一种适用于光伏逆变器的双向故障穿越控制策略的制作方法

1.本发明涉及模块化多电平换流器技术领域，具体是一种适用于光伏逆变器 的双向故障穿越控制策略。


背景技术：

2.以光伏、风电为代表的新能源是未来电网发展的重要方向，因此以光伏风 电为主体的新能源汇集、传输是目前电网的热门研究方向之一。柔性直流输电 工程中，为了满足新能源入网的要求，对中低电压等级换流站的需求会逐步增 多。在这种场景下，mmc子模块数量相对较少，典型的最近电平逼近调制(nearestlevel control，nlm)不再适用，采用载波移相pwm(phase-shifted-carrierpwm， psc-pwm)能够更好地发挥换流器的性能，在相对较低的开关频率下消除谐波。
3.针对以mmc为代表的电压源换流器展开了有关拓扑、控制、保护等方面的 许多研究，其中调制方式对电压源换流器的运行性能有关键性影响。而目前针 对mmc调制的研究中，基本集中在单桥臂子模块数目达上百个甚至更多的高压 直流输电场景，而对于中低压场合的研究则基本局限于典型半桥mmc结构，调 制策略应用场景较为局限，且因半桥mmc不具备直流故障穿越能力而不适用于 如光伏等中低压新能源接入场景。为此我们提出一种适用于光伏逆变器的双向 故障穿越控制策略用于解决上述问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种适用于光伏逆变器的双向故障穿越控制策略， 以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
6.一种适用于光伏逆变器的双向故障穿越控制策略，所述双向故障穿越控制 策略同时具备应对交流电网三相电压跌落故障与应对直流侧极间短路故障穿越 能力，且双向故障穿越控制策略采用混合调制技术，根据不同工况的运行需要 切换不同的工作模式，工作模式包括：
7.1.1：正常运行工况；
8.1.2：交流电网电压跌落故障；
9.1.3：直流侧极间短路故障；
10.所述光伏逆变站采用三相混合型mmc拓扑结构，三相混合型mmc拓扑结构 每相有上下两桥臂，各桥臂2个hbsm和2个fbsm的混合mmc结构，基于“虚 拟半桥”视角将fbsm拆分为两个方向相反的hbsm。
11.进一步的，基于“虚拟半桥”视角拆分的所述hbsm左侧为hbsm1，其工作 原理为正常hbsm，右侧为虚拟半桥结构hbsm2，单独控制左右两个hbsm的投切 状态，将两者的输出叠加，从而对fbsm的输出控制，单独控制hbsm1、hbsm2 的投入旁路，从而控制fbsm在正投入、旁路、负投入三种状态之间切换。
12.进一步的，所述1.1：正常运行时，将混合型mmc仍旧视为半桥mmc，依次 将四个触发信号置给四个子模块，维持系统运行，两个真实hbsm与两个fbsm 的左侧等效半桥hbsm1投入。
13.进一步的，所述1.2：交流电网电压跌落故障时，等同工作模式1.1，fbsm 投入左侧hbsm1工作。
14.进一步的，所述1.3：换流站发生直流侧极间短路故障时，两个真实hbsm 与两个fbsm的右侧等效半桥hbsm2投入，fbsm在电路中实际等效为反向的hbsm， 通过输出负压使换流站输出直流电压为零，主动限制短路电流大小，实现故障 穿越。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
16.1.本发明双向故障穿越控制策略采用半桥全桥子模块混合型mmc而非纯全 桥结构，在保证系统正常运行条件下降低了成本；
17.2.本发明双向故障穿越控制策略针对并网逆变器的特殊地位，综合考虑其 稳态、交流故障、直流故障协调控制运行的需求，在控制器中集成设计了应对 交流电网电压跌落与应对直流侧极间短路故障的交直流协同故障穿越控制策略， 交流电网电压跌落故障时可以实现交流故障电流抑制和维持母线电压稳定，直 流侧发生双极短路故障时可主动限制短路电流为零，实现直流故障穿越；
18.3.本发明双向故障穿越控制策略创造性地基于“虚拟半桥”视角进行全桥 子模块拓扑解析奠定了混合调制技术的基础，通过对全桥结构进行“虚拟半桥
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的特殊理解，设计的混合调制策略可通过控制子模块igbt的通断实现子模块灵 活投切，不仅可实现各工况下功率传输、故障穿越需求，而且有效抑制电容纹 波，维持子模块电容电压稳定性。
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，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为三相混合型mmc拓扑结构图；
21.图2为hbsm开关状态表；
22.图3为hbsm电流流通路径；
23.图4为子模块全桥拓扑结构图；
24.图5为全桥子模块拓扑解析示意图；
25.图6为应对交流电网三相电压跌落故障的控制策略图；
26.图7为应对直流侧极间短路故障的故障穿越控制策略图；
27.图8为调制波与载波图；
28.图9为4组载波图；
29.图10为单桥臂4个子模块脉冲触发信号图；
30.图11为正常运行时子模块投入情况图；
31.图12为直流故障穿越运行时子模块投入情况图；
32.图13为有功功率波形图；
33.图14为换流站输出交流电压波形图；
34.图15为换流站输出交流电流波形图；
35.图16为直流母线电压波形图；
36.图17为子模块电容电压波形图。
具体实施方式
37.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。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚 度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系， 仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必 须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限 制。
39.请参阅图1至图17所示，一种适用于光伏逆变器的双向故障穿越控制策略， 其中，图1是三相混合型mmc拓扑结构，每相有上下两桥臂，由于hbsm不具备 直流故障穿越能力，而fbsm成本较hbsm高，因此本发明采用各桥臂2个hbsm2 个fbsm的混合mmc结构，实现换流站功率传输、故障穿越功能。
40.根据图1中的hbsm子模块拓扑结构，图2、图3分别给出了hbsm开关状态 表、电流流通路径，正投入状态时，器件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。
41.图4为子模块全桥拓扑结构，正投入状态时，器件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。
42.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。
43.fbsm比hbsm多了两个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。
44.图5为本发明提出的基于“虚拟半桥”视角的全桥子模块拓扑解析示意图， 将fbsm拆分为两个方向相反的hbsm，左侧可视为hbsm1，其工作原理为正常hbsm， 即器件t1导通，t2关断时为正投入，输出电压uc；器件t1关断，t2导通时为旁 路，子模块输出电压等于0；
45.而将右侧视为虚拟半桥结构hbsm2，其工作原理与正常hbsm相反：器件t3导通，t4关断时为负投入，输出电压-uc；器件t3关断，t4导通时为旁路，子模 块输出电压等于0。
46.因此，可单独控制左右两个hbsm的投切状态，将两者的输出叠加，实现对 fbsm的输出控制。当hbsm1投入而hbsm2旁路时，对外体现为fbsm正投入；当 hbsm1旁路而hbsm2投入时，对外则体现为fbsm负投入，本发明提出的这一视 角大大简化了对fbsm结构的理解，由于hbsm上下开关管信号相反，因此实际 上只需要两个控制信号，单独控制hbsm1的t1、
hbsm2的t3，t2与t1取反，t4与t3取反，即可单独控制hbsm1、hbsm2的投入旁路，进而控制fbsm在正投入、 旁路、负投入三种状态之间切换。
47.图6为基于负序补偿双环控制直流侧电压波动抑制的应对交流电网三相电 压跌落故障的控制策略，可保证在交流电网发生电压跌落故障期间，抑制有功 波动，保持直流电压恒定。
48.图7为基于主动限流控制的应对直流侧极间短路故障的故障穿越控制策略， 其可分为三部分：交流控制环节，直流控制环节，以及阀侧调制控制策略；
49.常规的控制策略的直流控制环节控制换流站直流侧电压/功率输出，其具有 两种运行模式：(1)正常运行模式，即换流站正常运行时，其处于定电压控制 维持换流站直流电压为额定值；(2)故障穿越模式，直流短路故障发生时，其 处于定直流电流控制模式，对直流故障电流进行控制。
50.本发明共具有三种工作模式，通过在不同工作模式间切换满足各工况运行 需要，体现本发明提出的混合调制技术的优越性：
51.工作模式一：为正常运行工况。图8、图9、图10所示分别为载波与调制 波、4组载波、桥臂4个子模块开关脉冲信号。
52.控制器计算得出各桥臂电压调制波，以a相上桥臂为例，四个子模块对应 四组幅值频率相同的载波，依次移相360
°
/4＝90
°
。
53.调制波与四组载波比较产生四个子模块的脉冲信号，对hbsm，将脉冲信号 给上侧igbt，对下侧igbt与之取反，即可控制hbsm投切；对fbsm，由于采用 了虚拟子模块视角，在正常运行时，将脉冲信号给左侧hbsm1上侧igbt，下侧 igbt与之取反，而右侧hbsm2置于旁路状态(如图5所示中，器件t3关断，t4导通)即可；在直流故障穿越运行时，将脉冲信号给右侧hbsm2上侧igbt，下 侧igbt与之取反，而左侧hbsm1置于旁路状态即可。
54.因此基于传统载波移相调制可给出各子模块的调制脉冲信号。在正常运行 工况时，本发明基于虚拟子模块视角，将混合型mmc仍旧视为半桥mmc，因此依 次将四个触发信号置给四个子模块，即可维持系统运行。此时换流站的子模块 投入情况如图11所示(以a相上桥臂四个子模块为例)，两个真实hbsm与两 个fbsm的左侧等效半桥hbsm1投入。
55.工作模式二：在交流电网电压跌落故障时，换流站控制器会跟踪外部电压 跌落，此时调制波输出幅值降低但并没有负压输出需求，因此仍旧等同于工作 模式一调制，fbsm仍旧投入左侧hbsm1工作。
56.工作模式三：在换流站发生直流侧极间短路故障后，直流故障电流快速上 升，故障点直流电压将会迅速跌落。因此控制器通过降低直流调制比，并借助 fbsm输出负压，使得混合型mmc桥臂输出电压的直流分量迅速降低以自适应外 部直流电压，从而限制直流短路电流的持续增长，实现故障穿越。此时换流站 的子模块投入情况如图12所示(以a相上桥臂四个子模块为例)，两个真实hbsm 与两个fbsm的右侧等效半桥hbsm2投入，此时fbsm在电路中实际等效为反向 的hbsm，通过输出负压使换流站输出直流电压为零，主动限制短路电流大小， 实现故障穿越。
57.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13、图14、图15、图16、图17所示，设置在1s时发生电网三项电压跌落 80％交流故障，持续0.2s；在2.1s发生直流侧级间短路故障，持续0.1s；其余 时间为正常运行状态。正常运行和交流
电压跌落故障时，混合调制分别对应工 作于模式一、二，fbsm以左侧hbsm1投入运行。
58.有功功率波形图看出交流电压跌落故障期间，有功功率传输受到影响降低， 基于负序补偿双环控制直流侧电压波动抑制策略可以控制在故障期间，交流网 侧电压跌落而直流母线电压维持稳定在额定值附近，三相电流也稳定可控在额 定值2倍左右，故障后经过短暂震荡系统恢复正常运行，在此期间，调制技术 的作用主要是控制子模块投入实现跟着调制波，由于交流故障无负压输出需求， 因而fbsm的投入情况与稳态相同，在2s发生直流侧短路后，直流侧输出功率 下降为0，直流电压也迅速降至0，而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。在此期间，混合调制 技术的作用是跟着调制波变化，切换为工作模式三，投入fbsm的hbsm2输出负 压，实现故障穿越运行。
59.从图17的子模块电容电压波形可看出，混合调制技术在正常运行、交流电 压跌落故障、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。
60.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例
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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。
61.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。