CN113285626A - 一种容错控制下模块化多电平换流器损耗优化控制方法 - Google Patents

一种容错控制下模块化多电平换流器损耗优化控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种容错控制下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，包括如下步骤：S1、模块化多电平换流器在正常运行时任一桥臂出现子模块故障，切除故障桥臂中的故障子模块，实现容错控制；S2、通过基频环流控制器抑制基频环流；S3、利用模块化多电平换流器子模块不同开关管的损耗表达式，分别计算故障桥臂和正常桥臂中各子模块的损耗；S4、针对模块化多电平换流器桥臂间损耗不平衡，以正常桥臂子模块损耗为参考值，通过调节故障桥臂的电容电压排序控制周期，实现故障桥臂剩余子模块损耗控制，最终实现故障桥臂和正常桥臂各子模块损耗平衡。本发明与常规方法相比无需增加模块化多电平换流器建设成本。

Description

一种容错控制下模块化多电平换流器损耗优化控制方法
技术领域
本发明属于多电平电力电子换流器领域，具体涉及一种容错控制下模块化多电平换流器损耗优化控制方法。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)采用了模块化结构，因其具有高可靠性、输出特性好、结构调节灵活及可实现冗余控制等优点，在柔性直流输电、可再生能源并网和电机驱动等领域广受关注。
由于模块化多电平换流器包含子模块数量较多，每一个子模块都有可能出现故障。在切除故障子模块，实现容错控制后，由于故障桥臂和正常桥臂子模块数不相等，三相模块化多电平换流器的六个桥臂之间便出现了不平衡。其中故障桥臂剩余子模块的损耗会增加，如果不对故障桥臂的子模块损耗进行控制，将会导致子模块发热增加、故障概率增加，进而导致模块化多电平换流器的进一步故障，最终使得系统全面崩溃。因此，根据故障桥臂与正常桥臂各子模块的损耗差异调节故障桥臂的损耗，使得故障桥臂和正常桥臂各子模块的损耗重新达到平衡至关重要。
针对子模块故障后模块化多电平换流器容错控制问题，常规方法通过改变模块化多电平换流器电路拓扑结构、控制电容电压或者重新匹配调制策略的方法，使模块化多电平换流器重新恢复到与原先等效的工作状态，但上述方法会导致模块化多电平换流器建设成本增加、控制算法复杂度增加等问题，也忽视了实现容错控制后故障桥臂和正常桥臂间各子模块的损耗不平衡问题，限制了上述方法在实际工程中的应用。
针对上述提出的问题，现设计一种容错控制下模块化多电平换流器损耗优化控制方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种容错控制下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，通过比较故障桥臂和正常桥臂各子模块的损耗差异，改变故障桥臂子模块的电容电压排序控制周期，调节故障桥臂子模块的损耗，使各桥臂损耗重新达到平衡。与常规方法相比无需增加模块化多电平换流器建设成本。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种容错控制下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，包括以下步骤：
S1、模块化多电平换流器在正常运行时任一桥臂出现子模块故障，切除故障桥臂中的故障子模块，实现容错控制；
S2、通过基频环流控制器抑制基频环流；
S3、利用模块化多电平换流器子模块不同开关管的损耗表达式，分别计算故障桥臂和正常桥臂中各子模块的损耗；
S4、针对模块化多电平换流器桥臂间损耗不平衡，以正常桥臂子模块损耗为参考值，通过调节故障桥臂的电容电压排序控制周期，实现故障桥臂剩余子模块损耗控制，最终实现故障桥臂和正常桥臂各子模块损耗平衡。
进一步的，所述S3中的模块化多电平换流器各子模块的损耗PLoss的计算公式为：
PLoss＝Pon_T1+Poff_T1+Pcon_T1+Pon_T2+Poff_T2+Pcon_T2+Prec_D1+Pcon_D1+Prec_D2+Pcno_D ①
公式①中，Pon_T1为子模块第一功率开关T1的开通损耗，Poff_T1为子模块第一功率开关T1的关断损耗，Pcon_T1为子模块第一功率开关T1的导通损耗，Pon_T2为子模块第二功率开关T2的开通损耗，Poff_T2为子模块第二功率开关T2的关断损耗，Pcon_T2为子模块第二功率开关T2的导通损耗，Prec_D1为子模块第一二极管D1的反向恢复损耗，Pcon_D1为子模块第一二极管D1的导通损耗，Prec_D2为子模块第二二极管D2的反向恢复损耗，Pcon_D2为子模块第二二极管D2的导通损耗。
进一步的，Pon_T1、Poff_T1、Pcon_T1的计算公式为：
Figure BDA0003104355300000031
公式②中，it1是流入T1的电流，Eon是IGBT的开通能量，Eoff是IGBT的关断能量，Uref是数据表中的测试电压，Usm是子模块的平均电容电压，VCE是二极管的零电流前向通态压降，RCE是二极管的零电流前向通态电阻，T是系统一个基波的周期，T＝2π/ω，S是子模块的开关信号，S＝1时投入子模块，S＝0时旁路子模块。
进一步的，Pon_T2、Poff_T2、Pcon_T2的计算公式为：
Figure BDA0003104355300000032
公式③中，it2是流入T2的电流。
进一步的，Prec_D1、Pcon_D1的计算公式为：
Figure BDA0003104355300000041
公式④中，Erec是二极管的反向恢复能量，id1是流入D1的电流，VF是二极管的零电流前向通态压降，RF则是二极管的通态电阻。
进一步的，Prec_D2、Pcon_D2的计算公式为：
Figure BDA0003104355300000042
公式⑤中，id2是流入D2的电流。
进一步的，所述S4中的调整电容电压排序控制周期控制方法为：实时监测故障桥臂剩余子模块和正常桥臂子模块的损耗，若故障桥臂剩余子模块的损耗大于正常桥臂子模块的损耗，则增大电容电压排序控制周期；若故障桥臂剩余子模块的损耗小于正常桥臂子模块的损耗，则减小电容电压排序控制周期。
进一步的，控制周期为相邻两次桥臂子模块电容电压排序操作的时间间隔。
本发明的有益效果：
1、本发明提出的容错控制下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，通过比较故障桥臂和正常桥臂各子模块的损耗，调节故障桥臂电容电压排序控制周期，实现故障桥臂和正常桥臂各子模块的损耗平衡，控制算法简单且易于实施；
2、本发明提出的容错控制下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，仅需根据故障桥臂和正常桥臂各子模块的损耗差异信息，通过简单闭环控制改变电容电压排序控制周期，实现故障桥臂和正常桥臂各子模块的损耗平衡，无需改变模块化多电平换流器子模块的拓扑结构，不会增加模块化多电平换流器的建设成本且易于在现有模块化多电平换流器系统中实施，具有较强的实用性；
3、本发明提出的容错控制下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，在实现模块化多电平换流器故障桥臂和正常桥臂各子模块的损耗平衡控制的同时几乎不会影响输出电能质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的三相模块化多电平换流器拓扑结构示意图；
图2是本发明实施例的半桥子模块拓扑结构示意图；
图3是本发明实施例的整体方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明针对子模块故障下模块化多电平换流器损耗优化问题，提出了一种容错控制下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其中三相模块化多电平换流器及子模块的拓扑结构如图1、图2所示，三相模块化多电平换流器由六个桥臂构成，每个桥臂包含了N(N为正整数)个拓扑结构相同的子模块(Sub-module,SM)以及一个桥臂电感L0；子模块为半桥结构，由两个二极管D1、D2，两个IGBT功率开关T1、T2以及一个电容C0组成。
如图3所示，一种容错控制下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，包括：模块化多电平换流器发生子模块故障后，切除故障子模块，实现容错控制；通过基频环流控制器抑制基频环流；利用模块化多电平换流器子模块不同开关管的损耗表达式，分别计算故障桥臂和正常桥臂中各子模块的损耗；针对模块化多电平换流器桥臂间损耗不平衡，以正常桥臂子模块损耗为参考值，通过调节故障桥臂的电容电压排序控制周期，实现故障桥臂剩余子模块损耗控制，最终实现故障桥臂和正常桥臂各子模块损耗平衡。
具体包括以下步骤：
S1、模块化多电平换流器在正常运行时任一桥臂出现子模块故障，切除故障桥臂中的故障子模块，实现容错控制；
S2、通过基频环流控制器抑制基频环流；
S3、利用模块化多电平换流器子模块不同开关管的损耗表达式，分别计算故障桥臂和正常桥臂中各子模块的损耗；
S4、针对模块化多电平换流器桥臂间损耗不平衡，以正常桥臂子模块损耗为参考值，通过调节故障桥臂的电容电压排序控制周期，实现故障桥臂剩余子模块损耗控制，最终实现故障桥臂和正常桥臂各子模块损耗平衡。
所述S2中的基频环流控制器采用dq解耦的基频环流抑制器。
所述S3中的模块化多电平换流器各子模块的损耗PLoss的计算公式为：
PLoss＝Pon_T1+Poff_T1+Pcon_T1+Pon_T2+Poff_T2+Pcon_T2+Prec_D1+Pcon_D1+Prec_D2+Pcno_D ①
公式①中，Pon_T1为子模块第一功率开关T1的开通损耗，Poff_T1为子模块第一功率开关T1的关断损耗，Pcon_T1为子模块第一功率开关T1的导通损耗，Pon_T2为子模块第二功率开关T2的开通损耗，Poff_T2为子模块第二功率开关T2的关断损耗，Pcon_T2为子模块第二功率开关T2的导通损耗，Prec_D1为子模块第一二极管D1的反向恢复损耗，Pcon_D1为子模块第一二极管D1的导通损耗，Prec_D2为子模块第二二极管D2的反向恢复损耗，Pcon_D2为子模块第二二极管D2的导通损耗。
其中Pon_T1、Poff_T1、Pcon_T1的计算公式为：
Figure BDA0003104355300000071
公式②中，it1是流入T1的电流，Eon是IGBT的开通能量，Eoff是IGBT的关断能量，Uref是数据表中的测试电压，Usm是子模块的平均电容电压，VCE是二极管的零电流前向通态压降，RCE是二极管的零电流前向通态电阻，T是系统一个基波的周期，T＝2π/ω，S是子模块的开关信号，S＝1时投入子模块，S＝0时旁路子模块。
Pon_T2、Poff_T2、Pcon_T2的计算公式为：
Figure BDA0003104355300000072
公式③中，it2是流入T2的电流。
Prec_D1、Pcon_D1的计算公式为：
Figure BDA0003104355300000081
公式④中，Erec是二极管的反向恢复能量，id1是流入D1的电流，VF是二极管的零电流前向通态压降，RF则是二极管的通态电阻。
Prec_D2、Pcon_D2的计算公式为：
Figure BDA0003104355300000082
公式⑤中，id2是流入D2的电流。
所述S4中的调整电容电压排序控制周期控制方法为：实时监测故障桥臂剩余子模块和正常桥臂子模块的损耗，若故障桥臂剩余子模块的损耗大于正常桥臂子模块的损耗，则增大电容电压排序控制周期；若故障桥臂剩余子模块的损耗小于正常桥臂子模块的损耗，则减小电容电压排序控制周期。
控制周期为相邻两次桥臂子模块电容电压排序操作的时间间隔。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (8)

1.一种容错控制下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、模块化多电平换流器在正常运行时任一桥臂出现子模块故障，切除故障桥臂中的故障子模块，实现容错控制；
S2、通过基频环流控制器抑制基频环流；
S3、利用模块化多电平换流器子模块不同开关管的损耗表达式，分别计算故障桥臂和正常桥臂中各子模块的损耗；
S4、针对模块化多电平换流器桥臂间损耗不平衡，以正常桥臂子模块损耗为参考值，通过调节故障桥臂的电容电压排序控制周期，实现故障桥臂剩余子模块损耗控制，最终实现故障桥臂和正常桥臂各子模块损耗平衡。
2.根据权利要求1所述的一种容错控制下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其特征在于，所述S3中的模块化多电平换流器各子模块的损耗PLoss的计算公式为：
PLoss＝Pon_T1+Poff_T1+Pcon_T1+Pon_T2+Poff_T2+Pcon_T2+Prec_D1+Pcon_D1+Prec_D2+Pcno_D ①
公式①中，Pon_T1为子模块第一功率开关T1的开通损耗，Poff_T1为子模块第一功率开关T1的关断损耗，Pcon_T1为子模块第一功率开关T1的导通损耗，Pon_T2为子模块第二功率开关T2的开通损耗，Poff_T2为子模块第二功率开关T2的关断损耗，Pcon_T2为子模块第二功率开关T2的导通损耗，Prec_D1为子模块第一二极管D1的反向恢复损耗，Pcon_D1为子模块第一二极管D1的导通损耗，Prec_D2为子模块第二二极管D2的反向恢复损耗，Pcon_D2为子模块第二二极管D2的导通损耗。
3.根据权利要求2所述的一种容错控制下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其特征在于，Pon_T1、Poff_T1、Pcon_T1的计算公式为：
Figure FDA0003104355290000021
公式②中，it1是流入T1的电流，Eon是IGBT的开通能量，Eoff是IGBT的关断能量，Uref是数据表中的测试电压，Usm是子模块的平均电容电压，VCE是二极管的零电流前向通态压降，RCE是二极管的零电流前向通态电阻，T是系统一个基波的周期，T＝2π/ω，S是子模块的开关信号，S＝1时投入子模块，S＝0时旁路子模块。
4.根据权利要求3所述的一种容错控制下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其特征在于，Pon_T2、Poff_T2、Pcon_T2的计算公式为：
Figure FDA0003104355290000022
公式③中，it2是流入T2的电流。
5.根据权利要求4所述的一种容错控制下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其特征在于，Prec_D1、Pcon_D1的计算公式为：
Figure FDA0003104355290000023
公式④中，Erec是二极管的反向恢复能量，id1是流入D1的电流，VF是二极管的零电流前向通态压降，RF则是二极管的通态电阻。
6.根据权利要求5所述的一种容错控制下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其特征在于，Prec_D2、Pcon_D2的计算公式为：
Figure FDA0003104355290000031
公式⑤中，id2是流入D2的电流。
7.根据权利要求6所述的一种容错控制下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其特征在于，所述S4中的调整电容电压排序控制周期控制方法为：实时监测故障桥臂剩余子模块和正常桥臂子模块的损耗，若故障桥臂剩余子模块的损耗大于正常桥臂子模块的损耗，则增大电容电压排序控制周期；若故障桥臂剩余子模块的损耗小于正常桥臂子模块的损耗，则减小电容电压排序控制周期。
8.根据权利要求7所述的一种容错控制下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其特征在于，控制周期为相邻两次桥臂子模块电容电压排序操作的时间间隔。
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