CN103840478B

CN103840478B - 一种模块化多电平变流器直流输电系统的预充电方法

Info

Publication number: CN103840478B
Application number: CN201410067806.2A
Authority: CN
Inventors: 郭高朋; 温家良; 吴广禄; 杨杰; 药韬
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Smart Grid Research Institute of SGCC
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Smart Grid Research Institute of SGCC
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2034-02-27
Also published as: CN103840478A

Abstract

本发明涉及直流输电领域的充电方法，具体涉及一种模块化多电平变流器直流输电系统的预充电方法。该方法包括依次进行的两个充电过程，闭锁充电过程和半闭锁充电过程，其中闭锁充电过程为其他文献所提到的不控充电过程，半闭锁充电过程将某些子模块旁路，其触发脉冲分配和电容电压均衡控制可以将稳态时MMC的相关控制进行简化或封锁某些功能而得到。因此本发明所提出的充电方法简单易行，可以将电容电压充到稳态运行时的电压值。

Description

一种模块化多电平变流器直流输电系统的预充电方法

技术领域

本发明涉及直流输电领域的充电方法，具体涉及一种模块化多电平变流器直流输电系统的预充电方法。

背景技术

对直流输电系统启动控制的研究主要针对两电平的变流器，而对基于MMC的直流输电系统的启动控制涉及较少，由于MMC中含有大量电容，因此，在MMC启动过程中，必须要给电容进行充电，但是目前对MMC充电过程的研究仅限于利用直流侧或交流侧对其进行不控充电，且不能将电容充到稳态运行时的电容电压，导致解闭锁过程交流侧电流出现过冲或是畸变。若将子模块逐个充电，将子模块电容充到MMC稳态运行时的电压，但是这种方法并不实用，因为子模块中IGBT的驱动都要从直流电容中取能，才能使IGBT的驱动带电工作，因此，当子模块电容电压为0时，是无法对IGBT进行驱动的。一个改进的方法是先利用不控整流对子模块进行充电，充电结束后再将每个子模块逐个进行充电，直到每个子模块的电容被充到稳态运行时的电压，但是这种方法需要编写专门的控制程序。由于子模块不是同时被充电，且每个子模块中都有损耗，导致充电结束后各个子模块的电容电压差别较大，不利于解闭锁时MMC的稳定。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种模块化多电平变流器直流输电系统的预充电方法，其中包括两个充电过程，闭锁充电过程和半闭锁充电过程，其中闭锁充电过程为其他文献所提到的不控充电过程，半闭锁充电过程将某些子模块旁路，其触发脉冲分配和电容电压均衡控制可以将稳态时MMC的相关控制进行简化或封锁某些功能而得到。因此本发明所提出的充电方法简单易行，可以将电容电压充到稳态运行时的电压值。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种模块化多电平变流器直流输电系统的预充电方法，所述模块化多电平变流器至少一个，每个模块化多电平变流器由三相构成，每相由串联的结构相同的上下两桥臂构成；上下两桥臂的中点处连接模块化多电平换流器的交流端；

所述上下两桥臂中每个桥臂包括1个电抗器和N个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与模块化多电平换流器的交流端连接；每个桥臂的子模块级联后另一端与另两相桥臂的级联的子模块一端连接，形成所述模块化多电平换流器直流端的正负极母线；或

所述上下两桥臂中每个桥臂包括1个电抗器和N个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端与模块化多电平换流器的交流端连接；每个桥臂的子模块级联后另一端串联电抗器后与另两相桥臂的电抗器连接，形成所述模块化多电平换流器直流端的正负极母线；

其改进之处在于，所述模块化多电平变流器的交流侧与充电支路连接；所述预充电方法包括依次进行的闭锁充电过程和半闭锁充电过程。

进一步地，所述充电支路包括依次连接的断路器B、旁路开关-电阻并联支路和变压器T；所述旁路开关-电阻并联支路包括并联的旁路开关P和限流电阻R；

所述子模块为半桥结构的子模块；所述子模块包括并联的IGBT串联支路和电容器C；所述IGBT串联支路由两个串联的IGBT模块组成；其中一个IGBT模块由IGBT器件T1与其反并联的二极管D1组成，另一个IGBT模块由IGBT器件T2与其反并联的二极管D2组成。

进一步地，所述闭锁充电过程包括以下步骤：

初始状态为：断路器B断开，旁路开关P断开，模块化多电平变流器MMC1和模块化多电平变流器MMC2中的IGBT器件的触发脉冲均处于闭锁状态；

启动时，闭合断路器B，模块化多电平变流器MMC1的交流侧通过限流电阻R给模块化多电平变流器MMC1中每个子模块的电容器和MMC2中每个子模块的电容器充电；

当闭锁充电过程结束时，模块化多电平变流器MMC1各个桥臂的电容电压之和被充到模块化多电平变流器MMC1交流侧线电压峰值；模块化多电平变流器MMC2各个桥臂的电容电压之和被充到模块化多电平变流器MMC1交流侧线电压峰值的一半。

进一步地，所述半闭锁充电过程包括：在半桥结构的子模块中，解闭锁下管IGBT器件T2的触发脉冲，上管IGBT器件T1的触发脉冲仍处于闭锁状态，将桥臂中的某些子模块切除，则未被切除的子模块将继续被充电，直到桥臂中未被切除的子模块的电容电压之和为线电压峰值；采用电压调制策略控制投入的子模块的数目；采用电容均压控制策略维持桥臂内的子模块电容电压的均衡。

进一步地，所述电压调制策略包括：

在半闭锁充电过程中，每个桥臂的调制比：

k \leq \frac{1.732 V_{m}}{Σ V_{c}} - - - (1);

桥臂中子模块电容电压之和超过稳态运行时的电压值，其中，模块化多电平变流器稳态运行时，桥臂中子模块电容电压之和为ΣV_c，模块化多电平变流器MMC1交流侧线电压的电压峰值为1.732V_m，每个桥臂有N个子模块，令：

m₁＝floor(k×N)（2）；

其中：floor()为负无穷向取整函数；当半闭锁充电过程中有m₁个子模块一直被投入，令：

d＝k×N-m₁（3）；

则：

m＝m₁+D（4）；

其中：d为占空比；D为最小值为0，最大值为1的脉冲，0.05≤d≤0.95；m作为触发脉冲分配和电容均压控制的输入，是投入的子模块的个数。

进一步地，所述电容均压控制策略包括：

①要投入一个子模块时，找出未投入子模块中电压最低的，将其投入；

②要切除一个子模块时，找出已投入子模块中电压最高的，将其切除；

③每隔20毫秒的时间检测一次，需要投入的子模块数目和已经投入的子模块数目是否一致，如果不一致，就切除或投入差值数目的子模块，使二者重新一致。

进一步地，当桥臂的电容电压之和达到稳定运行时的电压值后，重新闭锁模块化多电平变流器MMC1和模块化多电平变流器MMC2，闭合旁路开关P，将限流电阻R旁路，充电过程结束，等待解闭锁。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、通过本发明所提出的充电方法，可以将MMC的电容电压充到稳态运行时的电压值，因此避免了解闭锁时的电流冲击。

2、本发明所提出的充电方法，其控制由稳态运行时的控制方法简化或封锁某些功能而得，不必为充电控制过程单独编写控制程序，因此本发明提出的方法很容易实现。

附图说明

图1是本发明提供的模块化多电平变流器MMC的结构图；

图2是本发明提供的半桥子模块的结构图；

图3是本发明提供的直流输电系统的预充电方法的基本流程图；

图4是本发明提供的闭锁充电过程的结构图；

图5是本发明提供的半闭锁充电过程的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供一种模块化多电平变流器的直流输电系统的预充电方法，其中包括两个充电过程，闭锁充电过程和半闭锁充电过程，其中闭锁充电过程为其他文献所提到的不控充电过程，半闭锁充电过程将某些子模块旁路，其触发脉冲分配和电容电压均衡控制可以将稳态时MMC的相关控制进行简化或封锁某些功能而得到。因此本文所提出的充电方法简单易行，可以将电容电压充到稳态运行时的电压值。

其中所述模块化多电平变流器至少一个，每个模块化多电平变流器由三相构成，器结构图如图1所示，每相由串联的结构相同的上下两桥臂构成；上下两桥臂的中点处连接模块化多电平换流器的交流端；

所述模块化多电平变流器的交流侧与充电支路连接；所述预充电方法包括依次进行的闭锁充电过程和半闭锁充电过程。

充电支路包括依次连接的断路器B、旁路开关-电阻并联支路和变压器T；所述旁路开关-电阻并联支路包括并联的旁路开关P和限流电阻R；所述子模块为半桥结构的子模块；其结构图如图2所示，所述子模块包括并联的IGBT串联支路和电容器C；所述IGBT串联支路由两个串联的IGBT模块组成；其中一个IGBT模块由IGBT器件T1与其反并联的二极管D1组成，另一个IGBT模块由IGBT器件T2与其反并联的二极管D2组成。

本发明提供的直流输电系统的预充电方法的基本流程图如图3所示，包括：

一）闭锁充电过程，其结构图如图4所示：

二）半闭锁充电过程，其结构图如图5所示：

在半桥结构的子模块中，解闭锁下管IGBT器件T2的触发脉冲，上管IGBT器件T1的触发脉冲仍处于闭锁状态，将桥臂中的某些子模块切除，则未被切除的子模块将继续被充电，直到桥臂中未被切除的子模块的电容电压之和为线电压峰值；采用电压调制策略控制投入的子模块的数目；采用电容均压控制策略维持桥臂内的子模块电容电压的均衡。

<1>电压调制策略包括：

在半闭锁充电过程中，每个桥臂的调制比：

k \leq \frac{1.732 V_{m}}{Σ V_{c}} - - - (1);

m₁＝floor(k×N)（2）；

d＝k×N-m₁（3）；

则：

m＝m₁+D（4）；

<2>电容均压控制策略包括：

半闭锁状态时的子模块电容均压控制策略可由稳态时的均压控制策略简化或是封锁某些功能而得。

当桥臂的电容电压之和达到稳定运行时的电压值后，重新闭锁MMC1和MMC2，闭合旁路开关P，将限流电阻R旁路，充电过程结束，等待解闭锁。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种模块化多电平变流器直流输电系统的预充电方法，所述模块化多电平变流器至少一个，每个模块化多电平变流器由三相构成，每相由串联的结构相同的上下两桥臂构成；上下两桥臂的中点处连接模块化多电平换流器的交流端；

其特征在于，所述模块化多电平变流器的交流侧与充电支路连接；所述预充电方法包括依次进行的闭锁充电过程和半闭锁充电过程；

所述半闭锁充电过程包括：在半桥结构的子模块中，解闭锁下管IGBT器件T2的触发脉冲，上管IGBT器件T1的触发脉冲仍处于闭锁状态，将桥臂中的某些子模块切除，则未被切除的子模块将继续被充电，直到桥臂中未被切除的子模块的电容电压之和为线电压峰值；采用电压调制策略控制投入的子模块的数目；采用电容均压控制策略维持桥臂内的子模块电容电压的均衡；

所述电压调制策略包括：

在半闭锁充电过程中，每个桥臂的调制比：

k \leq \frac{1.732 V_{m}}{{ΣV}_{c}} - - - (1);

m₁＝floor(k×N)(2)；

d＝k×N-m₁(3)；

则：

m＝m₁+D(4)；

其中：d为占空比；D为最小值为0，最大值为1的脉冲，0.05≤d≤0.95；m作为触发脉冲分配和电容均压控制的输入，是投入的子模块的个数；

所述电容均压控制策略包括：

2.如权利要求1所述的预充电方法，其特征在于，所述充电支路包括依次连接的断路器B、旁路开关-电阻并联支路和变压器T；所述旁路开关-电阻并联支路包括并联的旁路开关P和限流电阻R；

3.如权利要求1所述的预充电方法，其特征在于，所述闭锁充电过程包括以下步骤：

4.如权利要求1所述的预充电方法，其特征在于，当桥臂的电容电压之和达到稳定运行时的电压值后，重新闭锁模块化多电平变流器MMC1和模块化多电平变流器MMC2，闭合旁路开关P，将限流电阻R旁路，充电过程结束，等待解闭锁。