CN104079153B - 一种提高串联链式变流设备动态响应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种提高串联链式变流设备动态响应的方法，基于串联模块的变流设备拓扑，所述拓扑包括至少2个依次串接的串联模块；将整个拓扑结构中的串联模块依次循环作为冗余模块，进行旁路处理：阀基控制装置下发旁路命令到其中一个或多个模块的串联模块内部控制板，串联模块内部控制板直接控制串联模块的可控器件脉冲，使该模块处于旁路状态、冗余备用；间隔一段时间后，阀基控制装置收回发给该模块的旁路命令，并下发旁路命令到下一个或多个模块的串联模块内部控制板，实现依次移位循环冗余。此方法可满足串联链式变流设备的可靠性和动态响应性能，控制简单，且避免了***电压对设备的电流冲击。

Description

一种提高串联链式变流设备动态响应的方法

技术领域

本发明属于电力自动化设备控制技术领域，特别涉及一种采用循环冗余技术提高串联链式变流设备动态响应的方法。

背景技术

在串联模块的变流设备拓扑中，例如链式静止同步补偿器、半桥模块化多电平变流器、全桥模块化多电平变流器、级联型两电平/多电平变流器等，为了提高设备运行可靠性，通常设置至少一个冗余模块，这些模块在正常工作时处于旁路状态，对设备运行方式没有影响，在串联的某个模块出现故障时将冗余模块投入，把故障模块旁路，实现了故障的切除。

在传统冗余模式下，对冗余模块的控制采用静态方式，即选定的冗余模块始终处于旁路状态，尽管可以通过多重取能保证该模块的正常收发信号，但控制电路、驱动电路和功率器件长期处于同一种工况，容易造成器件老化和应力疲劳，降低了设备运行可靠性。

在传统冗余模式下，冗余模块长期处于旁路状态，其直流电容电压为零，本模块的控制电源无法从自身获得，必须从其他模块获得，使得串联模块的负荷不对称，加剧了串联模块电压的不平衡，必须在控制中加以处理，增加了控制的复杂性，降低了鲁棒性。

在传统冗余模式下，冗余模块直流电容电压为零，在其他模块故障时将冗余模块投入，此时由于冗余模块直流电压为零，从而等效的电压源输出有一个缺口，会造成***电压对设备的电流冲击，进而会出现直流电压的过调，不利于设备安全。

鉴于此，本发明人提出一种采用循环冗余技术提高串联链式变流设备动态响应的方法，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种提高串联链式变流设备动态响应的方法，其可满足串联链式变流设备的可靠性和动态响应性能，控制简单，且避免了***电压对设备的电流冲击。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种提高串联链式变流设备动态响应的方法，基于串联模块的变流设备拓扑，所述拓扑包含至少2个依次串接的串联模块，各串联模块均包括4个开关管、一个直流电容和一个放电电阻，第一开关管的发射极连接第三开关管的集电极，第二开关管的发射极连接第四开关管的集电极，而第一、二开关管的集电极共同连接直流电容的正极，直流电容的负极分别连接第三、四开关管的发射极，所述放电电阻并接在直流电容的两端；所述第一、三开关管的连接点引出一个端子作为串联模块的输入端，第二、四开关管的连接点引出一个端子作为串联模块的输出端，所述各串联模块顺序连接形成基于串联模块的变流设备拓扑；将整个拓扑结构中的串联模块依次循环作为冗余模块，进行旁路处理：阀基控制装置下发旁路命令到其中一个或多个模块的串联模块内部控制板，串联模块内部控制板直接控制串联模块的可控器件脉冲，使该模块处于旁路状态、冗余备用；间隔一段时间后，阀基控制装置收回发给该模块的旁路命令，并下发旁路命令到下一个或多个模块的串联模块内部控制板，实现依次移位循环冗余。

上述间隔时间取值范围为0.1ms～200ms。

上述各串联模块中的开关管采用可控关断器件或双向晶闸管。

采用上述方案后，本发明使串联模块轮流处于冗余状态，控制简单，整个解决了冗余模块投入时的冲击和超调问题，避免冗余模块长时间处于静态备用状态的不可靠性，提高了串联链式变流设备运行可靠性和动态响应性能，且避免了***电压对设备的电流冲击。本发明可以适用于所有含有串联模块的拓扑结构，包括链式静止同步补偿器、半桥模块化多电平变流器、全桥模块化多电平变流器、级联型两电平/多电平变流器等，不因模块的基本结构而变化；且适用于包括各种容量、各种电压等级的应用，包括且不限于6kV、10kV、20kV、33kV、66kV、110kV、220kV、330kV、500kV电压等级，可满足不同规模、不同电压等级的链式串联结构的冗余控制需要，不增加设备成本，控制性能优化明显。

附图说明

图1是本发明提供的循环冗余方案脉冲循环示意图；

图1（a）是单个串联模块的结构示意图；

图2是本发明提供的脉冲循环换位时序图；

图3是循环冗余控制下冗余指令与电压波形图；

其中，3张子图的横坐标一致，都是时间轴，单位：ms；第一张子图（a）的纵坐标为串联模块个数，无单位；第二张子图（b）的纵坐标是A相1#模块的直流电压，单位：V；第三张子图的纵坐标是A相模块运行总电压，单位：V；

图4是循环冗余控制下故障旁路的动态响应图；

其中，3张子图的横坐标一致，都是时间轴，单位：ms；第一张子图（a）的纵坐标为模块直流电压标幺值，无单位；第二张子图（b）的纵坐标是串联链式变流设备接入点的交流电压和电流的无符号值，无单位；第三张子图的纵坐标是有功/无功功率，单位：MVA。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供一种提高串联链式变流设备动态响应的方法，本发明基于串联模块的变流设备拓扑，包括至少2个依次串接的串联模块，图1（a）所示即为串联模块的结构示意图，所述各串联模块均包括4个开关管、一个直流电容C和一个放电电阻R，所述开关管可采用可控关断器件（IGBT）或双向晶闸管，图中采用4个IGBT T1-T4，所述T1的发射极连接T3的集电极，T2的发射极连接T4的集电极，而T1和T2的集电极共同连接直流电容C的正极，直流电容C的负极分别连接T3和T4的发射极，所述放电电阻R并接在直流电容C的两端。所述T1和T3的连接点引出一个端子作为串联模块的输入端，T2和T4的连接点引出一个端子作为串联模块的输出端，所述各串联模块的输出端依次与后面相邻串联模块的输入端连接，顺序组成串联结构，形成基于串联模块的变流设备拓扑。

本发明的改进点在于：将整个拓扑结构中的串联模块依次循环作为冗余模块，进行旁路处理：阀基控制装置下发旁路命令到其中一个或多个模块的串联模块内部控制板，串联模块内部控制板直接控制串联模块的可控器件脉冲，使该模块处于旁路状态、冗余备用；间隔一段时间后，阀基控制装置收回发给该模块的旁路命令，并下发旁路命令到下一个或多个模块的串联模块内部控制板，实现依次移位循环冗余。

整个拓扑结构中的冗余模块是处于动态循环的，而不是固定的某个模块。利用控制装置直接下发循环移位的脉冲，直接控制串联模块的多个可控器件。

上述间隔时间取值范围为0.1ms～200ms。由于间隔时间很短，每个模块的直流电压都保持在控制值，从而提高了变流设备的设备安全可靠性。

上述串联模块为各个电压等级下链式静止同步补偿器的基本单元。

图1中，每个串联模块的基本结构是由4个IGBT(T1～T4)、1个直流电容C、1个放电电阻R和内部控制板组成的，以应用于10kV***为例，A相串联模块数为12个，其中冗余模块1个，Ga1～Ga12是A相串联模块的驱动信号。假设当前冗余模块为12#，此时1#～11#模块按照正弦波进行移相调制，12#模块驱动为旁路脉冲，即T1和T2导通，不对电流电容进行充放电。经过一个循环时间间隔T，取值范围在0.1ms～200ms，冗余指令循环至1#模块，此时2#～12#模块按照正弦波进行移相调制，1#模块的直流电压经由放电电阻R放电，由于放电时间常数远远大于循环时间间隔T，所以冗余模块的直流电压基本上无变化。

图2中，列出了10kV***的A相各串联模块脉冲循环换位时序，图中t0表示任一起始时刻，Ts表示开关频率，采用移相载波控制方式Ts/22是一个基本移相间隔时间，T表示循环时间间隔。#A1模块在t0时刻脉冲没有延时，#A2模块延时1个移相间隔时间，#A12模块延时12*1个移相间隔时间，在下一个循环时间间隔T到来时，移相时间间隔加1，即#A1模块在t0+T时刻脉冲延时1个移相间隔时间，#A2模块延时2个移相间隔时间，#A12模块延时0个移相间隔时间。以此类推，经过12个循环时间间隔T完成一次A相各串联模块脉冲循环换位。

图3中，列出了10kV的静止无功发生器在循环冗余控制下吸收6Mvar的RTDS试验结果，a)显示了A相循环冗余模块编号的轨迹，12个串联模块依次进入冗余旁路状态；b）显示了此时A相1#模块的直流电压波动情况，在1#模块冗余旁路时（对应a中数值为零的一段），该模块电压不变，如图b中水平的部分，其余时刻1#模块处于工作状态，存在电容的充放电，直流电压上叠加100Hz的交流脉动；c）显示了A相全部模块的电压和，可以发现电压和值也是直流电压上叠加100Hz交流脉动，没有出现突变的波动，完全满足正常模式下的控制需要。

图4中，列出了10kV的静止无功发生器在循环冗余控制下发10Mvar的RTDS试验结果，第500ms时A相1#模块故障，a）显示了1#模块直流电压由于旁路开始下降，其余模块直流电压仍跟随电流波动；b）显示了故障前后设备输出的电压和电流无畸变，没有出现电流冲击的现象；c）显示了故障前后设备输出的有功和无功，没有出现异常波动。

图3和图4说明，本发明提供的一种采用循环冗余技术提高串联链式变流设备动态响应的方法，整个解决了冗余模块投入时的冲击和超调问题，提高了设备运行动态响应性能，且避免了***电压对设备的电流冲击。

最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种提高串联链式变流设备动态响应的方法，基于串联模块的变流设备拓扑，所述拓扑包括至少2个依次串接的串联模块，各串联模块均包括4个开关管、一个直流电容和一个放电电阻，第一开关管的发射极连接第三开关管的集电极，第二开关管的发射极连接第四开关管的集电极，而第一、二开关管的集电极共同连接直流电容的正极，直流电容的负极分别连接第三、四开关管的发射极，所述放电电阻并接在直流电容的两端；所述第一、三开关管的连接点引出一个端子作为串联模块的输入端，第二、四开关管的连接点引出一个端子作为串联模块的输出端，所述各串联模块顺序连接形成基于串联模块的变流设备拓扑；其特征在于：将整个拓扑结构中的串联模块依次循环作为冗余模块，进行旁路处理：阀基控制装置下发旁路命令到其中一个或多个串联模块内部控制板，串联模块内部控制板直接控制串联模块的可控器件脉冲，使该冗余模块处于旁路状态、冗余备用；间隔一段时间后，阀基控制装置收回发给该冗余模块的旁路命令，并下发旁路命令到下一个或多个串联模块内部控制板，实现依次移位循环冗余。

2.如权利要求1所述的一种提高串联链式变流设备动态响应的方法，其特征在于：所述间隔时间取值范围为0.1ms～200ms。

3.如权利要求1所述的一种提高串联链式变流设备动态响应的方法，其特征在于：所述各串联模块中的开关管采用可控关断器件或双向晶闸管。