一种MMC换流系统及其容错控制方法与流程

本发明涉及一种MMC换流系统及其容错控制方法。

背景技术：

目前，传统直流输电系统(又称电网换相换流器高压直流输电系统，Line Commutated Converter Based High Voltage Direct Current，LCC-HVDC)由于其技术成熟，输电容量高、有功功率快速可控等优势得到广泛应用。但是，LCC-HVDC系统存在着逆变站换相失败、无法对弱交流系统供电、运行过程中需要消耗大量无功功率等缺陷，在一定程度上制约它的发展。

随着电力科技的发展，以全控型电力电子器件为基础的电压源型换流器高压直流输电(Voltage Source Converter Based High Voltage Direct Current，VSC-HVDC)因其独立的有功、无功控制能力、无换相失败风险、可为无源孤岛供电等诸多优点得到学术界与工业界的青睐，中国学者将其命名为柔性直流输电技术。

基于MMC的柔性直流输电系统具有开关频率较低、开关损耗小、无需交流滤波器组和扩展性强等优点，成为柔性直流输电系统的主流趋势。但是，常规的由子模块MMC构成的柔性换流系统，比如申请号为201410400214.8的中国专利申请文件中公开的MMC拓扑结构，由于单个换流器的容量等级偏低，从而制约了其在远距离大容量输电场合的运用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种MMC换流系统及其容错控制方法，用以解决传统的柔性换流系统容量等级较低的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种MMC换流系统，包括m×n个MMC换流单元，构成一个m×n阶矩阵，每一个MMC换流单元为该矩阵中的其中一个矩阵单元，属于同一列的矩阵单元依次连接，属于同一行的矩阵单元依次连接；

每个MMC换流单元中的每条桥臂上均设置有至少一个全桥子模块。

每个MMC换流单元中的每条桥臂均由全桥子模块和半桥子模块按照设定的比例构成。

一种专用于上述MMC换流系统的MMC换流系统容错控制方法，包括三层容错控制，第一层控制为矩阵单元容错控制，第二层为矩阵行容错控制，第三层为矩阵列容错控制，

所述第一层容错控制为：根据矩阵单元中的子模块故障率满足的条件来对矩阵单元进行相应地控制；所述子模块故障率为某一个桥臂上的故障子模块的个数与该桥臂在额定直流电压运行时投入的最大子模块个数的比值；

所述第二层容错控制为：当某一个矩阵行中的某一个矩阵单元的故障桥臂健全子模块的电压控制指令大于第一设定倍数的额定值时，对该矩阵行实行所述第二层控制，利用全桥子模块输出负压的能力将本矩阵行的直流电压降低至所述额定值的第二设定倍数；所述故障桥臂健全子模块为出现故障的桥臂中没有故障的子模块；

所述第三层容错控制为：根据某一个矩阵列中的某一个矩阵单元的故障类型对该换流系统进行相应地控制。

实现所述根据矩阵单元中的子模块故障率满足的条件来相应地对矩阵单元进行相应地控制的手段为：

当矩阵单元发生子模块故障时，首先利用旁路开关旁路掉故障子模块，然后检测桥臂子模块故障率，当故障率低于设定值时，控制投入冗余子模块以替换故障子模块，使对应桥臂输出的电压不变；当故障率高于所述设定值时，提升故障桥臂上的每一个正常子模块输出的电压，以使该矩阵单元对称运行。

在所述第二层容错控制中，当利用全桥子模块输出负压的能力不能将对应矩阵行的直流电压降低至所述额定值的第二设定倍数时，控制旁路掉该矩阵行中所有的矩阵单元。

在所述第二层容错控制中，检测所述某一个矩阵行中的所有的矩阵单元的桥臂电流，并得出最大的桥臂电流，当最大的桥臂电流在控制开关的电流应力耐受范围内时，换流系统维持原功率运行，且所有的矩阵行按照各自直流电压的比例来分配换流系统的输出功率；当最大的桥臂电流不在控制开关的电流应力耐受范围内时，降低换流系统的输出功率，且所有的矩阵行以允许的最大输出功率运行。

在所述控制旁路掉该矩阵行中所有的矩阵单元之后，检测健全矩阵行中的所有的矩阵单元的桥臂电流，并得出最大的桥臂电流，当最大的桥臂电流在控制开关的电流应力耐受范围内时，换流系统健全矩阵行按照各自直流电压的比例来分配换流系统的输出功率；当最大的桥臂电流不在控制开关的电流应力耐受范围内时，降低换流系统的输出功率，健全矩阵行以允许的最大输出功率运行；其中，健全矩阵行是换流系统中除了被旁路掉的矩阵行之外的所有的矩阵行。

实现所述根据某一个矩阵列中的某一个矩阵单元的故障类型对该换流系统进行相应地控制的手段为：

首先，判断该矩阵单元的故障类型；

然后，当为开路故障时，闭锁该矩阵单元；当为短路故障时，首先将同行健全列矩阵单元输出电压控制为零，并跳开同行健全列矩阵单元对应的交流断路器，然后控制同行矩阵列矩阵单元全部旁路；

所述同行健全列矩阵单元是指：与出现故障的矩阵单元处于同一行、不属于同一列、且未发生故障的矩阵单元；

所述同行矩阵列矩阵单元是指：与出现故障的矩阵单元处于同一行、不属于同一列的矩阵单元。

在针对开路故障进行相应的控制之后，检测所有的同行健全列矩阵单元中的桥臂电流，找到最大的电流值，当最大的电流值在控制开关电流应力耐受范围内时，所有的同行健全列矩阵单元增加功率以维持功率平衡运行，当最大的电流值超出控制开关电流应力耐受范围时，则降低矩阵换流系统输出功率，按照同行健全列矩阵单元允许的最大电流进行功率传输；

在针对短路故障进行相应的控制之后，检测健全矩阵行中所有的矩阵单元中的桥臂电流，找到最大的电流值，当最大的电流值在控制开关电流应力耐受范围内时，健全矩阵行增加功率以维持功率平衡运行；当最大的电流值超出电流应力耐受范围时，则降低矩阵换流系统输出功率，按照健全矩阵行允许的最大功率进行传输；所述健全矩阵行是换流系统中不含故障矩阵单元的矩阵行。

第一层容错控制、第二层容错控制和第三层容错控制的优先级的大小为：第一层容错控制的优先级大于第二层容错控制的优先级，第二层容错控制的优先级大于第三层容错控制的优先级。

本发明提供的MMC换流系统整体上可以看作一个矩阵，每个矩阵单元为一个MMC换流器，所以该换流系统以MMC作为基本换流单元，通过串联升压和并联增流的方式，构成矩阵式高压大容量柔性换流系统，利用换流器的矩阵式组合可以实现高压大容量的要求，并且通过每个MMC换流器中的全桥子模块来实现交直流故障的灵活穿越控制；同时，矩阵式组合能够提高整个换流系统的冗余容错能力。

由于目前对于组合式柔性直流换流器的研究尚处于初期阶段，特别是对于矩阵式柔性换流系统的协调控制保护策略等还处于空白状态，更没有矩阵式柔性换流系统容错控制策略的相关报道，所以，本发明提供的换流系统具有重大的意义，能够显著提升大容量换流系统的研发进度。

并且，基于本发明提供的矩阵式MMC换流系统，本发明还提供一种该换流系统的分层次冗余容错控制方法，通过矩阵单元、矩阵行和矩阵列三个层次的容错控制，实现了柔性换流系统的交叉冗余容错控制，填补了行业空白，极大提高了高压大容量柔性换流系统可靠性，有利于产业推广。

附图说明

图1是本发明提供的MMC换流系统整体结构示意图；

图2是半桥子模块的拓扑结构示意图；

图3是全桥子模块的拓扑结构示意图；

图4是总体容错控制策略流程示意图；

图5是矩阵单元层次的容错控制策略流程示意图；

图6是矩阵行层次的容错控制策略流程示意图；

图7是矩阵列层次的容错控制策略流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1给出了基于子模块混合型MMC换流器单元的矩阵式柔性换流系统拓扑结构，该拓扑包含m×n个子模块混合型MMC换流器单元，这m×n个MMC换流器单元构成一个矩阵，该矩阵中的矩阵单元是MMC换流器。其中m代表矩阵式换流系统的矩阵行数，即MMC单元的串联数量，m决定了矩阵式换流系统的直流电压等级；n代表矩阵式换流系统的矩阵列数，即MMC单元串的并联数量，n决定了矩阵式换流系统的直流电流等级；m和n共同决定了矩阵式换流系统容量。

为了便于容错控制，每个MMC换流器单元中的每个桥臂中均设置有至少一个全桥子模块，进一步地，在本实施例中，每个MMC换流器单元中的每个桥臂是由全桥子模块和半桥子模块按照设定的比例构成。半桥子模块和全桥子模块以全控型电力电子器件如IGBT为基础构成，其拓扑结构如图2、图3所示，其中，T代表全控型电力电子开关器件，D代表开关器件反并联二极管，S代表旁路开关，C代表子模块直流电容。

基于上述矩阵式MMC换流系统，本发明还提供一种该MMC换流系统的容错控制方法，基于矩阵结构，分别从矩阵单元、矩阵行和矩阵列三个层次进行容错控制。

如图4所示，给出了三个层次冗余容错方法之间的优先配合逻辑，其中第一个层次——矩阵单元的控制是基础，应该优先保证实施，第二个层次——矩阵行的控制是第一个层次的紧密配合，应该次优保证实施，第三个层次——矩阵列的控制是故障进一步恶化的容错手段，可在最后实施。第一层次，矩阵中的换流器单元容错控制方法，从而最大限度保证换流系统基本设备可用率，为后续更高层次的容错提供基础保障；第二层次，矩阵行容错控制方法，从而最大限度保证换流系统的直流电压支撑能力；第三层次，矩阵列容错控制方法，从而最大限度保证换流系统的直流电流支撑能力。

以下对这三个层次的容错控制分别进行说明。

如图5所示，为第一层次即矩阵单元容错控制的流程图。对于任意一个矩阵单元，当该矩阵单元发生子模块故障时，首先利用旁路开关S旁路故障子模块，然后检测桥臂子模块故障率。子模块故障率为某一个桥臂上的故障子模块的个数与该桥臂在额定直流电压运行时投入的最大子模块个数的比值。本实施例中，给出了子模块故障率的一个计算公式，见式(1)。

$F_{arm}=\frac{N_f}{N_{sum}}---\left(1\right)$

式中：N_sum为额定直流电压运行时桥臂需投入的最大子模块数量，N_f为桥臂中故障子模块的数量。

当某一个桥臂上的故障子模块个数较少时，即该桥臂的子模块故障率低于一个设定的阈值时(本实施例以5％为例)，为保证故障后换流系统的快速响应特性，按照子模块电压指令不变的原则进行故障桥臂健全子模块的均压控制，即控制投入与故障子模块相同个数的冗余子模块以替换故障子模块，使该桥臂输出的电压不变；当该桥臂上的故障子模块个数较多时，即该桥臂的子模块故障率高于该设定的阈值时(本实施例以5％为例)，为防止桥臂能量不均衡导致的直流电压电流波动过大，转为基于桥臂能量平衡的子模块电压提升容错控制，即提升该故障桥臂上的每一个健全子模块输出的电压，以使该矩阵单元对称运行。其中，故障桥臂健全子模块是指：发生有子模块故障的桥臂中，其余未发生故障仍在正常运行的子模块。

本实施例中，故障桥臂中的健全子模块的电压提升指令如式(2)所示，从而最大程度保证矩阵单元的快速平稳冗余容错能力。

$U_{fd}=\sqrt{\frac{N_{sum}}{N_{sum}-N_f}}\frac{U_{dc}}{N_{sum}}---\left(2\right)$

式中：U_dc为矩阵单元直流运行电压。

比如：矩阵单元要输出100kV的电压，每个子模块的电压为2kV，则桥臂中需要投入50个子模块串联，以达到100kV的输出电压。

当此时有子模块故障时，可以通过冗余模块的投入，使输出电压不变。比如一个桥臂有60个子模块，输出100kV电压时则有10个模块冗余，当有一个子模块故障时，投入一个2kV的冗余模块，输出100kV的电压不受影响，这样做的好处是暂态响应快；这个就是所谓的子模块电压不变容错策略。

但是由于MMC是三相6桥臂结构，当单个桥臂中的故障子模块较多时(一般超过5％以后)，其他健全相桥臂中正常运行的子模块个数较多，同样电压下的电容储能就高，必然导致MMC单元桥臂间不对称储能运行，不对称运行的后果就是导致直流电压的二倍频波动，影响直流系统稳定性和控制精度。因此为了兼顾响应快和故障子模块较多后导致MMC不对称运行加剧，提出将故障桥臂子模块的电压进行提升，这样虽然故障桥臂与健全桥臂相比，子模块个数少，但是由于单个子模块电压提升以后储能增加，MMC单元可以恢复对称运行，避免了直流电压的二倍频波动。其具体实现为：利用公式(2)来计算提升故障桥臂子模块电压目标值，然后该桥臂的子模块投入个数由100kV除于公式(2)的计算结果即可，即投入个数将减少，故障桥臂子模块在该过程中会被充电到利用公式(2)得到的数值，因此会牺牲一定的响应特性。

如图6所示，为第二层次即矩阵行容错控制流程图。对于某一个矩阵行，当该矩阵行中的某一个矩阵单元出现故障时，故障桥臂的健全子模块的电压控制指令值大于第一设定倍数(本实施例以105％为例)的额定值时，对该矩阵行实施该第二层次的控制。其中，故障桥臂的健全子模块的电压控制指令值可以是该故障桥臂中的所有的健全子模块的电压的平均值，也可以是该故障桥臂中的所有的健全子模块的电压中的最大值，或者采用其他方式获取，本实施例以平均值为例，并给出一个计算公式，如公式(3)所示。

${\stackrel{\‾}{U}}_{sm\_arm}=LPF\left(\frac{\ΣU_{sm\_arm}}{N_{total}-N_f}\right)---\left(3\right)$

上式中：为故障桥臂中的所有的健全子模块的输出电压的平均值；∑Usm_arm为桥臂电压；N_total为一个桥臂上的子模块的总数；LPF为一阶低通滤波器，滤波截止频率为所联接交流电网基波频率的0.707倍；N_f为该桥臂上的故障子模块的个数。

当子模块平均电压大于额定值的第一设定倍数(105％)时，则处于该矩阵行中的所有的矩阵单元利用全桥子模块输出负压的能力，统一将本矩阵行直流电压降低至额定值的第二设定倍数(本实施例以95％为例)，如此循环，以减小运行子模块的过压旁路风险。

同时，检测该矩阵行中的所有的矩阵单元中的桥臂电流，得到多个电流值，找到其中最大的桥臂电流，当最大的桥臂电流在控制开关(IGBT)的电流应力耐受范围内时，该换流系统按照原定换流功率进行运行和控制，且所有的矩阵行按照各自直流电压的比例来分配换流系统的输出功率；当最大的桥臂电流不在控制开关(IGBT)的电流应力耐受范围内时，降低换流系统的输出功率，且所有的矩阵行以允许的最大输出功率运行。其中，控制开关的电流应力耐受范围是由控制开关，即IGBT决定，其是IGBT的指标参数，只要IGBT定了，其电流应力耐受范围也就定了。

其中，矩阵行按照各自直流电压的比例来分配换流系统的输出功率的公式为以下公式(4)。

$\frac{P_{row1}}{U_{dc\_row1}}=\frac{P_{row2}}{U_{dc\_row2}}=\mathrm{...}=\frac{P_{rowm}}{U_{dc\_rowm}}---\left(4\right)$

另外，当全桥子模块负压输出能力被用完时，停止直流降压循环；并且，当超出全桥子模块负压输出能力时，即当利用全桥子模块输出负压的能力不能将该矩阵行的直流电压降低至上述额定值的第二设定倍数(本实施例以95％为例)，控制旁路掉该矩阵行中所有的矩阵单元。

同时，当控制旁路掉该矩阵行中所有的矩阵单元之后，检测所有的健全矩阵行中的所有的矩阵单元中的桥臂电流，得到多个电流值，找到其中最大的桥臂电流，当最大的桥臂电流在控制开关(IGBT)的电流应力耐受范围内时，换流系统按照原定换流功率进行运行和控制，且所有的健全矩阵行按照各自直流电压的比例来分配换流系统的输出功率；当最大的桥臂电流不在控制开关(IGBT)的电流应力耐受范围内时，降低换流系统的输出功率，且所有的健全矩阵行以允许的最大输出功率运行。其中，控制开关的电流应力耐受范围是由控制开关，即IGBT决定，其是IGBT的指标参数，只要IGBT定了，其电流应力耐受范围也就定了。

其中，健全矩阵行按照各自直流电压的比例来分配换流系统的输出功率的公式也按照上述公式(4)进行分配。健全矩阵行是指：未被整体旁路的仍在持续运行中的矩阵行。

如图7所示，为第三层次即矩阵列容错控制流程图。该矩阵列的控制的思路在于：根据某一个矩阵列中的某一个矩阵单元的故障类型对该换流系统进行相应地控制，这里的故障类型分为开路和短路两种。

首先，检测该矩阵列的故障状态，即该矩阵列中的故障矩阵单元的故障类型，当为开路故障时，闭锁该故障MMC换流单元；当为短路故障时，首先将同行健全列矩阵单元输出电压控制为零，并跳开同行健全列矩阵单元对应的交流断路器，然后控制同行矩阵列矩阵单元全部旁路。其中，同行健全列矩阵单元是指：与出现故障的矩阵单元处于同一行、不属于同一列、且未发生故障的矩阵单元；同行矩阵列矩阵单元是指：与出现故障的矩阵单元处于同一行、不属于同一列的矩阵单元。所以，同行矩阵列矩阵单元包括同行健全列矩阵单元。

在针对开路故障进行相应的控制之后，检测全部的同行健全列矩阵单元中的桥臂电流，找到最大的电流值，当该最大的电流值在控制开关电流应力耐受范围内时，所有的同行健全列矩阵单元增加功率以维持功率平衡运行，当该最大的电流值超出电流应力耐受范围时，则降低矩阵换流系统输出功率，按照同行健全列矩阵单元允许的最大电流进行功率传输。

在针对短路故障进行相应的控制之后，检测健全矩阵行中所有的矩阵单元中的桥臂电流，找到最大的电流值，当该最大的电流值在控制开关电流应力耐受范围内时，健全矩阵行增加功率以维持功率平衡运行；当该最大的电流值超出电流应力耐受范围时，则降低矩阵换流系统输出功率，按照健全矩阵行允许的最大功率进行传输。

以下以一个2×2的±1000kV/12000MW矩阵式MMC换流系统来说明上述换流系统的控制方法。

上述矩阵式MMC系统的MMC单元为1000kV/3000MW电压源型换流器，主要电气参数为：采用4500V/3000A规格的IGBT器件，子模块规格为2500V/3000A，考虑10％的冗余子模块配置，则MMC单元单个桥臂的子模块数量为1000/2.5×1.1＝440个；考虑MMC单元零直流电压控制能力，半桥子模块与全桥子模块的占比为1:1；MMC单元的阀侧空载交流线电压有效值设计为520kV。

首先进行第一层次容错示例说明，当MMC11的A上桥臂发生10个子模块故障时，此时子模块故障率为10/400＝2.5％，应维持MMC11子模块电压不变继续运行，投入10个冗余子模块来代替故障子模块；当MMC11某个桥臂子模块故障累计为20个，即故障率达到5％，增大健全子模块的输出电压值，即将MMC11故障桥臂健全子模块电压指令控制为sqrt(400/(400-20))×2500＝2564.9V，整个MMC换流系统持续运行。

当MMC11由于子模块故障增加导致故障桥臂健全子模块控制指令大于1.05倍的额定值时，将启动第二层次即矩阵行容错控制流程，此时可计算MMC11的单个桥臂故障子模块数至少为400-400/1.05^2＝38个(向上取整)，此时的故障桥臂健全子模块电压指令为sqrt(400/(400-38))×2500＝1.0512×2500＝2627.9V；因此利用MMC11和MMC12的全桥子模块输出负电压能力，控制第一行直流电压Vdc1为1000×0.95＝950kV，此时MMC12如果没有子模块故障，则其子模块电压指令值应为950e3/400＝2375V，而MMC11中有38个故障子模块桥臂的健全子模块电压指令值应为sqrt(400/(400-38))×2375＝2496.5V；按照3000MW的额定换流功率计算，此时第一行矩阵的桥臂电流应力为3000e6/950e3/3+3000e6/520e3/1.732/2＝2718.1A，未超过3000A的IGBT器件电流应力允许值，系统仍可以3000MW×4即12000MW满负荷运行；

当由于MMC11子模块故障而导致第一矩阵行被整体旁路时，系统只能利用第二行进行功率传输，此时仅能输送6000MW功率，即系统将降额运行。

最后进行第三层次即矩阵列容错控制示例说明，仍以MMC11为例，当MMC11为开路故障时，首先闭锁MMC11换流单元；受电流应力的限制，系统将损失一半的功率，系统最大可以运行在±1000kV/6000MW功率状态下；当MMC11为短路故障时，MMC12输出直流电压立即控制为零，跳开MMC12对应的交流断路器，然后下发MMC12旁路命令；受电流应力的限制，系统仍将损失一半的功率，系统最大可以运行在-1000kV/6000MW功率状态下。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。