本發(fā)明涉及一種MMC換流系統(tǒng)及其容錯控制方法。
背景技術:
目前,傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)(又稱電網換相換流器高壓直流輸電系統(tǒng),Line Commutated Converter Based High Voltage Direct Current,LCC-HVDC)由于其技術成熟,輸電容量高、有功功率快速可控等優(yōu)勢得到廣泛應用。但是,LCC-HVDC系統(tǒng)存在著逆變站換相失敗、無法對弱交流系統(tǒng)供電、運行過程中需要消耗大量無功功率等缺陷,在一定程度上制約它的發(fā)展。
隨著電力科技的發(fā)展,以全控型電力電子器件為基礎的電壓源型換流器高壓直流輸電(Voltage Source Converter Based High Voltage Direct Current,VSC-HVDC)因其獨立的有功、無功控制能力、無換相失敗風險、可為無源孤島供電等諸多優(yōu)點得到學術界與工業(yè)界的青睞,中國學者將其命名為柔性直流輸電技術。
基于MMC的柔性直流輸電系統(tǒng)具有開關頻率較低、開關損耗小、無需交流濾波器組和擴展性強等優(yōu)點,成為柔性直流輸電系統(tǒng)的主流趨勢。但是,常規(guī)的由子模塊MMC構成的柔性換流系統(tǒng),比如申請?zhí)枮?01410400214.8的中國專利申請文件中公開的MMC拓撲結構,由于單個換流器的容量等級偏低,從而制約了其在遠距離大容量輸電場合的運用。
技術實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是提供一種MMC換流系統(tǒng)及其容錯控制方法,用以解決傳統(tǒng)的柔性換流系統(tǒng)容量等級較低的問題。
為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的方案包括一種MMC換流系統(tǒng),包括m×n個MMC換流單元,構成一個m×n階矩陣,每一個MMC換流單元為該矩陣中的其中一個矩陣單元,屬于同一列的矩陣單元依次連接,屬于同一行的矩陣單元依次連接;
每個MMC換流單元中的每條橋臂上均設置有至少一個全橋子模塊。
每個MMC換流單元中的每條橋臂均由全橋子模塊和半橋子模塊按照設定的比例構成。
一種專用于上述MMC換流系統(tǒng)的MMC換流系統(tǒng)容錯控制方法,包括三層容錯控制,第一層控制為矩陣單元容錯控制,第二層為矩陣行容錯控制,第三層為矩陣列容錯控制,
所述第一層容錯控制為:根據矩陣單元中的子模塊故障率滿足的條件來對矩陣單元進行相應地控制;所述子模塊故障率為某一個橋臂上的故障子模塊的個數(shù)與該橋臂在額定直流電壓運行時投入的最大子模塊個數(shù)的比值;
所述第二層容錯控制為:當某一個矩陣行中的某一個矩陣單元的故障橋臂健全子模塊的電壓控制指令大于第一設定倍數(shù)的額定值時,對該矩陣行實行所述第二層控制,利用全橋子模塊輸出負壓的能力將本矩陣行的直流電壓降低至所述額定值的第二設定倍數(shù);所述故障橋臂健全子模塊為出現(xiàn)故障的橋臂中沒有故障的子模塊;
所述第三層容錯控制為:根據某一個矩陣列中的某一個矩陣單元的故障類型對該換流系統(tǒng)進行相應地控制。
實現(xiàn)所述根據矩陣單元中的子模塊故障率滿足的條件來相應地對矩陣單元進行相應地控制的手段為:
當矩陣單元發(fā)生子模塊故障時,首先利用旁路開關旁路掉故障子模塊,然后檢測橋臂子模塊故障率,當故障率低于設定值時,控制投入冗余子模塊以替換故障子模塊,使對應橋臂輸出的電壓不變;當故障率高于所述設定值時,提升故障橋臂上的每一個正常子模塊輸出的電壓,以使該矩陣單元對稱運行。
在所述第二層容錯控制中,當利用全橋子模塊輸出負壓的能力不能將對應矩陣行的直流電壓降低至所述額定值的第二設定倍數(shù)時,控制旁路掉該矩陣行中所有的矩陣單元。
在所述第二層容錯控制中,檢測所述某一個矩陣行中的所有的矩陣單元的橋臂電流,并得出最大的橋臂電流,當最大的橋臂電流在控制開關的電流應力耐受范圍內時,換流系統(tǒng)維持原功率運行,且所有的矩陣行按照各自直流電壓的比例來分配換流系統(tǒng)的輸出功率;當最大的橋臂電流不在控制開關的電流應力耐受范圍內時,降低換流系統(tǒng)的輸出功率,且所有的矩陣行以允許的最大輸出功率運行。
在所述控制旁路掉該矩陣行中所有的矩陣單元之后,檢測健全矩陣行中的所有的矩陣單元的橋臂電流,并得出最大的橋臂電流,當最大的橋臂電流在控制開關的電流應力耐受范圍內時,換流系統(tǒng)健全矩陣行按照各自直流電壓的比例來分配換流系統(tǒng)的輸出功率;當最大的橋臂電流不在控制開關的電流應力耐受范圍內時,降低換流系統(tǒng)的輸出功率,健全矩陣行以允許的最大輸出功率運行;其中,健全矩陣行是換流系統(tǒng)中除了被旁路掉的矩陣行之外的所有的矩陣行。
實現(xiàn)所述根據某一個矩陣列中的某一個矩陣單元的故障類型對該換流系統(tǒng)進行相應地控制的手段為:
首先,判斷該矩陣單元的故障類型;
然后,當為開路故障時,閉鎖該矩陣單元;當為短路故障時,首先將同行健全列矩陣單元輸出電壓控制為零,并跳開同行健全列矩陣單元對應的交流斷路器,然后控制同行矩陣列矩陣單元全部旁路;
所述同行健全列矩陣單元是指:與出現(xiàn)故障的矩陣單元處于同一行、不屬于同一列、且未發(fā)生故障的矩陣單元;
所述同行矩陣列矩陣單元是指:與出現(xiàn)故障的矩陣單元處于同一行、不屬于同一列的矩陣單元。
在針對開路故障進行相應的控制之后,檢測所有的同行健全列矩陣單元中的橋臂電流,找到最大的電流值,當最大的電流值在控制開關電流應力耐受范圍內時,所有的同行健全列矩陣單元增加功率以維持功率平衡運行,當最大的電流值超出控制開關電流應力耐受范圍時,則降低矩陣換流系統(tǒng)輸出功率,按照同行健全列矩陣單元允許的最大電流進行功率傳輸;
在針對短路故障進行相應的控制之后,檢測健全矩陣行中所有的矩陣單元中的橋臂電流,找到最大的電流值,當最大的電流值在控制開關電流應力耐受范圍內時,健全矩陣行增加功率以維持功率平衡運行;當最大的電流值超出電流應力耐受范圍時,則降低矩陣換流系統(tǒng)輸出功率,按照健全矩陣行允許的最大功率進行傳輸;所述健全矩陣行是換流系統(tǒng)中不含故障矩陣單元的矩陣行。
第一層容錯控制、第二層容錯控制和第三層容錯控制的優(yōu)先級的大小為:第一層容錯控制的優(yōu)先級大于第二層容錯控制的優(yōu)先級,第二層容錯控制的優(yōu)先級大于第三層容錯控制的優(yōu)先級。
本發(fā)明提供的MMC換流系統(tǒng)整體上可以看作一個矩陣,每個矩陣單元為一個MMC換流器,所以該換流系統(tǒng)以MMC作為基本換流單元,通過串聯(lián)升壓和并聯(lián)增流的方式,構成矩陣式高壓大容量柔性換流系統(tǒng),利用換流器的矩陣式組合可以實現(xiàn)高壓大容量的要求,并且通過每個MMC換流器中的全橋子模塊來實現(xiàn)交直流故障的靈活穿越控制;同時,矩陣式組合能夠提高整個換流系統(tǒng)的冗余容錯能力。
由于目前對于組合式柔性直流換流器的研究尚處于初期階段,特別是對于矩陣式柔性換流系統(tǒng)的協(xié)調控制保護策略等還處于空白狀態(tài),更沒有矩陣式柔性換流系統(tǒng)容錯控制策略的相關報道,所以,本發(fā)明提供的換流系統(tǒng)具有重大的意義,能夠顯著提升大容量換流系統(tǒng)的研發(fā)進度。
并且,基于本發(fā)明提供的矩陣式MMC換流系統(tǒng),本發(fā)明還提供一種該換流系統(tǒng)的分層次冗余容錯控制方法,通過矩陣單元、矩陣行和矩陣列三個層次的容錯控制,實現(xiàn)了柔性換流系統(tǒng)的交叉冗余容錯控制,填補了行業(yè)空白,極大提高了高壓大容量柔性換流系統(tǒng)可靠性,有利于產業(yè)推廣。
附圖說明
圖1是本發(fā)明提供的MMC換流系統(tǒng)整體結構示意圖;
圖2是半橋子模塊的拓撲結構示意圖;
圖3是全橋子模塊的拓撲結構示意圖;
圖4是總體容錯控制策略流程示意圖;
圖5是矩陣單元層次的容錯控制策略流程示意圖;
圖6是矩陣行層次的容錯控制策略流程示意圖;
圖7是矩陣列層次的容錯控制策略流程示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細的說明。
圖1給出了基于子模塊混合型MMC換流器單元的矩陣式柔性換流系統(tǒng)拓撲結構,該拓撲包含m×n個子模塊混合型MMC換流器單元,這m×n個MMC換流器單元構成一個矩陣,該矩陣中的矩陣單元是MMC換流器。其中m代表矩陣式換流系統(tǒng)的矩陣行數(shù),即MMC單元的串聯(lián)數(shù)量,m決定了矩陣式換流系統(tǒng)的直流電壓等級;n代表矩陣式換流系統(tǒng)的矩陣列數(shù),即MMC單元串的并聯(lián)數(shù)量,n決定了矩陣式換流系統(tǒng)的直流電流等級;m和n共同決定了矩陣式換流系統(tǒng)容量。
為了便于容錯控制,每個MMC換流器單元中的每個橋臂中均設置有至少一個全橋子模塊,進一步地,在本實施例中,每個MMC換流器單元中的每個橋臂是由全橋子模塊和半橋子模塊按照設定的比例構成。半橋子模塊和全橋子模塊以全控型電力電子器件如IGBT為基礎構成,其拓撲結構如圖2、圖3所示,其中,T代表全控型電力電子開關器件,D代表開關器件反并聯(lián)二極管,S代表旁路開關,C代表子模塊直流電容。
基于上述矩陣式MMC換流系統(tǒng),本發(fā)明還提供一種該MMC換流系統(tǒng)的容錯控制方法,基于矩陣結構,分別從矩陣單元、矩陣行和矩陣列三個層次進行容錯控制。
如圖4所示,給出了三個層次冗余容錯方法之間的優(yōu)先配合邏輯,其中第一個層次——矩陣單元的控制是基礎,應該優(yōu)先保證實施,第二個層次——矩陣行的控制是第一個層次的緊密配合,應該次優(yōu)保證實施,第三個層次——矩陣列的控制是故障進一步惡化的容錯手段,可在最后實施。第一層次,矩陣中的換流器單元容錯控制方法,從而最大限度保證換流系統(tǒng)基本設備可用率,為后續(xù)更高層次的容錯提供基礎保障;第二層次,矩陣行容錯控制方法,從而最大限度保證換流系統(tǒng)的直流電壓支撐能力;第三層次,矩陣列容錯控制方法,從而最大限度保證換流系統(tǒng)的直流電流支撐能力。
以下對這三個層次的容錯控制分別進行說明。
如圖5所示,為第一層次即矩陣單元容錯控制的流程圖。對于任意一個矩陣單元,當該矩陣單元發(fā)生子模塊故障時,首先利用旁路開關S旁路故障子模塊,然后檢測橋臂子模塊故障率。子模塊故障率為某一個橋臂上的故障子模塊的個數(shù)與該橋臂在額定直流電壓運行時投入的最大子模塊個數(shù)的比值。本實施例中,給出了子模塊故障率的一個計算公式,見式(1)。
式中:Nsum為額定直流電壓運行時橋臂需投入的最大子模塊數(shù)量,Nf為橋臂中故障子模塊的數(shù)量。
當某一個橋臂上的故障子模塊個數(shù)較少時,即該橋臂的子模塊故障率低于一個設定的閾值時(本實施例以5%為例),為保證故障后換流系統(tǒng)的快速響應特性,按照子模塊電壓指令不變的原則進行故障橋臂健全子模塊的均壓控制,即控制投入與故障子模塊相同個數(shù)的冗余子模塊以替換故障子模塊,使該橋臂輸出的電壓不變;當該橋臂上的故障子模塊個數(shù)較多時,即該橋臂的子模塊故障率高于該設定的閾值時(本實施例以5%為例),為防止橋臂能量不均衡導致的直流電壓電流波動過大,轉為基于橋臂能量平衡的子模塊電壓提升容錯控制,即提升該故障橋臂上的每一個健全子模塊輸出的電壓,以使該矩陣單元對稱運行。其中,故障橋臂健全子模塊是指:發(fā)生有子模塊故障的橋臂中,其余未發(fā)生故障仍在正常運行的子模塊。
本實施例中,故障橋臂中的健全子模塊的電壓提升指令如式(2)所示,從而最大程度保證矩陣單元的快速平穩(wěn)冗余容錯能力。
式中:Udc為矩陣單元直流運行電壓。
比如:矩陣單元要輸出100kV的電壓,每個子模塊的電壓為2kV,則橋臂中需要投入50個子模塊串聯(lián),以達到100kV的輸出電壓。
當此時有子模塊故障時,可以通過冗余模塊的投入,使輸出電壓不變。比如一個橋臂有60個子模塊,輸出100kV電壓時則有10個模塊冗余,當有一個子模塊故障時,投入一個2kV的冗余模塊,輸出100kV的電壓不受影響,這樣做的好處是暫態(tài)響應快;這個就是所謂的子模塊電壓不變容錯策略。
但是由于MMC是三相6橋臂結構,當單個橋臂中的故障子模塊較多時(一般超過5%以后),其他健全相橋臂中正常運行的子模塊個數(shù)較多,同樣電壓下的電容儲能就高,必然導致MMC單元橋臂間不對稱儲能運行,不對稱運行的后果就是導致直流電壓的二倍頻波動,影響直流系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度。因此為了兼顧響應快和故障子模塊較多后導致MMC不對稱運行加劇,提出將故障橋臂子模塊的電壓進行提升,這樣雖然故障橋臂與健全橋臂相比,子模塊個數(shù)少,但是由于單個子模塊電壓提升以后儲能增加,MMC單元可以恢復對稱運行,避免了直流電壓的二倍頻波動。其具體實現(xiàn)為:利用公式(2)來計算提升故障橋臂子模塊電壓目標值,然后該橋臂的子模塊投入個數(shù)由100kV除于公式(2)的計算結果即可,即投入個數(shù)將減少,故障橋臂子模塊在該過程中會被充電到利用公式(2)得到的數(shù)值,因此會犧牲一定的響應特性。
如圖6所示,為第二層次即矩陣行容錯控制流程圖。對于某一個矩陣行,當該矩陣行中的某一個矩陣單元出現(xiàn)故障時,故障橋臂的健全子模塊的電壓控制指令值大于第一設定倍數(shù)(本實施例以105%為例)的額定值時,對該矩陣行實施該第二層次的控制。其中,故障橋臂的健全子模塊的電壓控制指令值可以是該故障橋臂中的所有的健全子模塊的電壓的平均值,也可以是該故障橋臂中的所有的健全子模塊的電壓中的最大值,或者采用其他方式獲取,本實施例以平均值為例,并給出一個計算公式,如公式(3)所示。
上式中:為故障橋臂中的所有的健全子模塊的輸出電壓的平均值;∑Usm_arm為橋臂電壓;Ntotal為一個橋臂上的子模塊的總數(shù);LPF為一階低通濾波器,濾波截止頻率為所聯(lián)接交流電網基波頻率的0.707倍;Nf為該橋臂上的故障子模塊的個數(shù)。
當子模塊平均電壓大于額定值的第一設定倍數(shù)(105%)時,則處于該矩陣行中的所有的矩陣單元利用全橋子模塊輸出負壓的能力,統(tǒng)一將本矩陣行直流電壓降低至額定值的第二設定倍數(shù)(本實施例以95%為例),如此循環(huán),以減小運行子模塊的過壓旁路風險。
同時,檢測該矩陣行中的所有的矩陣單元中的橋臂電流,得到多個電流值,找到其中最大的橋臂電流,當最大的橋臂電流在控制開關(IGBT)的電流應力耐受范圍內時,該換流系統(tǒng)按照原定換流功率進行運行和控制,且所有的矩陣行按照各自直流電壓的比例來分配換流系統(tǒng)的輸出功率;當最大的橋臂電流不在控制開關(IGBT)的電流應力耐受范圍內時,降低換流系統(tǒng)的輸出功率,且所有的矩陣行以允許的最大輸出功率運行。其中,控制開關的電流應力耐受范圍是由控制開關,即IGBT決定,其是IGBT的指標參數(shù),只要IGBT定了,其電流應力耐受范圍也就定了。
其中,矩陣行按照各自直流電壓的比例來分配換流系統(tǒng)的輸出功率的公式為以下公式(4)。
另外,當全橋子模塊負壓輸出能力被用完時,停止直流降壓循環(huán);并且,當超出全橋子模塊負壓輸出能力時,即當利用全橋子模塊輸出負壓的能力不能將該矩陣行的直流電壓降低至上述額定值的第二設定倍數(shù)(本實施例以95%為例),控制旁路掉該矩陣行中所有的矩陣單元。
同時,當控制旁路掉該矩陣行中所有的矩陣單元之后,檢測所有的健全矩陣行中的所有的矩陣單元中的橋臂電流,得到多個電流值,找到其中最大的橋臂電流,當最大的橋臂電流在控制開關(IGBT)的電流應力耐受范圍內時,換流系統(tǒng)按照原定換流功率進行運行和控制,且所有的健全矩陣行按照各自直流電壓的比例來分配換流系統(tǒng)的輸出功率;當最大的橋臂電流不在控制開關(IGBT)的電流應力耐受范圍內時,降低換流系統(tǒng)的輸出功率,且所有的健全矩陣行以允許的最大輸出功率運行。其中,控制開關的電流應力耐受范圍是由控制開關,即IGBT決定,其是IGBT的指標參數(shù),只要IGBT定了,其電流應力耐受范圍也就定了。
其中,健全矩陣行按照各自直流電壓的比例來分配換流系統(tǒng)的輸出功率的公式也按照上述公式(4)進行分配。健全矩陣行是指:未被整體旁路的仍在持續(xù)運行中的矩陣行。
如圖7所示,為第三層次即矩陣列容錯控制流程圖。該矩陣列的控制的思路在于:根據某一個矩陣列中的某一個矩陣單元的故障類型對該換流系統(tǒng)進行相應地控制,這里的故障類型分為開路和短路兩種。
首先,檢測該矩陣列的故障狀態(tài),即該矩陣列中的故障矩陣單元的故障類型,當為開路故障時,閉鎖該故障MMC換流單元;當為短路故障時,首先將同行健全列矩陣單元輸出電壓控制為零,并跳開同行健全列矩陣單元對應的交流斷路器,然后控制同行矩陣列矩陣單元全部旁路。其中,同行健全列矩陣單元是指:與出現(xiàn)故障的矩陣單元處于同一行、不屬于同一列、且未發(fā)生故障的矩陣單元;同行矩陣列矩陣單元是指:與出現(xiàn)故障的矩陣單元處于同一行、不屬于同一列的矩陣單元。所以,同行矩陣列矩陣單元包括同行健全列矩陣單元。
在針對開路故障進行相應的控制之后,檢測全部的同行健全列矩陣單元中的橋臂電流,找到最大的電流值,當該最大的電流值在控制開關電流應力耐受范圍內時,所有的同行健全列矩陣單元增加功率以維持功率平衡運行,當該最大的電流值超出電流應力耐受范圍時,則降低矩陣換流系統(tǒng)輸出功率,按照同行健全列矩陣單元允許的最大電流進行功率傳輸。
在針對短路故障進行相應的控制之后,檢測健全矩陣行中所有的矩陣單元中的橋臂電流,找到最大的電流值,當該最大的電流值在控制開關電流應力耐受范圍內時,健全矩陣行增加功率以維持功率平衡運行;當該最大的電流值超出電流應力耐受范圍時,則降低矩陣換流系統(tǒng)輸出功率,按照健全矩陣行允許的最大功率進行傳輸。
以下以一個2×2的±1000kV/12000MW矩陣式MMC換流系統(tǒng)來說明上述換流系統(tǒng)的控制方法。
上述矩陣式MMC系統(tǒng)的MMC單元為1000kV/3000MW電壓源型換流器,主要電氣參數(shù)為:采用4500V/3000A規(guī)格的IGBT器件,子模塊規(guī)格為2500V/3000A,考慮10%的冗余子模塊配置,則MMC單元單個橋臂的子模塊數(shù)量為1000/2.5×1.1=440個;考慮MMC單元零直流電壓控制能力,半橋子模塊與全橋子模塊的占比為1:1;MMC單元的閥側空載交流線電壓有效值設計為520kV。
首先進行第一層次容錯示例說明,當MMC11的A上橋臂發(fā)生10個子模塊故障時,此時子模塊故障率為10/400=2.5%,應維持MMC11子模塊電壓不變繼續(xù)運行,投入10個冗余子模塊來代替故障子模塊;當MMC11某個橋臂子模塊故障累計為20個,即故障率達到5%,增大健全子模塊的輸出電壓值,即將MMC11故障橋臂健全子模塊電壓指令控制為sqrt(400/(400-20))×2500=2564.9V,整個MMC換流系統(tǒng)持續(xù)運行。
當MMC11由于子模塊故障增加導致故障橋臂健全子模塊控制指令大于1.05倍的額定值時,將啟動第二層次即矩陣行容錯控制流程,此時可計算MMC11的單個橋臂故障子模塊數(shù)至少為400-400/1.05^2=38個(向上取整),此時的故障橋臂健全子模塊電壓指令為sqrt(400/(400-38))×2500=1.0512×2500=2627.9V;因此利用MMC11和MMC12的全橋子模塊輸出負電壓能力,控制第一行直流電壓Vdc1為1000×0.95=950kV,此時MMC12如果沒有子模塊故障,則其子模塊電壓指令值應為950e3/400=2375V,而MMC11中有38個故障子模塊橋臂的健全子模塊電壓指令值應為sqrt(400/(400-38))×2375=2496.5V;按照3000MW的額定換流功率計算,此時第一行矩陣的橋臂電流應力為3000e6/950e3/3+3000e6/520e3/1.732/2=2718.1A,未超過3000A的IGBT器件電流應力允許值,系統(tǒng)仍可以3000MW×4即12000MW滿負荷運行;
當由于MMC11子模塊故障而導致第一矩陣行被整體旁路時,系統(tǒng)只能利用第二行進行功率傳輸,此時僅能輸送6000MW功率,即系統(tǒng)將降額運行。
最后進行第三層次即矩陣列容錯控制示例說明,仍以MMC11為例,當MMC11為開路故障時,首先閉鎖MMC11換流單元;受電流應力的限制,系統(tǒng)將損失一半的功率,系統(tǒng)最大可以運行在±1000kV/6000MW功率狀態(tài)下;當MMC11為短路故障時,MMC12輸出直流電壓立即控制為零,跳開MMC12對應的交流斷路器,然后下發(fā)MMC12旁路命令;受電流應力的限制,系統(tǒng)仍將損失一半的功率,系統(tǒng)最大可以運行在-1000kV/6000MW功率狀態(tài)下。
以上給出了具體的實施方式,但本發(fā)明不局限于所描述的實施方式。本發(fā)明的基本思路在于上述基本方案,對本領域普通技術人員而言,根據本發(fā)明的教導,設計出各種變形的模型、公式、參數(shù)并不需要花費創(chuàng)造性勞動。在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下對實施方式進行的變化、修改、替換和變型仍落入本發(fā)明的保護范圍內。