本发明专利技术提出了一种集中式模块化DC Chopper拓扑及控制方法，所述拓扑为半桥、全桥混合型集中式模块化DC Chopper拓扑，该拓扑中每个桥臂由N个含平衡电阻的半桥子模块、M个全桥子模块与耗能电阻组成。相较于仅由半桥或全桥组成的集中式模块化DC Chopper，具有良好的经济性。该拓扑能够保证主网侧发生短路故障时，柔性直流输电系统在MMC不闭锁的情况下安全稳定运行，有利于故障切除后，系统快速恢复，同时利用含平衡电阻的半桥子模块能够实现子模块之间的电压均衡。该拓扑尤其适用于处理大容量、高电压等级的柔性直流输电系统发生的较严重短路故障，能够有效应用于风电并网的柔性直流输电系统，安装于主网侧。安装于主网侧。安装于主网侧。
【技术实现步骤摘要】
一种集中式模块化DC Chopper拓扑及控制方法
[0001]本专利技术属于电力电子系统
，更具体地，涉及一种应用于风电并网的柔性直流输电系统主网侧故障穿越的半桥/全桥混合的集中式模块化DC Chopper的拓扑，所述DC Chopper是指直流斩波电路。
技术介绍
[0002]风电场经过柔性直流输电系统并入电网，当主网侧发生电压跌落故障时，由于柔性直流输电系统具有一定的隔离作用，可以避免风电场侧受故障影响而造成风机脱网影响。但电网侧模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)输出功率受阻，而风电场侧MMC仍不断向直流线路注入有功功率，这时，就会在直流线路上产生盈余功率，并导致直流输电线路电压不断上升，从而触发直流线路过电压保护动作。若直流线路过电压保护动作，柔性直流输电系统需要长时间才能恢复运行。为解决上述问题，需要在直流线路上并联DC Chopper来耗散故障期间的盈余功率，来避免直流电压不断上升，从而提高柔性直流输电系统面对电网侧短路故障的故障穿越能力。基于经济性的考量，DC Chopper通常装设在电网侧MMC直流出口处。
[0003]目前DC Chopper分为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)直串式、分布式模块化拓扑和集中式模块化拓扑三种。其中，由于IGBT直串式存在器件之间存在动静态均压问题，同时，还会造成直流系统较大的功率波动，影响故障穿越性能；而分布式模块化拓扑采用模块化结构降低了直流系统的功率波动，但其冷却装置是分布式的，极大地增加了设备的造价；集中式模块化拓扑综合了两者的优点，一方面，该拓扑采用模块化结构，降低了直流系统功率波动，同时也避免了开关管IGBT的直接串联，另一方面，该拓扑仅需要采用集中式水冷装置，成本较低，但该拓扑的缺点是需要采用大量的IGBT器件，又增加了成本。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的是提供一种应用于风电并网的柔性直流输电系统主网侧故障穿越的半桥、全桥混合的集中式模块化DC Chopper的拓扑及其控制策略。相较于仅由半桥或全桥组成的集中式模块化DC Chopper，该拓扑具有良好的经济性，同时能够保证主网侧发生短路故障时，柔性直流输电系统在MMC不闭锁的情况下安全稳定运行，有利于故障切除后，系统快速恢复。该拓扑尤其适用于处理大容量、高电压等级的柔性直流输电系统发生的较严重短路故障。
[0005]为此，根据本专利技术的一个方面，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种集中式模块化DC Chopper拓扑，安装于柔性直流输电系统主网侧，其特征在于：它是半桥、全桥混合的集中式模块化DC Chopper拓扑，具有以下电路结构：
[0007]每个桥臂一端连接至直流线路，另一端接地，直流线路、限流电抗器、N个含平衡电阻的半桥子模块、M个全桥子模块、耗能电阻、地依次连接，其中N和M为自然数，且N≥1，M＞
1；全桥子模块和半桥子模块电容的正极端方向一致，均靠近直流线路和地之间电压高的一侧，且全桥子模块和半桥子模块的电容值相同；半桥子模块的电容两端并联了开关器件T3和平衡电阻串联支路；
[0008]其中，半桥子模块中电容正极侧的开关器件为T11，负极侧的开关器件为T12；全桥子模块中电流输入端的电容正极侧的开关器件为T21，负极侧的开关器件为T22，电流输出端的电容正极侧开关器件为T23，电容负极侧开关器件为T24。
[0009]所述全桥子模块和半桥子模块中，由于桥臂电流的单向性，每个全桥子模块省略掉开关管T21和T24，每个半桥子模块省略掉开关管T11，仅保留其反并联二极管即可。
[0010]根据本专利技术的第二个方面，本专利技术采用以下技术方案：
[0011]一种前述集中式模块化DC Chopper拓扑的控制方法，包括启动充电、正常运行、故障穿越以及故障恢复四个过程，其特征在于，启动充电、故障穿越和故障恢复包括以下步骤：
[0012](一)启动充电包括以下步骤：
[0013]步骤1-1：在系统启动过程中，所有全桥子模块和所有半桥子模块均闭锁，为所有全桥子模块和半桥子模块的电容充电；
[0014]步骤1-2：待直流线路电压充至额定值时，所有全桥子模块由闭锁状态转至正向投入状态，所有半桥子模块由闭锁状态转至投入状态；
[0015]步骤1-3：检测各个半桥子模块电容电压是否超过额定值，若超过额定值，则将半桥子模块由投入状态转至电容平衡状态，直至半桥子模块电容电压恢复额定值，再将半桥子模块恢复至投入状态；
[0016](二)故障穿越和故障恢复包括以下步骤：
[0017]步骤2-1：检测直流电压是否超过上限值V
dcmax
或者是否检测到交流侧继电保护发出故障信号，若未检测到故障，则该装置运行在正常运行状态，并循环执行步骤2-1；若检测到故障，转至步骤2-2；
[0018]步骤2-2：切除所有的半桥子模块；
[0019]步骤2-3：根据需要耗散的功率以及桥臂子模块电容总能量，生成故障穿越期间的桥臂PWM波进行控制；
[0020]步骤2-4：分别计算需要正向投入和反向投入的全桥子模块的个数，将全桥子模块按电容电压进行排序，自电容电压小至电容电压大的顺序投入需要正向投入数量的全桥子模块，自电容电压大至电容电压小的顺序投入需要反向投入数量的全桥子模块；
[0021]步骤2-5：检测直流电压是否低于下限值V
dcmin
或者是否检测到交流侧继电保护发出的故障恢复信号，若未检测到故障恢复，转至步骤2-3；若检测到故障恢复，则进入步骤2-6；
[0022]步骤2-6：投入所有的半桥子模块，并检测半桥子模块中电容电压是否超过了额定值，若超过额定值，则使电容电压超过额定值的半桥子模块进入电容平衡模式，直至电容电压降至额定值附近；当电容电压在额定值附近时，转至步骤2-1。
[0023]进一步地，故障穿越期间的桥臂电压采用脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)进行控制，其中PWM的负半波幅值为-0.2V
dc
，正半波幅值大于零；利用PWM波的占空比来调节桥臂在一个周期内的充放电平衡，利用正半波的幅值来调节DC Chopper
耗散的功率。
[0024]全桥子模块与半桥子模块的数量关系满足：
[0025][0026]式中，M为全桥子模块的个数，N为半桥子模块的个数，V
armp_pumax
为需要的最大PWM正半波幅值的标幺值。
[0027]与现有技术相比，本专利技术从成本出发，对集中式模块化DC Chopper进行改进，在保证柔性直流系统故障穿越能力的前提下，提出了一种半桥、全桥混合的集中式模块化DC Chopper的拓扑，并提出该拓扑的控制策略。本专利技术的半桥、全桥混合型DC Chopper拓扑及其控制方法能够有效应用于风电并网的柔性直本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种集中式模块化DC Chopper拓扑，安装于柔性直流输电系统主网侧，其特征在于：它是半桥、全桥混合的集中式模块化DC Chopper拓扑，具有以下电路结构：每个桥臂一端连接至直流线路，另一端接地，直流线路、限流电抗器、N个含平衡电阻的半桥子模块、M个全桥子模块、耗能电阻、地依次连接，其中N和M为自然数，且N≥1，M＞1；全桥子模块和半桥子模块电容的正极端方向一致，均靠近直流线路和地之间电压高的一侧，且全桥子模块和半桥子模块的电容值相同；半桥子模块的电容两端并联了开关器件T3和平衡电阻串联支路；其中，半桥子模块中电容正极侧的开关器件为T11，负极侧的开关器件为T12；全桥子模块中电流输入端的电容正极侧的开关器件为T21，负极侧的开关器件为T22，电流输出端的电容正极侧开关器件为T23，电容负极侧开关器件为T24。2.根据权利要求1所述的一种集中式模块化DC Chopper拓扑，其特征在于，所述全桥子模块和半桥子模块中，由于桥臂电流的单向性，每个全桥子模块省略掉开关器件T21和T24，每个半桥子模块省略掉开关器件T11，但保留其反并联的二极管。3.一种如权利要求1或2所述的集中式模块化DC Chopper拓扑的控制方法，包括启动充电、正常运行、故障穿越以及故障恢复四个过程，其特征在于，启动充电、故障穿越和故障恢复分别包括以下步骤：(一)启动充电包括以下步骤：步骤1-1：在系统启动过程中，全桥子模块和半桥子模块均闭锁，为所有全桥子模块和半桥子模块的电容充电；步骤1-2：待直流线路电压充至额定值时，全桥子模块由闭锁状态转至正向投入状态，半桥子模块由闭锁状态转至投入状态；步骤1-3：检测各个半桥子模块电容电压是否超过额定值，若超过额定值，则将半桥子模块由投入状态转至电容平衡状态，直至半桥子模块电容电压恢复额定值，再将半桥子模块...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨林刚，林磊，王霄鹤，严佳男，杨文斌，宋伟宏，高玉青，闵宽，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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