专利名称：模块化多电平换流器子模块冗余控制投切方法
技术领域：
本发明涉及一种变流器的控制方法，尤其是涉及一种应用于柔性直流输电技术领域的模块化多电平换流器子模块(Submodule)冗余控制投切方法。
背景技术：
柔性直流输电技术是一种基于电压源换流器的新型的高压直流输电技术，凭借其没有换向失败问题，可实现有功和无功功率的快速解耦控制以及谐波含量低的优越性间更广泛应用于分布式发电并网、交流系统的异步互联、多端直流输电和城市配电网增容等领域。模块化多电平换流器作为实现柔性直流输电工程化的电压源型换流器拓扑之一近年来受到极大关注。该换流器主电路拓扑结构示意图如
图1所示，换流器包括3个相单元(Phase Unit) I,每个相单元I包括2个桥臂2, —共含有6个桥臂2。每个桥臂2由η个相同的子模块3和I个换流电抗器4串联而成。如附图2所示，子模块3主要包括:两个IGBT开关管，包括第一开关管Tl和第二开关管Τ2，与每个IGBT开关管反向并联的二极管Dl和D2、与第二开关管Τ2反向并联的晶闸管D3、旁路开关K、均压电阻R、支撑电容C等。上层控制系统通过控制第一开关管Tl和第二开关管Τ2的导通和关断，子模块3输出Uc或O (Uc为支撑电容C两端的电压，即直流侧电压)。其中，晶闸管D3主要是在直流侧发生短路故障后、断路器断开前这段时间内进行触发导通，以承担本应流过二极管的过电流，起到保护续流二极管的作用。旁路开关K能实现冗余子模块和故障子模块的快速切换，而且一旦闭合即不能通过控制断开，只有当换流器停电检修时通过手动复位。子模块3的工作状态共有三种:(I)闭锁状态:第一开关管Tl、第二开关管Τ2均关断，一般在启动前和严重故障时出现，正常运行时不出现；
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(2)投入状态:第一开关管Tl开通、第二开关管Τ2关断,此时子模块3输出电压为支撑电容C的电压；(3)切出状态:第一开关管Tl关断、第二开关管Τ2开通，通过控制各子模块3的投入和切出就可生成稳定的交流与直流输出电压，从而改变换流器的输出电压及功率等级。由于模块化多电平换流器含有大量级联子模块，为了使换流器能在少量子模块发生故障情况下仍正常运行，必须设计相应的冗余保护。因此，在MMC-HVDC (ModularMultilevel Converter-High Voltage Direct Current,模块化多电平换流器型高压直流输电)系统中换流器的上、下桥臂均设置一定数量(一个或少数几个)的冗余子模块，且通常将其置于冷备用状态。当监测和保护装置监测到某桥臂有子模块发生故障后，会发出报警信号，闭锁该故障子模块，并向其旁路开关K发出闭合指令。待旁路开关K有效闭合后，故障子模块将被旁路，系统降压降载运行；若需投入冗余子模块，则需跳开高压侧开关，让系统退出运行，然后再经过一个启动和功率提升阶段，降低了换流器的工作效率，这就限制了该方案的应用。因此需要设计一种适合模块化多电平换流器的冗余子模块投切方法。
在现有技术当中，由管敏渊等人于2011年08月25日刊登在《电力系统自动化》上的论文《模块化多电平换流器子模块故障特性和冗余保护》，其主要内容为:将少量冗余子模块置于热备用状态，保证以最快的速度接入桥臂来替换故障子模块；其余子模块被置于冷备用的闭锁状态，能可靠保护IGBT中没有电流流过。其实现框图如图3所示。该方法的具体步骤为:(I)设置冷热备用冗余子模块。在冗余子模块中选取I个或2 3个(因总的冗余子模块数量不同而定)置于热备用的切出状态；剩余冗余子模块置于冷备用闭锁状态，保证其IGBT中没有电流，用于可靠保护IGBT ；(2)热备用冗余子模块投入进行。一旦出现子模块故障，立即向故障子模块发出旁路指令并将故障子模块的触发信号施加给处于热备用的冗余子模块，该冗余子模块将经历一个电容充电过程后开始正常工作；(3)冷备用冗余子模块进入热备用。先将冷备用闭锁状态的冗余子模块切换至冷备用切出状态，然后断开旁路开关使其进入热备用状态。该冗余保护方案可与不同换流器控制方法相配合，换流器各桥臂中处于运行状态的子模块数相等且保持不变，其控制算法包括功率控制、调制策略和直流电压均衡策略等均不需要改变，只需增加触发脉冲的切换输出功能。采用冷热备用相结合的冗余子模块投切方法，故障恢复时间较短，能基本维持系统直流侧电压的稳定。但是，当处于热备用的冗余子模块替换故障子模块时，需经历一个电容充电过程后才可投入运行，仍需一定反应时间。而且当冷备用冗余子模块进入热备用状态时，需断开旁路开关，而其实现对旁路开关的开断能力有一定要求。因此，为了提高模块化多电平换流器型高压直流输电(MMC-HVDC)系统的可靠性，开发一种模块化多电平换流器的子模块冗余控制投切方法成为亟待解决的技术问题。
发明内容
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有鉴于此，本发明的目的在于提供一种模块化多电平换流器的子模块冗余控制投切方法，当某桥臂有一个子模块发生故障时，使得处于热备用状态的冗余子模块能以最快的速度接入桥臂来替代故障子模块，从而维持了换流器直流侧电压的稳定以及上下桥臂子模块电容电压间的平衡，提高了模块化多电平换流器型高压直流输电系统的可靠性。为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种模块化多电平换流器子模块冗余控制投切方法的技术实现方案，一种模块化多电平换流器子模块冗余控制投切方法，所述模块化多电平换流器包括三个相单元，每个所述相单元均包括上、下两个桥臂，每个所述桥臂均包括换流电抗器和两个以上的子模块，所述换流电抗器与子模块相互串联。所述子模块包括:相互串联的第一开关管和第二开关管，与所述第二开关管反向并联的晶闸管、与所述晶闸管并联的旁路开关，以及并联在所述第一开关管和第二开关管串联电路两端的支撑电容，包括以下步骤:所述模块化多电平换流器在正常运行过程中，所述子模块包括正在运行的子模块和冗余子模块，监测所述冗余子模块的支撑电容两端的电压值Uc ；当某相所述桥臂的冗余子模块的支撑电容两端的电压Uc大于或等于第一预设值Ucl且小于或等于第二预设值Uc2时，所述冗余子模块处于切出状态，所述冗余子模块的第一开关管关断、所述第二开关管导通；当所述冗余子模块的支撑电容两端的电压Uc小于第一预设值Ucl时，根据调制方式及子模块直流电压平衡决定所述第一开关管和第二开关管的通断状态，直至所述冗余子模块的支撑电容两端的电压Uc为第二预设值时，所述第一开关管关断，导通所述第二开关管进行续流；当所述冗余子模块的支撑电容两端的电压Uc大于第二预设值Uc2时，发送冗余子模块过压故障信息，并执行保护动作。优选的，在所述模块化多电平换流器的每相上、下两个桥臂均设置相同数量的一个以上的冗余子模块。优选的，当所述冗余子模块支撑电容两端的电压Uc大于或等于第一预设值Ucl且小于或等于第二预设值Uc2时，若该冗余子模块所在的桥臂有一个子模块发生故障，则闭锁该故障子模块，且闭合所述故障子模块的旁路开关，投入所述冗余子模块。优选的，当所述冗余子模块支撑电容两端的电压Uc小于第一预设值Ucl时，若该冗余子模块所在的桥臂有一个子模块发生故障，则闭锁该故障子模块，且闭合所述故障子模块的旁路开关；若所述故障子模块不是所述冗余子模块，且所述冗余子模块的第一开关管处于关断状态，则投入所述冗余子模块。优选的，当所述冗余子模块支撑电容两端的电压Uc小于第一预设值Ucl时，若该冗余子模块所在的桥臂有一个子模块发生故障，则闭锁该故障子模块，且闭合所述故障子模块的旁路开关；若所述冗余子模块的第一开关管处于导通状态，则选择投入处于续流状态的子模块中支撑电容两端电压值最高的子模块。优选的，所述模块化多电平换流器通过输入高压开关与电源端相连，当所述桥臂中的故障子模块的数量大于冗余子模块的数量时，跳开模块化多电平换流器的输入高压开关，所述模块化多电平换流器 退出运行。优选的，所述第二预设值Uc2为子模块直流侧过压设定值，所述第一预设值Ucl满足Ul < Ucl < UN, Ul为子模块直流侧欠压设定值，UN为子模块直流侧额定电压值。优选的，所述模块化多电平换流器采用最近电平逼近调制方式。优选的，根据调制方式和子模块直流电压平衡控制策略决定上下桥臂需投入子模块数以及判断出所有子模块中第一开关管和第二开关管的通断状态。所述下桥臂需要投入子模块数由以下公式决定:
权利要求
1.一种模块化多电平换流器子模块冗余控制投切方法，所述模块化多电平换流器包括三个相单元(1)，每个所述相单元(I)均包括上、下两个桥臂(2)，每个所述桥臂(2)均包括换流电抗器(4)和两个以上的子模块(3)，所述换流电抗器(4)与子模块(3)相互串联；所述子模块(3)包括:相互串联的第一开关管(Tl)和第二开关管(T2)，与所述第二开关管(T2)反向并联的晶闸管(D3)、与所述晶闸管(D3)并联的旁路开关(K)，以及并联在所述第一开关管(Tl)和第二开关管(T2)串联电路两端的支撑电容(C)，其特征在于，包括以下步骤: 所述模块化多电平换流器在正常运行过程中，所述子模块(3)包括正在运行的子模块和冗余子模块； 当某相所述桥臂(2)的冗余子模块的支撑电容(C)两端的电压Uc大于等于第一预设值Ucl且小于等于第二预设值Uc2时，所述冗余子模块处于切出状态，所述冗余子模块的第一开关管(Tl)关断、所述第二开关管(T2)导通； 当所述冗余子模块的支撑电容(C)两端的电压Uc小于第一预设值Ucl时，根据调制方式和子模块直流电压平衡决定所述第一开关管(Tl)和第二开关管(T2)的通断状态，直至所述冗余子模块的支撑电容(C)两端的电压Uc为第二预设值时，所述第一开关管(Tl)关断，导通所述第二开关管(T2)进行续流；当所述冗余子模块的支撑电容(C)两端的电压Uc大于第二预设值Uc2时，发送冗余子模块过压故障信息，并执行保护动作。
2.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器子模块冗余控制投切方法，其特征在于:在所述模块化多电平换流器的每相上、下两个桥臂(2)均设置相同数量的一个以上的冗余子模块。
3.根据权利要求2所述的一种模块化多电平换流器子模块冗余控制投切方法，其特征在于:当所述冗余子模块支撑电容(C)两端的电压Uc大于或等于第一预设值Ucl且小于或等于第二预设值Uc2时，若该冗余子模块所在的桥臂有一个子模块(3)发生故障，则闭锁该故障子模块，且闭合所述故障子模块的旁路开关(K)，投入所述冗余子模块。
4.根据权利要求2所述的一种模块化多电平换流器子模块冗余控制投切方法，其特征在于:当所述冗余子模块支撑电容(C)两端的电压Uc小于第一预设值Ucl时，若该冗余子模块所在的桥臂有一个子模块(3)发生故障，则闭锁该故障子模块，且闭合所述故障子模块的旁路开关(K);若所述故障子模块不是所述冗余子模块，且所述冗余子模块的第一开关管(Tl)处于关断状态，则投入所述冗余子模块。
5.根据权利要求2所述的一种模块化多电平换流器子模块冗余控制投切方法，其特征在于:当所述冗余子模块支撑电容(C)两端的电压Uc小于第一预设值Ucl时，若该冗余子模块所在的桥臂有一个子模块(3)发生故障，则闭锁该故障子模块，且闭合所述故障子模块的旁路开关(K);若所述冗余子模块的第一开关管(Tl)处于导通状态，则选择投入处于续流状态的子模块(3)中支撑电容(C)两端电压值最高的子模块。
6.根据权利要求3至5中任一权利要求所述的一种模块化多电平换流器子模块冗余控制投切方法，其特征在于:所述模块化多电平换流器通过输入高压开关与电源端相连，当所述桥臂(2)中的故 障子模块的数量大于冗余子模块的数量时，跳开模块化多电平换流器的输入高压开关，所述模块化多电平换流器退出运行。
7.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的一种模块化多电平换流器子模块冗余控制投切方法，其特征在于:所述第二预设值Uc2为子模块直流侧过压设定值，所述第一预设值Ucl满足Ul < Ucl < UN, Ul为子模块直流侧欠压设定值，UN为子模块直流侧额定电压值。
8.根据权利要求7所述的一种模块化多电平换流器子模块冗余控制投切方法，其特征在于:所述模块化多电平换流器采用最近电平逼近调制方式。
9.根据权利要求8所述的一种模块化多电平换流器子模块冗余控制投切方法，其特征在于:根据调制方式和子模块直流电压平衡控制策略决定上下桥臂需投入子模块数以及判断出所有子模块中第一开关管(Tl)和第二开关管(T2)的通断状态；所述下桥臂需要投入的子模块数由以下公式决定:
10.根据权利要求1至5、8、9中任一权利要求所述的一种模块化多电平换流器子模块冗余控制投切方法，其特征在于，决定所述第一开关管(Tl)和第二开关管(Τ2)的通断状态的子模块直流电压平衡控制过程主要包括以下步骤: 5301:监测各子模块(3 )支撑电容(C)的电压值，并将单相桥臂中的子模块电压值输入控制器进行排序，控制器与所述子模块(3)相连； 5302:测量所述子模块(3)中桥臂(2)的电流方向，确定各子模块(3)的支撑电容(C)是处于充电状态还是放电状态； 5303:在下次电平变动时刻，如果所述桥臂(2)的电流对子模块(3)支撑电容(C)进行充电，则投入该桥臂(2)中支撑电容(C)电压偏低的子模块(3)，要求投入的子模块(3)的第一开关管(Tl)导通，其余子模块(3)的第二开关管(Τ2)均导通续流；如果桥臂(2)的电流方向导致子模块(3)支撑电容(C)放电，则投入该桥臂(2)中支撑电容(C)电压偏高的子模块(3)，要求投入的子模块(3)的第一开关管(Tl)导通，其余子模块(3)的第二开关管(Τ2)均导通续流。
全文摘要
本发明公开了一种模块化多电平换流器子模块冗余控制投切方法，换流器在正常运行过程中，监测冗余子模块支撑电容电压值。当某相桥臂冗余子模块支撑电容两端的电压大于或等于第一预设值且小于或等于第二预设值时，冗余子模块处于切出状态；当冗余子模块支撑电容两端的电压小于第一预设值时，根据调制方式及子模块直流电压平衡控制策略决定第一、第二开关管的通断状态，直至冗余子模块支撑电容两端电压为第二预设值时，导通第二开关管进行续流；否则，发送冗余子模块过压故障，执行保护动作。本发明能保证冗余子模块以最快的速度接入桥臂来替代故障子模块，维持了换流器直流侧电压的稳定以及上下桥臂子模块电容电压间的平衡，提高了可靠性及可用率。
文档编号H02J9/06GK103248112SQ201310127159
公开日2013年8月14日 申请日期2013年4月12日 优先权日2013年4月12日
发明者敬华兵, 吴强, 龚芬, 唐剑钊, 邓明, 毕金融, 秦灿华 申请人:株洲变流技术国家工程研究中心有限公司