[发明专利]一种模块化多电平换流器在桥臂不平衡工况下的冗余保护方法

说明书

技术领域

本发明属于电力电子系统技术领域，具体涉及一种模块化多电平换流器在桥臂不平衡工况下的冗余保护方法。

背景技术

随着电力电子技术的蓬勃发展，基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)的高压直流输电(high voltage direct current，HVDC)技术正受到越来越多的关注。和其他电压源型换流器拓扑相比，模块化多电平换流器具有显著优势，由于采用基本运行单元级联的形式，该拓扑避免了大量开关器件直接串联，不存在一致触发等问题。该拓扑可在保证经济性的同时输出高品质电压波形，因此近年来被迅速应用到新能源并网、海上风电送出等场合。

换流器的容错运行能力是实际工程中关注的重点。典型的三相MMC换流器的系统结构如图1所示。换流器共包含6个桥臂，其中每桥臂均包含Ntotal个子模块以及一个桥臂电抗；此外，一般还会配置一定数量的冗余子模块，以增强系统鲁棒性。为了实现较高的电压等级，每桥臂串联子模块数通常很大，因此，实际运行中子模块发生故障的概率将大大增加。

由于可以有效避免机械开关的操作时间及备用子模块的充电时间对系统的影响，在实际工程中，冗余子模块通常运行在热备用模式。在此模式下，冗余子模块和常规子模块共同参与电压排序及投切操作，在系统调制中并无明显区分。当子模块发生故障后，故障子模块需被快速切除。此时非故障桥臂若不旁路相同个数的子模块，则桥臂级联子模块的个数将不再相等，换流器将运行在桥臂不对称的状态下。

对于子模块故障保护以及换流器容错运行策略，大多集中在桥臂平衡的情况下，对于桥臂不平衡情况下的系统特性，特别是内部电气量的耦合关系并没有进行深入分析。事实上，桥臂不平衡在实际运行中是较为常见的运行状态，由于桥臂级联子模块的个数发生了改变，其开关函数以及等效电容均会发生改变。这将导致交流电流在桥臂间的不均匀分配，进而影响与其耦合的相关电气量。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种模块化多电平换流器在桥臂不平衡工况下的冗余保护方法，在子模块故障发生后无需切除非故障桥臂子模块，同时通过调整子模块电压基值，以降低桥臂不对称度，可使换流器可在桥臂不平衡状态下保持良好的运行特性，有效增强换流器抵御子模块故障的能力。

一种模块化多电平换流器在桥臂不平衡工况下的冗余保护方法，所述模块化多电平换流器为三相六桥臂结构，每个桥臂由N_total个半桥子模块级联组成，N_total＝N_rated+N_redundant,dc，N_rated为桥臂额定子模块数量，N_redundant,dc为桥臂冗余子模块数量；

所述冗余保护方法包括如下步骤：

(1)当换流器中的某一相处在桥臂不平衡运行工况下，根据该不平衡相的桥臂电流计算得到对应的补偿电压u_add；

(2)利用补偿电压u_add计算该不平衡相修正后的上下桥臂电压参考值u_{arm,p_ref}和u_{arm,n_ref}；

(3)计算确定换流器实际运行时的新增桥臂冗余子模块个数N_redundant,ac；

(4)根据新增桥臂冗余子模块个数N_redundant,ac对该不平衡相上桥臂最大投入子模块个数N_max,p或下桥臂最大投入子模块个数N_max,n进行相应调整；

(5)根据上下桥臂最大投入子模块个数N_max,p和N_max,n以及上下桥臂电压参考值u_{arm,p_ref}和u_{arm,n_ref}，计算确定下一时刻该不平衡相上下桥臂应投入子模块个数N_on,p和N_on,n，并依此对该不平衡相中的子模块进行投切控制。

所述步骤(1)中计算补偿电压u_add的过程为：采集该不平衡相上桥臂瞬时电流和下桥臂瞬时电流，使上下桥臂瞬时电流相加后的结果通过滤波器提取出其基频分量，进而对该基频分量的有效值进行PI(比例积分)控制，得到该不平衡相的补偿电压u_add。