模塊化多電平換流器快速電壓均衡控制方法
【專利摘要】一種電網(wǎng)智能控制【技術(shù)領(lǐng)域】的模塊化多電平換流器快速電壓均衡控制方法，首先將換流器各橋臂接受當(dāng)前控制周期內(nèi)控制層投入子模塊指令non，并保存上一控制周期投入子模塊數(shù)目指令non_pre，對(duì)電壓均衡控制算法進(jìn)行初始化處理；然后創(chuàng)建子模塊序號(hào)記錄向量Vidx，初始化向量中的第i個(gè)元素，即使Vidx_i＝i；并設(shè)定序號(hào)排序允許電壓偏差ΔUc_sort；再根據(jù)橋臂電流的大小對(duì)子模塊序號(hào)記錄向量進(jìn)行更新，得到Vidx_new，并最后選取Vidx_new中記錄的前non個(gè)的子模塊投入運(yùn)行。本發(fā)明無需對(duì)電容電壓進(jìn)行排序，能夠在較低開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)電壓的均衡控制，相比排序而言計(jì)算量極小。
【專利說明】模塊化多電平換流器快速電壓均衡控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種電網(wǎng)智能控制【技術(shù)領(lǐng)域】的方法，具體是一種基于平均值比較的模塊化多電平換流器快速電壓均衡控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電壓源型換流器(voltage source converter, VSC)開始應(yīng)用于高壓直流(high voltage direct current, HVDC)輸電領(lǐng)域。電壓源型換流器高壓直流(VSC-HVDC)輸電可以對(duì)有功功率、無功功率獨(dú)立控制，控制方式靈活多變。現(xiàn)有VSC - HVDC存在多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩電平和三電平的VSC - HVDC受電平數(shù)的限制，必須使用脈寬調(diào)制(pulse width modulat1n, PWM)技術(shù),器件開關(guān)頻率高、損耗大；而且為了提高系統(tǒng)的耐壓，需要多個(gè)開關(guān)器件串聯(lián)分壓，這也帶來了開關(guān)器件動(dòng)作一致性及均壓等問題。模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)通過子模塊(sub modular, SM)串聯(lián)的方法，避免了大量開關(guān)器件的直接串聯(lián)，而且MMC易于通過電壓均衡控制策略實(shí)現(xiàn)均壓。
[0003]對(duì)于級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的MMC，如何保證各子模塊懸浮電容器的電壓均衡是MMC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的主要問題之一，因而得到了廣泛的研究?，F(xiàn)有關(guān)于電壓均衡控制文獻(xiàn)可以分為三類:第一類為基于電容電壓排序的平衡算法，該類策略因其原理清晰、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，為大多數(shù)文獻(xiàn)所采用。該類策略研究主要目的為減小開關(guān)動(dòng)作的頻率及損耗；第二類通過為子模塊增加獨(dú)立的控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)電容電壓穩(wěn)定控制；第三類通過控制觸發(fā)方波脈沖的生成形式，實(shí)現(xiàn)直流電容存儲(chǔ)能量的均衡?；陔娙蓦妷号判虻碾妷壕饪刂扑惴ㄐ枰獙?duì)采集到的電容電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和排序。隨著MMC - HVDC傳輸容量的提升，單個(gè)橋臂串聯(lián)的子模塊也需相應(yīng)的增加。由西門子公司承建的MMC - HVDC工程TRANS BAY CABLE Project,額定容量為200MW，單個(gè)橋臂串聯(lián)子模塊已達(dá)到200個(gè)。當(dāng)電平數(shù)較多時(shí)該類算法的排序運(yùn)算占用了大量計(jì)算資源，將會(huì)降低控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。
[0004]經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN103280990A公開(公告)日2013.09.04，公開了一種模塊化多電平換流器的均壓方法。該均壓方法由閥組內(nèi)均壓和閥組間均壓兩部分構(gòu)成，閥組內(nèi)均壓實(shí)現(xiàn)模塊化多電平換流器各個(gè)閥組內(nèi)部的子模塊電壓的均衡，閥組間均壓實(shí)現(xiàn)模塊化多電平換流器各個(gè)閥組之間的子模塊電壓平均值的均衡。該技術(shù)用于平衡模塊化多電平換流器的子模塊電壓，非常適用于模塊化多電平換流器子模塊數(shù)量龐大的應(yīng)用場(chǎng)合，可以大幅降低子模塊電壓排序問題所消耗的時(shí)間。但該技術(shù)需要對(duì)橋臂內(nèi)的多個(gè)閥組內(nèi)子模塊電容電壓分別排序仍然耗費(fèi)了大量的計(jì)算；且閥組之間電壓的均衡一定程度增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜度，難以滿足現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種模塊化多電平換流器快速電壓均衡控制方法，基于電容電壓平均值比較原理，無需對(duì)電容電壓進(jìn)行排序，能夠在較低開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)電壓的均衡控制，相比排序而言計(jì)算量極小，能夠有效減少因電容電壓排序耗費(fèi)控制系統(tǒng)的計(jì)算資源，提高控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟:
[0007]步驟1:換流器各橋臂接受當(dāng)前控制周期內(nèi)控制層投入子模塊指令nm，并保存上一控制周期投入子模塊數(shù)目指令I(lǐng)iraum,對(duì)電壓均衡控制算法進(jìn)行初始化處理，具體為:
[0008]1.1)首先對(duì)^的大小進(jìn)行判斷，當(dāng)nm = O,則退出橋臂中的所有子模塊^nm =n，則投入該橋臂的所有的子模塊，本次均衡控制結(jié)束；當(dāng)0〈nm〈n，則執(zhí)行步驟1.2)；
[0009]1.2)設(shè)定的電容電壓越界最大偏差A(yù)U。_，計(jì)算橋臂內(nèi)所有子模塊電容電壓平均值U。，，對(duì)橋臂中所有的子模塊電容電壓與其平均值Ucavg求差，當(dāng)任一差值的絕對(duì)值大于八Ucunax，則將越界標(biāo)志F置為1，否則將F置為0，然后執(zhí)行步驟1.3)；
[0010]1.3)當(dāng)IV Φ non pre或者F = 1，則根據(jù)平均值比較原理重新計(jì)算觸發(fā)脈沖，否則保持原有的觸發(fā)脈沖不變。
[0011]步驟2:創(chuàng)建子模塊序號(hào)記錄向量Vidx，初始化向量中的第i個(gè)元素，即使Vidx i =i ;并設(shè)定序號(hào)排序允許電壓偏差A(yù)U?！猻OTt。
[0012]步驟3:根據(jù)橋臂電流的大小對(duì)子模塊序號(hào)記錄向量進(jìn)行更新，并最后選取Vidx nOT中記錄的前IV個(gè)的子模塊投入運(yùn)行。
[0013]所述的更新是指: 判斷橋臂電流的大小是否符合以下三種情況之一
[0014]3.1)當(dāng)橋臂電流大于零，橋臂處于充電狀態(tài)時(shí)，電容電壓的基準(zhǔn)值為:
[0015]Uc ref = Uc avg+ Δ Uc sort (公式一)
[0016]將Vidx記錄序號(hào)的子模塊電容電壓與該基準(zhǔn)值進(jìn)行比較:
[0017]a)當(dāng)電容電壓值小于等于Uc^f，即滿足充電狀態(tài)下優(yōu)先開放條件；將該序號(hào)依次由前向后存入新的序號(hào)記錄向量Vidx mw中，或者:
[0018]b)當(dāng)電容電壓大于UU將該編號(hào)依次由后向前存入Vidx—new,直到整個(gè)序號(hào)向量重排完成。
[0019]3.2)當(dāng)橋臂電流小于零，處于放電狀態(tài)時(shí)，電容電壓的基準(zhǔn)值為:
[0020]Uc ref = Uc avg- Δ Uc sort (公式二)
[0021]將Vidx記錄序號(hào)的子模塊電容電壓與該基準(zhǔn)值進(jìn)行比較:
[0022]a)當(dāng)電容電壓值大于等于Uc ref,即滿足放電狀態(tài)下的優(yōu)先開放條件，將其序號(hào)依次由前向后存入Vidx new，或者:
[0023]b)當(dāng)電容電壓小于Uc ref則將該編號(hào)依次由后向前存入Vidx nOT，直到整個(gè)序號(hào)向量重排完成。
[0024]3.3)當(dāng)橋臂電流等于零時(shí)，保持原有序號(hào)向量不變，即Vidx nOT = Vidxo 技術(shù)效果
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果包括:
[0026]1、本發(fā)明提出的模塊化多電平換流器電容電壓均衡控制無需對(duì)電容電壓進(jìn)行排序，可以在較少計(jì)算量的前提下完成電容電壓的均衡控制。
[0027]2、本發(fā)明提出的控制策略能夠使電力電子開關(guān)器件盡量保持了其原有的狀態(tài)，減小了其動(dòng)作頻率及開斷的損耗；通過參數(shù)設(shè)置，還可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)頻率的靈活控制。
【專利附圖】

【附圖說明】[0028]圖1為電壓均衡控制初始化示意圖。
[0029]圖2為基于平均值比較的均衡控制流程示意圖。
[0030]圖3序號(hào)向量使用實(shí)例示意圖。
[0031]圖4為算例仿真結(jié)果示意圖。
[0032]圖5為子模塊觸發(fā)故障仿真結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1
[0034]快速的模塊化多電平換流器電壓均衡控制策略，以21電平雙端MMC -HVDC輸電系統(tǒng)為實(shí)施例，詳細(xì)說明如下:
[0035]步驟1:電壓均衡控制初始化。
[0036]所述的初始化 為換流器各橋臂接受當(dāng)前控制周期內(nèi)控制層投入子模塊指令I(lǐng)V，并保存上一控制周期投入子模塊數(shù)目指令nm,，對(duì)電壓均衡控制算法進(jìn)行初始化處理。首先對(duì)nm的大小進(jìn)行判斷，當(dāng)nm = O,則退出橋臂中的所有子模塊^nm = η,則投入該橋臂的所有的子模塊，本次均衡控制結(jié)束；當(dāng)0〈11?〈11，則需進(jìn)一步分析。設(shè)定的電容電壓越界最大偏差A(yù)Ucunax，計(jì)算橋臂內(nèi)所有子模塊電容電壓平均值U。，，對(duì)橋臂中所有的子模塊電容電壓與其平均值Uc avg求差，當(dāng)任一差值的絕對(duì)值大于Λ Uc max,則將越界標(biāo)志F置為1，否則將F置為O。當(dāng)IV古nonjre或者F = 1，則根據(jù)平均值比較原理重新計(jì)算觸發(fā)脈沖，否則保持原有的觸發(fā)脈沖不變。該過程如圖1所示。
[0037]步驟2:所述的創(chuàng)建子模塊序號(hào)記錄向量Vidx，初始化向量中的第i個(gè)元素Vidx」=i ;并設(shè)定序號(hào)排序允許電壓偏差A(yù)U?！猻OTt。
[0038]本實(shí)施例中Vidx的維數(shù)為20，即需記錄橋臂中20個(gè)子模塊序號(hào)。
[0039]步驟3:所述的當(dāng)橋臂電流大于零，橋臂處于充電狀態(tài)時(shí)，電容電壓的基準(zhǔn)值為
[0040]Uc ref = Uc avg+ Δ Uc sort (公式一)
[0041]將Vidx記錄序號(hào)的子模塊電容電壓與該基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)電容電壓值小于等于Uc ref,即滿足充電狀態(tài)下優(yōu)先開放條件；將該序號(hào)依次由前向后存入新的序號(hào)記錄向量Vidxnew中，當(dāng)電容電壓大于Ucref則將該編號(hào)依次由后向前存入Vidx nOT，直到整個(gè)序號(hào)向量重排完成。
[0042]步驟4:橋臂電流小于零，處于放電狀態(tài)時(shí)，電容電壓的基準(zhǔn)值為
[0043]Uc ref = Uc avg- Δ Uc sort (公式二)
[0044]將Vidx記錄序號(hào)的子模塊電容電壓與該基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)電容電壓值大于等于Uc ref,即滿足放電狀態(tài)下的優(yōu)先開放條件，將其序號(hào)依次由前向后存入Vidx nOT，當(dāng)電容電壓小于Ucref則將該編號(hào)依次由后向前存入Vidx nOT，直到整個(gè)序號(hào)向量重排完成。
[0045]步驟5:當(dāng)橋臂電流等于零時(shí)，保持原有序號(hào)向量不變，即Vidx n? = Vidx，該過程如圖2所示。
[0046]步驟6:選取Vidx nOT中記錄的前IV個(gè)的子模塊投入運(yùn)行。[0047]如上所述的，利用本發(fā)明進(jìn)行模塊化多電平換流器電容電壓均衡控制時(shí)，為控制開關(guān)頻率，重點(diǎn)是研究參數(shù)對(duì)頻率的影響。下面對(duì)本發(fā)明中的本發(fā)明進(jìn)行模塊化多電平換流器電容電壓均衡控制的可行性及參數(shù)影響作簡(jiǎn)單介紹。
[0048]圖3為以9電平為例說明序號(hào)向量使用的示意圖，Vidx的初始值設(shè)置為1:8，在第η次計(jì)算周期內(nèi)Vidx的值假設(shè)為[4，5，I, 3，6，2，8，7]，子模塊I和子模塊2不滿足優(yōu)先開放條件，則第η+1次計(jì)算周期內(nèi)Vidx的值為[4，5，3，6，2，8，7，2，I]。圖中虛框中為導(dǎo)通子模塊序號(hào)。
[0049]圖4為3組不同控制參數(shù)(AU。_、AUcsort)條件下橋臂電容電壓及觸發(fā)脈沖仿真計(jì)算結(jié)果。由圖可知，采用基于平均值比較的均衡控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)電容電壓的均衡控制。隨著控制參數(shù)的增大，雖然電容電壓的一致性減弱，但其仍在可控的范圍內(nèi)。
[0050]圖5為模擬子模塊故障情況下，故障橋臂電容電壓及故障子模塊觸發(fā)脈沖仿真結(jié)果圖。0.5s時(shí)故障橋臂內(nèi)某個(gè)子模塊上部IGBT發(fā)生閉鎖，不能正常的觸發(fā)開通狀態(tài)，橋臂內(nèi)故障子模塊電容電壓與正常子模塊電容電壓發(fā)生分尚。0.55s故障恢復(fù)后,故障子模塊與正常子模塊的電容電壓差值逐漸減小，直至恢復(fù)正常狀態(tài)。由此可知對(duì)于子模塊故障此類動(dòng)態(tài)情況，基于平均值比較均衡控制算法也是適用的。
【權(quán)利要求】
1.一種模塊化多電平換流器快速電壓均衡控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:換流器各橋臂接受當(dāng)前控制周期內(nèi)控制層投入子模塊指令I(lǐng)V，并保存上一控制周期投入子模塊數(shù)目指令I(lǐng)iraum，對(duì)電壓均衡控制算法進(jìn)行初始化處理； 步驟2:創(chuàng)建子模塊序號(hào)記錄向量Vidx，初始化向量中的第i個(gè)元素，即使Vidx」=i ;并設(shè)定序號(hào)排序允許電壓偏差Λυ?！?,； 步驟3:根據(jù)橋臂電流的大小對(duì)子模塊序號(hào)記錄向量進(jìn)行更新，得到Vidx _，并最后選取Vidx—Μ中記錄的前IV個(gè)的子模塊投入運(yùn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的步驟I具體包括: 1.D首先對(duì)non的大小進(jìn)行判斷，當(dāng)ηοη = O,則退出橋臂中的所有子模塊^nm = η,則投入該橋臂的所有的子模塊，本次均衡控制結(jié)束；當(dāng)0〈nm〈n，則執(zhí)行步驟1.2)； 1.2)設(shè)定的電容電壓越界最大偏差A(yù)Ucunax，計(jì)算橋臂內(nèi)所有子模塊電容電壓平均值U?！瑢?duì)橋臂中所有的子模塊電容電壓與其平均值U。，求差，當(dāng)任一差值的絕對(duì)值大于八Ucunax，則將越界標(biāo)志F置為1，否則將F置為O，然后執(zhí)行步驟1.3)； 1.3)當(dāng)η? Φ non pre或者F = 1，則根據(jù)平均值比較原理重新計(jì)算觸發(fā)脈沖，否則保持原有的觸發(fā)脈沖不變。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的更新是指:判斷橋臂電流的大小是否符合以下三種情況之 一 3.1)當(dāng)橋臂電流大于零，橋臂處于充電狀態(tài)時(shí)，電容電壓的基準(zhǔn)值為:Uc ref = U。avg+ A Uc—sort ; 將Vidx記錄序號(hào)的子模塊電容電壓與該基準(zhǔn)值進(jìn)行比較:a)當(dāng)電容電壓值小于等于U。ref,即滿足充電狀態(tài)下優(yōu)先開放條件；將該序號(hào)依次由前向后存入新的序號(hào)記錄向量Vidx nOT中，或者:b)當(dāng)電容電壓大于UiJ將該編號(hào)依次由后向前存入vidxnOT，直到整個(gè)序號(hào)向量重排完成； 3.2)當(dāng)橋臂電流小于零，處于放電狀態(tài)時(shí)，電容電壓的基準(zhǔn)值為:Uc ref = Uc avg-AUC_sort * 將Vidx記錄序號(hào)的子模塊電容電壓與該基準(zhǔn)值進(jìn)行比較:a)當(dāng)電容電壓值大于等于U。Mf，即滿足放電狀態(tài)下的優(yōu)先開放條件，將其序號(hào)依次由前向后存入Vidx nrat，或者:b)當(dāng)電容電壓小于Uc ref則將該編號(hào)依次由后向前存入Vidx nOT，直到整個(gè)序號(hào)向量重排完成； 3.3)當(dāng)橋臂電流等于零時(shí)，保持原有序號(hào)向量不變，即Vidx nOT = Vidxo
【文檔編號(hào)】H02M3/07GK104038052SQ201410283345
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】王西田, 喻鋒 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)