專利名稱：一種模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)子模塊冗余控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于柔性直流輸電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)子模塊冗余控制方法。
背景技術(shù)：
模塊化多電平技術(shù)采用模塊化設(shè)計(jì)，擴(kuò)展性強(qiáng)，可作為高壓直流輸電場(chǎng)合應(yīng)用的柔性直流輸電技術(shù)。這種情況下其橋臂需要串聯(lián)大量子模塊，以減少每個(gè)子模塊承受電壓大小。由于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的復(fù)雜性，模塊化多電平技術(shù)的所采用的脆弱開關(guān)器件(IGBT )在系統(tǒng)異常工況下容易遭受過電壓、過電流應(yīng)力，導(dǎo)致子模塊故障或損害，必須設(shè)計(jì)可靠快速的冗余子模塊投切方案。模塊化多電平技術(shù)拓?fù)浒ㄈ齻€(gè)相單元，每一個(gè)相單元包括兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由若干個(gè)結(jié)構(gòu)相同的串聯(lián)的子模塊與橋臂電抗串聯(lián)而成，如附圖1所示。圖中SM表示子模塊。通過控制子模塊的投入和切出，就可以形成穩(wěn)定的直流輸出電壓。由于其特殊的結(jié)構(gòu)，模塊化多電平換流器在單個(gè)或多個(gè)子模塊發(fā)生故障情況下，為了維持系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，需要快速旁路故障模塊，投入冗余子模塊。常規(guī)的冗余控制方法是，保持子模塊額定電壓不變，保持每相投入子模塊數(shù)量N不變，當(dāng)子模塊故障后，快速旁路子模塊并投入相同數(shù)量的冗余子模塊，這種控制方法沒有最大化利用冗余子模塊，無法達(dá)到效用最大化?？紤]正常工作情況下每個(gè)橋臂共需要N子模塊，即正常工作時(shí)同一相上、下橋臂共有N個(gè)子模塊同時(shí)為投入狀態(tài)，N個(gè)為切除狀態(tài)。設(shè)直流側(cè)電壓為UD。，則正常工作情況下，每個(gè)投入子模塊承受電壓為Usm=UDC/N。同一時(shí)刻，一個(gè)橋臂的所有子模塊并不是都需要投入，但在一個(gè)周期內(nèi)所有子模塊都可能被投入使用，子模塊投入與否和投入時(shí)間取決于子模塊電容電壓和與之相關(guān)的模塊化多電平換流器電容平衡算法。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，柔性直流輸電系統(tǒng)可能受到各種異常工況的影響，如系統(tǒng)故障等，模塊化多電平換流器子模塊所采用的電力電子開關(guān)多為電力電子開關(guān)器件，其能夠耐受的電壓和電流應(yīng)力裕度并不大，一旦遭受異常工況下的過電壓、過電流應(yīng)力，很容易造成損壞，其經(jīng)濟(jì)損失巨大。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)子模塊冗余控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)子模塊故障情況下的快速切換要求。本發(fā)明提供的一種模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)子模塊冗余控制方法，模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)包括換流器，每個(gè)換流器由三相六橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂包括串聯(lián)的電感和N個(gè)子模塊；其改進(jìn)之處在于，所述方法包括如下步驟:
(I)將每個(gè)橋臂的N個(gè)子模塊和新增的M個(gè)冗余子模塊同時(shí)投入使用；(2)閥基控制設(shè)備檢測(cè)N個(gè)子模塊和M個(gè)冗余子模塊運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)其中的i個(gè)子模塊出現(xiàn)故障時(shí)，所述閥基控制設(shè)備將故障的i個(gè)子模塊旁路，并將重新分配N-M-1個(gè)子模塊的電壓；(3)判斷故障的子模塊的個(gè)數(shù)，若i>=M，則停止換流器系統(tǒng)運(yùn)行，若i〈M，則繼續(xù)運(yùn)行換流器。其中，所述閥基控制設(shè)備包括依次連接的橋臂分段控制單元、橋臂匯總控制單元和環(huán)流控制單元。其中，步驟(2)閥基控制設(shè)備檢測(cè)子模塊的步驟包括:I)橋臂分段控制單元將子模塊狀態(tài)上傳給橋臂匯總控制單元進(jìn)行匯總；2)橋臂匯總控制單元將匯總的信息傳給環(huán)流控制單元；3)所述環(huán)流控制單元將信息傳給上位機(jī)進(jìn)行顯示。其中，步驟(2)中當(dāng)i個(gè)子模塊出現(xiàn)故障時(shí)，所述閥基控制設(shè)備將故障的i個(gè)子模塊旁路，并將重新分配N-M-1個(gè)子模塊的電壓的步驟包括；①橋臂分段控制單元將子模塊狀態(tài)上傳給橋臂匯總控制單元進(jìn)行匯總；②橋臂匯總控制單元根據(jù)匯總的信息，判斷出故障的子模塊，并將故障信息傳給環(huán)流控制單元；③所述環(huán)流控制單元將故障信息傳給上位機(jī)顯示，并下發(fā)指令，將故障的子模塊旁路，下發(fā)調(diào)制量信息，通過此調(diào)制量信息，決定余下正常工作子模塊的投切，產(chǎn)生電壓。其中，橋臂匯總控制單元重新分配N-M-1個(gè)子模塊的電壓的表達(dá)式為:Usm=Unc/ (N+M-1)；式中，Usm為每個(gè)投入的子模塊重新分配的電壓；UD。為直流端需要的電壓值；N為換流器的子模塊個(gè)數(shù);M為新增的冗余子模塊個(gè)數(shù)；i為故障的子模塊個(gè)數(shù)。其中，所述子模塊由半橋結(jié)構(gòu)的IGBT模塊和電容并聯(lián)構(gòu)成；所述半橋結(jié)構(gòu)的IGBT模塊由上管IGBT模塊和下管IGBT模塊串聯(lián)形成；所述下管IGBT模塊并聯(lián)有旁路開關(guān)K。與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明通過加入冗余子模塊，提高了模塊化多電平換流器的可靠性和應(yīng)對(duì)故障能力，減少了模塊化多電平換流器的電容工作電壓和平均開關(guān)頻率；本發(fā)明通過閥基控制設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控子模塊狀態(tài)，并且傳給上位機(jī)顯示，便于操作人員觀看。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了子模塊故障情況下的快速切換要求。


圖1為本發(fā)明提供的換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明提供的子模塊結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明提供的閥基控制設(shè)備示意圖。圖4為本發(fā)明提供的冗余控制方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。一個(gè)橋臂在正常工作時(shí)除了串聯(lián)N個(gè)子模塊外還需要添加M個(gè)冗余子模塊，以使子模塊電力電子器件或子模塊發(fā)生其它故障情況下，控制系統(tǒng)能夠快速旁路故障模塊，防止過應(yīng)力繼續(xù)發(fā)展。其中，N和M為正整數(shù)。本專利提出了對(duì)模塊化多電平技術(shù)的冗余子模塊控制方案，該方案針對(duì)模塊化多電平的冗余子模塊進(jìn)行快速投入、切除和旁路控制:正常情況下，讓M個(gè)冗余子模塊與模塊化多電平換流器正常工作需要的N個(gè)子模塊同時(shí)工作，使原來每相同時(shí)投入N個(gè)子模塊變?yōu)橥瑫r(shí)投入N+M個(gè)子模塊，并減少子模塊工作電壓；當(dāng)橋臂中一個(gè)或多個(gè)子模塊發(fā)生故障時(shí)，旁路故障子模塊并減少正常工作時(shí)投入的子模塊數(shù)量，增大子模塊電容電壓。當(dāng)故障子模塊數(shù)量多于冗余子模塊數(shù)量時(shí)，停止系統(tǒng)運(yùn)行。子模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，由半橋結(jié)構(gòu)的IGBT模塊和電容并聯(lián)構(gòu)成；所述半橋結(jié)構(gòu)的IGBT模塊由上管IGBT模塊和下管IGBT模塊串聯(lián)形成；所述下管IGBT模塊并聯(lián)有旁路開關(guān)K。本實(shí)施例提出的一種模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)子模塊冗余控制方法，其流程圖如圖4所示，具體包括如下步驟:(I)將每個(gè)橋臂原有的N個(gè)子模塊和新增的M個(gè)冗余子模塊投入使用；正常情況下，沒有子模塊發(fā)生故障情況下，每相同時(shí)投入N+M個(gè)子模塊，其它子模塊切除。一個(gè)周期內(nèi)，每個(gè)橋臂投入子模塊數(shù)量在O到N+M之間變化，切除子模塊數(shù)量從O到N之間變化。每個(gè)子模塊承受電壓為Usm=UDy(N+M)。這樣既可以增加輸出電壓電平數(shù)，減少諧波；還可以減少子模塊工作電壓，減少子模塊電容充放電波動(dòng)。(2 )閥基控制設(shè)備檢測(cè)N個(gè)子模塊和M個(gè)冗余子模塊工作狀態(tài)，當(dāng)其中的i個(gè)子模塊出現(xiàn)故障時(shí)，所述閥基控制設(shè)備將故障的i個(gè)子模塊旁路，并將重新分配N-M-1個(gè)子模塊的電壓；閥基控制設(shè)備包括依次連接的橋臂分段控制單元、橋臂匯總控制單元和環(huán)流控制單元。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。橋臂分段控制單元用于檢測(cè)子模塊狀態(tài)；橋臂匯總控制單元用于將6個(gè)橋臂的橋臂分段控制單元檢測(cè)的數(shù)據(jù)匯總，并傳給環(huán)流控制單元；環(huán)流控制單元用于發(fā)出指令，并將所有信息發(fā)送給上位機(jī)顯示。橋臂分段控制單元、橋臂匯總控制單元、環(huán)流控制單元和上位機(jī)均可采用服務(wù)器實(shí)現(xiàn)。閥基控制設(shè)備檢測(cè)子模塊的步驟包括:I)橋臂分段控制單元將子模塊狀態(tài)上傳給橋臂匯總控制單元進(jìn)行匯總；2)橋臂匯總控制單元將匯總的信息傳給環(huán)流控制單元；3 )所述環(huán)流控制單元將信息傳給上位機(jī)進(jìn)行顯示。當(dāng)i個(gè)子模塊出現(xiàn)故障時(shí)，所述閥基控制設(shè)備將故障的i個(gè)子模塊旁路，并將重新分配N-M-1個(gè)子模塊的電壓的步驟包括；①橋臂分段控制單元將子模塊狀態(tài)上傳給橋臂匯總控制單元進(jìn)行匯總；②橋臂匯總控制單元根據(jù)匯總的信息，判斷出故障的子模塊，并將故障信息傳給環(huán)流控制單元；③所述環(huán)流控制單元將故障信息傳給上位機(jī)顯示，并下發(fā)指令，將故障的子模塊旁路，下發(fā)調(diào)制量信息，通過此調(diào)制量信息，決定子模塊的投切，產(chǎn)生電壓。對(duì)運(yùn)行的子模塊而言，當(dāng)橋臂中有i (l〈i〈M)個(gè)子模塊發(fā)生故障時(shí)，立即將這i個(gè)子模塊旁路，使該相正常工作投入子模塊變?yōu)镹+M-1。這樣一個(gè)周期內(nèi)，每個(gè)橋臂投入子模塊數(shù)量在O到N+M-1之間變化，退出子模塊數(shù)量從O到N-1之間變化。每個(gè)子模塊承受電壓為 Usm=Ulic/ (N+M-1)。(3)判斷故障的子模塊的個(gè)數(shù)，若i>=M，則停止換流器系統(tǒng)運(yùn)行，對(duì)子模塊進(jìn)行檢修、替換。若i〈M，則繼續(xù)運(yùn)行換流器。最后應(yīng)當(dāng)說明的是:以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)子模塊冗余控制方法，模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)包括換流器，每個(gè)換流器由三相六橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂包括串聯(lián)的電感和N個(gè)子模塊；其特征在于，所述方法包括如下步驟: (1)將每個(gè)橋臂的N個(gè)子模塊和新增的M個(gè)冗余子模塊同時(shí)投入使用； (2)閥基控制設(shè)備檢測(cè)N個(gè)子模塊和M個(gè)冗余子模塊運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)其中的i個(gè)子模塊出現(xiàn)故障時(shí)，所述閥基控制設(shè)備將故障的i個(gè)子模塊旁路，并將重新分配N-M-1個(gè)子模塊的電壓； (3)判斷故障的子模塊的個(gè)數(shù)，若i>=M，則停止換流器系統(tǒng)運(yùn)行，若i〈M，則繼續(xù)運(yùn)行換流器。
2.如權(quán)利要求1所述的冗余控制方法，其特征在于，所述閥基控制設(shè)備包括依次連接的橋臂分段控制單元、橋臂匯總控制單元和環(huán)流控制單元。
3.如權(quán)利要求1所述的冗余控制方法，其特征在于，步驟(2)閥基控制設(shè)備檢測(cè)子模塊的步驟包括: 1)橋臂分段控制單元將子模塊狀態(tài)上傳給橋臂匯總控制單元進(jìn)行匯總； 2)橋臂匯總控制單元將匯總的信息傳給環(huán)流控制單元； 3)所述環(huán)流控制單元將信息傳給上位機(jī)進(jìn)行顯示。
4.如權(quán)利要求1所述的冗余控制方法，其特征在于，步驟(2)中當(dāng)i個(gè)子模塊出現(xiàn)故障時(shí)，所述閥基控制設(shè)備將故障的i個(gè)子模塊旁路，并將重新分配N-M-1個(gè)子模塊的電壓的步驟包括； ①橋臂分段控制單元將子模塊狀態(tài)上傳給橋臂匯總控制單元進(jìn)行匯總； ②橋臂匯總控制單元根據(jù)匯總的信息，判斷出故障的子模塊，并將故障信息傳給環(huán)流控制單元； ③所述環(huán)流控制單元將故障信息傳給上位機(jī)顯示，并下發(fā)指令，將故障的子模塊旁路，下發(fā)調(diào)制量信息，通過此調(diào)制量信息，決定余下正常工作子模塊的投切，產(chǎn)生電壓。
5.如權(quán)利要求4所述的冗余控制方法，其特征在于，橋臂匯總控制單元重新分配N-M-1個(gè)子模塊的電壓的表達(dá)式為:Usm=UDC/ (N+M-1 )； 式中，Usm為每個(gè)投入的子模塊重新分配的電壓；UD。為直流端需要的電壓值；N為換流器的子模塊個(gè)數(shù);M為新增的冗余子模塊個(gè)數(shù)；i為故障的子模塊個(gè)數(shù)。
6.如權(quán)利要求1所述的冗余控制方法，其特征在于，所述子模塊由半橋結(jié)構(gòu)的IGBT模塊和電容并聯(lián)構(gòu)成；所述 半橋結(jié)構(gòu)的IGBT模塊由上管IGBT模塊和下管IGBT模塊串聯(lián)形成；所述下管IGBT模塊并聯(lián)有旁路開關(guān)K。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)子模塊冗余控制方法，包括如下步驟(1)正常工作時(shí)將每個(gè)橋臂原有的N個(gè)子模塊和新增的M個(gè)冗余子模塊同時(shí)投入使用；(2)閥基控制設(shè)備檢測(cè)N個(gè)子模塊和M個(gè)冗余子模塊，當(dāng)其中的i個(gè)子模塊出現(xiàn)故障時(shí)，所述閥基控制設(shè)備將故障的i個(gè)子模塊旁路，并將重新分配N-M-i個(gè)子模塊的電壓；(3)判斷故障的子模塊的個(gè)數(shù)，若i>=M，則停止換流器系統(tǒng)運(yùn)行，若i<M，則繼續(xù)運(yùn)行換流器。本發(fā)明通過加入冗余子模塊，提高了模塊化多電平換流器的可靠性和應(yīng)對(duì)故障能力，減少了模塊化多電平換流器的電容工作電壓和平均開關(guān)頻率。
文檔編號(hào)H02J1/00GK103187724SQ201310057519
公開日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2013年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月25日
發(fā)明者閻發(fā)友, 趙巖, 楊杰, 朱琳, 林暢, 何維國(guó) 申請(qǐng)人:國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院, 中電普瑞電力工程有限公司, 上海市電力公司, 國(guó)家電網(wǎng)公司