身控制器根据最近一个开关周期的占空比判断装置是否处于耗能状态；

步骤A2，子模块自身控制器根据此时装置是否处于耗能状态，设定电压滞环控制上下限值，若处于耗能状态，设置滞环上限值U_H为耗能状态下的滞环上限定值U_H1，设置滞环下限值U_L为耗能状态下的滞环下限定值U_L1；若处于非耗能状态，设置滞环下限值U_H为非耗能状态下的滞环下限定值U_H2，设置滞环下限值U_L为非耗能状态下的滞环下限定值U_L2；

步骤A3，子模块自身控制器采集本子模块的直流电容电压，控制可控功率半导体器件导通和关断；当本子模块的直流电容电压超过滞环上限U_H时，开通可控功率半导体器件；当本子模块的直流电容电压低于下限U_L时，关断可控功率半导体器件。

3.如权利要求1所述的一种直流能量动态调节装置的容错控制方法，其特征在于：所述步骤3中，直流电压指令U_dcref为给定常数。

4.如权利要求1所述的一种直流能量动态调节装置的容错控制方法，其特征在于：所述步骤3中，直流电压指令U_dcref为变量，由电压外环指令值U_dccmd与直流电压U_dc的偏差经过电压外环控制器产生，电压外环指令值U_dccmd为给定常数。

5.如权利要求4所述的一种直流能量动态调节装置的容错控制方法，其特征在于：所述电压外环控制器是比例控制器或PI控制器。

6.如权利要求1所述的一种直流能量动态调节装置的容错控制方法，其特征在于：所述步骤3中，正常子模块电压之和的指令值U_dcactref的计算方法为直流电压指令U_dcref与正常子模块电压之和U_dcact的和减去直流电压U_dc。

7.如权利要求1所述的一种直流能量动态调节装置的容错控制方法，其特征在于：所述步骤5中，电压偏差量ΔU是U_dcactref与U_dcact之差，或者是分别以U_dcactref和U_dcact为自变量的函数之差。

8.如权利要求1所述的一种直流能量动态调节装置的容错控制方法，其特征在于：所述步骤5中，电压控制器为比例控制器或PI控制器。

9.如权利要求1所述的一种直流能量动态调节装置的容错控制方法，其特征在于：所述步骤6中，需要投入的子模块个数N_on的计算方法为：

其中，函数round(x)的作用是按照四舍五入原则返回与自变量x最接近的整数值。

10.如权利要求1所述的一种直流能量动态调节装置的容错控制方法，其特征在于：所述步骤6中，投入的单个子模块的耗能功率P_SM等于

其中R为单个子模块的耗能电阻阻值。

11.如权利要求1所述的一种直流能量动态调节装置的容错控制方法，其特征在于：所述步骤7中，排序均压算法的内容是，对直流能量动态调节装置全部正常子模块的电容电压进行采样，按照电容电压高低进行排序，在保证投入子模块个数等于N_on的前提下，优先投入电容电压高的子模块。

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