一种模块化多电平换流器子模块故障下的容错运行方法及装置与流程

1.本发明涉及一种模块化多电平换流器子模块故障下的容错运行方法及装置，属于电力电子技术领域。


背景技术：

2.近年来，高压直流输电技术的飞速发展，降低了输电成本、提高了传输效率、减少了环境污染，带来了显著的社会和经济效益。模块化多电平换流器(mmc)被广泛应用在高压直流输电领域。mmc采用子模块级联的方式，降低了所需igbt的制造难度、减少了开关损耗、提高了电压波形质量。因此，子模块的可靠性是衡量mmc性能的重要指标，子模块故障情况下系统的可靠运行十分重要。
3.当前主要采用冗余子模块实现系统的容错运行，但是由于存在额外的冗余子模块，mmc换流器的成本和尺寸增加。而且旁路开关存在损耗，降低系统效率。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种模块化多电平换流器子模块故障下的容错运行方法及装置，不使用冗余子模块，且不会显著降低系统的性能，能够解决子模块冗余、设备体积大，成本高等问题。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.本发明提供一种模块化多电平换流器子模块故障下的容错运行方法，包括：
7.实时检测模块化多电平换流器子模块电压，获取模块化多电平换流器半桥中各相子模块故障数量；
8.根据子模块故障数量按如下方式调整直流母线电压参考值：
[0009][0010]
其中，v
dc
为正常运行时直流母线电压实测值，为故障期间直流母线电压参考值，n为半桥中子模块个数，f
max
为半桥中各相子模块故障数量最大值；
[0011]
实时检测直流母线电压变化范围，如果超过预设阈值，则根据调制比对交流电网电压进行调整直至满足调制比要求。
[0012]
进一步的，
[0013]
如果仅一个半桥中的子模块故障，则获取该半桥中各相子模块故障数量fa，fb，fc，则在另一半桥的a相，b相，c相中分别旁路fa，fb，fc个正常工作的子模块；
[0014]
如果上、下桥臂中均有子模块故障，则以发生故障子模块数量最多的相所在的半桥为准，则获取该半桥中各相子模块故障数量fa，fb，fc，在另一半桥的a相，b相，c相中旁路子模块，保证同一相上下桥臂正常工作的子模块数量相同。
[0015]
进一步的，所述预设阈值为
±
10％。
[0016]
进一步的，根据调制比对交流电网电压进行调整，包括：
[0017]
如果直流母线电压下降大于10％且调制比m≥1，则通过有载调压变压器oltc降低交流电网电压直至调制比控制在0.7＜m＜1范围内；
[0018]
如果直流母线电压上升大于10％且调制比m≤0.7，则通过有载调压变压器oltc升高交流电网电压直至调制比控制在0.7＜m＜1范围内。
[0019]
进一步的，所述调制比计算如下：
[0020][0021]
其中，m为调制比，v
dc
为正常运行时直流母线电压实测值，v
jo
为v
jo
幅值，v
jo
是由峰值为
±vdc
/2 的模块化多电平换流器产生的m级电平交流电压。
[0022]
进一步的，所述有载调压变压器oltc串联在mmc换流器的交流侧。
[0023]
进一步的，通过有载调压变压器oltc降低或升高交流电网电压过程中，有载调压变压器oltc以2.5％的步长调节抽头位置。
[0024]
本发明还提供一种模块化多电平换流器子模块故障下的容错运行装置，包括：
[0025]
检测模块，用于实时检测模块化多电平换流器子模块电压，获取模块化多电平换流器半桥中各相子模块故障数量；
[0026]
调整模块，用于根据子模块故障数量按如下方式调整直流母线电压参考值：
[0027][0028]
其中，v
dc
为正常运行时直流母线电压实测值，为故障期间直流母线电压参考值，n为半桥中子模块个数，f
max
为半桥中各相子模块故障数量最大值；
[0029]
以及，
[0030]
修正模块，用于实时检测直流母线电压变化范围，如果超过预设阈值，则根据调制比对交流电网电压进行调整直至满足调制比要求。
[0031]
进一步的，所述修正模块具体用于，
[0032]
如果直流母线电压下降大于10％且调制比m≥1，则通过有载调压变压器oltc降低交流电网电压直至调制比控制在0.7＜m＜1范围内；
[0033]
如果直流母线电压上升大于10％且调制比m≤0.7，则通过有载调压变压器oltc升高交流电网电压直至调制比控制在0.7＜m＜1范围内。
[0034]
本发明的有益效果为：
[0035]
本发明提出了一种模块化多电平换流器子模块故障下的容错运行方法，该方法不使用冗余子模块，并且不会显著降低系统的性能。当子模块出现故障时，将直流母线电压参考值下降到新的稳态值，在不显著降低系统性能的同时保证各子模块的工作状态稳定。
附图说明
[0036]
图1为基于mmc的双向vsc-hvdc系统拓扑结构图；
[0037]
图2为mmc的电路结构图；
[0038]
图3为mmc子模块电路结构图；
[0039]
图4为mmc的等效电路图；
[0040]
图5为本发明提供的模块化多电平换流器子模块故障下的容错运行方法流程图；
[0041]
图6为本发明实施例中的仿真结果。
具体实施方式
[0042]
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0043]
本发明提供一种模块化多电平换流器子模块故障下的容错运行方法，具体如下：
[0044]
首先，基于模块化多电平换流器(mmc)的双向高压直流输电(vsc-hvdc)系统拓扑结构，建立子模块的数学模型；
[0045]
然后，根据基于模块化多电平换流器(mmc)的双向高压直流输电系统拓扑结构与子模块的数学模型，提出了一种基于控制直流侧电压的系统容错运行(fto)算法，将直流侧电压(v
dc
)下降到新的稳态值；
[0046]
最后，综合考虑mmc输出交流电压的谐波畸变率在合理的范围内，以及直流母线电压的降低范围受到调制比m的限制，采用有载调压变压器oltc调整交流电网电压来实现容错运行。
[0047]
参见图1为基于模块化多电平换流器(mmc)的两端高压直流输电系统拓扑结构图，换流器的两端均连接交流电网，采用mmc控制结构。以左边结构为例(右边结构类似，因此不再赘述)：v
sabc
、i
sabc
为交流电网电压、电流；pll为锁相环；经abc-dq坐标变换得到d、q轴分量；vd、id、为d轴电压、电流分量、电流分量参考值；vq、iq、为q轴电压、电流分量、电流分量参考值；v
dc
为直流电压；为直流电压参考值；p1为交流电网有功功率，p
1*
为有功功率参考值；v为交流电网电压，v
1*
为交流电压参考值。控制器为双闭环控制结构(均采用pi控制)，外环控制器采用直流电压控制或有功功率控制，输出为d轴电流参考值，控制有功；采用交流电压控制输出q轴电流参考值，控制无功。内环控制通过前馈解耦法(ω为电网角频率，ls为交流测电感)输出d、q轴电压值v
sd
、v
sq
，经dq-abc坐标变换后，采用pwm 调制，通过排序算法控制mmc各子模块的工作状态。
[0048]
控制器1区和控制器2区是类似的，当电能从1区(2区)流向2区(1区)时，控制器1区(控制器2区)将进行v
dc
控制和交流母线电压v控制，控制器2区(控制器1区)将进行有功功率功率p控制和交流母线电压v控制。
[0049]
mmc电路结构如图2所示，换流器有6个桥臂，每个桥臂由电抗器和n个子模块sm-1、sm-2
……ꢀ
sm-n串联而成。其中r
arm
、l
arm
为桥臂电阻、电感；rs、ls为交流侧电阻、电感；v
sj
、i
sj
为交流侧电压、电流；v
jkn
和c
jkn
是每个子模块的输出电压和电容，其中下标j∈a,b,c代表相位，k∈u,l，代表每个相位j的上桥臂(u)和下桥臂(l)，n＝1,2,
…
,n代表子模块序号。图3为具体一个子模块的拓扑结构， t1、t2表示开关。
[0050]
考虑了1区和2区之间的大容量电力传输，为了便于分析，考虑电能从发送端(vsc1)流向接收端 (vsc2)的情况，此时vsc1需要控制直流侧电压v
dc
和交流母线电压v
s1
，vsc2需要控制有功功率功率 p2和交流母线电压v
s2
。
[0051]
图4给出了连接到交流电源的mmc的各相等效电路图。v
dc
表示直流母线电压，o点为
中性点，i
uj
和i
lj
表示在j相的上桥臂和下桥臂中流动的电流，其中j∈a,b,c，i
circ,j
表示j相的循环电流，v
cjkn
表示j 相k桥臂第n个子模块的电容电压，设s
jkn
∈0,1为系统中j相k桥臂的第n个子模块的开关状态，j相中的mmc产生的上桥臂和下桥臂电压由下式给出：
[0052][0053][0054]
假设o是直流母线的中点，将基尔霍夫电压定律应用于mmc的上桥臂和下桥臂，得到：
[0055][0056][0057]
对“j”相应用基尔霍夫电流定律，得到：
[0058][0059]
每个回路中的循环电流由下式给出：
[0060][0061]
理论上，每个子模块电容上的稳态标称电压等于v
cjkn
＝v
dc
/n。但在实际系统中，v
cjun
会在这个标称电压的基础上产生交流纹波：
[0062][0063]
上桥臂(p
ju
)和下桥臂(p
jl
)的瞬时功率表达式如下：
[0064][0065]vjo
是由峰值为
±vdc
/2的mmc产生的m级电平交流电压。仅考虑v
jo
和i
sj
的基波组成部分，得到：
[0066][0067]
其中，m是调制比，ω为交流电网角频率，θ是相角，im是电流的峰值。将公式(9)和公式(5) 代入公式(8)中，桥臂功率可以写成：
[0068][0069]
[0070]
由公式(10)和(11)看出，因为直流功率分量稳态下为零，i
circ
应该具有直流分量，从图4中看出， i
circ-dc
＝i
dc
/3，i
dc
为换流器直流侧电流。其它项表明桥臂功率具有振荡功率，包含基频和二阶频率分量。基频分量对应于交流电网线路电流。二阶谐波分量由振荡功率引起。考虑mmc输出电压和电流中的高次谐波，在桥臂功率中可以发现高次谐波分量，但与基波和二次谐波分量相比，幅值较小。因此i
circ,j
具有直流分量，二阶和其他高阶偶次谐波分量可以写成：
[0071][0072]
所以公式(5)中的桥臂电流可以写成：
[0073][0074][0075]
交流分量将导致电容器电压中的电压波动，这可以从将公式(13)和(14)代入公式(7)中，由电容两端电压电流关系可以得出公式(15)和(16)：
[0076][0077][0078]
其中，c为电容器电容，v
cjun
(0)和v
cjln
(0)为初始值。除此之外，器件压降也会导致电压纹波。i
circ
控制有助于降低电容电压中的二阶纹波，但会增加i
sj
中的失真，并且i
circ
中的三次谐波和高阶谐波分量也会增加。
[0079]
基于上述电路结构，提出了一种基于控制直流侧电压的系统容错运行(fto)算法，故障时系统以较低性能进行工作，参见图5，具体如下：
[0080]
首先判断各相子模块是否发生故障，假设在a相，b相，c相的上桥臂中各有fa，fb，fc个子模块故障。然后分别在a相，b相，c相的下桥臂中旁路fa，fb，fc个正常工作的子模块。因此，发生故障时a 相、b相和c相中有效子模块数量分别为n-fa、n-fb和n-fc。
[0081]
正常运行时需要对子模块的电压进行实时检测，当故障子模块的电压值严重偏离正常子模块的电压时，即为子模块故障，利用程序可以统计各相发生故障的子模块数量。
[0082]
如果上、下桥臂同时发生故障时，以较多子模块发生故障的桥臂为准，同时旁路另一桥臂，保证上、下桥臂正常子模块的数量相同，进而保证上、下桥臂平衡。
[0083]
一般情况下，f
max
不超过子模块数量n的15％。
[0084]
令f
max
为fa，fb和fc中的最大值。为了将子模块两端的电压保持在设计限值内，故障期间直流母线参考电压v
dcf
按照公式(17)进行设计：
[0085][0086]
其中，v
dcf
为故障期间直流母线电压参考值。这样，在故障期间子模块电容器的标称电压将被限制在由v
cjun
＝v
dc
/(n-f
max
)给出的设计值内，此时，在桥臂中有最多的子模块
发生故障。每相在上桥臂和下桥臂中使用对称的子模块运行，上述正常运行时的分析在mmc容错运行情况下依旧有效。根据高压直流输电的标准，直流母线电压升高或降低10％是可以接受的。
[0087]
另一方面，为了使mmc输出交流电压的谐波畸变率在合理的范围内，直流母线电压的降低范围受到调制比m的限制，由公式(9)可得m如公式(18)所示，其中v
jo
为v
jo
幅值，v
jo
是由峰值为
±vdc
/2 的mmc产生的m级电平交流电压，为量测值。
[0088][0089]vdc
为正常运行下的直流母线电压。
[0090]
实时检测直流母线电压，当直流母线电压下降大于10％并且m≥1时，通过使用有载调压变压器oltc 降低交流电网电压使调制比控制在0.7＜m＜1范围内实现容错运行；当直流电压上升大于10％并且 m≤0.7时，通过使用有载调压变压器oltc升高交流电网电压使调制比控制在0.7＜m＜1范围内实现容错运行。如图1所示，载调压变压器oltc串联于mmc换流器的交流侧。
[0091]
在使用有载调压变压器oltc升压或降压过程中，oltc以2.5％的步长调节抽头位置。
[0092]
以下通过仿真验证所提控制策略的有效性。
[0093]
系统仿真参数如表1所示。
[0094]
表1
[0095][0096][0097]
每个子模块两端的电容电压为1.6kv，因此选择额定电压为3.3kv的绝缘栅双极晶体管(igbt)器件。通过将子模块直流电容电压的纹波限制在10％以内的方法选择电容值。通过选择适合的桥臂电感避免产生二次谐波共振。使用平均开关频率小于250hz的最近电平调制法(nlm)。如图1所示，锁相环用于将换流器保持与交流电网同步。换流器电流环路的动态响应比v
dc1
、p2、q1和q2动态响应更快。因此，控制结构内部使用带宽较高的电流控制器，
对于外部v
dc1
和p2使用带宽较小的控制器。在仿真中，为了模拟故障，将一个旁路igbt开关连接在子模块的输出端。在正常运行时，此开关关闭。通过检测v
cjkn
能够检测故障。
[0098]
考虑了控制器vsc-1中子模块故障的一般情况，在控制器vsc-1中，在a相上桥臂有两个子模块故障(fa＝2)，在b相上桥臂有1个子模块故障(fb＝1)，在c相上桥臂没有子模块故障(fc＝0)。直流电压波形如图6示。在图6中，hvdc系统正常运行。t＝0.6s时，故障发生。如图6所示，v
dc
的参考值降低到(22/24)v
dc
＝0.92v
dc
。如图6所示，v
dc
控制器用了约0.06s将电压校正到新的参考值0.92v
dc
。尽管控制器vsc-1的三相以不同的电平运行，但v
a1
、v
b1
和v
c1
的基本分量没有变化。v
a1
、 v
b1
和v
c1
的thd值仅增加了0.1％。a相电容电压从v
dc
/n＝1.667kv下降到 0.92v
dc
/0.92n＝1.667kv，b相电容电压从v
dc
/n＝1.667kv下降到0.92v
dc
/0.95n＝1.6kv，c 相电容电压从v
dc
/n＝1.667kv下降到0.92v
dc
/n＝1.53kv。此外，v
dc2
的变化对控制器2区的输出电压和线电流没有影响；vsc-1和vsc-2电流的d轴和q轴分量是跟踪参考值的，稳态误差为零。
[0099]
本发明另一个实施例提供一种模块化多电平换流器子模块故障下的容错运行装置，包括：
[0100]
检测模块，用于实时检测模块化多电平换流器子模块电压，获取模块化多电平换流器半桥中各相子模块故障数量；
[0101]
调整模块，用于根据子模块故障数量按如下方式调整直流母线电压参考值：
[0102][0103]
其中，v
dc
为正常运行时直流母线电压实测值，为故障期间直流母线电压参考值，n为半桥中子模块个数，f
max
为半桥中各相子模块故障数量最大值；
[0104]
以及，
[0105]
修正模块，用于实时检测直流母线电压变化范围，如果超过预设阈值，则根据调制比对交流电网电压进行调整直至满足调制比要求。
[0106]
本发明实施例中，修正模块具体用于，
[0107]
如果直流母线电压下降大于10％且调制比m≥1，则通过有载调压变压器oltc降低交流电网电压直至调制比控制在0.7＜m＜1范围内；
[0108]
如果直流母线电压上升大于10％且调制比m≤0.7，则通过有载调压变压器oltc升高交流电网电压直至调制比控制在0.7＜m＜1范围内。
[0109]
值得指出的是，该装置实施例是与上述方法实施例对应的，上述方法实施例的实现方式均适用于该装置实施例中，并能达到相同或相似的技术效果，故不在此赘述。
[0110]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、 cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0111]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流
程和/或方框、以及流程图和/ 或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0112]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0113]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0114]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。