一种串联型换流器分相冗余控制方法及控制系统与流程

[0001]
本申请涉及大功率电力电子变流技术领域，具体涉及一种串联型换流器分相冗余控制方法及控制系统。


背景技术：

[0002]
在大容量大功率电力电子变流技术领域，为了提升换流器的传输能力，通常采用大量子模块串联的方式解决电压应力的问题。
[0003]
子模块之间是相互串联的关系，当其中一个子模块发生故障时，为了不影响其他子模块的正常运行，在现有技术中，为子模块配置旁路开关，当功率子模块发生故障时闭合旁路开关，将故障单元切除，系统不停运。然而，对于串联系统，一旦其中一相的子模块故障旁路，其他两相如果不做任何应对，就会导致故障相输出电压低于其他两相，形成负序输出电压，对于串联型换流器，检修时需要系统停电，因此，无法确保能够及时的更换故障旁路子模块，发生故障旁路的子模块数量逐渐积累，加剧了三相输出电压不平衡，长期运行会对系统造成不利影响。


技术实现要素：

[0004]
本申请的目的是，提供一种串联型换流器分相冗余控制方法及控制系统，通过设置有效子模块、无效子模块，结合模块输出电压调节的方式，自动实现三相换流链输出电压均衡。
[0005]
为了达成上述目的，本申请采用的技术方案是：
[0006]
一种串联型换流器分相冗余控制方法，所述串联型换流器包括a、b、c三相换流链，每相换流链均包含n个子模块，所述n为大于等于2的整数；所述子模块包含旁路开关，其中所述旁路开关为机械式旁路开关或功率半导体器件构成，或为二者的组合；所述子模块还包含子控制系统。所述分相冗余控制方法包括：主控制系统获取故障旁路子模块的信息，设置各相的有效子模块个数、无效子模块个数和有效子模块的输出电压，使三相换流链的输出电压对称。
[0007]
优选的实施例中，所述子模块按工作状态分为有效子模块、无效子模块和故障旁路子模块：
[0008]
有效子模块：子模块两个桥臂中点之间输出一定幅值的交流电压；
[0009]
无效子模块：子模块两个桥臂中点之间输出电压为零，电压输出能力可恢复；
[0010]
故障旁路子模块：子模块发生故障，两个桥臂中点之间输出电压为零，电压输出能力不可恢复。
[0011]
优选的实施例中，所述子模块是由直流电容与四组功率半导体器件构成的h桥型电路结构，包含两个桥臂，每个桥臂包含上管和下管。
[0012]
优选的实施例中，所述三相换流链的输出电压对称需满足下述关系：
[0013]
三相换流链的输出电压相等，其中ne+nd+nf＝n；
[0014]
ne为有效子模块的个数；nd为无效子模块的个数；nf为故障旁路子模块个数，vei为第i个有效子模块的输出电压。
[0015]
优选的实施例中，根据三相换流链中有效子模块数量的中间数为基准值，设定偏差允许值，当abc三相换流链的有效子模块的个数与基准值之差均小于偏差允许值时，不设置无效子模块，通过调节有效子模块的输出电压，实现三相换流链输出电压对称。
[0016]
优选的实施例中，按照有效子模块转换为无效子模块的方法将无效子模块分为：
[0017]
i类无效子模块：闭合有效子模块的旁路开关；
[0018]
ii类无效子模块：通过对有效子模块的调制，使子模块恒定输出零电平。
[0019]
优选的实施例中，所述ii类无效子模块输出零电平的方式为两个上管同时导通；或两个下管同时导通，或者两个上管和两个下管轮换导通。
[0020]
优选的实施例中，所述两个上管和两个下管轮换导通的周期为10ms的整数倍，轮换导通的时刻为电流过零点。
[0021]
优选的实施例中，所述子模块还包括取能的电流互感器，所述电流互感器串联于交流线路侧，无效子模块在旁路状态下通过串联在线路中的电流互感器取能。
[0022]
优选的实施例中，所述无效子模块在旁路状态下直流电容从外部获取能量，使直流电压维持在一定值vc。
[0023]
优选的实施例中，所述无效子模块在旁路状态下直流电容从外部获取能量，使直流电压维持在一定值vc，所述vc能够维持两个上管或两个下管在导通状态。
[0024]
优选的实施例中，将两类无效子模块恢复为有效子模块的方法分别为：
[0025]
i类无效子模块：分开有效子模块的旁路开关，子模块恢复输出电压；
[0026]
ii类无效子模块：通过改变子模块上下管的调制，结束零电平输出状态，子模块恢复输出电压。
[0027]
优选的实施例中，将本相的无效子模块恢复为有效子模块存在过渡过程，所述过渡过程包括对子模块直流电容的充电时间，所述过渡过程中无效子模块输出电压为零，或直流电容电压的正值或负值，所述过渡状态下的控制方法采用如下任意一种：
[0028]
方法1：将本相有效子模块调高输出电压，待无效子模块转换为有效子模块后，恢复原有输出电压；
[0029]
方法2：将其余相有效子模块电压调低，待无效子模块转换为有效子模块后，恢复原有输出电压。
[0030]
优选的实施例中，所述ii类无效子模块的设置采用两种方法之一：
[0031]
(1)固定设置；
[0032]
(2)非固定设置：其位置在本相换流链中变化，以一定的周期轮换，以保证每个子模块直流电压维持在一定范围。
[0033]
优选的实施例中，在运行中所述i类无效子模块和ii类无效子模块能够互相切换。
[0034]
优选的实施例中，当所述有效子模块转换为无效子模块时，其子控制系统仍然正常运行，监视无效子模块的状态，当无效子模块发生故障时，转换为故障旁路子模块时，将
该信息上报给主控制系统。
[0035]
优选的实施例中，所述串联型换流器的主控系统独立设置或由三相换流链中任意一个子模块的子控制系统充当。
[0036]
优选的实施例中，所述旁路开关为电控分合。
[0037]
优选的实施例中，在任意情况下，任意相换流链的故障旁路子模块数量超出允许数量时，所述串联型换流器停机。
[0038]
优选的实施例中，当所述串联型换流器上电时，所述控制方法步骤如下：
[0039]
步骤1：读取abc三相换流链的有效子模块数量、无效子模块数量、故障旁路子模块数量；
[0040]
步骤2：判断三相换流链有效子模块数量是否一致，如一致跳转到步骤6，如不一致顺序执行步骤3；
[0041]
步骤3：设定三相换流链中有效子模块数量的中间数为基准值mt；较大数定义为max，较小数定义为min，如果同时满足mt-min≤m1，max-mt≤m2，执行步骤5，m1和m2为调压限值1和调压限值2；否则顺序执行步骤4；
[0042]
步骤4：
[0043]
如mt-min＞m1，则基准换流链将一个有效子模块变成一个无效子模块；再跳转步骤3；
[0044]
如max-mt＞m2，则max换流链将一个有效子模块变成一个无效子模块；再跳转步骤3；
[0045]
步骤5：调整abc三相换流链的有效子模块输出电压给定值，使换流链总的输出电压均衡；
[0046]
步骤6：完成子模块状态更新，串联型换流器正常运行；
[0047]
步骤7：运行中实时监测三相故障旁路子模块数，如有新的故障旁路子模块产生，则跳转步骤1。
[0048]
优选的实施例中，步骤4中的调压限值2≥调压限值1。
[0049]
优选的实施例中，在步骤7中设置无效子模块的自动恢复模式，在该模式下，检测到有故障旁路子模块时，判断故障相中是否有无效子模块，如有无效子模块，将无效子模块转换为有效子模块，转换成功后继续恢复到正常运行状态，如没有无效子模块则执行步骤1。
[0050]
另一方面，本申请提出了一种串联型换流器分相冗余控制系统，所述串联型换流器包括a、b、c三相换流链，每相换流链均包含n个子模块，所述n为大于等于2的整数；所述子模块包含旁路开关，其中所述旁路开关为机械式旁路开关或功率半导体器件构成，或为二者的组合。所述分相冗余控制系统包括主控制系统和每个子模块的子控制系统；所述主控制系统包括接收单元和设置单元；
[0051]
所述接收单元，用于通过子控制系统获取故障旁路子模块的信息；
[0052]
所述设置单元，用于根据故障旁路子模块的信息设置各相的有效子模块个数、无效子模块个数和有效子模块的输出电压，使三相换流链的输出电压对称。
[0053]
优选的实施例中，所述子模块按工作状态分为有效子模块、无效子模块和故障旁路子模块：
[0054]
有效子模块：子模块两个桥臂中点之间输出一定幅值的交流电压；
[0055]
无效子模块：子模块两个桥臂中点之间输出电压为零，电压输出能力可恢复；
[0056]
故障旁路子模块：子模块发生故障，两个桥臂中点之间输出电压为零，电压输出能力不可恢复。
[0057]
本申请的有益效果是：
[0058]
(1)提出通过无效子模块的方式控制三相换流链有效子模块的数量，达到间接调节换流链输出电压平衡的目标，其中无效子模块可以设置成旁路模式和零电平两种模式，无效子模块还可以根据系统需要恢复成有效子模块，使其区别于故障旁路子模块；控制灵活，可靠性高。
[0059]
(2)当三相换流链的有效子模块数量接近时，可以通过调节每个子模块的输出电压，使三相换流链输出电压平衡，无需进行子模块状态的切换，这种方式与无效子模块的设置相结合，实现了三相换流链平衡的最优化方案。
附图说明
[0060]
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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，还可以如这些附图获得其他的附图。
[0061]
图1是本申请实施例提供的一种串联型换流器分相冗余控制方法的示意图之一；
[0062]
图2是本申请实施例提供的一种串联型换流器分相冗余控制方法的示意图之二；
[0063]
图3a是本申请实施例提供的有效子模块示意图；
[0064]
图3b是本申请实施例提供的无效子模块示意图之一；
[0065]
图3c是本申请实施例提供的无效子模块示意图之二；
[0066]
图3d是本申请实施例提供的无效子模块示意图之三；
[0067]
图3e是本申请实施例提供的故障旁路子模块示意图；
[0068]
图4是本申请实施例提供的一种分相冗余控制方法的流程图之一；
[0069]
图5是本申请实施例提供的一种分相冗余控制方法的流程图之二。
具体实施方式
[0070]
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0071]
应当理解，本申请的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本申请的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0072]
本实施例提供一种串联型换流器分相冗余控制方法，所述串联型换流器包括a、b、c三相换流链，每相换流链均包含n个子模块，所述n为大于等于2的整数；所述子模块包含旁
路开关，其中所述旁路开关为机械式旁路开关或功率半导体器件构成，或为二者的组合；所述子模块还包含子控制系统。所述分相冗余控制方法包括：主控制系统获取故障旁路子模块的信息，设置各相的有效子模块个数、无效子模块个数和有效子模块的输出电压，使三相换流链的输出电压对称。
[0073]
如图1所示，其中，在本实施例中，abc三相共包含7个子模块，me为有效子模块，md为无效子模块，mf为故障旁路子模块，a相存在1个故障旁路子模块，b相存在2个故障子模，c相存在3个故障旁路子模块。为了维持三相换流链的输出电压对称，a相设置2个无效子模块，b相设置1个无效子模块，使abc三相有效子模块的数量相同，均为4个。每个有效子模块的输出电压相同。
[0074]
如图2所示，本实施例也可以通过调节有效子模块的输出电压，使三相换流链的输出电压对称。在该实施例中不设置无效子模块，abc三相有效子模块的数量分别为6、5、4，以b相子模块输出电压为基准，调低a相有效子模块的输出电压，调高c相有效子模块的输出电压，使abc三相换流链总的输出电压相同。
[0075]
也可以将上述两种方式结合起来设置各相的有效子模块个数、无效子模块个数、有效子模块的输出电压，使三相换流链的输出电压对称。
[0076]
其中，所述子模块是由直流电容与四组功率半导体器件构成的h桥型电路结构，包含两个桥臂，每个桥臂包含上管和下管。
[0077]
其中，所述子模块按工作状态分为有效子模块、无效子模块和故障旁路子模块：
[0078]
有效子模块：子模块两个桥臂中点之间输出一定幅值的交流电压；如图3a所示。
[0079]
无效子模块：子模块两个桥臂中点之间输出电压为零，电压输出能力可恢复；如图3b，3c，3d所示。3b为通过机械旁路开关旁路，3c为通过功率半导体器件开关旁路，3d为零电平输出方式。
[0080]
故障旁路子模块：子模块发生故障，两个桥臂中点之间输出电压为零，电压输出能力不可恢复。如图3e所示，其中一个上管发生故障，旁路开关闭合。
[0081]
其中，所述三相换流链的输出电压对称需满足下述关系：
[0082]
三相换流链的输出电压相等，其中ne+nd+nf＝n；
[0083]
ne为有效子模块的个数；nd为无效子模块的个数；nf为故障旁路子模块个数，vei为第i个有效子模块的输出电压。
[0084]
其中，根据三相换流链中有效子模块数量的中间数为基准值，设定偏差允许值，当abc三相换流链的有效子模块的个数与基准值之差小于偏差允许值时，不设置无效子模块，通过调节有效子模块的输出电压，实现三相换流链输出电压对称。
[0085]
优选的实施例中，按照有效子模块转换为无效子模块的方法将无效子模块分为：
[0086]
i类无效子模块：闭合有效子模块的旁路开关；
[0087]
ii类无效子模块：通过有效子模块上下管的调制，使子模块恒定输出零电平。
[0088]
所述ii类无效子模块输出零电平的方式为两个上管同时导通；或两个下管同时导通，或者两个上管和两个下管轮换导通。
[0089]
其中，所述两个上管和两个下管轮换导通的周期为10ms的整数倍，轮换导通的时
刻为电流过零点。以减少轮换过程中的损耗。
[0090]
优选的实施例中，子模块还包括取能的电流互感器，所述电流互感器串联于交流线路侧，无效子模块在旁路状态下通过串联在线路中的电流互感器取能。
[0091]
优选的实施例中，无效子模块在旁路状态下直流电容从外部获取能量，使直流电压维持在一定值vc，所述vc能够维持两个上管或两个下管在导通状态。
[0092]
优选的实施例中，将两类无效子模块恢复为有效子模块的方法分别为：
[0093]
i类无效子模块：分开有效子模块的旁路开关，子模块恢复输出电压；
[0094]
ii类无效子模块：通过改变子模块上下管的调制，结束零电平输出状态，子模块恢复输出电压。
[0095]
优选的实施例中，将无效子模块恢复为有效子模块存在过渡过程，所述过渡过程包括对子模块直流电容的充电时间，所述过渡过程中无效子模块输出电压为零，或直流电容电压的正值或负值，所述过渡状态下的控制方法采用如下任意一种：
[0096]
方法1：将本相有效子模块调高输出电压，待无效子模块转换为有效子模块后，恢复原有输出电压；
[0097]
方法2：将其余相有效子模块电压调低，待无效子模块转换为有效子模块后，恢复原有输出电压。
[0098]
优选的实施例中，所述ii类无效子模块的设置采用两种方法之一：
[0099]
(1)固定设置；
[0100]
(2)非固定设置：其位置在本相换流链中变化，优选以一定的周期轮换，以保证每个子模块直流电压维持在一定范围。通过非固定设置的轮换方式，以平衡换流链子模块之间的损耗。
[0101]
其中，在运行中所述i类无效子模块和ii类无效子模块可以互相切换。在运行过程中，通过将无效子模块在两类状态之间的切换，避免无效子模块长时间待机状态下失效。
[0102]
其中，当所述有效子模块转换为无效子模块时，其子控制系统仍然正常运行，监视无效子模块的状态，当无效子模块发生故障时，转换为故障旁路子模块时，将该信息上报给主控制系统。
[0103]
优选的实施例中，串联型换流器的主控系统独立设置或由三相换流链中任意一个子模块的子控制系统充当。
[0104]
优选的实施例中旁路开关为电控分合。可以通过控制系统在线控制旁路开关的状态。
[0105]
优选的实施例中，在任意情况下，任意相换流链的故障旁路子模块数量超出允许数量时，所述串联型换流器停机。
[0106]
如图4所示，本发明还提供了所述的分相冗余控制方法的操作步骤，当所述串联型换流器上电时，所述控制方法步骤如下：
[0107]
步骤1：读取abc三相换流链的有效子模块数量、无效子模块数量、故障旁路子模块数量；
[0108]
步骤2：判断三相换流链有效子模块数量是否一致，如一致跳转到步骤6，如不一致顺序执行步骤3；
[0109]
步骤3：设定三相换流链中有效子模块数量的中间数为基准值mt；较大数定义为
max，较小数定义为min，如果同时满足mt-min≤m1，max-mt≤m2，执行步骤5，m1和m2为调压限值1和调压限值2；否则顺序执行步骤4；
[0110]
步骤4：
[0111]
如mt-min＞m1，则基准换流链将一个有效子模块变成一个无效子模块；再跳转步骤3；
[0112]
如max-mt＞m2，则max换流链将一个有效子模块变成一个无效子模块；再跳转步骤3；
[0113]
步骤5：调整abc三相换流链的有效子模块输出电压ve给定值，使换流链总的输出电压均衡；
[0114]
步骤6：完成子模块状态更新，串联型换流器正常运行。
[0115]
步骤7：运行中实时监测三相故障旁路子模块数，如有新的故障旁路子模块产生，则跳转步骤1。
[0116]
其中，步骤4中的调压限值2≥调压限值1；
[0117]
具体说明：当换流器上电时，
[0118]
步骤1：读取abc三相换流链的有效子模块数量、无效子模块数量、故障旁路子模块数量；本实施例中abc三相有效子模块数量为4,6,7，无效子模块数量均为0，故障旁路子模块数量为3,1,0。
[0119]
步骤2：判断三相换流链有效子模块数量是否一致，如一致跳转到步骤6，如不一致顺序执行步骤3；本实施例有效子模块数量分别为4,6,7不一致，顺序执行。
[0120]
步骤3：设定三相换流链中有效子模块数量的中间数为基准值mt；较大数定义为max，较小数定义为min，如果同时满足mt-min≤m1，max-mt≤m2，执行步骤5，否则顺序执行步骤4；在本实施例中，max＝7，mt＝6，min＝4，优选地，m2≥m1，本实施例选取m1＝1，m2＝2；由于mt-min＝2>m1，不满足条件，执行步骤4
[0121]
步骤4：
[0122]
如mt-min＞m1，则基准换流链将一个有效子模块变成一个无效子模块；再跳转步骤3；基准换流链将一个有效子模块变成一个无效子模块，变换后有效子模块个数mt＝5；跳转到步骤3。
[0123]
此时，max＝7，mt＝5，min＝4，m1＝1，m2＝2；
[0124]
max-mt＝m2＝2；
[0125]
mt-min＝m1＝1；
[0126]
满足条件，执行步骤5；
[0127]
步骤5：调整abc三相换流链的有效子模块输出电压ve给定值，在本实施例中，将a相换流链有效子模块的ve调高，b相不变，c相调低，使abc三相换流链总的输出电压均衡；
[0128]
步骤6：完成子模块状态更新，串联型换流器正常运行。
[0129]
步骤7：运行中实时监测三相故障旁路子模块数，如有新的故障旁路子模块产生，则跳转步骤1。
[0130]
待换流器正常运行时，如监测到a相有子模块发生故障，再执行步骤1：
[0131]
步骤1：读取abc三相换流链的有效子模块数量、无效子模块数量、故障旁路子模块数量；本实施例中a相故障旁路子模块+1，有效子模块-1，abc三相有效子模块数量,3,5,7，
无效子模块数量为0,1,0，故障旁路子模块数量为4,1,0。
[0132]
步骤2：判断三相换流链有效子模块数量是否一致，如一致跳转到步骤6，如不一致顺序执行步骤3；本实施例有效子模块数量分别为3,5,7不一致，顺序执行。
[0133]
步骤3：设定三相换流链中有效子模块数量的中间数为基准值mt；较大数定义为max，较小数定义为min，如果同时满足mt-min≤m1，max-mt≤m2，执行步骤5，否则顺序执行步骤4；在本实施例中，max＝7，mt＝5，min＝3，优选地，m2≥m1，本实施例选取m1＝1，m2＝2；由于mt-min＝2>m1，不满足条件，执行步骤4
[0134]
步骤4：
[0135]
如mt-min＞m1，则基准换流链将一个有效子模块变成一个无效子模块；再跳转步骤3；基准换流链将一个有效子模块变成一个无效子模块，变换后有效子模块个数mt＝4；跳转到步骤3。
[0136]
此时，max＝7，mt＝4，min＝3，m1＝1，m2＝2；
[0137]
max-mt>2；不满足条件，执行步骤4；
[0138]
由于max-mt>2，max换流链将一个有效子模块变成一个无效子模块，变换后有效子模块个数max＝6；跳转到步骤3。此时max＝6，mt＝4，min＝3；
[0139]
步骤3中mt-min≤m1，max-mt≤m2条件满足，跳转到步骤5：
[0140]
步骤5：调整abc三相换流链的有效子模块输出电压ve给定值，在本实施例中，将a相换流链有效子模块的ve调高，b相不变，c相调低，使abc三相换流链总的输出电压均衡；
[0141]
步骤6：完成子模块状态更新，串联型换流器再次进入正常运行状态。
[0142]
其中，在步骤7中设置无效子模块的自动恢复模式，在该模式下，检测到有故障旁路子模块时，判断故障相中是否有无效子模块，如有无效子模块，将无效子模块转换为有效子模块，转换成功后继续恢复到正常运行状态，如没有无效子模块则执行步骤1。
[0143]
考虑自动恢复模式下的控制方法步骤如图5所示。
[0144]
本申请的一种串联型换流器分相冗余控制系统实施例，所述串联型换流器包括a、b、c三相换流链，每相换流链均包含n个子模块，所述n为大于等于2的整数；所述子模块包含旁路开关，其中所述旁路开关为机械式旁路开关或功率半导体器件构成，或为二者的组合。所述分相冗余控制系统所述主控制系统包括接收单元和设置单元；
[0145]
所述接收单元，用于通过子控制系统获取故障旁路子模块的信息；
[0146]
所述设置单元，用于根据故障旁路子模块的信息设置各相的有效子模块个数、无效子模块个数和有效子模块的输出电压，使三相换流链的输出电压对称。
[0147]
优选的实施例中，所述子模块按工作状态分为有效子模块、无效子模块和故障旁路子模块：
[0148]
有效子模块：子模块两个桥臂中点之间输出一定幅值的交流电压；
[0149]
无效子模块：子模块两个桥臂中点之间输出电压为零，电压输出能力可恢复；
[0150]
故障旁路子模块：子模块发生故障，两个桥臂中点之间输出电压为零，电压输出能力不可恢复。
[0151]
以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的
改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。