一种含周期优化控制的mmc冗余保护方法
【专利摘要】本发明公开了电力系统运行与控制【技术领域】中的一种含周期优化控制的MMC冗余保护方法。包括：在MMC系统的子模块发生故障后，将故障子模块的载波传递给冗余子模块；通过投入的子模块的调制波和载波，计算每个时刻每个桥臂投入的子模块总数和投入的冗余子模块个数；对每个桥臂投入的冗余子模块个数进行优化，得到优化后每个桥臂投入的冗余子模块个数；根据冗余子模块个数和优化后投入的冗余子模块个数，调整投入的正常子模块个数和投入的冗余子模块个数。本发明分情况调整正常子模块和冗余子模块的载波，并对载波调整进行周期优化控制，使得冗余子模块和正常子模块各自间的电容电压偏差较小，从而保证MMC系统故障后快速重新达到稳定的状态。
【专利说明】一种含周期优化控制的MMC冗余保护方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力系统运行与控制【技术领域】，尤其涉及一种含周期优化控制的MMC冗余保护方法。
【背景技术】
[0002]随着可再生能源发电技术和电力电子技术的快速发展，轻型高压直流输电系统(High Voltage Direct Current,HVDC)以其经济、灵活和高可控的特点成为研究热点。基于IGBT等全控型电力电子器件和脉宽调制(Pulse-width Modulation, PWM)技术的电压源型换流器(Voltage Source Converter,VSC)成为直流输电发展的新趋势,在大型风电场并网、分布式发电并网、孤岛供电、非同步交流电网互联以及多端直流输电等领域得到了广泛的应用。
[0003]电压源型换流器传统上多为低电平换流器(2电平或3电平)。由于低电平换流器通常需要数百只的开关元件串联而成，因此电压源型换流器存在开关频率高、电平数低、输出电压谐波大、换流站占地面积大和动态均压困难等缺点。模块化多电平换流器(modularmultilevel converter,MMC)以其输出电平数高、模块化的结构、容易实现能量的双向流动和四象限运行等优点，成为目前极具前景的高压直流输电方式，成为国内外研究的热点。
[0004]MMC每相由上下两个桥臂组成，每个桥臂由一个限流电抗和若干个子模块(sub-module, SM)串联组成，子模块按照类别分为正常子模块和冗余子模块，冗余子模块只在正常子模块发生故障后替换故障的子模块投入运行。当冗余子模块的个数大于故障子模块的个数，则故障后MMC系统不用退出运行，而是由冗余子模块替换故障子模块；当冗余子模块子个数小于故障子模块的个数，则故障后换流器无法正常工作，需将换流器闭锁并退出运行，这将会对整个直流系统的可靠性造成严重威胁。因此，MMC系统冗余子模块保护策略是控制策略中非常重要的部分。
[0005]目前，MMC常用的保护方法主要有两大类:电压逼近调制方法与载波脉宽调制方法。其中，电压逼近调制方法是使用最近的电压矢量或电平瞬时逼近调制波，其又可大致分为空间矢量脉宽调制方法(space vector pulse-width modulation, SVPWM)与最近电平调制方法(nearest level modulation,NLM)。电压逼近调制方法通过电容电压排序决定子模块的投切，其冗余保护策略的实现相对比较容易。载波脉宽调制方法主要有载波层叠与载波相移调制方法(carrier phase-shifted SPWM, CPS-SPWM)，CPS-SPWM方法通过每个子模块对应的载波与调制波比较产生触发信号，并不进行电容排序。
[0006]但是，基于载波相移调制的MMC冗余保护方法依然存在问题。当故障发生后，一种直观的冗余保护方法采取的动作是:旁路故障子模块，投入冗余的子模块，将故障子模块的载波直接传递给投入的冗余子模块。这个过程中，直接将子模块的载波传递给对应的子模块，可能导致冗余子模块在桥臂电流大于零时，未投入或投入的个数过多；在桥臂电流小于零时，冗余子模块投入放电使得本来就偏低的电容电压进一步降低。因此，在故障发生后，基于载波相移调制的MMC冗余保护方法在载波替换后，仍需调整冗余子模块的投入个数至优化的投入个数，使得故障后系统在快速达到稳定状态的基础上，减少桥臂电压和直流电压的波动，减少相间环流。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于，提供一种在载波相移调制下含周期优化控制的MMC冗余保护方法，在MMC系统发生故障后，将故障子模块的载波传递给冗余子模块，根据优化的冗余子模块投入个数，分情况调整正常子模块和冗余子模块的载波，并对载波调整进行周期优化控制，使得冗余子模块和正常子模块这两类子模块各自间的电容电压偏差较小，从而保证MMC系统故障后快速重新达到稳定的状态。
[0008]为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种含周期优化控制的MMC冗余保护方法，其特征是所述方法包括:
[0009]步骤1:在模块化多电平换流器MMC系统的子模块发生故障后，将故障子模块的载波传递给冗余子模块；
[0010]步骤2:通过投入的子模块的调制波和载波，计算每个时刻每个桥臂投入的子模块总数和投入的冗余子模块个数；
[0011]步骤3:对每个桥臂投入的冗余子模块个数进行优化计算，得到每个桥臂投入的冗余子模块个数的理论优化值；
[0012]步骤4:根据每个桥臂投入的冗余子模块个数和每个桥臂投入的冗余子模块个数的理论优化值，调整得到每个桥臂投入的冗余子模块个数的真实优化值。
[0013]所述计算每个时刻每个桥臂投入的子模块采用公式
【权利要求】
1.一种含周期优化控制的MMC冗余保护方法，其特征是所述方法包括: 步骤1:在模块化多电平换流器MMC系统的子模块发生故障后，将故障子模块的载波传递给冗余子模块； 步骤2:通过投入的子模块的调制波和载波，计算每个时刻每个桥臂投入的子模块总数和投入的冗余子模块个数； 步骤3:对每个桥臂投入的冗余子模块个数进行优化计算，得到每个桥臂投入的冗余子模块个数的理论优化值； 步骤4:根据每个桥臂投入的冗余子模块个数和每个桥臂投入的冗余子模块个数的理论优化值，调整得到每个桥臂投入的冗余子模块个数的真实优化值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述计算每个时刻每个桥臂投入的子模块采用公式
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤3具体包括如下子步骤: 当桥臂电流lbr>0且0〈Np<N-s+l时，投入的冗余子模块个数的理论优化值为N' rp=l ；当桥臂电流IJO且Np>N-s+l时，投入的冗余子模块个数的理论优化值为N' rp=Np-N+s ； 当桥臂电流lbr〈0且0〈NP ( N-S时，投入的冗余子模块个数的理论优化值为N' rp=0 ；当桥臂电流Ib/0且Np>N-l-s时，投入的冗余子模块个数的理论优化值为N' rp=Np-(N-1)+s ； Np为投入的子模块个数； N为模块化多电平换流器MMC的电平数； s为发生故障的正常子模块的个数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤4具体是: 当每个桥臂投入的冗余子模块个数Nnj和每个桥臂投入的冗余子模块个数的理论优化值N' rp满足Nip-N' rp>0时，所述调整得到每个桥臂投入的冗余子模块个数的真实优化值的过程是: 子步骤 Alrp ； 子步骤A2:如果Numl>0，则将I个旁路的冗余子模块变为投入的冗余子模块，并令Numl=Numl-1 ； 子步骤A3:如果Num2>0，则将I个投入的正常子模块变为旁路的冗余子模块，并令Num2=Num2_l ； 子步骤A4:判断Numl=O和Num2=0是否都成立，如果Numl=O和Num2=0都成立,则调整过程结束，将此时得到的每个桥臂投入的冗余子模块个数N" rp作为每个桥臂投入的冗余子模块个数的真实优化值；否则，返回子步骤A2 ； 当每个桥臂投入的冗余子模块个数Nnj和每个桥臂投入的冗余子模块个数的理论优化值N' rp满足Nip-N' rp<0时，所述调整得到每个桥臂投入的冗余子模块个数的真实优化值的过程是:
子步骤 B1:令 Numl=Nun^=Nrp-N' rp ； 子步骤B2:如果Numl〈0，则将I个投入的冗余子模块变为旁路的冗余子模块，并令Numl=Numl+1 ； 子步骤B3:如果Num2〈0，则将I个旁路的正常子模块变为投入的正常子模块，并令Num2=Num2+l ； 子步骤B4:判断Numl=O和Num2=0是否都成立，如果Numl=O和Num2=0都成立,则调整过程结束，将此时得到的每个桥臂投入的冗余子模块个数N" u作为每个桥臂投入的冗余子模块个数的真实优化值；否则，返回子步骤B2 ； 当每个桥臂投入的冗余子模块个数Nnj和每个桥臂投入的冗余子模块个数的理论优化值N' u满足Nip-N' ^5=O时，不调整每个桥臂投入的正常子模块个数和投入的冗余子模块个数，直接将此时每个桥臂投入的冗余子模块个数N" u作为每个桥臂投入的冗余子模块个数的真实优化值。
5.根据权利要求1-4中任意一项权利要求所述的方法，其特征是所述步骤4之后还包括对每个桥臂投入的正常子模块个数和投入的冗余子模块个数进行周期优化的步骤。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是所述对每个桥臂投入的正常子模块个数进行周期调整包括: 子步骤Cl:令i=l, count (i)=0, num=Np-N" rp, Vdrefi为故障起始时刻第i个正常子模块的电容电压； 其中，Np为每个桥臂投入的子模块总数； N" u为每个桥臂投入的冗余子模块个数的真实优化值； 子步骤C2:将载波Td3传递给所有正常子模块； 所述载波Teb用于使正常子模块成为旁路的正常子模块； 子步骤C3:判断IVe1-VdrefiI ^Ve是否成立，如果IVe1-VtofiI≤Ve，则执行子步骤C4 ;否则，执行子步骤C5; 其中，Vcd为第i个正常子模块的电容电压； Vdrefi为第i个正常子模块电压变化参考值； Ve为设定阈值；子步骤 C4:令 Vdrefi=Vci 且令 count (i) =count (i) +1 ； 子步骤C5:判断1〈1是否成立，如果i〈Nn，则令i=i+l，返回子步骤C2 ;否则，执行步骤C6 ；Nn为桥臂上所有正常子模块的个数； 子步骤 C6:令 j=l, minn=mmcmmm ; 子步骤C7:判断num>0是否成立，如果num>0,则执行子步骤C8 ;否则，执行子步骤C14 ； 子步骤C8:判断count (j)=minn是否成立,如果count (j) =minn,则执行子步骤C9 ;否贝U，执行子步骤Cl I ； 子步骤C9:将载波-Teb传递给第j个正常子模块，并且令num=num-l ； 所述载波-Teb用于使正常子模块成为投入的正常子模块； 子步骤ClO:判断num>0是否成立,如果num>0,则执行子步骤Cll ;否则，执行子步骤C14 ； 子步骤Cll:判断」〈1是否成立，如果j〈Nn，则执行子步骤C12 ;否则，执行子步骤C13 ； 子步骤C12:令j=j+l，返回子步骤CS ； 子步骤C13:令j=l, minn=minn+l,返回子步骤C8 ； 子步骤C14:结束。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征是所述对每个桥臂投入的冗余子模块个数进行周期调整包括: 子步骤Dl:令i=l, count (i)=0,num=N〃 rp, Vdrefi为故障起始时刻第i个冗余子模块的电容电压； 其中，N" rp为每个桥臂投入的冗余子模块个数的真实优化值； 子步骤D2:将载波Td3传递给所有冗余子模块； 所述载波Td3用于使冗余子模块成为旁路的冗余子模块； 子步骤D3:判断IVe1-VdrefiI ^Ve是否成立，如果IVe1-VtofiI≥Ve，则执行子步骤D4 ;否则，执行子步骤D5; 其中，Vcd为第i个冗余子模块的电容电压； Vdrefi为第i个冗余子模块电压变化参考值； Ve为设定阈值；
子步骤 D4:令 Vdrefi=Vci 且令 count ⑴=Count ⑴ +1 ； 子步骤D5:判断i〈s是否成立，如果i〈s，则令i=i+l，返回子步骤D2 ;否则，执行步骤D6 ；s为桥臂上投入的冗余子模块个数；
子步骤 D6:令 j=l，minn = min count(i)； 子步骤D7:判断num>0是否成立，如果num>0,则执行子步骤D8 ;否则，执行子步骤D14 ； 子步骤D8:判断count (j)=minn是否成立,如果count (j) =minn,则执行子步骤D9 ;否贝U，执行子步骤Dll ； 子步骤D9:将载波-Teb传递给第j个冗余子模块,并且令num=num-l ； 所述载波-Td3用于使正常子模块成为投入的冗余子模块；子步骤DlO:判断num>0是否成立,如果num>0,则执行子步骤Dll ;否则，执行子步骤D14 ； 子步骤Dll:判断j〈s是否成立，如果j〈s，则执行子步骤D12 ;否则，执行子步骤D13 ； 子步骤D12:令j=j+l，返回子步骤D8 ； 子步骤D13:令j=l, minn=minn+l,返回子步骤D8 ； 子步骤D14:结束。
【文档编号】H02M1/32GK103780070SQ201410019476
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月16日 优先权日:2014年1月16日
【发明者】刘崇茹, 林周宏, 田鹏飞, 李海峰 申请人:华北电力大学