一种子模块故障下MMC损耗优化控制方法、系统及设备技术方案

本发明专利技术公开了一种子模块故障下MMC损耗优化控制方法、系统及设备，具体方案是：当模块化多电平换流器子模块出现故障后，切除该故障子模块；采用基频环流控制器抑制基频环流；通过实时计算故障桥臂和健康桥臂子模块损耗，以健康桥臂子模块平均损耗为给定值，故障桥臂子模块平均损耗为实际值，将二者之差通过PI控制器输出调节故障桥臂子模块的载波频率，以降低故障桥臂子模块的开关损耗，从而实现故障桥臂和健康桥臂子模块间的损耗平衡。与常规方法相比，本发明专利技术不增加额外的建设成本，控制算法简单且不影响输出电能质量，解决了子模块故障后故障桥臂和健康桥臂间的损耗平衡问题。故障桥臂和健康桥臂间的损耗平衡问题。故障桥臂和健康桥臂间的损耗平衡问题。

【技术实现步骤摘要】
一种子模块故障下MMC损耗优化控制方法、系统及设备


[0001]本专利技术涉及一种子模块故障下模块化多电平换流器损耗优化控制技术，属于多电平电力电子换流器


技术介绍

[0002]MMC(modular multilevel converter，模块化多电平换流器)因其模块化结构、高扩展性、高效率等优点，已成为中高压、大功率应用中最有吸引力的拓扑之一。
[0003]MMC内部包含大量子模块，每个子模块都是一个潜在的故障点。子模块发生故障被旁路后，会导致故障桥臂剩余子模块电容电压升高，损耗增大，使得故障桥臂和剩余五个健康桥臂间的损耗不均衡。损耗不均衡会导致热应力不均衡从而导致子模块寿命分布的不均衡。此外故障桥臂子模块损耗增大、发热增加会导致其故障概率上升，进一步危害MMC的整体可靠性，因此需要对子模块故障下的MMC进行损耗优化控制。
[0004]目前针对MMC的损耗优化控制，常用的方法有改变子模块拓扑结构法、二次环流注入法、基于子模块电容电压平衡控制法等。但改变子模块拓扑结构法会增加MMC建设成本，二次环流注入法只能优化子模块内部器件损耗，无法实现故障桥臂和健康桥臂间的损耗平衡，基于子模块电容电压平衡控制法会增大桥臂内子模块电容电压差异，影响输出电能质量，这些缺点限制了上述方法在实际工程中的应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提出一种子模块故障下,MMC损耗优化控制方法，以实现子模块故障后故障桥臂和健康桥臂间的损耗平衡。
[0006]本专利技术为解决以上技术问题采用以下技术方案：本专利技术提出一种子模块故障下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，包括以下步骤：S1、在模块化多电平换流器正常运行时，当任一子模块出现故障，切除该故障子模块；S2、采用一种基于基频环流抑制的容错控制方法，通过基频环流控制器抑制基频环流，使得模块化多电平换流器仍能保持正常运行；S3、实时测量当前控制周期内，故障桥臂和同相健康桥臂的桥臂电流、子模块电容电压、子模块开关函数。其中，，F代表故障桥臂，H代表健康桥臂，，为该桥臂内剩余子模块数量；S4、利用模块化多电平换流器子模块内各功率器件的损耗计算公式，计算故障桥臂和健康桥臂的子模块平均损耗；S5、以健康桥臂子模块平均损耗为给定值，故障桥臂子模块平均损耗
为实际值，将二者之差通过PI控制器输出调节故障桥臂子模块的载波频率，使得故障桥臂子模块平均损耗与健康桥臂子模块平均损耗相等，最终实现模块化多电平换流器子模块故障下的损耗优化控制。
[0007]进一步的，所述S2中的基频环流抑制采用基于dq解耦的基频环流控制器实现。
[0008]进一步的，所述S3中的子模块开关函数表示为：
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(1) 子模块投入为：第一功率开关器件T1处于导通状态，第二功率开关器件T2处于关断状态。子模块切除为：第一功率开关器件T1处于关断状态，第二功率开关器件T2处于导通状态。
[0009]进一步的，所述S4中的模块化多电平换流器中的桥臂子模块平均损耗计算公式为：
ꢀꢀ
(2)其中，为桥臂内第i个子模块的总损耗，x为桥臂内剩余子模块个数。的计算方法为： (3)其中，和分别为桥臂内第i个子模块中第一功率开关器件T1的导通损耗和开关损耗，和分别为第i个子模块中第二功率开关器件T2的导通损耗和开关损耗，和分别为第i个子模块中第一二极管D1的导通损耗和开关损耗，和分别为第i个子模块中第二二极管D2的导通损耗和开关损耗。
[0010]进一步的，所述、、、的计算方法具体为： (4)公式(4)中，T为一个工频周期，T=0.02s，S
i
为桥臂内第i个子模块的开关函数，为流过桥臂内第i个子模块第一功率开关器件T1的电流，为流过桥臂内第i个子模块第二功率开关器件T2的电流，为流过桥臂内第i个子模块第一二极管D1的电流，为流过桥臂内第i个子模块第二二极管D2的电流，V
CE0
为功率开关器件T1、T2的零电流通态压降，
V
D0
为二极管D1、D2的零电流通态压降，R
CE
为功率开关器件的通态电阻，R
D
为二极管的通态电阻。
[0011]进一步的，所述、、、的计算方法具体为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)公式(5)中，E
on
是功率开关器件的开通能量，E
off
是功率开关器件的关断能量，E
rec
是二极管的反向恢复能量，U
ref
和U
sm
分别是数据表中的测试电压和子模块的平均电容电压。
[0012]进一步的，所述S5中的损耗优化控制具体实施原则为：以健康桥臂子模块平均损耗为给定值，故障桥臂子模块平均损耗为实际值，将二者之差输入一个PI控制器，PI控制器输出为故障桥臂子模块载波频率偏置量，将该偏置量叠加在子模块额定载波频率上，可调节故障桥臂子模块载波频率。当故障桥臂子模块平均损耗大于健康桥臂子模块平均损耗时，降低故障桥臂子模块的载波频率，以减小故障桥臂子模块的开关损耗。当故障桥臂子模块平均损耗小于健康桥臂子模块平均损耗时，提高故障桥臂子模块的载波频率，以增大故障桥臂子模块的开关损耗，最终使得故障桥臂和健康桥臂子模块平均损耗相等。
[0013]本专利技术还提出一种子模块故障下模块化多电平换流器损耗优化控制系统，包括：故障切断模块，用于在模块化多电平换流器正常运行时，当任一子模块出现故障，切除该故障子模块；容错控制模块，用于采用基于基频环流抑制的容错控制方法，通过基频环流控制器抑制基频环流，使得模块化多电平换流器仍能保持正常运行；测量模块，用于实时测量当前控制周期内，故障桥臂和同相健康桥臂的桥臂电流、子模块电容电压、子模块开关函数，其中，，F代表故障桥臂，H代表健康桥臂，，为该桥臂内剩余子模块数量；损耗计算模块，用于利用模块化多电平换流器子模块内各功率器件的损耗计算公式，计算故障桥臂和健康桥臂的子模块平均损耗；优化控制模块，用于以健康桥臂子模块平均损耗为给定值，故障桥臂子模块平均损耗为实际值，将二者之差通过PI控制器输出调节故障桥臂子模块的载波频率，使得故障桥臂子模块平均损耗与健康桥臂子模块平均损耗相等，最终实现模块化多电平换流器子模块故障下的损耗优化控制。
[0014]最后，本专利技术提出一种电子设备，其包括存储器、处理器和存储在存储器中可供处理器运行的程序指令，所述处理器执行所述程序指令以实现本专利技术所述控制方法的步骤。
[0015]本专利技术采用以上技术方案，与现有技术相比具有以下有益效果：（1）本专利技术通过计算故障桥臂和健康桥臂子模块平均损耗，将二者之差输入PI控制器来调节故障桥臂子模块载波频率，从而实现故障桥臂和健康桥臂间的损耗平衡。控制算法简单，便于实施。
[0016]（2）本专利技术仅需改变故障桥臂的子模块载波频率，不改变原有的子模块拓扑结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种子模块故障下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、在模块化多电平换流器正常运行时，当任一子模块出现故障，切除该故障子模块；S2、采用基于基频环流抑制的容错控制方法，通过基频环流控制器抑制基频环流，使得模块化多电平换流器仍能保持正常运行；S3、实时测量当前控制周期内，故障桥臂和同相健康桥臂的桥臂电流、子模块电容电压、子模块开关函数，其中，，F代表故障桥臂，H代表健康桥臂，，为该桥臂内剩余子模块数量；S4、利用模块化多电平换流器子模块内各功率器件的损耗计算公式，计算故障桥臂和健康桥臂的子模块平均损耗；S5、以健康桥臂子模块平均损耗为给定值，故障桥臂子模块平均损耗为实际值，将二者之差通过PI控制器输出调节故障桥臂子模块的载波频率，使得故障桥臂子模块平均损耗与健康桥臂子模块平均损耗相等，最终实现模块化多电平换流器子模块故障下的损耗优化控制。2.根据权利要求1所述的一种子模块故障下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其特征在于，步骤S2中通过基频环流控制器抑制基频环流，是采用基于dq解耦的基频环流控制器实现。3.根据权利要求1所述的一种子模块故障下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其特征在于，所述S3中的子模块开关函数表示为：
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(1)其中，子模块投入为：第一功率开关器件T1处于导通状态，第二功率开关器件T2处于关断状态；子模块切除为：第一功率开关器件T1处于关断状态，第二功率开关器件T2处于导通状态。4.根据权利要求1所述的一种子模块故障下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其特征在于，所述S4中的模块化多电平换流器中的桥臂子模块平均损耗计算公式为：
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(2)其中，为桥臂内第i个子模块的总损耗，x为桥臂内剩余子模块个数，的计算方法为：(3)其中，和分别为桥臂内第i个子模块中第一功率开关器件T1的导通损耗和开关损耗，和分别为第i个子模块中第二功率开关器件T2的导通损耗和开关损耗，和分别为第i个子模块中第一二极管D1的导通损耗和开关损耗，
和分别为第i个子模块中第二二极管D2的导通损耗和开关损耗。5.根据权利要求4所述的一种子模块故障下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其特征在于，所述、、、的计算方法具体为：
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(4)公式(4)中，T为一个工频周期，S
i
为桥臂内第i个子模块的开关函数，为流过桥臂内第i个子模块第一功率开关器件T1的电流，为流过桥臂内第i个子模块第二功率开关器件T2的电流，为流过桥臂内第i个子模块第一二极管D1的电流，为流过桥臂内第i个子模块第二二极管D2的电流，V
CE0
为功率开关器件T1、T2的...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓富金，张涵璐，王宝安，赵纪峰，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：