一种多电平变换器故障容错控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种多电平变换器故障容错控制方法及装置，包括：基于双星半桥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；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；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；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。本发明专利技术所公开的故障容错控制方法及装置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

【技术实现步骤摘要】
一种多电平变换器故障容错控制方法及装置


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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，。
[0003]专利技术人在实现本专利技术的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：
[0004]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；
[0005]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；；
[0006]3、现有技术设置多余的冗余模块，增加额外成本。

技术实现思路

[0007]本专利技术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：
[0008]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：
[0009](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；
[0010](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；
[0011](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；
[0012](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；
[0013](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。
[0014]其中，所述通过基于MMC
‑
STATCOM系统确定控制目标具体为：
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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：
[0018]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，N
r
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，N
f
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N
f
，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，一种多电平本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多电平变换器故障容错控制方法及装置，其特征在于，所述方法包括：(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；(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；(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；(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；(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。2.根据权利要求1所述的一种多电平变换器故障容错控制方法及装置，其特征在于，所述通过基于MMC
‑
STATCOM系统确定控制目标具体为：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。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。3.根据权利要求1所述的一种多电平变换器故障容错控制方法及装置，其特征在于，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：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式中，N为半桥子模块数量，N
r
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。不同数量子模块故障下电压提升系数λ应满足式中，N
f
为故障子模块数量。4.根据权利要求1所述的一种多电平变换器故障容错控制方法及装置，其特征在于，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：故障桥臂输出电压最大值及故障相输出电压最大值可...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖迁，张育炜，贾宏杰，穆云飞，于浩霖，余晓丹，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：