[發明專利]一種模塊化多電平換流器在橋臂不平衡工況下的冗余保護方法

在審

• 申請號: 201710150761.9
• 申請日: 2017-03-14
• 公開（公告）號: CN106849633A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 徐政;徐雨哲;肖晃慶;曹冬明;劉高任
• 申請（專利權）人: 浙江大學;國家電網公司
• 主分類號: H02M1/32
• 分類號: H02M1/32;H02M7/483
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司33224
• 代理人: 馬士林

技術領域

本發明屬于電力電子系統技術領域，具體涉及一種模塊化多電平換流器在橋臂不平衡工況下的冗余保護方法。

背景技術

隨著電力電子技術的蓬勃發展，基于模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)的高壓直流輸電(high voltage direct current，HVDC)技術正受到越來越多的關注。和其他電壓源型換流器拓撲相比，模塊化多電平換流器具有顯著優勢，由于采用基本運行單元級聯的形式，該拓撲避免了大量開關器件直接串聯，不存在一致觸發等問題。該拓撲可在保證經濟性的同時輸出高品質電壓波形，因此近年來被迅速應用到新能源并網、海上風電送出等場合。

換流器的容錯運行能力是實際工程中關注的重點。典型的三相MMC換流器的系統結構如圖1所示。換流器共包含6個橋臂，其中每橋臂均包含Ntotal個子模塊以及一個橋臂電抗；此外，一般還會配置一定數量的冗余子模塊，以增強系統魯棒性。為了實現較高的電壓等級，每橋臂串聯子模塊數通常很大，因此，實際運行中子模塊發生故障的概率將大大增加。

由于可以有效避免機械開關的操作時間及備用子模塊的充電時間對系統的影響，在實際工程中，冗余子模塊通常運行在熱備用模式。在此模式下，冗余子模塊和常規子模塊共同參與電壓排序及投切操作，在系統調制中并無明顯區分。當子模塊發生故障后，故障子模塊需被快速切除。此時非故障橋臂若不旁路相同個數的子模塊，則橋臂級聯子模塊的個數將不再相等，換流器將運行在橋臂不對稱的狀態下。

對于子模塊故障保護以及換流器容錯運行策略，大多集中在橋臂平衡的情況下，對于橋臂不平衡情況下的系統特性，特別是內部電氣量的耦合關系并沒有進行深入分析。事實上，橋臂不平衡在實際運行中是較為常見的運行狀態，由于橋臂級聯子模塊的個數發生了改變，其開關函數以及等效電容均會發生改變。這將導致交流電流在橋臂間的不均勻分配，進而影響與其耦合的相關電氣量。

發明內容

鑒于上述，本發明提供了一種模塊化多電平換流器在橋臂不平衡工況下的冗余保護方法，在子模塊故障發生后無需切除非故障橋臂子模塊，同時通過調整子模塊電壓基值，以降低橋臂不對稱度，可使換流器可在橋臂不平衡狀態下保持良好的運行特性，有效增強換流器抵御子模塊故障的能力。

一種模塊化多電平換流器在橋臂不平衡工況下的冗余保護方法，所述模塊化多電平換流器為三相六橋臂結構，每個橋臂由N_total個半橋子模塊級聯組成，N_total＝N_rated+N_redundant,dc，N_rated為橋臂額定子模塊數量，N_redundant,dc為橋臂冗余子模塊數量；

所述冗余保護方法包括如下步驟：

(1)當換流器中的某一相處在橋臂不平衡運行工況下，根據該不平衡相的橋臂電流計算得到對應的補償電壓u_add；

(2)利用補償電壓u_add計算該不平衡相修正后的上下橋臂電壓參考值u_{arm,p_ref}和u_{arm,n_ref}；

(3)計算確定換流器實際運行時的新增橋臂冗余子模塊個數N_redundant,ac；

(4)根據新增橋臂冗余子模塊個數N_redundant,ac對該不平衡相上橋臂最大投入子模塊個數N_max,p或下橋臂最大投入子模塊個數N_max,n進行相應調整；

(5)根據上下橋臂最大投入子模塊個數N_max,p和N_max,n以及上下橋臂電壓參考值u_{arm,p_ref}和u_{arm,n_ref}，計算確定下一時刻該不平衡相上下橋臂應投入子模塊個數N_on,p和N_on,n，并依此對該不平衡相中的子模塊進行投切控制。

所述步驟(1)中計算補償電壓u_add的過程為：采集該不平衡相上橋臂瞬時電流和下橋臂瞬時電流，使上下橋臂瞬時電流相加后的結果通過濾波器提取出其基頻分量，進而對該基頻分量的有效值進行PI(比例積分)控制，得到該不平衡相的補償電壓u_add。