一种适用于直流故障穿越的改进载波移相电容电压平衡法

1.本发明属于模块化多电平换流器领域，具体涉及一种适用于直流故障穿越的改进载波移相电容电压平衡法。


背景技术：

2.模块化多电平换流器(modularmultilevel converter,mmc)因其结构模块化、开关频率较低、故障处理能力强等优势，近年来越来越广泛应用于柔性直流输电、中低压直流配电网、新能源汇集并网等领域。在一些诸如新能源并网等场景中，mmc子模块数量相对较少，区别于高压大容量mmc每桥臂数百个子模块的情况，因此典型的最近电平逼近调制(nearest level control，nlm)已不再适用，采用载波移相pwm(phase-shifted-carrierpwm，psc-pwm)能够在较低开关频率下实现较高的等效开关频率，更好地发挥换流器的性能。
3.子模块电容电压平衡控制是mmc能够维持稳定运行的关键技术之一。传统的载波移相调制，因其自均衡特性，可以在稳态工作时维持子模块电容电压稳定。然而在直流故障期间，由于系统经历了复杂而迅速的暂态过程，且为实现直流故障穿越采取的主动限流控制改变了全桥子模块的投切状态，因此会对子模块电容电压造成影响，系统极有可能因为电容电压波动失衡甚至恶化，导致退出正常运行。因此，传统的载波移相调制不能满足直流故障穿越与期间电容电压平衡控制的需求。
4.针对上述问题，基于传统载波移相，深入挖掘传统载波移相的自均衡特性，研究提出了一种适用于直流故障穿越的改进载波移相电容电压平衡方法。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于直流故障穿越的改进载波移相电容电压平衡法，不仅使得混合型mmc顺利实现直流故障穿越功能，而且不引入额外的平衡信号和复杂的控制算法，通过重构脉冲映射关系实现了直流故障期间的子模块电容电压平衡，维持了系统的稳定运行
6.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
7.一种适用于直流故障穿越的改进载波移相电容电压平衡法，包括如下步骤：
8.s1、系统正常工作时采用传统载波移相调制方法，将调制波与载波比较，得出开关脉冲信号依次给每桥臂的子模块，上下桥臂的载波幅值相位相同，调制波反相；
9.s2、直流故障发生后，直流母线电压下降到零，调制波此时为围绕x轴正负半周对等的正弦波，正半周波对应正压输出需求，负半周波对应负压输出需求，基于正负压输出需求不同，对正负半个周波单独调制；
10.s3、在调制波正半周波，hbsm与fbsm的左侧等效半桥均输出正压，将正半周波与载波比较，得出开关脉冲信号，用来驱动子模块输出正压，同样地将负半周波与载波比较，也得出开关脉冲信号，用来驱动子模块输出负压；
11.s4、考虑电容电压平衡控制需求，改变生成的脉冲信号与实际子模块间的映射关系，基于载波频率对子模块电容电压值进行排序，且以载波频率对开关脉冲信号做出分割，完成采样保持功能。
12.进一步的，在传统载波移相调制的基础上，调整信号在半桥和全桥子模块间的分配，顺利应用载波移相实现少子模块混合型mmc的直流故障穿越。进而在此基础上，基于重构子模块与脉冲信号映射关系的思想，根据系统的电压输出需求区分调制波的正半周波和负半周波，以排序法为依据，调整脉冲与子模块的既定分配关系，实现直流故障穿越期间子模块电容电压的平衡。
13.进一步的，在传统载波移相调制的基础上，基于虚拟半桥思想调整信号在半桥和全桥子模块间的分配，利用直流故障穿越期间调制波直流偏置为零的特征区分调制波正、负半周波，正压由半桥子模块和全桥子模块左侧虚拟半桥一起提供输出，负压只由全桥子模块右侧虚拟半桥提供输出，顺利应用载波移相实现少子模块混合型mmc的直流故障穿越。
14.进一步的，在直流故障穿越期间，在调制波正半周波，依据排序法得出的子模块电容电压结果，在子模块中选择电压较高的子模块进行投入，满足正压输出需求；在调制波负半周波，同样依据排序法得出的子模块电容电压结果，选择全桥子模块进行投入，满足系统负压输出需求。
15.本发明的有益效果：
16.1、本发明提出的适用于直流故障穿越的改进载波移相电容电压平衡法，没有引入额外的平衡补偿信号等修正量，不会影响输出电能质量和系统稳定性等问题，也没有额外引入环流注入等方式对子模块电容电压纹波造成影响；
17.2、本发明提出的适用于直流故障穿越的改进载波移相电容电压平衡法，仅仅通过调制波正负半个周波的分离，得出脉冲信号进而基于排序法重构脉冲与实际子模块的映射关系，实现各个子模块的电容电压平衡控制，不提升开关频率和开关损耗；
18.3、本发明提出的适用于直流故障穿越的改进载波移相电容电压平衡法，采用hb fb少子模块混合型mmc，基于载波移相调制在保证系统顺利实现主动限流控制完成直流故障穿越的基础上，实现了维持子模块电容电压平衡，进而保障了系统的稳定运行。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是本发明实施例的三相混合型mmc拓扑结构示意图；
21.图2是本发明实施例的hbsm(半桥子模块)工作状态示意图；
22.图3是本发明实施例的fbsm(全桥子模块)工作状态示意图；
23.图4是本发明实施例的a相上下桥臂调制波波形图；
24.图5是本发明实施例的四组载波示意图；
25.图6是本发明实施例的单桥臂四个子模块脉冲触发信号示意图；
26.图7是本发明实施例的换流站传输有功功率变化示意图；
27.图8是本发明实施例的换流站输出交流电流示意图；
28.图9是本发明实施例的直流母线电压示意图；
29.图10是本发明实施例的直流母线电流示意图；
30.图11是本发明实施例的所有子模块电容电压均值示意图；
31.图12是本发明实施例的a相上桥臂子模块电容电压具体值示意图。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
33.由于hbsm不具备直流故障穿越能力，而fbsm控制复杂，成本较hbsm高，因此综合考虑系统的运行工况与电压输出需求。
34.如图1所示，本实施例的仿真模型采用三相六桥臂，各桥臂为2个hbsm和2个fbsm的混合型mmc结构。图2、图3分别展示了hbsm的工作状态以及fbsm的工作状态，当hbsm处于正投入状态时，t1导通、t2关断，此时子模块输出电压u
sm
等于电容电压uc；旁路状态时，器件t1关断，t2导通，此时子模块电容c被旁路，子模块输出电压u
sm
等于0。即hbsm可通过控制开关器件的通断状态，实现输出0， uc两种电平。
35.当fbsm处于正投入状态时，t1、t4导通，t2、t3关断，此时子模块输出电压u
sm
等于电容电压uc；负投入状态时，器件t1、t4关断，t2、t3导通，此时子模块输出电压u
sm
等于-uc；旁路状态时，器件t1、t3或t2、t4导通，子模块电容c被旁路，子模块输出电压u
sm
等于0。即fbsm可通过控制开关器件的通断状态，实现输出0， uc、-uc三种电平。因此即可利用fbsm的负投入状态，拓宽混合mmc桥臂电压输出范围，从而降低换流站直流输出电压，实现对直流故障电流的控制。
36.由于fbsm比hbsm多了两个绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,igbt)控制信号，因而传统视角下的fbsm比hbsm复杂，两者联系不强，难以找到控制共性来优化阀侧控制策略。本发明在虚拟半桥的视角和混合调制技术基础上，展开针对电容电压平衡的控制方法。
37.系统正常工作时采用传统载波移相调制策略。桥臂中4个子模块对应同一个调制波，而四组载波依次移相360
°
/n，下桥臂与上桥臂调制波反相，四组载波依次相同，如图5所示。将调制波与4组载波比较，得出的4组开关脉冲信号，如图6所示，依次给桥臂中的4个子模块，即实现传统的载波移相调制。因其具有自均衡特性，因此稳态时子模块电容电压平衡效果较好。当直流故障发生后，因为直流母线电压迅速下降到零，相当于调制波的直流偏置降为零，因此调制波此时为围绕x轴正负半周对等的正弦波。正半周波对应正压输出需求，负半周波对应负压输出需求。因此基于正负压输出需求不同，需要对正负半个周波单独调制，即根据调制波的正、负半周波分类。如图4所示，在调制波正半周波(以a相上桥臂为例，下桥臂同理)，2个hbsm与2个fbsm的左侧等效半桥均可以输出正压，因此将正半周波与2组载波比较后，得出2组开关脉冲信号，用来驱动子模块输出正压。同样地，将负半周波与2组载波比较，也得出2组开关脉冲信号，用来驱动子模块输出负压。即：根据调制波的正、负半周波，将会产生2类、每类各2组开关脉冲信号：
38.(1)在调制波正半周波，需要解决的问题是如何将2组开关脉冲信号给到4个子模块中的2个，从而控制系统既完成故障穿越，又实现电容电压平衡控制。
39.考虑到电容电压平衡控制需求，因此基于重构脉冲信号与实际子模块间的映射关系的思想，实现选择投入。首先，对4个子模块电容电压值进行排序；其次，根据4个子模块电容电压排序结果和桥臂电流方向正负进行判断。判断逻辑为：桥臂电流使得子模块充电时投入两个电压较低的子模块，放电时投入两个电压较高的子模块；再次，为避免比较结果变更频率过高导致的开关频率过快，增加无意义损耗，以载波频率对子模块电容电压值和开关脉冲信号进行采样，完成采样保持功能。即以载波频率作为一个平衡控制周期；最后，在每一个平衡控制周期内，实现从4个子模块中筛选出2个子模块并给定脉冲信号投入的功能，完成电容电压平衡控制。
40.(2)在调制波负半周波，由于只有fbsm具备负压输出能力，因此只投入两个fbsm，只根据2个fbsm电容电压排序结果和桥臂电流方向正负进行判断。需要说明的是，由于fbsm的右侧等效半桥，也即可以输出负压的部分，实质可等效为反接入电路的hbsm，因此对正常hbsm输出正压的信号，在其身上等效为输出负压，因此其充放电特性与hbsm相反。所以对于正向桥臂电流应优先投入电压较高的hbsm(此时输出负电平，实质等效为放电)，对于负向桥臂电流优先投入电压较低的子模块(输出负电平，实质能效为充电)。判断逻辑与之前等同，仍旧为“充电时低电平先充，放电时高电平先放”。
41.虽然在调制波负半周波，只有2个fbsm子模块参与排序、重构映射、投入电路实现负压输出，但由于在调制波正半周波，2个fbsm和2个hbsm同时参与排序、重构映射、投入电路实现正压输出，因此所有的子模块电容电压都参与了平衡控制环节，所有的子模块电容电压都可以平衡。
42.运用matlab/simulink仿真软件对本发明所提方案进行验证，仿真结果如图7、图8、图9、图10、图11、图12所示。系统设置为正常运行至0.3s时发生直流侧极间短路故障。为验证所提平衡控制方法的有效性，因此故障时间设置为一直持续。正常运行时fbsm以hbsm形式投入运行，传统载波移相调制使得系统顺利工作。在0.3s发生直流侧极间短路故障后，由图7有功功率波形可看出直流侧输出功率经暂态过程波动后迅速下降为0，从图9可看出直流电压也迅速降至0。在直流故障期间，设置无功功率传输为零，为了维持桥臂功率的平衡，防止子模块电容过电压，交流电流控制器将减小有功电流指令，从而降低mmc从交流系统吸收的有功功率，因此从图8可看出桥臂电流基频分量迅速衰减为零。同时，桥臂电流直流分量逐渐减小为0，且故障前后桥臂电流几乎无明显过电流。fbsm主要实现输出负压功能，实现故障穿越运行。从图11的直流母线电流波形可看出，直流母线电流在直流故障期间被控制为0。从图11子模块电容电压均值波形可看出，直流极间短路故障全过程均可较好维持子模块电容电压稳定，由于子模块电容需吸收故障能量，在直流故障处理过程早期电容电压上升，偏离额定值为10％，在器件可承受范围内。由于在直流故障穿越期间采用了基于排序法的重构脉冲与子模块映射的电容电压平衡控制，因此不仅仅是子模块电容电压均值，每一个子模块的电容电压均可维持在额定值附近，即实现了所有子模块电容电压的平衡控制。从图12桥臂子模块电容电压具体值(以a相上桥臂为例)，可看出2个hbsm、2个fbsm、fbsm与hbsm之间，均可很好地实现电容电压平衡，保持了很好的电容一致性。
43.综上所述一种适用于直流故障穿越的改进载波移相电容电压平衡法，包括如下步
骤：
44.s1、系统正常工作时采用传统载波移相调制方法，将调制波与载波比较，得出开关脉冲信号依次给每桥臂的子模块，上下桥臂的载波幅值相位相同，调制波反相；
45.s2、直流故障发生后，直流母线电压下降到零，调制波此时为围绕x轴正负半周对等的正弦波，正半周波对应正压输出需求，负半周波对应负压输出需求，基于正负压输出需求不同，对正负半个周波单独调制；
46.s3、在调制波正半周波，hbsm与fbsm的左侧等效半桥均输出正压，将正半周波与载波比较，得出开关脉冲信号，用来驱动子模块输出正压，同样地将负半周波与载波比较，也得出开关脉冲信号，用来驱动子模块输出负压；
47.s4、考虑电容电压平衡控制需求，改变生成的脉冲信号与实际子模块间的映射关系，基于载波频率对子模块电容电压值进行排序，且以载波频率对开关脉冲信号做出分割，完成采样保持功能，即以载波频率作为一个平衡控制周期，进行完子模块电容电压与开关脉冲信号的采样保持后，将会产生如下几种情况：
48.在调制波正半周波，根据子模块电容电压排序结果和桥臂电流方向正负进行判断，充电时投入电压较低的子模块，放电时投入电压较高的子模块；
49.在调制波负半周波，由于只有fbsm具备负压输出能力，因此只根据fbsm电容电压排序结果和桥臂电流方向正负进行判断。
50.需要说明的是，由于fbsm的右侧等效半桥，也即可以输出负压的部分，实质可等效为反接入电路的hbsm，因此对正常hbsm输出正压的信号，在其身上等效为输出负压，因此其充放电特性与hbsm相反。所以对于正向桥臂电流应投入电压较高的hbsm(此时输出负电平，实质等效为放电)，对于负向桥臂电流优先投入电压较低的子模块(输出负电平，实质能效为充电)；
51.虽然在调制波负半周波，只有fbsm子模块参与排序、重构映射、投入电路实现负压输出，但由于在调制波正半周波，fbsm和hbsm同时参与排序、重构映射、投入电路实现正压输出，因此所有的子模块电容电压都参与了平衡控制环节，所有的子模块电容电压都可以平衡。
52.本技术在传统载波移相调制的基础上，调整信号在半桥和全桥子模块间的分配，顺利应用载波移相实现少子模块混合型mmc的直流故障穿越。进而在此基础上，基于重构子模块与脉冲信号映射关系的思想，根据系统的电压输出需求区分调制波的正半周波和负半周波，以排序法为依据，调整脉冲与子模块的既定分配关系，实现直流故障穿越期间子模块电容电压的平衡；
53.基于虚拟半桥思想调整信号在半桥和全桥子模块间的分配，利用直流故障穿越期间调制波直流偏置为零的特征区分调制波正、负半周波，正压由半桥子模块和全桥子模块左侧虚拟半桥一起提供输出，负压只由全桥子模块右侧虚拟半桥提供输出，顺利应用载波移相实现少子模块混合型mmc的直流故障穿越。
54.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合
适的方式结合。
55.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。