CN115776217B - 一种子模块故障下mmc损耗优化控制方法、系统及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种子模块故障下MMC损耗优化控制方法、系统及设备，具体方案是：当模块化多电平换流器子模块出现故障后，切除该故障子模块；采用基频环流控制器抑制基频环流；通过实时计算故障桥臂和健康桥臂子模块损耗，以健康桥臂子模块平均损耗为给定值，故障桥臂子模块平均损耗为实际值，将二者之差通过PI控制器输出调节故障桥臂子模块的载波频率，以降低故障桥臂子模块的开关损耗，从而实现故障桥臂和健康桥臂子模块间的损耗平衡。与常规方法相比，本发明不增加额外的建设成本，控制算法简单且不影响输出电能质量，解决了子模块故障后故障桥臂和健康桥臂间的损耗平衡问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种子模块故障下模块化多电平换流器损耗优化控制技术，属于多电平电力电子换流器技术领域。
背景技术
MMC(modular multilevel converter，模块化多电平换流器)因其模块化结构、高扩展性、高效率等优点，已成为中高压、大功率应用中最有吸引力的拓扑之一。
MMC内部包含大量子模块，每个子模块都是一个潜在的故障点。子模块发生故障被旁路后，会导致故障桥臂剩余子模块电容电压升高，损耗增大，使得故障桥臂和剩余五个健康桥臂间的损耗不均衡。损耗不均衡会导致热应力不均衡从而导致子模块寿命分布的不均衡。此外故障桥臂子模块损耗增大、发热增加会导致其故障概率上升，进一步危害MMC的整体可靠性，因此需要对子模块故障下的MMC进行损耗优化控制。
目前针对MMC的损耗优化控制，常用的方法有改变子模块拓扑结构法、二次环流注入法、基于子模块电容电压平衡控制法等。但改变子模块拓扑结构法会增加MMC建设成本，二次环流注入法只能优化子模块内部器件损耗，无法实现故障桥臂和健康桥臂间的损耗平衡，基于子模块电容电压平衡控制法会增大桥臂内子模块电容电压差异，影响输出电能质量，这些缺点限制了上述方法在实际工程中的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种子模块故障下,MMC损耗优化控制方法，以实现子模块故障后故障桥臂和健康桥臂间的损耗平衡。
本发明为解决以上技术问题采用以下技术方案：
本发明提出一种子模块故障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、在模块化多电平换流器正常运行时，当任一子模块出现故障，切除该故障子模块；
S2、采用一种基于基频环流抑制的容错控制方法，通过基频环流控制器抑制基频环流，使得模块化多电平换流器仍能保持正常运行；
S3、实时测量当前控制周期内，故障桥臂和同相健康桥臂的桥臂电流、子模块电容电压、子模块开关函数。其中，，F代表故障桥臂，H代表健康桥臂，，为该桥臂内剩余子模块数量；
S4、利用模块化多电平换流器子模块内各功率器件的损耗计算公式，计算故障桥臂和健康桥臂的子模块平均损耗；
S5、以健康桥臂子模块平均损耗为给定值，故障桥臂子模块平均损耗为实际值，将二者之差通过PI控制器输出调节故障桥臂子模块的载波频率，使得故障桥臂子模块平均损耗与健康桥臂子模块平均损耗相等，最终实现模块化多电平换流器子模块故障下的损耗优化控制。
进一步的，所述S2中的基频环流抑制采用基于dq解耦的基频环流控制器实现。
进一步的，所述S3中的子模块开关函数表示为： (1)
子模块投入为：第一功率开关器件T1处于导通状态，第二功率开关器件T2处于关断状态。子模块切除为：第一功率开关器件T1处于关断状态，第二功率开关器件T2处于导通状态。
进一步的，所述S4中的模块化多电平换流器中的桥臂子模块平均损耗计算公式为： (2)
其中，为桥臂内第
i个子模块的总损耗，
x为桥臂内剩余子模块个数。的计算方法为： (3)
其中，和分别为桥臂内第
i个子模块中第一功率开关器件T1的导通损耗和开关损耗，和分别为第
i个子模块中第二功率开关器件T2的导通损耗和开关损耗，和分别为第
i个子模块中第一二极管D1的导通损耗和开关损耗，和分别为第
i个子模块中第二二极管D2的导通损耗和开关损耗。
进一步的，所述、、、的计算方法具体为： (4)
公式(4)中，
T为一个工频周期，
T=0.02s，
S i 为桥臂内第
i个子模块的开关函数，为流过桥臂内第
i个子模块第一功率开关器件T1的电流，为流过桥臂内第
i个子模块第二功率开关器件T2的电流，为流过桥臂内第
i个子模块第一二极管D1的电流，为流过桥臂内第
i个子模块第二二极管D2的电流，
V CE0为功率开关器件T1、T2的零电流通态压降，
V D0为二极管D1、D2的零电流通态压降，
R CE为功率开关器件的通态电阻，
R D为二极管的通态电阻。
进一步的，所述、、、的计算方法具体为：(5)
公式(5)中，
E on是功率开关器件的开通能量，
E off是功率开关器件的关断能量，
E rec是二极管的反向恢复能量，
U ref和
U sm分别是数据表中的测试电压和子模块的平均电容电压。
进一步的，所述S5中的损耗优化控制具体实施原则为：以健康桥臂子模块平均损耗为给定值，故障桥臂子模块平均损耗为实际值，将二者之差输入一个PI控制器，PI控制器输出为故障桥臂子模块载波频率偏置量，将该偏置量叠加在子模块额定载波频率上，可调节故障桥臂子模块载波频率。当故障桥臂子模块平均损耗大于健康桥臂子模块平均损耗时，降低故障桥臂子模块的载波频率，以减小故障桥臂子模块的开关损耗。当故障桥臂子模块平均损耗小于健康桥臂子模块平均损耗时，提高故障桥臂子模块的载波频率，以增大故障桥臂子模块的开关损耗，最终使得故障桥臂和健康桥臂子模块平均损耗相等。
本发明还提出一种子模块故障下模块化多电平换流器损耗优化控制系统，包括：
故障切断模块，用于在模块化多电平换流器正常运行时，当任一子模块出现故障，切除该故障子模块；
容错控制模块，用于采用基于基频环流抑制的容错控制方法，通过基频环流控制器抑制基频环流，使得模块化多电平换流器仍能保持正常运行；
测量模块，用于实时测量当前控制周期内，故障桥臂和同相健康桥臂的桥臂电流、子模块电容电压、子模块开关函数，其中，，F代表故障桥臂，H代表健康桥臂，，为该桥臂内剩余子模块数量；
损耗计算模块，用于利用模块化多电平换流器子模块内各功率器件的损耗计算公式，计算故障桥臂和健康桥臂的子模块平均损耗；
优化控制模块，用于以健康桥臂子模块平均损耗为给定值，故障桥臂子模块平均损耗为实际值，将二者之差通过PI控制器输出调节故障桥臂子模块的载波频率，使得故障桥臂子模块平均损耗与健康桥臂子模块平均损耗相等，最终实现模块化多电平换流器子模块故障下的损耗优化控制。
最后，本发明提出一种电子设备，其包括存储器、处理器和存储在存储器中可供处理器运行的程序指令，所述处理器执行所述程序指令以实现本发明所述控制方法的步骤。
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比具有以下有益效果：
（1）本发明通过计算故障桥臂和健康桥臂子模块平均损耗，将二者之差输入PI控制器来调节故障桥臂子模块载波频率，从而实现故障桥臂和健康桥臂间的损耗平衡。控制算法简单，便于实施。
（2）本发明仅需改变故障桥臂的子模块载波频率，不改变原有的子模块拓扑结构，也不改变原有的子模块电容电压平衡控制策略，不增加额外的建设成本，具有较强实用价值。
（3）本发明在实现故障桥臂和健康桥臂间损耗平衡的同时不改变子模块电容电压，对模块化多电平换流器输出电能质量几乎没有影响。
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。
本发明针对模块化多电平换流器损耗优化控制问题，提出了一种子模块故障下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其中三相MMC及子模块的拓扑结构如图1、图2所示。图1为一个三相MMC拓扑，其每相由上下两个桥臂构成，每个桥臂包含
N个相同的子模块和一个桥臂电感
L s。图2为子模块的拓扑结构，每个子模块包含两个功率开关器件T1、T2，两个反并联二极管D1、D2和一个直流电容器C。
如图3所示，一种子模块故障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子模块出现故障后，切除该故障子模块；采用基频环流控制器抑制基频环流；实时采集故障桥臂和同相健康桥臂的桥臂电流及子模块开关函数；分别计算故障桥臂子模块平均损耗和健康桥臂子模块平均损耗；以健康桥臂子模块平均损耗为给定值，故障桥臂子模块平均损耗为实际值，将二者之差通过PI控制器输出调节故障桥臂子模块的载波频率，最终实现故障桥臂和健康桥臂子模块损耗平衡。具体包括以下步骤：
S1、在模块化多电平换流器正常运行时，当任一子模块出现故障，切除该故障子模块；
S2、采用一种基于基频环流抑制的容错控制方法，通过基频环流控制器抑制基频环流，使得模块化多电平换流器仍能保持正常运行；
S3、实时测量当前控制周期内，故障桥臂和同相健康桥臂的桥臂电流、子模块电容电压、子模块开关函数。其中，，F代表故障桥臂，H代表健康桥臂，，
x为该桥臂内剩余子模块数量；
S4、利用模块化多电平换流器子模块内各功率器件的损耗计算公式，计算故障桥臂和健康桥臂的子模块平均损耗；
S5、以健康桥臂子模块平均损耗为给定值，故障桥臂子模块平均损耗为实际值，将二者之差通过PI控制器输出调节故障桥臂子模块的载波频率，使得故障桥臂子模块平均损耗与健康桥臂子模块平均损耗相等，最终实现模块化多电平换流器子模块故障下的损耗优化控制。
进一步的，所述S2中的基频环流抑制采用基于dq解耦的基频环流控制器实现。
进一步的，所述S3中的子模块开关函数表示为： (1)
子模块投入为：第一功率开关器件T1处于导通状态，第二功率开关器件T2处于关断状态。子模块切除为：第一功率开关器件T1处于关断状态，第二功率开关器件T2处于导通状态。
进一步的，所述S4中的模块化多电平换流器中的桥臂子模块平均损耗计算公式为： (2)
其中，为桥臂内第
i个子模块的总损耗，
x为桥臂内剩余子模块个数。的计算方法为： (3)
其中，和分别为桥臂内第
i个子模块中第一功率开关器件T1的导通损耗和开关损耗，和分别为第
i个子模块中第二功率开关器件T2的导通损耗和开关损耗，和分别为第
i个子模块中第一二极管D1的导通损耗和开关损耗，和分别为第
i个子模块中第二二极管D2的导通损耗和开关损耗。
进一步的，所述、、、的计算方法具体为： (4)
公式(4)中，
T为一个工频周期，
T=0.02s，
S i 为桥臂内第
i个子模块的开关函数，为流过桥臂内第
i个子模块第一功率开关器件T1的电流，为流过桥臂内第
i个子模块第二功率开关器件T2的电流，为流过桥臂内第
i个子模块第一二极管D1的电流，为流过桥臂内第
i个子模块第二二极管D2的电流，
V CE0为功率开关器件T1、T2的零电流通态压降，
V D0为二极管D1、D2的零电流通态压降，
R CE为功率开关器件的通态电阻，
R D为二极管的通态电阻。
进一步的，所述、、、的计算方法具体为： (5)
公式(5)中，
E on是功率开关器件的开通能量，
E off是功率开关器件的关断能量，
E rec是二极管的反向恢复能量，
U ref和
U sm分别是数据表中的测试电压和子模块的平均电容电压。
进一步的，所述S5中的损耗优化控制具体实施原则为：以健康桥臂子模块平均损耗为给定值，故障桥臂子模块平均损耗为实际值，将二者之差输入一个PI控制器，PI控制器输出为故障桥臂子模块载波频率偏置量，将该偏置量叠加在子模块额定载波频率上，可调节故障桥臂子模块载波频率。当故障桥臂子模块平均损耗大于健康桥臂子模块平均损耗时，降低故障桥臂子模块的载波频率，以减小故障桥臂子模块的开关损耗。当故障桥臂子模块平均损耗小于健康桥臂子模块平均损耗时，提高故障桥臂子模块的载波频率，以增大故障桥臂子模块的开关损耗，最终使得故障桥臂和健康桥臂子模块平均损耗相等。
本发明提出的一种子模块故障下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，通过调节故障桥臂子模块载波频率，实现故障桥臂和健康桥臂间子模块损耗平衡。与常规方法相比，该方法不增加额外的建设成本，控制算法简单易于实施，且不影响输出电能质量。
上述产品可执行本发明实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明实施例所提供的方法。
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 (10)
1.一种子模块故障下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在模块化多电平换流器正常运行时，当任一子模块出现故障，切除该故障子模块；
S2、采用基于基频环流抑制的容错控制方法，通过基频环流控制器抑制基频环流，使得模块化多电平换流器仍能保持正常运行；
S3、实时测量当前控制周期内，故障桥臂和同相健康桥臂的桥臂电流i_j、子模块电容电压ucj_k、子模块开关函数Sj_k，其中，j＝F,H，F代表故障桥臂，H代表健康桥臂，k＝1,2,…,x，x为故障桥臂或健康桥臂内剩余子模块数量；
S4、利用模块化多电平换流器子模块内各功率器件的损耗计算公式，根据步骤S3获得的故障桥臂和同相健康桥臂的桥臂电流i_j、子模块电容电压ucj_k、子模块开关函数Sj_k计算故障桥臂和健康桥臂的子模块平均损耗；
S5、以健康桥臂子模块平均损耗Pave_H为给定值，故障桥臂子模块平均损耗Pave_F为实际值，将二者之差通过PI控制器输出调节故障桥臂子模块的载波频率fF，使得故障桥臂子模块平均损耗与健康桥臂子模块平均损耗相等，最终实现模块化多电平换流器子模块故障下的损耗优化控制。
2.根据权利要求1所述的一种子模块故障下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其特征在于，步骤S2中通过基频环流控制器抑制基频环流，是采用基于dq解耦的基频环流控制器实现。
3.根据权利要求1所述的一种子模块故障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中的子模块开关函数Sj_k表示为：
其中，子模块为半桥结构，由第一二极管D1、第二二极管D2、第一功率开关T1、第二功率开关T2以及一个电容组成；子模块投入为：第一功率开关器件T1处于导通状态，第二功率开关器件T2处于关断状态；子模块切除为：第一功率开关器件T1处于关断状态，第二功率开关器件T2处于导通状态。
4.根据权利要求3所述的一种子模块故障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中的模块化多电平换流器中的桥臂子模块平均损耗Pave计算公式为：
其中，Ploss_k为桥臂内第k个子模块的总损耗，x为桥臂内剩余子模块个数，Ploss_k的计算方法为：
Ploss_k＝PconT1_k+PconT2_k+PconD1_k+PconD2_k+PswT1_k+PswT2_k+PswD1_k+PswD2_k(3)
其中，PconT1_k和PswT1_k分别为桥臂内第k个子模块中第一功率开关器件T1的导通损耗和开关损耗，PconT2_k和PswT2_k分别为第k个子模块中第二功率开关器件T2的导通损耗和开关损耗，PconD1_k和PswD1_k分别为第k个子模块中第一二极管D1的导通损耗和开关损耗，PconD2_k和PswD2_k分别为第k个子模块中第二二极管D2的导通损耗和开关损耗。
5.根据权利要求4所述的一种子模块故障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PconT1_k、PconT2_k、PconD1_k、PconD2_k的计算方法具体为：
公式(4)中，T为一个工频周期，Sj_k为桥臂内第k个子模块的开关函数，iT1_k为流过桥臂内第k个子模块第一功率开关器件T1的电流，iT2_k为流过桥臂内第k个子模块第二功率开关器件T2的电流，iD1_k为流过桥臂内第k个子模块第一二极管D1的电流，iD2_k为流过桥臂内第k个子模块第二二极管D2的电流，VCE0为功率开关器件的零电流通态压降，VD0为二极管的零电流通态压降，RCE为功率开关器件的通态电阻，RD为二极管的通态电阻。
6.根据权利要求5所述的一种子模块故障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PswT1_k、PswT2_k、PswD1_k、PswD2_k的计算方法具体为：
公式(5)中，Eon是功率开关器件的开通能量，Eoff是功率开关器件的关断能量，Erec是二极管的反向恢复能量，Uref是用于测试功率开关器件开通和关断能量以及测试二极管的反向恢复能量的测试电压，Usm是当前计算平均损耗的子模块的平均电容电压。
7.根据权利要求1所述的一种子模块故障下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其特征在于，步骤S5中损耗优化控制的具体实施原则为：以健康桥臂子模块平均损耗Pave_H为给定值，故障桥臂子模块平均损耗Pave_F为实际值，将二者之差输入一个PI控制器，PI控制器输出为故障桥臂子模块载波频率偏置量ΔfF，将该偏置量叠加在子模块额定载波频率fN上，以调节故障桥臂子模块载波频率fF；当故障桥臂子模块平均损耗大于健康桥臂子模块平均损耗时，降低故障桥臂子模块的载波频率，以减小故障桥臂子模块的开关损耗；当故障桥臂子模块平均损耗小于健康桥臂子模块平均损耗时，提高故障桥臂子模块的载波频率，以增大故障桥臂子模块的开关损耗，最终使得故障桥臂和健康桥臂子模块平均损耗相等。
8.根据权利要求5所述的一种子模块故障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T＝0.02s。
9.一种子模块故障下模块化多电平换流器损耗优化控制系统，其特征在于，包括：
故障切断模块，用于在模块化多电平换流器正常运行时，当任一子模块出现故障，切除该故障子模块；
容错控制模块，用于采用基于基频环流抑制的容错控制方法，通过基频环流控制器抑制基频环流，使得模块化多电平换流器仍能保持正常运行；
测量模块，用于实时测量当前控制周期内，故障桥臂和同相健康桥臂的桥臂电流i_j、子模块电容电压ucj_k、子模块开关函数Sj_k，其中，j＝F,H，F代表故障桥臂，H代表健康桥臂，k＝1,2,…,x，x为故障桥臂或健康桥臂内剩余子模块数量；
损耗计算模块，用于利用模块化多电平换流器子模块内各功率器件的损耗计算公式，根据测量模块获得的故障桥臂和同相健康桥臂的桥臂电流i_j、子模块电容电压ucj_k、子模块开关函数Sj_k计算故障桥臂和健康桥臂的子模块平均损耗；
优化控制模块，用于以健康桥臂子模块平均损耗Pave_H为给定值，故障桥臂子模块平均损耗Pave_F为实际值，将二者之差通过PI控制器输出调节故障桥臂子模块的载波频率fF，使得故障桥臂子模块平均损耗与健康桥臂子模块平均损耗相等，最终实现模块化多电平换流器子模块故障下的损耗优化控制。
10.一种电子设备，其包括存储器、处理器和存储在存储器中可供处理器运行的程序指令，其特征在于，所述处理器执行所述程序指令以实现权利要求1-8任一项所述控制方法的步骤。
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| CN113285626B (zh) * | 2021-06-07 | 2022-02-01 | 东南大学 | 一种容错控制下模块化多电平换流器损耗优化控制方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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