一种多电平变换器故障容错控制方法及装置

1.本发明涉及多电平变换器及其应用于微电网领域，尤其涉及一种多电平变换器故障容错控制方法及装置。


背景技术：

2.模块化多电平变换器-静止同步无功补偿(modular multilevel converter-static synchronous compensator,mmc-statcom)系统中存在大量子模块，使其具备良好的模块化特性和出色的谐波特性，并被公认为是statcom最有潜力的拓扑之一。然而，mmc-statcom内部子模块故障会导致设备输出电压异常，严重时可导致系统退出运行。在对子模块故障进行检测和定位后，需保证设备在设备检修与故障模块替换之前能够正常运行。为保证装置可在模块故障下正常运行，通常需在各桥臂设置一定数量的冗余模块，并使其在正常工况下参与运行。模块故障发生后，容错控制用于克服子模块故障对设备运行的影响，保证变换器以可接受的系统性能稳定运行。但是，传统容错控制方法将增加故障桥臂中剩余子模块的电容电压，以维持桥臂电压的输出范围不变。当故障子模块数量超过冗余模块数量时，子模块电容电压无法继续提升，故障相将发生过调制现象，影响设备的正常运行。因此，为提高设备可靠性，有必要对mmc-statcom的容错控制方法进行研究，。
3.发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：
4.1、现有技术注入不规则零序电压，导致mmc上、下各桥臂功率不平衡，进而导致mmc波形畸变；
5.2、在mmc-statcom的实际工程中，三相桥臂的剩余调制空间不高，故现有技术的容错运行能力受限；；
6.3、现有技术设置多余的冗余模块，增加额外成本。


技术实现要素：

7.本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种多电平变换器故障容错控制方法及装置，详见下文描述：
8.第一方面，一种多电平变换器故障容错控制方法，所述方法包括：
9.(1)通过基于双星半桥(double star chopper cell,dscc)模块化多电平变换器(modular multilevel converter,mmc)的静止同步无功补偿器(static synchronous compensator,statcom)系统模型确定控制目标；
10.(2)同时提高故障桥臂以及非故障桥臂子模块电容电压，从而扩大故障相与非故障相电压输出范围；
11.(3)注入较低幅值的基波零序电压，调整三相调制信号，避免故障相出现过调制现象；
12.(4)利用虚拟能量技术，将故障模块能量钳位在参考值，简化桥臂能量均衡控制过程；
13.(5)通过三相mmc-statcom实验样机验证，所提容错控制方法能够在故障子模块数量超过冗余子模块数量的一定范围内，保证mmc-statcom系统持续稳定运行。
14.其中，所述通过基于mmc-statcom系统确定控制目标具体为：
15.所提mmc-statcom容错控制方法其主要包括输出电流控制、桥臂能量及环流控制两部分。其中，输出电流控制主要用于控制变换器输出的有功及无功电流；桥臂能量及环流控制主要用于均衡桥臂间子模块电容电压并抑制环流中的谐波分量。此外，故障桥臂中处于工作状态的模块数量减少，需对故障桥臂的载波进行相应的调整。
16.所提故障容错控制方法主要包括三个环节：环节i为总能量调整环节，主要通过调整总能量参考，控制mmc-statcom所有子模块电容存储能量之和。环节ii为基波零序电压注入环节，用于保证三相输出线电压均衡。环节iii为桥臂能量调整环节，用于均衡各桥臂间的能量及电容电压。
17.其中，所述升高故障桥臂以及非故障桥臂子模块电容电压具体为：
18.为扩大mmc-statcom三相电压输出范围，同时提高三相非故障子模块电容电压参考值至
[0019][0020]
式中，n为半桥子模块数量，nr为冗余子模块数量，v
dc
为直流侧电压，λ为子模块电容电压提升系数。
[0021]
不同数量子模块故障下电压提升系数λ应满足
[0022][0023]
式中，nf为故障子模块数量。
[0024]
其中，所述注入较低幅值的基波零序电压，调整三相调制信号具体为：
[0025]
故障桥臂输出电压最大值及故障相输出电压最大值可表示为
[0026][0027]
式中，u
uft_max
为所提容错控制方法下，故障桥臂输出电压最大值(v)；u
ft_max
为所提容错控制方法下，故障相输出电压最大值(v)。
[0028]
所有子模块电容中存储总能量参考值e
*
为
[0029][0030]
式中，c为子模块电容。
[0031]
容错运行下变换器的输出电流可表示为
[0032][0033]
式中，i
p
为输出电流幅值(a)，ω为电网角频率(rads/s)，为输出电流相角，通常取值为π/2或-π/2(rad)。
[0034]
将mmc-statcom的环流参考表示为
[0035][0036]
式中，e为mmc-statcom中电容存储总能量(j)，k
p1
为上下桥臂能量和控制器参数，k
p2
为上下桥臂能量差控制器参数。
[0037]
φ为转移矩阵中间参数，可表示为
[0038][0039]
通过调整上述环流参考，可实现各桥臂能量间的均衡控制。为控制mmc-statcom的环流，需为系统留出约5％的调制裕度。
[0040]
所注入基波零序电压需满足a相电压等效输出范围在故障前后相同，即ma
′
＝ao。设故障子模块数量为nf，则所需注入零序电压幅值应表示为
[0041][0042]
其中，所述利用虚拟能量技术，将故障模块能量钳位在参考值具体为：
[0043]
采用虚拟能量技术，虚拟桥臂能量可表示为
[0044][0045][0046]
式中，e
uj
为上桥臂虚拟能量(j)，e
lj
为下桥臂虚拟能量(j)，ω
uj
为上桥臂故障子模块序号集合，ω
lj
为下桥臂故障子模块序号集合。
[0047]
将电容存储总虚拟能量e定义为
[0048][0049]
第二方面，一种多电平变换器故障容错控制装置，所述装置包括：
[0050]
升压模块，用于提高故障桥臂以及非故障桥臂子模块电容电压，从而扩大故障相
与非故障相电压输出范围；
[0051]
参考值设置模块，用于确定电容电压升高后的变换器存储总能量、桥臂能量、环流、输出电流等控制目标；
[0052]
总能量调整模块，用于调整总能量参考值，控制mmc-statcom所有子模块电容存储能量之和；
[0053]
基波零序电压模块，用于注入基波零序电压，保证三相输出线电压平衡；
[0054]
输出电流控制模块，用于控制变换器输出的有功及无功电流；
[0055]
桥臂能量及环流控制模块，用于均衡桥臂间子模块电容电压并抑制环流中的谐波分量。
[0056]
本发明提供的技术方案的有益效果是：
[0057]
1)较之传统容错控制方法，所提容错控制方法在故障子模块数量大于冗余模块数量的一定范围内，仍可保证mmc-statocm正常运行，具有更强的容错运行能力；
[0058]
2)较之传统容错控制方法，本发明所提的方法可以限制桥臂电流波动幅度，减少故障桥臂子模块的电容电压增量，降低设备电压应力，提高设备可靠性；
[0059]
3)较之传统容错控制方法，本发明所提的方法基于虚拟能量技术，简化桥臂能量均衡控制过程，降低技术复杂程度，提高技术应用性；
[0060]
为进一步验证所提多电平变换器故障容错控制方法的有效性和实用性，通过实验室三相mmc-statcom样机进行了实验，采用的样机如图5所示。实验参数如表1所示。mmc的交流输出端连接到三相可编程交流电源，mmc的直流侧连接到直流电源，fpga被用作为中央控制器，pss15s92f6-ag(智能电源模块)用作功率模块的开关器件。实验结果通过示波器采集的波形给出。
附图说明
[0061]
图1为dscc结构下的mmc-statcom拓扑结构图；
[0062]
图2为所提故障容错控制方法控制框图；
[0063]
图3为所提控制方法在单个子模块故障下的相量图(n＝3,nr＝1)；
[0064]
其中，图a)为正常运行工况下相量图；图b)为模块故障后相量图；图c)为容错运行控制下相量图。
[0065]
图4为所提方法故障容错运行下的流程图；
[0066]
图5为三相mmc-statcom实验样机；
[0067]
图6为所提容错控制方法下a相上桥臂sm
ua1
故障波形；
[0068]
其中，图a)为输出电流及环流及预测值；图b)为桥臂电流及故障信号；图c)为三相电容电压；图d)为a相故障桥臂电容电压；图e)为桥臂输出电压；图f)为输出线电压。
[0069]
图7为所提容错控制方法下a相上桥臂sm
ua1
及sm
ua2
故障波形；
[0070]
其中，图a)为输出电流及环流及预测值；图b)为桥臂电流及故障信号；图c)为三相电容电压；图d)为a相故障桥臂电容电压；图e)为桥臂输出电压；图f)为输出线电压。
具体实施方式
[0071]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步
地详细描述。
[0072]
为提升系统故障容错运行能力，降低控制器设计复杂等问题，本发明提供了一种多电平变换器故障容错控制方法及装置。
[0073]
实施例1
[0074]
一种多电平变换器故障容错控制方法及装置，该方法包括以下步骤：
[0075]
步骤101：通过基于双星半桥(double star chopper cell,dscc)模块化多电平变换器(modular multilevel converter,mmc)的静止同步无功补偿(static synchronous compensator,statcom)系统模型确定控制目标；
[0076]
步骤102：同时提高故障桥臂以及非故障桥臂子模块电容电压，从而扩大故障相与非故障相电压输出范围；
[0077]
步骤103：注入较低幅值的基波零序电压，调整三相调制信号，避免故障相出现过调制现象；
[0078]
步骤104：利用虚拟能量技术，将故障模块能量钳位在参考值，简化桥臂能量均衡控制过程；
[0079]
步骤105：通过三相mmc-statcom实验样机，测试桥臂子模块发生故障，故障子模块数量小于和大于冗余模块数量两种情况下的控制效果，验证所提容错控制方法的有效性，证明其能够在故障子模块数量超过冗余子模块数量的一定范围内持续运行。
[0080]
下面结合具体的计算公式、附图、实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
[0081]
实施例2
[0082]
步骤201：通过基于双星半桥(double star chopper cell,dscc)模块化多电平变换器(modular multilevel converter,mmc)的静止同步无功补偿(static synchronous compensator,statcom)系统模型确定控制目标；
[0083]
针对基于半桥子模块的双星型mmc-statcom进行说明，其拓扑结构如图1所示。mmc包含三个相单元，每个相单元由上桥臂和下桥臂组成。每个桥臂中含有n个结构相同的半桥子模块和一个桥臂电感(等效电感l
arm
和等效电阻r
arm
)。上桥臂和下桥臂的连接点为所在相的交流端，其经过滤波电感(等效电感l和等效电阻r)连接到交流电网。各半桥子模块的投切可通过控制其内部开关来实现。当子模块处于投入状态时，其输出电压等于电容电压；当子模块处于切除状态时，其输出电压为0。通过控制桥臂中各子模块的投切状态，可在变换器交流侧产生多电平波形。
[0084]
所提mmc-statcom容错控制方法如图2所示。其主要包括输出电流控制、桥臂能量及环流控制两部分。其中，输出电流控制主要用于控制变换器输出的有功及无功电流；桥臂能量及环流控制主要用于均衡桥臂间子模块电容电压并抑制环流中的谐波分量。此外，故障桥臂中处于工作状态的模块数量减少，需对故障桥臂的载波进行相应的调整。
[0085]
所提故障容错控制方法主要包括三个环节。如图2所示，环节i为总能量调整环节，主要通过调整总能量参考，控制mmc-statcom所有子模块电容存储能量之和。环节ii为基波零序电压注入环节，用于保证三相输出线电压均衡。环节iii为桥臂能量调整环节，用于均衡各桥臂间的能量及电容电压。
[0086]
图3中给出a相发生单个子模块故障下所提方法的相量图。图3a)中的va、vb和vc为
正常运行工况下的三相输出电压相量；图3b)中的v'a为故障发生后，a相的输出电压相量。图3c)中的v”a
、v”b
和v”c
为容错运行控制下的三相输出电压相量。
[0087]
当a相子模块故障发生后，该相电压输出范围相应减小。如图3c)所示，为实现容错运行，三相非故障子模块电容电压同时提高，三相电压输出范围也随之增大。故障相输出电压范围提高后，所需注入的基波零序电压幅值也随之降低。同时，还需保证零序电压注入后，其他相输出电压在其输出幅值范围内。
[0088]
容错控制环节i和环节ii分别为总能量调整环节和基波零序电压注入环节。以上桥臂子模块故障为例，总能量参考及基波零序电压幅值分析如下：
[0089]
如图3所示，故障发生后，mmc-statcom的输出相电压幅值取决于故障子模块数量。假设，上桥臂中存在nf个故障子模块，则故障桥臂输出电压最大值及故障相输出电压最大值可表示为
[0090][0091]
式中，n为半桥子模块数量，nr为冗余子模块数量，nf为故障子模块数量，v
dc
为直流侧电压，u
uf_max
为故障桥臂输出电压最大值(v)，u
f_max
为故障相输出电压最大值(v)。
[0092]
步骤202：同时提高故障桥臂以及非故障桥臂子模块电容电压，从而扩大故障相与非故障相电压输出范围；
[0093]
为扩大mmc-statcom系统三相电压输出范围，同时提高三相非故障子模块电压参考值至
[0094][0095]
式中，λ为子模块电容电压提升系数。
[0096]
相应地，直流侧电压将增加到
[0097][0098]
式中，为故障容错运行下的直流侧电压(v)。
[0099]
步骤203：注入较低幅值的基波零序电压，调整三相调制信号，避免故障相出现过调制现象；
[0100]
将式(2)带入到式(1)中，故障桥臂输出电压最大值及故障相输出电压最大值表示为
[0101][0102]
式中，u
uft_max
为所提容错控制方法下，故障桥臂输出电压最大值(v)；u
ft_max
为所提容错控制方法下，故障相输出电压最大值(v)。
[0103]
由于故障相电压输出范围扩大，所需注入的基波零序电压幅值降低，具体如图3c)所示。所注入基波零序电压需满足a相电压等效输出范围在故障前后相同，即ma
′
＝ao。设故障子模块数量为nf，则所需注入零序电压幅值应表示为
[0104][0105]
注入零序电压后，非故障相电压输出幅值也随之提升。如图3所示，在正常运行工况下，mmc-statcom输出相电压最大值为v
dc
/2。则图3c)中ch的幅值为v
dc
/4，ho的幅值为注入上述基波零序电压后，其他非故障相输出电压幅值将提升至
[0106][0107]
为避免出现过调制现象，其他非故障相输出电压幅值应满足
[0108][0109]
将式(6)带入到式(7)中可求得，不同数量子模块电容电压提升系数λ应满足
[0110][0111]
将式(8)带入到式(6)中，可求出所需注入零序电压的幅值，进而可将环节ii中的零序电压参考表示为
[0112]
u0＝v
0 cos(ωt) (9)
[0113]
式中，ω为电网角频率(rads/s)。
[0114]
为控制子模块电容电压和直流侧电压，环节i需要对mmc-statcom电容中存储总能量参考进行调整。基于式(3)中的电容电压参考，可求得所有子模块电容中存储总能量参考值为
[0115][0116]
在环节i中，根据总能量误差，利用比例积分(proportional-integral,pi)控制器计算有功电流参考，从而调整电容存储总能量。在环节ii中，通过基波零序电压注入调整三相调制波，避免故障相发生过调制。
[0117]
步骤204：利用虚拟能量技术，将故障模块能量钳位在参考值，简化桥臂能量均衡控制过程；
[0118]
故障子模块被定为故障后将不再接收控制信号，其电容电压将无法控制在参考值附近。为保证mmc-statcom稳定运行，需消除故障子模块电容电压对桥臂能量均衡控制的影响。此时，为简化桥臂能量参考的计算过程，假设故障子模块电容存储能量为额定值，并依
旧参与桥臂能量均衡控制。该虚拟能量技术无需调整各桥臂能量参考值，可简化桥臂能量均衡控制过程。
[0119]
采用虚拟能量技术，虚拟桥臂能量可表示为
[0120][0121][0122]
式中，e
uj
为上桥臂虚拟能量(j)，e
lj
为下桥臂虚拟能量(j)，ω
uj
为上桥臂故障子模块序号集合，ω
lj
——下桥臂故障子模块序号集合。
[0123]
基于式(11)和式(12)，可将电容存储总虚拟能量e定义为
[0124][0125]
上述定义的电容存储总虚拟能量(e)及虚拟桥臂能量(e
uj
和e
lj
)将用于环节i中的总能量调整和环节iii中的桥臂能量调整。
[0126]
在容错运行过程中，零序电压的注入和系统的非对称运行将导致桥臂能量分布不均衡。
[0127]
具体分析如下：
[0128]
所提容错控制方法的目标是维持无功电流的正常输出。设mmc-statcom仅补偿正序无功电流，则容错运行下变换器的输出电流可表示为
[0129][0130]
式中，i
p
为输出电流幅值(a)，为输出电流相角，通常取值为π/2或-π/2(rad)。
[0131]
此时，三相有功功率可表示为
[0132][0133]
可以看出，基波零序电压注入将导致三相有功功率的不均衡分配。mmc-statcom可通过注入直流环流分量调整三相间的有功功率，可通过注入基波环流分量调整上桥臂和下桥臂间的有功功率。此外，mmc-statcom还需要对环流中的二倍频分量进行抑制。
[0134]
将mmc-statcom的环流参考表示为
[0135][0136]
式中，e为mmc-statcom中电容存储总能量(j)，k
p1
为上下桥臂能量和控制器参数，k
p2
为上下桥臂能量差控制器参数。
[0137]
φ为转移矩阵中间参数，可表示为
[0138][0139]
通过调整上述环流参考，可实现各桥臂能量间的均衡控制。为控制mmc-statcom的环流，需为系统留出约5％的调制裕度。
[0140]
所提控制算法在模块故障发生后的流程如图4所示。当检测到子模块故障时，首先，计算各子模块电容电压参考及存储总能量参考，并通过调节有功电流，控制mmc-statcom的存储总能量。其次，通过零序电压注入，避免故障相发生过调制，获得平衡的线电压。然后，基于虚拟能量的思想，通过调节环流，实现各桥臂能量的均衡控制。根据输出电压参考信号和环流控制电压参考信号生成最终的开关信号。
[0141]
步骤205：通过三相mmc-statcom实验样机，测试桥臂子模块发生故障，故障子模块数量小于和大于冗余模块数量两种情况下的控制效果，验证所提容错控制方法的有效性，证明其能够在故障子模块数量超过冗余子模块数量的一定范围内持续运行。
[0142]
为验证所提容错控制方法的有效性，利用三相mmc-statcom样机进行实验测试。实验参数示于表1中。
[0143]
表1实验参数
[0144][0145][0146]
当a相上桥臂子模块sm
ua1
发生故障时，采用所提容错控制方法下的实验结果如图6所示。如图6a)所示，故障发生前，mmc-statcom输出4a无功电流；故障发生后，输出电流依旧保持在4a左右。采用所提控制方法下，a相上桥臂和下桥臂的桥臂电流如图6b)所示，在故障
发生时，传统容错控制方法下的桥臂电流波动幅度更大。a相上桥臂、a相下桥臂、b相上桥臂和c相上桥臂子模块的电容电压波形如图6c)所示，故障发前，三相电容电压均稳定在约30v左右。模块故障发生后，所提控制方法同时提升三相所有子模块电容电压至约35v。故障桥臂子模块电容电压波形如图6d)所示，其电容电压均衡程度较好。桥臂输出电压与相输出电压如图6e)所示。可以看出，故障发生前，四个子模块均参与运行，故障发生后，a相上桥臂输出电压范围改变，仅有三个子模块参与运行。三相线电压波形如图6f)所示，子模块故障发生前后，mmc-statcom输出线电压基波幅值基本保持不变。
[0147]
上述实验结果表明，当故障子模块数量小于冗余模块数量(nf《nr)时，采用所提容错控制方法，mmc-statocm可以实现容错运行，且故障桥臂子模块的电容电压增量更低。
[0148]
当a相上桥臂第二个子模块sm
ua2
发生故障时，采用所提容错控制方法下的实验波形如图7所示。如图7a)所示，在单个子模块故障时，mmc-statcom输出4a无功电流，环流稳定在0a左右。当a相上桥臂第二个子模块sm
ua2
发生故障时，mmc-statcom输出电流的幅值发生小幅波动，最终稳定在4a左右，环流稳定在0a左右。a相上桥臂和下桥臂的桥臂电流如图7b)所示。a相上桥臂、a相下桥、b相上桥臂、c相上桥臂的子模块电容电压波形如图7c)所示，第二个子模块故障发生前，三相子模块电容电压均稳定在约35v；第二个子模块故障发生后，三相子模块电容电压同时提升至约39v左右。图7d)给出a相上桥臂子模块电容电压波形，第二个子模块在发生故障后不再参与运行，剩余两个子模块电容电压同时提升。a相上桥臂和下桥臂的输出电压波形如图7e)所示，第二个子模块故障发生前，三个子模块参与运行；当第二个子模块故障发生后，仅有两个子模块参与运行，a相上桥臂输出电压范围降低。三相线电压波形如图7f)所示，第二个子模块故障发生前后，mmc-statcom输出线电压基波幅值基本保持不变。
[0149]
上述实验结果表明，采用所提容错控制方法，在故障子模块数量大于冗余模块数量(nf》nr)的一定范围内，mmc-statocm依旧可以正常运行，相比于传统容错控制方法，所提容错控制方法具有更强的容错运行能力。
[0150]
综上所述，该一种多电平变换器故障容错控制方法的优点如下：
[0151]
1)较之传统容错控制方法，所提容错控制方法在故障子模块数量大于冗余模块数量的一定范围内，仍可保证mmc-statocm正常运行，具有更强的容错运行能力；
[0152]
2)较之传统容错控制方法，本发明所提的方法可以限制桥臂电流波动幅度，减少故障桥臂子模块的电容电压增量，降低设备电压应力，提高设备可靠性；
[0153]
3)较之传统容错控制方法，本发明所提的方法基于虚拟能量技术，简化桥臂能量均衡控制过程，降低技术复杂程度，提高技术应用性；
[0154]
4)根据实验验证结果，本发明所提的容错控制方法能够有效地在mmc-statcom应用，具有良好的控制效果。
[0155]
一种多电平变换器故障容错控制装置，该装置包括：
[0156]
升压模块，用于提高故障桥臂以及非故障桥臂子模块电容电压，从而扩大故障相与非故障相电压输出范围；
[0157]
参考值设置模块，用于确定电容电压升高后的变换器存储总能量、桥臂能量、环流、输出电流等控制目标；
[0158]
总能量调整模块，用于调整总能量参考值，控制mmc-statcom所有子模块电容存储
能量之和；
[0159]
基波零序电压模块，用于注入基波零序电压，保证三相输出线电压平衡；
[0160]
输出电流控制模块，用于控制变换器输出的有功及无功电流；
[0161]
桥臂能量及环流控制模块，用于均衡桥臂间子模块电容电压并抑制环流中的谐波分量。
[0162]
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
[0163]
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0164]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。