一种模块化多电平换流器的充电方法技术

本发明专利技术提出一种模块化多电平换流器的充电方法，其方法首先为换流器直流侧带电，待子模块电压稳定后，解锁换流器并导通所有子模块，随后减少相单元中导通子模块数量，当桥臂过流时临时增加相单元中导通子模块数量抑制过流，子模块电压稳定后继续减少导通子模块数量，直至最终相单元导通子模块数量等于桥臂的工作子模块数量，平滑过渡至正常运行状态。此方法通过直流侧充电，使换流器正常运行前子模块电压达到工作电压，通过合适的控制策略避免充电过程产生冲击电流。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力电子领域，特别涉及。
技术介绍
模块化多电平换流器采用低电压器件实现高电压输出而不需要开关器件的直接串联，避免了串联均压问题，适用于高压大容量应用，如适用于柔性直流输电应用场合。三相模块化多电平换流器(MMC)主电路拓扑结构示意图如图1 (a)所示，包含3个相单元，每个相单元包括上下两个桥臂，每个桥臂由若干个子模块(SM)和一个换流电抗器串联组成。子模块的结构如图1 (b)所示，由一个作为开关元件的IGBT半桥和一个直流储能电容C并联组成，直流储能电容C还并联放电电阻R。每个子模块包含三种工作状态，如图2所示。在闭锁状态时，子模块可以通过二极管的单相导通性进行充电；在导通状态时，子模块可以根据桥臂电流的方向进行充放电；在关断状态时子模块电容被旁路，但由于并联放电电阻将缓慢放电。为了提高可靠性，每个桥臂中还可包含一定数量的备用子模块，每个桥臂的工作子模块数量小于等于桥臂串联子模块数量。模块化多电平换流器工作前需要将子模块的电容充电至工作电压，保证换流器正常解锁时相单元中导通子模块叠加产生的电压与直流侧电压相差较小，否则会引起较大的冲击电流，严重的情况下可能使开关器件损坏。当通过交流侧充电时，子模块电容可充电至工作电压附近，正常解锁换流器不会引起冲击电流。但在某些特殊的情况下，如柔性直流系统的黑启动情况时，只能通过直流侧为模块化多电平换流器的子模块电容充电。此时，解锁前子模块的电容只能充电至工作电压的一半左右，不能按照正常方式解锁，因此有必要采用合适的策略防止冲击电流的出现。丁冠军等人的“新型模块化多电平VSC子模块电容参数与均压策略”(中国电机工程学报，2009, 29 (30), I 6)提及一种利用辅助电源的充电方法(方法一)。该方法选取与子模块额定电压相近的直流电压源，将其跨接于换流器直流侧正负极之间，通过控制子模块的投入和切除，使得子模块电容电压升至额定值附近。汤广福，孔明等人的“一种模块化多电平换流器柔性直流输电系统的起动方法”(专利申请阶段，申请公布号CN201110100456. 1)，提及了一端有源系统为两站换流器充电的柔性直流系统起动过程(方法二)。首先由有源端换流器(站I)不可控充电建立直流电压，在两站子模块电压趋于稳定后解锁站2换流器，在站2换流器的子模块电容电压趋于稳定后闭合站I的旁路电阻隔刀，随后解锁站I换流器，最后通过同期方式实现站2换流器并网。上述方法一存在的缺点在于换流器桥臂/相充电过程中，一次只能对一个子模块进行充电，在限流电阻下需要一定的时间，整个换流器的充电时间较长，在所有子模块充电完成后，较早充电的子模块因并联放电电阻的缓慢放电可能出现电压偏低；同时分别对每个子模块的充电过程复杂，需要设置复杂的阀控策略。上述方法二存在的缺点在于起动过程需要两站之间的配合，在控制不当时可能产生严重的冲击电流；解锁站2时交流限流电阻仍串入线路，可以减小站I的过电流，但解锁瞬间站2的直流电压跌落为解锁前的一半，站2换流器会出现短暂的冲击电流。针对前述现有技术的不足，本案由此产生。
技术实现思路
本专利技术的目的，在于提供，其通过直流侧充电，使换流器正常运行前子模块电压达到工作电压，通过合适的控制策略避免充电过程产生冲击电流。为了达成上述目的，本专利技术采用的技术方案是:，所述换流器包括至少一个相单元，各相单元由上、下两个桥臂组成，各桥臂由数个结构相同的子模块与一个电抗器串联而成，所述子模块由IGBT半桥和电容器并联而成，包括导通、关断和闭锁三种工作状态，所述充电方法包括如下步骤:(I)换流器直流侧带电；(2)待子模块电压稳定后，解锁换流器，导通所有子模块；(3)减少相单元中导通子模块数量；(4)判断桥臂电流是否过流，过流则进入步骤(5)，否则进入步骤(6);(5)增加相单元中导通子模块数量，返回步骤(4)；(6)判断子模块电压是否稳定，稳定则进入步骤(7)，否则返回步骤(4)；(7)判断相单元中导通子模块数量是否大于一个桥臂的工作子模块数量，大于则返回步骤(3)，否则进入步骤(8)；(8)保持相单元导通子模块数量恒定；充电结束条件为换流器中所有相单元的充电过程均处于步骤(8)。上述步骤(I)中，换流器直流侧带电指通过直流侧连接的其它换流器或者辅助直流电源为换流器提供直流电压为换流器的子模块充电，使子模块驱动取能并正常工作，为解锁进一步升高各子模块电容电压做准备。上述步骤(2)或步骤(6)中，子模块电压稳定的判据为相单元中子模块电容电压的平均值大于K倍直流电压除以导通子模块的数量，并延时时间t，其中，0〈K〈l，t的取值范围为Os至10s。上述步骤(3)中，减少相单元中导通子模块数量的取值范围为I至相单元子模块数量减去桥臂工作子模块数量。上述步骤(4)中，桥臂电流过流判据为:当上桥臂电流或下桥臂电流大于过流定值Isrtl时，桥臂处于过流状态；当上桥臂电流和下桥臂电流均小于返回定值Isrt2时，桥臂处于不过流状态；否则保持原状态；其中，Isrtl的取值为K1倍子模块可承受的最大电流，0<^<1, Iset2 的取值为 K2 倍 Isetl，0〈K2〈l ；上述步骤(5)中，增加相单元中导通子模块数量的取值范围为I至相单元子模块数量减去桥臂工作子模块数量。上述充电方法中 ，使用排序均压算法选择电容电压较小的子模块优先处于导通状态。上述步骤(3) - (8)中，对于含有多个相单元的换流器，每个相单元独立执行。采用上述方案后，本专利技术的有益效果为(I)操作简单，不需增加一次设备，充电过程对换流器的冲击小，适合工程应用；( 2 )解锁换流器导通所有子模块过程无电流冲击；(3)通过控制减少相单元导通子模块的数量使子模块电容电压逐渐升高至额定值，减少了充电过程中的冲击电流；(4)加入了桥臂过流抑制策略，通过临时增加相单元导通子模块的数量减小故障时可能出现的过电流；(5)充电结束时相单元导通子模块的数量与正常工作时需要导通的子模块数量相同，可平滑地过渡至正常运行方式。附图说明图1是三相模块化多电平换流器(MMC)主电路拓扑结构示意图；图2是模块化多电平换流器的子模块三种工作方式示意图；图3是单相模块化多电平换流器的系统结构及本专利技术提出的充电方法的逻辑框图；图4是本专利技术提出的充电方法实现子模块充电的流程图。具体实施例方式以下将结合附图及具体实施例，对本专利技术的技术方案进行详细说明。本专利技术提供，其通过控制减少相单元导通子模块的数量使子模块电容电压逐渐升高至额定值，避免充电过程产生冲击电流，包括如下实施步骤(I)换流器直流侧带电，主要指通过直流侧连接的其它换流器或者辅助直流电源为换流器提供直流电压为换流器的子模块充电，使子模块驱动取能并正常工作，为解锁进一步升高各子模块电容电压做准备；(2)待子模块电压稳定后，解锁换流器，导通所有子模块；所述判断子模块电压是否稳定的判据是相单元中子模块电容电压的平均值大于K倍直流电压除以导通子模块的数量，并延时时间t，其中，0〈K〈1，时间t的取值范围为Os至10s。引入小于I的系数K可避免测量误差的影响，使用延时时间t可保证子模块电容电压可靠升高至理想值；(3)减少相单元中导通子模块数量，该数量的取值范围为I至相单元子模块数量减去桥臂工作子模块数量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模块化多电平换流器的充电方法，所述换流器包括至少一个相单元，各相单元由上、下两个桥臂组成，各桥臂由数个结构相同的子模块与一个电抗器串联而成，所述子模块由IGBT半桥和电容器并联而成，包括导通、关断和闭锁三种工作状态，其特征在于所述充电方法包括如下步骤：（1）换流器直流侧带电；（2）待子模块电压稳定后，解锁换流器，导通所有子模块；（3）减少相单元中导通子模块数量；（4）判断桥臂电流是否过流，过流则进入步骤（5），否则进入步骤（6）；（5）增加相单元中导通子模块数量，返回步骤（4）；（6）判断子模块电压是否稳定，稳定则进入步骤（7），否则返回步骤（4）；（7）判断相单元中导通子模块数量是否大于一个桥臂的工作子模块数量，大于则返回步骤（3），否则进入步骤（8）；（8）保持相单元导通子模块数量恒定；充电结束条件为换流器中所有相单元的充电过程均处于步骤（8）。

【技术特征摘要】
1.一种模块化多电平换流器的充电方法，所述换流器包括至少一个相单元，各相单元由上、下两个桥臂组成，各桥臂由数个结构相同的子模块与一个电抗器串联而成，所述子模块由IGBT半桥和电容器并联而成，包括导通、关断和闭锁三种工作状态，其特征在于所述充电方法包括如下步骤: (1)换流器直流侧带电； (2)待子模块电压稳定后，解锁换流器，导通所有子模块； (3)减少相单元中导通子模块数量； (4)判断桥臂电流是否过流，过流则进入步骤(5)，否则进入步骤(6)； (5)增加相单元中导通子模块数量，返回步骤(4)； (6)判断子模块电压是否稳定，稳定则进入步骤(7)，否则返回步骤(4)； (7)判断相单元中导通子模块数量是否大于一个桥臂的工作子模块数量，大于则返回步骤(3)，否则进入步骤(8)； (8)保持相单元导通子模块数量恒定； 充电结束条件为换流器中所有相单元的充电过程均处于步骤(8)。2.如权利要求1所述的一种模块化多电平换流器的充电方法，其特征在于:所述步骤(O中，换流器直流侧带电指通过直流侧连接的其它换流器或者辅助直流电源为换流器提供直流电压为换流器的子模块充电，使子模块驱动取能并正常工作，为解锁进一步升高各子模块电容电压做准备。3.如权利要求1所 述的一种模块化多电平换流器的充电方法，其特征在于:所述步骤(2)或步骤(6...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪楠楠，田杰，董云龙，李钢，曹冬明，
申请(专利权)人：南京南瑞继保电气有限公司，南京南瑞继保工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：