一种基于电平调整的混合型模块化多电平换流器容错控制方法

1.本发明涉及混合型模块化多电平换流器系统子模块故障保护领域，具体涉及一种基于电平调整的混合型模块化多电平换流器容错控制方法。


背景技术：

2.随着国家工业生产的发展和人民生活水平的提升，各地区的用电量不断攀升。为了满足集中用电地区的用电需求，国内已经建设了数条跨区域输电系统。模块化多电平换流器具有模块化、开关频率低、谐波含量低、易于冗余配置等优点，被广泛应用于新能源接入、异步互联、城市供电等柔性直流输电系统中。但模块化多电平换流器系统在子模块数量众多、运行时间长的情况下其内部电力电子器件极易出现故障。随着模块化多电平换流器在电能传输、电机驱动和工业生产等领域广泛应用，对于模块化多电平换流器系统的可靠性也提出了极高的要求。因此，为了避免子模块故障引起模块化多电平换流器性能下降或运行中断，在实际工程中必须引入有效的模块化多电平换流器子模块故障容错方法，来提高模块化多电平换流器系统的可靠性，同时也可产生可观的经济回报。
3.目前，为了解决模块化多电平换流器系统可靠性能力不高的问题，已有多篇学术论文和专利进行研究并提出相应的解决办法，例如：
4.1、白志红等人在发表的“一种基于子模块重组并具备容错性的模块化多电平换流器空间矢量调制方法”专利中,将模块化多电平换流器中每相任意两个或者两个以上子模块进行组合，形成若干个新的三相控制单元，称为子单元。利用本发明，能在不增加额外的冗余备份和外围电路情况下，通过重组和空间矢量调制的灵活性实现模块化多电平换流器的容错运行。但所需电容的耐压值较高，会进一步提高硬件的成本。
5.2、在题为“基于零序电压注入的模块化多电平变流器故障容错控制”的文章中，作者申科提出了零序电压注入的容错方法，其具体实现方法为，当故障相电压超出临界电压时，将其限定在一个固定值，其余正常相电压则输出线电压与固定值的差值，最后进行调制重构。但该方法在上、下桥臂同时出现多个故障时会极大增加运算量并造成故障相上、下桥臂的直流环流不一致，导致上、下桥臂存储的能量不均衡，影响了非故障相的稳态特性。
6.3、q.zhu等人发表的“a fault
‑
tolerant control strategy of modular multilevel converter with sub
‑
module faults based on neutral point compound shift”,energies,2019,12(5):876，该文章通过优化交流侧相电压矢量重构方法，降低了容错重构调整参数的计算复杂度，并利用提出的直流侧中性点位移方法进一步增加了容错范围，提高了容错兼容性。但与此同时为了选择复合中性点位移控制方法的最优中性点位置需要进行额外运算，增加了控制复杂度。
7.为此，亟需一种可以提高混合型模块化多电平换流器的容错能力的方法，解决如何提高混合型模块化多电平换流器系统可靠性的问题。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明针对混合型模块化多电平换流器系统的子模块故障问题，对无冗余备用子模块的模块化多电平换流器子模块故障容错方法进行了深入研究。提出了一种利用混合型模块化多电平换流器全桥子模块负电平输出能力的电平调整方法，只需要调整故障相的子模块投切数量即可达到故障容错的目的。同时，设计的电平调整方法也可兼容传统型模块化多电平换流器系统。对于基于排序算法和虚拟电压反馈电容电压平衡方法进行了改进，实现了向容错模式的平滑过渡。该方法无需增加额外的硬件设备，通过利用全桥子模块输出负电压，即可达到故障容错目的，可以显着提高混合型模块化多电平换流器的子模块容错能力。此外，与传统的容错方法相比，该方法在有效提高混合型模块化多电平换流器的容错运行能力的同时又可降低igbt的使用数量。
9.本发明提出的一种基于电平调整的混合型模块化多电平换流器容错控制方法，采用的电平调整方法由以下的公式构成：
[0010][0011]
所述的公式中，以a相为例，f
ph
(f
pf
)和f
nh
(f
nf
)分别为上、下桥臂半桥子模块(全桥子模块)的故障数量；f
p
和f
n
分别为上、下桥臂总故障数量；n
f
为上、下桥臂半桥子模块数量；r
p
和r
n
分别为上、下桥臂正常运行的半桥子模块数量；n
on_p
与n
on_n
分别为上下桥臂需要投入子模块的总数量；n为上、下桥臂子模块总数量；m为调制比；
△
lv为电平调整量；lv为调制模块输出的故障桥臂当前电平值，该值在数值上等于n
on
；f为故障总数量；lv
p*
和lv
n*
分别为调整后上、下桥臂所需输出的电平值；lv
p
和lv
n
分别为调制模块输出的上、下桥臂当前电平值；
[0012]
在混合型模块化多电平换流器系统常规运行模式下，先由pd
‑
pwm调制模块得到当前桥臂需投入的子模块数量n
on
，同时根据电容电压对所有或分类型对子模块进行排序。然后根据桥臂电流的正负投入电压最低或最高的n
on
个子模块。因此该模式下所有类型的子模块在运行时没有区别。
[0013]
启用负电平输出的运行模式下，系统在从pd
‑
pwm调制模块得到当前桥臂需投入的子模块数量n
on
的同时需要分别对所有子模块和全部全桥子模块进行排序。若当前n
on
大于0，则控制逻辑与常规模式相同，若当前n
on
小于0，则只投入全桥子模块进行负电压输出。由于在输出负电平时的情况下充放电情况与常规情况相反，根据当前桥臂电流的正负，负投入n
on
个全桥子模块。此外，模块化多电平换流器还需要按照任何时刻桥臂内不允许同时存在正投入模块和负投入模块的原则运行。
[0014]
采用上述的电容电压均衡方法，混合型模块化多电平换流器即可在常规运行或启用负电平输出的两种情况下均能保持子模块电容电压稳定并安全运行。
[0015]
本发明的有益效果在于：
[0016]
本发明的容错方法可以在原有硬件的基础上实现容错操作，同时由于该方法与调制过程完全分离，可以进一步与非冗余容错方法如零序电压注入法相结合，以提高容错能力。因此，该方法在成本和容错能力上都具有很大的优势。
附图说明
[0017]
图1为本发明混合型模块化多电平换流器主电路拓扑图；
[0018]
图2为本发明改进型电容电压均衡方法总体框架图；
[0019]
图3为本发明电平调整方法示意图；
[0020]
图4为本发明混合型模块化多电平换流器电平调整方法流图；
[0021]
图5为本发明a相一个子模块故障时容错启动前和启动后的仿真结果图。
具体实施方式
[0022]
下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0023]
所述混合型模块化多电平换流器的拓扑结构图如说明书附图1所示，其由三相电路构成，每一相电路包括上下两个桥臂，每个桥臂由一个电感器、n
h
个结构相同的半桥子模块和n
f
个结构相同的全桥子模块串联构成，所述半桥子模块包括2个带反并联二极管的igbt、1个子模块电容和一个切除开关，所述全桥子模块包括4个带反并联二极管的igbt、1个子模块电容和一个切除开关。
[0024]
所述改进型电容电压均衡方法总体框架图如说明书附图2所示，本方法在常规运行情况下与传统基于排序法的电容电压均衡方法完全相同，容错状态下则引入一个n
on
限制环节与虚拟电压反馈环节，使模块化多电平换流器在两种情况下共用同一种排序方法，有效降低了控制系统复杂度。
[0025]
首先，增加一个模块化多电平换流器故障桥臂的子模块投入数量限制环节，以抑制系统出于检测到故障但未定位故障时的输出波动。定位故障子模块后，设置虚拟电压反馈电压u
cfault
：
[0026][0027]
其中，u
cmax
和u
cmin
可分别设置为任何明显大于(小于)正常子模块电容电压的最大(最小)值的常数。
[0028]
定义j相上、下桥臂半桥子模块(全桥子模块)的故障数量分别为f
jph
(f
jpf
)和f
jnh
(f
jnf
)，j相上、下桥臂总故障数量为f
jp
和f
jn
：
[0029][0030]
由于模块化多电平换流器三相对称且控制系统相同，下面以a相为例进行分析并省略公式脚标，根据式(2)得到正常运行的子模块数量为：
[0031][0032]
基于全桥子模块的容错方法的主要原理为：在子模块发生故障时，利用相同数量的对称桥臂全桥子模块负电平输出代替故障子模块重构原有的输出电压。
[0033]
下面以每个桥臂含有3个半桥子模块和1个全桥子模块的混合型模块化多电平换流器在一个下桥臂半桥子模块发生故障的情况为例，说明本方法的工作原理。
[0034]
表1正常工况下的子模块投切状态
[0035][0036]
表2容错工况下的子模块投切状态
[0037][0038]
表1和表2分别表示模块化多电平换流器在正常工况与容错工况下的子模块投切状态以及输出电压，p、n分别代表上下桥臂输出电平。对比分析两表可以发现，在下桥臂的半桥子模块发生故障后，容错控制只在c时段动作。具体地，p0n4的状态切换为p(
‑
1)n3，以实现与故障前相同的电压输出，即在c时段上桥臂的全桥子模块输出负电平。因此，容错控制仅在需要投入的子模块数量超过现有正常子模块数量时启动，即：
[0039][0040]
式中，n
on_p
与n
on_n
分别为上下桥臂需要投入子模块的总数量。因此可以得到，当系统满足式(4)时，模块化多电平换流器系统仍工作于正常状态，否则，容错控制将启动。进一步地，可以得到调制比与故障数量的关系为：
[0041][0042]
所述电平调整方法示意图如说明书附图3所示，当子模块故障发生时，此容错方法在调制和电压均衡过程间插入了容错过程，使得容错方法的灵活切换成为可能。
[0043]
电平调整方法的具体流程：
[0044]
首先，根据式(6)计算电平调整量
△
lv
[0045][0046]
其中，lv为调制模块输出的故障桥臂当前电平值，该值在数值上等于n
on
，故障数量f包含f
p
、f
n
。类似上节的容错方法，本发明提出的容错方法在满足lv
‑
(n
‑
f)≤0时无需投入系统即可正常运行，否则需要计算电平调整量并切换至容错运行状态。
[0047]
其次，进行电平调整操作，调整后的电平计算方法如下：
[0048][0049]
再次，将调整后的电平值输出至电容电压平衡模块：
[0050][0051]
传统基于半桥子模块的模块化多电平换流器不具备负电平输出能力，因此无法工作于过调制状态。但由于包含了全桥子模块，混合型模块化多电平换流器突破了这一限制，因此，在混合型模块化多电平换流器系统中lv
p*
和lv
n*
可以为负值：
[0052][0053]
即当调整后的电平为负时其绝对值不能大于该桥臂的正常全桥子模块数量。
[0054]
所述混合型模块化多电平换流器电平调整方法流图如说明书附图4所示，常规运行模式下，先由pd
‑
pwm调制模块得到当前桥臂需投入的子模块数量n
on
，同时根据电容电压对所有或分类型对子模块进行排序。然后根据桥臂电流的正负投入电压最低或最高的n
on
个子模块。因此该模式下所有类型的子模块在运行时没有区别。
[0055]
启用负电平输出的运行模式下，系统在从pd
‑
pwm调制模块得到当前桥臂需投入的子模块数量n
on
的同时需要分别对所有子模块和全部全桥子模块进行排序。若当前n
on
大于0，则控制逻辑与常规模式相同，若当前n
on
小于0，则只投入全桥子模块进行负电压输出。由于在输出负电平时的情况下充放电情况与常规情况相反，根据当前桥臂电流的正负，负投入n
on
个全桥子模块。此外，模块化多电平换流器还需要按照任何时刻桥臂内不允许同时存在正投入模块和负投入模块的原则运行。
[0056]
所述a相一个子模块故障时容错启动前和启动后的仿真结果图如说明书附图5所示，a相上桥臂一个半桥子模块(sm1)故障。采用3个半桥子模块与1个全桥子模块的混合型模块化多电平换流器，旨在验证基于全桥子模块的容错方法的有效性。当系统运行至t＝0.5s时，sm1发生故障并立即被切除；系统运行至t＝0.6s时，容错控制启动。
[0057]
(1)当系统正常运行时，模块化多电平换流器交流侧输出电压、电流稳定。
[0058]
(2)当t＝0.5s时刻子模块发生故障时，模块化多电平换流器输出电压和电流呈现不对称状态，同时子模块电容电压开始出现不规则振荡。但由于采用了本发明提出的改进型基于虚拟电压反馈的电容电压排序方法，sm1被立即旁路，且n
on_p
上限值设定至3，从而避免了输出电压和电流更剧烈的波动。同时，该操作还可使系统更平滑地过渡到容错模式。
[0059]
(3)当t＝0.6s，容错控制启动后，输出电平得到调整，模块化多电平换流器交流侧输出电压和电流迅速恢复至正常值，子模块电容电压波动得到明显抑制。
[0060]
(4)在容错模式下，故障相上桥臂正常子模块电容电压上升并保持稳定，下桥臂半桥子模块波动情况与正常工况相似，下桥臂全桥子模块波动幅度增加但仍保持稳定。因此通过采用上述的电压平衡控制策略，子模块电容电压得到了稳定控制。
[0061]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。