CN101795057B - 无需辅助直流电源的三相模块化多电平换流器启动方法 - Google Patents

无需辅助直流电源的三相模块化多电平换流器启动方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在无需辅助直流电源的情况下，三相模块化多电平换流器的自励充电启动方法，该方法利用交流系统线电压在换流器桥臂间产生的相间电流，在检测桥臂电流方向和各个子模块电容电压的同时，通过控制各桥臂子模块中上下两个电力电子开关的通断，完成对桥臂上各个子模块电容的充电过程，且所有桥臂的充电过程可以同时进行，实现了三相模块化多电平换流器在自励方式下的快速正常启动。

Description

无需辅助直流电源的三相模块化多电平换流器启动方法
技术领域
本发明涉及电力系统柔性输配电、电力电子和用户电力技术领域，具体涉及三相模块化多电平换流器的启动方法。
背景技术
模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)是近几年备受关注的一种多电平换流器拓扑结构。它采用多个子模块(submodule，SM)级联的方式，通过分别控制各个子模块的投入和切除状态，可以使得换流器输出的交流电压波形包含很多的电压阶梯以最大限度的逼近正弦波，从而降低输出电压中的谐波含量，减小波形畸变，以满足电网的谐波要求。
三相模块化多电平换流器的基本结构(如图1所示)是由三相六个桥臂构成，每相有上、下两个桥臂。每个桥臂分别由一个电抗器和若干个结构相同的子模块级联而成。每个子模块包括与直流电容串联的第一电力电子开关以及与第一电力电子开关和直流电容并联的第二电力电子开关。
由于模块化多电平换流器在稳定运行时每个子模块的电容电压应基本保持在一个稳态值左右，因此在换流器投入正常运行前，需要向所有子模块的电容预充电，使其电压由零上升到正常运行时的稳态值附近，之后再将模块化多电平换流器投入正常运行。这个向换流器的所有子模块电容充电的过程，称为模块化多电平换流器的启动过程。
为了完成模块化多电平换流器的正常启动，在中低压应用领域，一般采取用一个单独的辅助直流电源向各个子模块电容预充电的它励方式。丁冠军等人的“新型多电平VSC子模块电容参数与均压策略”(中国电机工程学报，2009，29(30)，1～6)给出了上述的它励启动方式的详细说明。即：首先将辅助直流电压源的输出端接到换流器相应的正、负直流母线上，直流电压源的输出电压约等于子模块电容电压，保持上下桥臂中所有2N个子模块的IGBT1关断，待充电子模块的IGBT2也关断，其余(2N-1)个子模块中的IGBT2开通，这样直流电压源便只对该待充模块的电容充电，等到该待充子模块电容达到运行电压时，其充电完毕，将其上的IGBT2由关断状态变为开通状态，与此同时，将下一个待充电子模块中的IGBT2由原先的开通状态变为关断状态，这样直流电压源便会转向对此子模块充电，以此类推实现一相桥臂中2N个子模块的依次充电。到最后充电完毕，可以通过串联的二极管或机械开关将直流电压源断开。由于三相桥臂是并联在正负母线上的，故可对三相桥臂中的各子模块同时进行充电。
显然，这种方式不但需要单独设计一个合适的辅助直流充电电源，增加设备投资；而且由于直流电压源的输出电压需要约等于子模块电容电压，所以在高压大容量的应用场合，这种单独制造的相应高压的辅助直流电源不易获得，因此不能满足实际工程需要。此外，虽然上述采用辅助直流电源的充电方法可以实现三相桥臂间的同时充电，但不能实现同相上下两个桥臂间的同时充电，而且如果同时对三相桥臂充电，需要提供的直流电源的容量也要相应增加，从而进一步加大了该辅助直流电源的制造难度。这些问题的存在大大限制了用辅助直流电源向各个子模块电容预充电的它励启动方式的应用。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种直接利用交流电网本身的线电压输入、在无需辅助直流电源情况下自励启动三相模块化多电平换流器的方法，减少了设备投资，缩短了预充电时间，降低了系统复杂度，并使得三相模块化多电平换流器可广泛应用于各种高压大容量的实际工程场合。
本发明中，所述的三相模块化多电平换流器由三相六个桥臂构成，每个桥臂由一个电抗器和若干个结构相同的子模块级联而成，每个子模块由第一电力电子开关、第二电力电子开关、与第一电力电子开关反并联的二极管、与第二电力电子开关反并联的二极管以及直流电容组成。其中，直流电容与第一电力电子开关串联后，再与第二电力电子开关并联。
一种无需辅助直流电源的三相模块化多电平换流器启动方法，包括以下步骤：
(1)关断所有子模块的第一电力电子开关，开通所有子模块的第二电力电子开关，此时每个桥臂上的所有子模块电容均处于切除状态，电流在桥臂中自由双向流动；
(2)通过交流系统侧的限流电阻将交流系统电压引入换流器；
(3)同时检测流过各桥臂的电流，当桥臂电流为对子模块充电方向时，关断位于各桥臂的其中一个待充电子模块的第二电力电子开关，桥臂电流通过所述子模块的与第一电力电子开关反并联的二极管对子模块电容充电；当该桥臂电流反向时，保持所述子模块的第一电力电子开关和第二电力电子开关均处于关断状态，桥臂电流自动通过所述子模块的与第二电力电子开关反并联的二极管换流，使所述的子模块电容电压保持不变；
(4)重复步骤(3)的过程，直到检测到步骤(3)中待充电子模块的电容电压达到预设值，开通所述的子模块的第二电力电子开关，所述的子模块充电结束；
(5)返回步骤(3)，对下一个待充电子模块充电，重复步骤(3)和(4)，直到桥臂的所有子模块的电容电压都达到预设值，关断桥臂所有电力电子开关，至此，一个桥臂的充电过程完成；
上述步骤(3)～(5)在所有六个桥臂上同时进行；
(6)当所有桥臂上所有的子模块电容都充电完成后，旁通限流电阻，整个换流器的充电启动过程结束。
其中，可以通过在交流系统侧设置由旁路断路器、限流电阻和交流断路器组成的输入电路，采取断开旁路断路器以投入限流电阻，同时闭合交流断路器来实现上述的步骤(2)完成将交流系统电压引入换流器；也可以通过在交流系统侧设置一交流断路器输入交流系统电压，所述的交流断路器含有合闸电阻、辅助触头和主触头，采取断开交流断路器的辅助触头以投入合闸电阻，并同时闭合交流断路器的主触头来实现上述的步骤(2)完成将交流系统电压引入换流器。
本发明中，不但同时可以对三相桥臂中各子模块充电，而且可以同时对同相上下两个桥臂中各子模块充电，因此，实现了同时对三相六个桥臂中各子模块充电。就此而言，本发明的启动方法有效提高了充电速度，缩短了启动所需的时间。此外，由于本发明是在直接利用交流电网本身的线电压在换流器桥臂间产生的相间电流，而无需接入辅助直流充电电源的基础上对三相模块化多电平换流器进行充电的，这种方法通过依次控制桥臂各子模块中两个电力电子开关的通断，使得各个子模块电容电压由零上升为稳态运行时的预定值，完成了对各个子模块电容的预充电过程，从而在减小设备投资、缩短充电时间、降低系统复杂度的情况下实现了三相模块化多电平换流器的自励启动。
附图说明
图1为三相模块化多电平换流器基本结构示意图；
图2为本发明提出的三相模块化多电平换流器的其中一个桥臂充电启动方法的操作流程图(以a相上桥臂为例)；
图3为本发明提出的三相模块化多电平换流器的充电启动过程示意图(以a相上桥臂为例)；
图4为按照本发明的启动方法同时对同相上下两个桥臂中各个子模块依次充电时，电容电压上升的波形图，以a相为例，一个桥臂子模块数为20，上下桥臂共40个子模块。
具体实施方式
如图1所示，三相模块化多电平换流器是由a、b、c三相共六个桥臂构成，其中每相均有上下两个桥臂。每个桥臂1分别由一个电抗器L0和N个子模块2级联而成。子模块SM1～SMN结构相同，每个子模块由第一电力电子开关T1、第二电力电子开关T2(T1、T2选用具有自关断能力的电力电子开关，通常为IGBT、IGCT、GTO等，本发明采用IGBT)、与第一电力电子开关反并联的二极管D1、与第二电力电子开关反并联的二极管D2以及直流电容C。其中，电容C与第一电力电子开关T1串联后，再与第二电力电子开关T2并联。该电容C的电压为uc，在稳态运行时一般要基本保持为一个恒定值。流过各桥臂的电流为ixy，其中下标x＝p或n，分别表示上桥臂或下桥臂；下标y＝a，b，c，分别表示a，b，c三相。桥臂电流的正方向(ixy＞0)为图1中所示的电流方向，即，桥臂电流的正方向为对子模块充电方向。
如图2所示，给出了本发明的三相模块化多电平换流器充电启动方法的操作流程。如图3所示给出了对a相上桥臂待充电的第k个子模块3充电的过程。
下面选取a相上桥臂(下标为pa)各子模块的充电过程作为示例，结合图2和图3对本发明方法和启动过程中的工作状态进行说明。具体如下：
(1)关断所有子模块的第一电力电子开关T1，开通所有子模块的第二电力电子开关T2，并且在整个充电启动过程中，所有子模块的第一电力电子开关T1一直保持关断状态。
(2)通过交流系统侧4的限流电阻Rlim将交流电压接入换流器，图3中通过断开旁路断路器S2，投入限流电阻Rlim，闭合交流断路器S1来实现，在三相模块化多电平换流器各个桥臂间产生电流。由于所有的第二电力电子开关T2均处于开通状态，因此正向的桥臂电流(ipa＞0)可以通过第二电力电子开关T2流过，而反向的桥臂电流(ipa＜0)可以通过反并联二极管D2流过。
(3)设待充电子模块的序号k＝1(1≤k≤N)，表示从第一个子模块开始逐个充电。此时检测桥臂电流ipa的方向，若ipa＜0，保持第一电力电子开关T1和第二电力电子开关T2关断，此时电流流过各个子模块的反并联二极管D2，此电流不能对该桥臂充电，因此直接返回桥臂电流检测环节；若ipa＞0，检测第k个子模块3的电容电压uc，若其尚未达到预设值Ucref(uc＜Ucref)，则关断第k个子模块3的第二电力电子开关T2，此时桥臂电流会流过反并联二极管D1对相应的子模块电容C充电(见图3所示状态)。然后返回桥臂电流检测环节，重复以上操作；直到检测到第k个子模块3的电容电压uc≥Ucref，则表示第k个子模块3充电完成，应立即开通其第二电力电子开关T2，使电流从第二电力电子开关T2流过，从而保证电容电压uc不再继续上升。
(4)此时判断待充电子模块序号k的大小。若k＜N，则令k＝k+1，表示应对下一个子模块充电，返回步骤(3)的桥臂电流检测环节并重复步骤(3)的过程；若k≥N，表示该桥臂所有N个子模块电容电压都已达到预设值，此时应关断该桥臂上所有子模块的电力电子开关T1和T2，完成该桥臂的充电过程。
另外五个桥臂的充电过程与此相同，仅需把框图中的桥臂电流ipa替换为相应的桥臂电流即可。本发明中六个桥臂的充电过程同时进行，可以缩短充电时间。
(5)当三相模块化多电平换流器所有桥臂均完成充电后，旁通限流电阻Rlim，图3中通过闭合旁路断路器S2来实现，整个三相模块化多电平换流器的充电启动过程结束。
步骤(2)中所述的接入限流电阻Rlim以引入交流系统的电压的过程，可以采用图3所示的在交流系统侧4设置由限流电阻Rlim、旁路断路器S2、交流断路器S1构成的输入电路，通过断开旁路断路器S2，投入限流电阻Rlim，闭合交流断路器S1来实现；或者也可以在交流系统侧4只设置一个交流断路器，即以交流断路器的合闸电阻作为限流电阻Rlim，与交流断路器的主触头和辅助触头构成输入电路，这样通过断开辅助触头，投入合闸电阻，闭合主触头来实现将交流电压接入。同样，在步骤(5)中旁通限流电阻Rlim，只需要直接闭合旁路断路器S2或交流断路器的辅助触头即可。
图4是本发明的启动方式下，在单个桥臂子模块数N＝20情况下，a相上下桥臂共40个子模块电容电压由零逐个上升到预设值Ucref＝2kV的电压波形图，从下至上依次为：a相上桥臂第1个子模块的电容电压曲线5、a相下桥臂第1个子模块的电容电压曲线6、a相上桥臂第2个子模块的电容电压曲线、a相下桥臂第2个子模块的电容电压曲线……a相上桥臂第20个子模块的电容电压曲线7、a相下桥臂第20个子模块的电容电压曲线8。细节放大图表示的是a相上桥臂第20个子模块的电容电压曲线7和a相下桥臂第20个子模块的电容电压曲线8。其他各相上下桥臂的子模块电容充电电压波形与此类似。可以看出，在不需要辅助直流电源的情况下，三相模块化多电平换流器子模块电容电压可以由零平稳且迅速地上升到正常运行所需的预设值。并且，可以同时对同相的上下两个桥臂中的各子模块充电。
以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种无需辅助直流电源的三相模块化多电平换流器启动方法，该三相模块化多电平换流器由三相六个桥臂构成，每个桥臂由一个电抗器和若干个结构相同的子模块级联而成，每个子模块包括与直流电容串联的第一电力电子开关以及与第一电力电子开关和直流电容并联的第二电力电子开关，其特征在于，所述的启动方法包括以下步骤：
(1)关断所有子模块的第一电力电子开关，开通所有子模块的第二电力电子开关；
(2)通过交流系统侧的限流电阻将交流系统电压引入换流器；
(3)同时检测流过各桥臂的电流，当某桥臂电流为对子模块充电方向时，检测位于该桥臂上的其中一个待充电子模块的电容电压是否达到预设值，当这个电容电压未达到预设值时，关断位于该桥臂上所述的待充电子模块的第二电力电子开关；当该桥臂电流反向时，保持该桥臂上所述的待充电子模块的第一电力电子开关和第二电力电子开关均处于关断状态；
(4)重复步骤(3)的过程，直到检测到步骤(3)中待充电子模块的电容电压达到预设值，开通所述的待充电子模块的第二电力电子开关，所述的待充电子模块充电结束；
(5)返回步骤(3)对下一个待充电子模块充电，重复步骤(3)和(4)，直到桥臂的所有子模块的电容电压都达到预设值，关断桥臂所有电力电子开关，至此，桥臂的充电过程完成；
上述步骤(3)～(5)在所有六个桥臂上同时进行；
(6)当所有桥臂上所有的子模块电容都充电完成后，旁通限流电阻，整个换流器的充电启动过程结束。
2.如权利要求1所述的三相模块化多电平换流器启动方法，其特征在于，所述的步骤(2)通过在交流系统侧设置由旁路断路器、限流电阻和交流断路器组成的输入电路，采取断开旁路断路器以投入限流电阻，同时闭合交流断路器来实现将交流系统电压引入换流器。
3.如权利要求1所述的三相模块化多电平换流器启动方法，其特征在于，所述的步骤(2)通过在交流系统侧设置一交流断路器输入交流系统电压，所述的交流断路器含有合闸电阻、辅助触头和主触头，采取断开交流断路器的辅助触头以投入合闸电阻，以合闸电阻作为所述限流电阻，并同时闭合交流断路器的主触头来实现将交流系统电压引入换流器。
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