CN102769289A - 基于mmc的三相upqc拓扑电路及其预充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于电力系统柔性交流输配电技术领域的基于MMC的三相UPQC拓扑电路及其预充电方法。该方法首先利用并联部分交流侧三相交流电网电压通过不控整流对三相MMC-UPQC所有子模块进行充电，再利用对串联侧子模块的合理控制，在保证对高压交流电网无电流冲击以及子模块内开关器件仅受最小应力的条件下，将三相MMC-UPQC所有功率模块的直流电压从零电压值充到稳定工作设定值。本发明的有益效果为：在不增加外部辅助设备、减小投资成本、不添加复杂控制方法的情况下实现了对三相高压交流电网无冲击的三相MMC-UPQC自励预充电。

Description

基于MMC的三相UPQC拓扑电路及其预充电方法

技术领域

本发明属于电力系统柔性交流输配电技术领域，特别涉及基于MMC的三相UPQC拓扑电路及其预充电方法。

背景技术

统一电能质量控制器（Unified Power Quality Conditioner，UPQC）作为功能强大的电能质量综合补偿装置，可同时解决压暂升、电压暂降、三相不平衡电压、谐波电压、无功电流、谐波电流、不平衡电流等电能质量问题，其串联、并联单元可解耦后独立运行实现各自功能，也可联合运行实现统一的综合功能。

模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）作为一种应用在轻型直流输电中的多电平换流器拓扑结构，其采用多个子模块级联的方式，无需变压器便可方便的直挂于中高压配电系统的配电线路中，且换流器输出电压采用多电平方式，可较好的逼近正弦波并具有较低的谐波含量。

当所有功率模块的直流电容C两端电压上升至稳态工作电压时，三相MMC-UPQC才能投入运行；因此在三相MMC-UPQC投入正常运行前，需要对所有功率模块的直流电容C充电，使直流电容C两端电压由零上升到稳态工作电压，即完成MMC-UPQC的预充电过程。

所有功率模块由并联模块的所有功率模块和串联模块的所有功率模块组成；

并联模块的所有功率模块指：并联模块中的第1上桥臂A相MMC功率模块至第N上桥臂A相MMC功率模块、第1上桥臂B相MMC功率模块至第N上桥臂B相MMC功率模块、第1上桥臂C相MMC功率模块至第N上桥臂C相MMC功率模块、第1下桥臂A相MMC功率模块至第N下桥臂A相MMC功率模块、第1下桥臂B相MMC功率模块至第N下桥臂B相MMC功率模块和第1下桥臂C相MMC功率模块至第N下桥臂C相MMC功率模块；

串联模块的所有功率模块指：串联模块中的第1上桥臂A相MMC功率模块至第N上桥臂A相MMC功率模块、第1上桥臂B相MMC功率模块至第N上桥臂B相MMC功率模块、第1上桥臂C相MMC功率模块至第N上桥臂C相MMC功率模块、第1下桥臂A相MMC功率模块至第N下桥臂A相MMC功率模块、第1下桥臂B相MMC功率模块至第N下桥臂B相MMC功率模块和第1下桥臂C相MMC功率模块至第N下桥臂C相MMC功率模块；

由于三相MMC-UPQC的串联模块和并联模块均接在同一电源，且两部分直流侧是由直流母线直接相连，所以三相MMC-UPQC仅能利用并联模块通过交流电源进行充电，串联模块则通过直流母线对其进行充电。当交流电源通过第一续流二极管D1和第二续流二极管D2对并联模块的每个功率模块进行充电时，由于MMC电路的特殊结构，交流电源在一个工频周期内，分时段分别对并联模块各相（A相、B相和C相）的上、下桥臂上的每个功率模块进行充电；且从并联模块直流侧看，每个时刻并联模块每相（A相、B相和C相）均只会有上桥臂或者下桥臂的N个功率模块串联进电路中。对于串联模块来说，各相（A相、B相和C相）上、下桥臂的每个功率模块通过与并联模块相连的直流母线对其充电，从串联模块直流侧看，每个时刻串联模块每相（A相、B相和C相）均有2N个功率模块串进电路中。因此，MMC-UPQC就会出现由并联模块上桥臂或者下桥臂N个功率模块提供的直流电压对串联模块上桥臂和下桥臂2N个功率模块进行充电的情况，此时，串联模块每个功率模块的直流电压仅能充到并联模块每个功率模块直流电压的一半。

对于应用于高电压（6kV及以上）场合的MMC来说，功率模块控制系统的电源主要通过MMC主回路取能，一般均设计在功率模块进入设定的工作电压时，才能正常工作，所以对于应用在高电压场合的功率模块来说，在未达到额定工作电压时，功率模块的控制系统不工作，功率模块的开关器件均在关断状态，主回路电流仅能通过与第一续流二极管D1和第二续流二极管D2对直流电容进行充电。由于串联模块电压在启动过程中的特殊性，因此必须设计串联模块中每个功率模块的取能电路能在二分之一到全额额定工作电压范围内，均能为功率模块控制系统提供稳定的工作电源，而并联模块功率模块取能电路应能在功率模块额定工作电压范围内向控制系统提供稳定的工作电源。

当并联模块的每个功率模块达到工作电压，而串联模块每个功率模块到达工作电压的二分之一时，串联模块和并联模块的功率模块控制系统开始正常工作，若此时对串联模块和并联模块的功率模块解锁，使串联模块和并联模块的三相每个桥臂都只投入N个功率模块，会使串联模块一侧直流电压变为解锁前直流电压的一半，而并联模块一侧直流电压不变，从而引起直流母线电压和电流冲击，进而引起并联模块交流电源的电流冲击。若不对此冲击进行合理控制，就可能对MMC中的器件造成损坏，并引起系统电压波动。

发明内容

本发明针对上述缺陷公开了一种三相MMC-UPQC无冲击自励预充电方法。本发明在实现对直流母线电压、电流以及交流电源电流小冲击的同时，使串联模块每个功率模块在迅速达到额定工作电压。利用本发明进行MMC-UPQC预充电，在无需外部辅助设备的情况下，实现MMC-UPQC的快速、小冲击启动，简单易实现，非常适合应用于高电压大容量的实际工程中。

基于MMC的三相UPQC拓扑电路的结构如下：并联模块连接串联模块，第一隔离变压器、第二隔离变压器和第三隔离变压器的原边绕组分别安装在输电线路A相线路、输电线路B相线路和输电线路C相线路上，第一隔离变压器的副边绕组的一端通过第三三相断路器连接串联模块中的第一电抗器和第二电抗器的公共节点，第二隔离变压器的副边绕组的一端通过第三三相断路器连接串联模块中的第三电抗器和第四电抗器的公共节点，第三隔离变压器的副边绕组的一端通过第三三相断路器连接串联模块中的第五电抗器和第六电抗器的公共节点，第一隔离变压器的副边绕组的另一端、第二隔离变压器的副边绕组的另一端和第三隔离变压器的副边绕组的另一端连接在一起；

第一限流电阻的一端连接第一三相断路器，另一端连接并联模块中的第一电抗器和第二电抗器的公共节点；第二限流电阻的一端连接第一三相断路器，另一端连接并联模块中的第三电抗器和第四电抗器的公共节点；第三限流电阻的一端连接第一三相断路器，另一端连接并联模块中的第五电抗器和第六电抗器的公共节点；第一限流电阻、第二限流电阻和第三限流电阻均与第二三相断路器并联；第一三相断路器KM1分别连接输电线路A相线路、输电线路B相线路和输电线路C相线路；输电线路A相线路、输电线路B相线路和输电线路C相线路是指三相高压交流电网的三相交流线路。

所述并联模块与串联模块的结构均为：第1上桥臂A相MMC功率模块至第N上桥臂A相MMC功率模块依次串联连接构成上桥臂A相电路，第1上桥臂B相MMC功率模块至第N上桥臂B相MMC功率模块依次串联连接构成上桥臂B相电路；第1上桥臂C相MMC功率模块至第N上桥臂C相MMC功率模块依次串联连接构成上桥臂C相电路，第1下桥臂A相MMC功率模块至第N下桥臂A相MMC功率模块依次串联连接构成下桥臂A相电路，第1下桥臂B相MMC功率模块至第N下桥臂B相MMC功率模块依次串联连接构成下桥臂B相电路，第1下桥臂C相MMC功率模块至第N下桥臂C相MMC功率模块依次串联连接构成下桥臂C相电路；第一电抗器连接第N上桥臂A相MMC功率模块的第二公共端，第二电抗器连接第1下桥臂A相MMC功率模块的第一公共端，第三电抗器连接第N上桥臂B相MMC功率模块的第二公共端，第四电抗器连接第1下桥臂B相MMC功率模块的第一公共端，第五电抗器连接第N上桥臂C相MMC功率模块的第二公共端，第六电抗器连接第1下桥臂C相MMC功率模块的第一公共端，N为大于1的偶数。

所述并联模块的第1上桥臂A相MMC功率模块、并联模块的第1上桥臂B相MMC功率模块、并联模块的第1上桥臂C相MMC功率模块、串联模块的第1上桥臂A相MMC功率模块、串联模块的第1上桥臂B相MMC功率模块和串联模块的第1上桥臂C相MMC功率模块以上六者的第一公共端连接在一起；

并联模块的第N下桥臂A相MMC功率模块、并联模块的第N下桥臂B相MMC功率模块、并联模块的第N下桥臂C相MMC功率模块、串联模块的第N下桥臂A相MMC功率模块、串联模块的第N下桥臂B相MMC功率模块和串联模块的第N下桥臂C相MMC功率模块以上六者的第二公共端连接在一起。

所述第1上桥臂A相MMC功率模块至第N上桥臂A相MMC功率模块、第1上桥臂B相MMC功率模块至第N上桥臂B相MMC功率模块、第1上桥臂C相MMC功率模块至第N上桥臂C相MMC功率模块、第1下桥臂A相MMC功率模块至第N下桥臂A相MMC功率模块、第1下桥臂B相MMC功率模块至第N下桥臂B相MMC功率模块以及第1下桥臂C相MMC功率模块至第N下桥臂C相MMC功率模块具有相同的结构，它们的结构均为：反并联第一续流二极管的第一IGBT器件与反并联第二续流二极管的第二IGBT器件串联，然后与直流电容并联，第一晶闸管和第二晶闸管反并联构成晶闸管模块，第一公共端连接第一IGBT器件和第二IGBT器件的公共节点，第二公共端连接第二IGBT器件和直流电容的公共节点，在第一公共端和第二公共端之间并联晶闸管模块。

基于MMC的三相UPQC拓扑电路的预充电方法包括以下步骤：

1）使第一三相断路器、第二三相断路器和第三三相断路器处于断开状态，并使所有功率模块的直流电容两端电压为零；

2）闭合第一三相断路器，此时，在并联模块的所有功率模块中，第一IGBT器件和第二IGBT器件均处于关断状态，三相高压交流电网分别经过第一限流电阻、第二限流电阻和第三限流电阻，然后通过第一续流二极管和第二续流二极管对直流电容充电，并联模块开始不控整流；

3）等待三相MMC-UPQC直流母线电压上升至三相高压交流电网线电压有效值的0.8-1.2倍时，此时三相MMC-UPQC控制系统开始工作，能够对所有功率模块内的第一IGBT器件和第二IGBT器件进行控制，令n=1；

4）在串联模块的第1上桥臂A相MMC功率模块至第N上桥臂A相MMC功率模块中，选取这N个功率模块的直流电容两端电压最高的n个功率模块，将这n个功率模块的第二IGBT器件导通；

在串联模块的第1下桥臂A相MMC功率模块至第N下桥臂A相MMC功率模块中，选取这N个功率模块的直流电容两端电压最高的n个功率模块，将这n个功率模块的第二IGBT器件导通；

在串联模块的第1上桥臂B相MMC功率模块至第N上桥臂B相MMC功率模块中，选取这N个功率模块的直流电容两端电压最高的n个功率模块，将这n个功率模块的第二IGBT器件导通；

在串联模块的第1下桥臂B相MMC功率模块至第N下桥臂B相MMC功率模块中，选取这N个功率模块的直流电容两端电压最高的n个功率模块，将这n个功率模块的第二IGBT器件导通；

在串联模块的第1上桥臂C相MMC功率模块至第N上桥臂C相MMC功率模块中，选取这N个功率模块的直流电容两端电压最高的n个功率模块，将这n个功率模块的第二IGBT器件导通；

在串联模块的第1下桥臂C相MMC功率模块至第N下桥臂C相MMC功率模块中，选取这N个功率模块的直流电容两端电压最高的n个功率模块，将这n个功率模块的第二IGBT器件导通；

步骤4）中的第二IGBT器件导通过程应同时进行。

5）如果串联模块的所有功率模块的直流电容两端电压均大于

，则执行步骤6）；否则，返回执行步骤4）；U_dc为三相MMC-UPQC直流母线电压；

6）如果n=N/2，则执行步骤7）；否则，将n+1赋值给n，返回执行步骤4）；

7）闭合第二三相断路器，将第一限流电阻、第二限流电阻和第三限流电阻旁路，并联模块直接与三相高压交流电网连接；

8）向并联模块的所有功率模块的第一IGBT器件和第二IGBT器件发送触发脉冲，并联模块开始可控整流，待所有功率模块的直流电容两端电压上升至稳态工作电压时，预充电过程结束。

本发明的有益效果为：通过对MMC-UPQC串联模块和并联模块的功率模块的简单、合理控制，在保证对高压交流电网无电流冲击以及功率模块内开关器件仅受最小应力的条件下，利用高压交流电网三相电压将MMC-UPQC串联模块和并联模块功率模块的直流电压从零电压值充到稳定工作设定值，从而在不增加外部辅助设备、减小投资成本、不添加复杂控制方法的情况下实现了对三相高压交流电网无冲击的MMC-UPQC预充电过程。

附图说明

图1为三相MMC-UPQC主拓扑及与高压交流电网连接示意图；

图2为三相MMC-UPQC所有功率模块内部结构示意图；

图3为本发明所提无冲击预充电控制方法的控制流程示意图。

图4a为三相MMC-UPQC直流母线电压的波形示意图；

图4b为三相MMC-UPQC直流母线电流的波形示意图；

图4c为并联模块A相输出电流的波形示意图；

图5a为串联模块A相上桥臂每个功率模块直流电容C两端电压的波形示意图；

图5b为并联模块A相上桥臂每个功率模块直流电容C两端电压的波形示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，基于MMC的三相UPQC拓扑电路的结构如下：并联模块连接串联模块，第一隔离变压器Ta、第二隔离变压器Tb和第三隔离变压器Tc的原边绕组分别安装（原边绕组的两端分别串联接入输电线路A相线路Ua、输电线路B相线路Ub或输电线路C相线路Uc，即：第一隔离变压器Ta的原边绕组一端接入输电线路A相线路电源侧，另一端接入输电线路A相线路负载侧，第二隔离变压器Tb的原边绕组一端接入输电线路B相线路电源侧，另一端接入输电线路B相线路负载侧，第三隔离变压器Tc的原边绕组一端接入输电线路C相线路电源侧，另一端接入输电线路C相线路负载侧）在输电线路A相线路Ua、输电线路B相线路Ub和输电线路C相线路Uc上，第一隔离变压器Ta的副边绕组的一端通过第三三相断路器KM3连接串联模块中的第一电抗器La和第二电抗器La’的公共节点，第二隔离变压器Tb的副边绕组的一端通过第三三相断路器KM3连接串联模块中的第三电抗器Lb和第四电抗器Lb’的公共节点，第三隔离变压器Tc的副边绕组的一端通过第三三相断路器KM3连接串联模块中的第五电抗器Lc和第六电抗器Lc’的公共节点，第一隔离变压器Ta的副边绕组的另一端、第二隔离变压器Tb的副边绕组的另一端和第三隔离变压器Tc的副边绕组的另一端连接在一起，并联模块和串联模块是根据与输电线路的连接方式而划分的；

第一限流电阻Ra的一端连接第一三相断路器KM1，另一端连接并联模块中的第一电抗器La和第二电抗器La’的公共节点；第二限流电阻Rb的一端连接第一三相断路器KM1，另一端连接并联模块中的第三电抗器Lb和第四电抗器Lb’的公共节点；第三限流电阻Rc的一端连接第一三相断路器KM1，另一端连接并联模块中的第五电抗器Lc和第六电抗器Lc’的公共节点；第一限流电阻Ra、第二限流电阻Rb和第三限流电阻Rc均与第二三相断路器KM2并联；第一三相断路器KM1分别连接输电线路A相线路Ua、输电线路B相线路Ub和输电线路C相线路Uc；输电线路A相线路Ua、输电线路B相线路Ub和输电线路C相线路Uc是指三相高压交流电网的三相交流线路。

并联模块与串联模块的结构均为：第1上桥臂A相MMC功率模块至第N上桥臂A相MMC功率模块依次串联（指：第K上桥臂A相MMC功率模块的第二公共端b连接第K+1上桥臂A相MMC功率模块的第一公共端a，K为1至N-1）连接构成上桥臂A相电路，第1上桥臂B相MMC功率模块至第N上桥臂B相MMC功率模块依次串联连接构成上桥臂B相电路；第1上桥臂C相MMC功率模块至第N上桥臂C相MMC功率模块依次串联连接构成上桥臂C相电路，第1下桥臂A相MMC功率模块至第N下桥臂A相MMC功率模块依次串联连接构成下桥臂A相电路，第1下桥臂B相MMC功率模块至第N下桥臂B相MMC功率模块依次串联连接构成下桥臂B相电路，第1下桥臂C相MMC功率模块至第N下桥臂C相MMC功率模块依次串联连接构成下桥臂C相电路；第一电抗器La连接第N上桥臂A相MMC功率模块的第二公共端b，第二电抗器La’连接第1下桥臂A相MMC功率模块的第一公共端a，第三电抗器Lb连接第N上桥臂B相MMC功率模块的第二公共端b，第四电抗器Lb’连接第1下桥臂B相MMC功率模块的第一公共端a，第五电抗器Lc连接第N上桥臂C相MMC功率模块的第二公共端b，第六电抗器Lc’连接第1下桥臂C相MMC功率模块的第一公共端a，N为大于1的偶数，并联模块和串联模块构成变流器。此时，三相MMC-UPQC为N+1电平。

并联模块的第1上桥臂A相MMC功率模块、并联模块的第1上桥臂B相MMC功率模块、并联模块的第1上桥臂C相MMC功率模块、串联模块的第1上桥臂A相MMC功率模块、串联模块的第1上桥臂B相MMC功率模块和串联模块的第1上桥臂C相MMC功率模块以上六者的第一公共端a连接在一起；（构成并联模块和串联模块的正极母线）；

并联模块的第N下桥臂A相MMC功率模块、并联模块的第N下桥臂B相MMC功率模块、并联模块的第N下桥臂C相MMC功率模块、串联模块的第N下桥臂A相MMC功率模块、串联模块的第N下桥臂B相MMC功率模块和串联模块的第N下桥臂C相MMC功率模块以上六者的第二公共端b连接在一起；（构成并联模块和串联模块的负极母线）；

并联模块和串联模块的直流侧相连：并联模块和串联模块的正极母线连接在一起，构成三相MMC-UPQC直流母线的正极；并联模块和串联模块的负极母线连接在一起，构成三相MMC-UPQC直流母线的负极；从而可实现串、并部分逆变能量的相互支撑。三相MMC-UPQC直流母线电压即为三相MMC-UPQC直流母线的正极与三相MMC-UPQC直流母线的负极之间的电压；

如图2所示，第1上桥臂A相MMC功率模块至第N上桥臂A相MMC功率模块、第1上桥臂B相MMC功率模块至第N上桥臂B相MMC功率模块、第1上桥臂C相MMC功率模块至第N上桥臂C相MMC功率模块、第1下桥臂A相MMC功率模块至第N下桥臂A相MMC功率模块、第1下桥臂B相MMC功率模块至第N下桥臂B相MMC功率模块以及第1下桥臂C相MMC功率模块至第N下桥臂C相MMC功率模块具有相同的结构，它们的结构均为：反并联第一续流二极管D1的第一IGBT器件I1与反并联第二续流二极管D2的第二IGBT器件I2串联，然后与直流电容C并联，第一晶闸管S1和第二晶闸管S2反并联构成晶闸管模块SCR，第一公共端a连接第一IGBT器件I1和第二IGBT器件I2的公共节点，第二公共端b连接第二IGBT器件I2和直流电容C的公共节点，在第一公共端a和第二公共端b之间并联晶闸管模块SCR，用来在功率模块内部发生故障时旁路该功率模块。

如图3所示，基于MMC的三相UPQC拓扑电路的预充电方法包括以下步骤：

1）使第一三相断路器KM1、第二三相断路器KM2和第三三相断路器KM3处于断开状态，并使所有功率模块的直流电容C两端电压为零；

2）闭合第一三相断路器KM1，此时，在并联模块的所有功率模块中，第一IGBT器件I1和第二IGBT器件I2均处于关断状态，三相高压交流电网分别经过第一限流电阻、第二限流电阻和第三限流电阻，然后通过第一续流二极管D1和第二续流二极管D2对直流电容C充电，并联模块开始不控整流；

3）等待三相MMC-UPQC直流母线电压上升至三相高压交流电网线电压有效值的0.8-1.2倍时，此时三相MMC-UPQC控制系统开始工作，能够对所有功率模块内的第一IGBT器件I1和第二IGBT器件I2进行控制，令n=1；三相MMC-UPQC控制系统通过对三相MMC-UPQC及电压、电流、断路器开关状态等信号的采集，根据设定的补偿及保护算法，采用分层控制的思想，实现对整个三相MMC-UPQC中的断路器、所有功率模块和，串联和并联部分所有子模块中开关器件及晶闸管模块SCR的控制，从而使三相MMC-UPQC按照预期的工作状态运行。

4）在串联模块的第1上桥臂A相MMC功率模块至第N上桥臂A相MMC功率模块中，选取这N个功率模块（指串联模块的第1上桥臂A相MMC功率模块至第N上桥臂A相MMC功率模块）的直流电容C两端电压最高的n个功率模块，将这n个功率模块的第二IGBT器件I2导通；

在串联模块的第1下桥臂A相MMC功率模块至第N下桥臂A相MMC功率模块中，选取这N个功率模块（指串联模块的第1下桥臂A相MMC功率模块至第N下桥臂A相MMC功率模块）的直流电容C两端电压最高的n个功率模块，将这n个功率模块的第二IGBT器件I2导通；

在串联模块的第1上桥臂B相MMC功率模块至第N上桥臂B相MMC功率模块中，选取这N个功率模块（指串联模块的第1上桥臂B相MMC功率模块至第N上桥臂B相MMC功率模块）的直流电容C两端电压最高的n个功率模块，将这n个功率模块的第二IGBT器件I2导通；

在串联模块的第1下桥臂B相MMC功率模块至第N下桥臂B相MMC功率模块中，选取这N个功率模块（指串联模块的第1下桥臂B相MMC功率模块至第N下桥臂B相MMC功率模块）的直流电容C两端电压最高的n个功率模块，将这n个功率模块的第二IGBT器件I2导通；

在串联模块的第1上桥臂C相MMC功率模块至第N上桥臂C相MMC功率模块中，选取这N个功率模块（指串联模块的第1上桥臂C相MMC功率模块至第N上桥臂C相MMC功率模块）的直流电容C两端电压最高的n个功率模块，将这n个功率模块的第二IGBT器件I2导通；

在串联模块的第1下桥臂C相MMC功率模块至第N下桥臂C相MMC功率模块中，选取这N个功率模块（指串联模块的第1下桥臂C相MMC功率模块至第N下桥臂C相MMC功率模块）的直流电容C两端电压最高的n个功率模块，将这n个功率模块的第二IGBT器件I2导通；

步骤4）中的第二IGBT器件导通过程应同时进行。

5）如果串联模块的所有功率模块的直流电容C两端电压均大于

，则执行步骤6）；否则，返回执行步骤4）；U_dc为三相MMC-UPQC直流母线电压，其单位是V；

6）如果n=N/2，此时所有功率模块的直流电容C两端电压已相等，则执行步骤7）；否则，将n+1赋值给n，返回执行步骤4）；

7）闭合第二三相断路器KM2，将第一限流电阻Ra、第二限流电阻Rb和第三限流电阻Rc旁路，并联模块直接与三相高压交流电网连接；

8）向并联模块的所有功率模块的第一IGBT器件I1和第二IGBT器件I2发送触发脉冲，并联模块开始可控整流，待所有功率模块的直流电容C两端电压上升至稳态工作电压时，预充电过程结束。

在完成预充电过程后，串联模块便可接入三相高压交流电网，开始按预先设定的控制策略开始工作，整个三相MMC-UPQC进入正常运行状态。

采用本发明的预充电方法对13电平三相MMC-UPQC进行预充电，在三相交流系统电压为1000V的情况下，三相MMC-UPQC直流母线电压从0V上升到预设值1700V；图4a为三相MMC-UPQC直流母线电压的波形示意图，图4b为三相MMC-UPQC直流母线电流（指三相MMC-UPQC直流母线的正极的电流）的波形示意图；图4c为并联模块A相输出电流（指第一限流电阻Ra的电流）的波形示意图；

采用本发明方法对13电三相平MMC-UPQC进行预充电，在三相交流系统电压为1000V的情况下，MMC-UPQC直流母线电压从0V上升到预设值1700V；图5a为串联模块A相上桥臂每个功率模块（指串联模块的第1上桥臂A相MMC功率模块指第12上桥臂A相MMC功率模块）直流电容C两端电压的波形示意图；图5b为并联模块A相上桥臂每个功率模块（指并联模块的第1上桥臂A相MMC功率模块指第12上桥臂A相MMC功率模块）直流电容C两端电压的波形示意图。

从图4和图5可以看出，采用本发明方法进行三相MMC-UPQC预充电，三相MMC-UPQC直流母线电压没有出现直接掉落一半的情况，且在总共6次切换工程中均没有对直流母线电压、直流母线电流以及各个子模块的直流电流造成较大冲击，电压和电流的变化均比较平缓，大大减小了所有功率模块内第一IGBT器件I1和第二IGBT器件I2在启动过程中所承受的电压和电流应力。

以上列举的方法仅是本发明的一个具体实施实例，本发明不限于以上实例，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得到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

利用本发明所提方法，在保证对高压交流电网无电流冲击以及子模块内开关器件仅受最小应力的条件下，利用高压交流电网三相电压将三相MMC-UPQC所有功率模块的直流电压从零电压值充到稳态工作电压，从而在不增加外部辅助设备、减小投资成本、不添加复杂控制方法的情况下，保证了三相MMC-UPQC所有功率在充电过程中不会由于所承受应力过大而损坏，也方便灵活的实现了对三相高压交流电网无冲击的三相MMC-UPQC预充电过程。

本发明所提出的方法，对于各种采用MMC直流侧背靠背连接的各种装置的预充电过程也同样适用。

Claims (5)

1.基于MMC的三相UPQC拓扑电路，其特征在于，它的结构如下：并联模块连接串联模块，第一隔离变压器（Ta）、第二隔离变压器（Tb）和第三隔离变压器（Tc）的原边绕组分别安装在输电线路A相线路（Ua）、输电线路B相线路（Ub）和输电线路C相线路（Uc）上，第一隔离变压器（Ta）的副边绕组的一端通过第三三相断路器（KM3）连接串联模块中的第一电抗器（La）和第二电抗器（La’）的公共节点，第二隔离变压器（Tb）的副边绕组的一端通过第三三相断路器（KM3）连接串联模块中的第三电抗器（Lb）和第四电抗器（Lb’）的公共节点，第三隔离变压器（Tc）的副边绕组的一端通过第三三相断路器（KM3）连接串联模块中的第五电抗器（Lc）和第六电抗器（Lc’）的公共节点，第一隔离变压器（Ta）的副边绕组的另一端、第二隔离变压器（Tb）的副边绕组的另一端和第三隔离变压器（Tc）的副边绕组的另一端连接在一起；

第一限流电阻（Ra）的一端连接第一三相断路器（KM1），另一端连接并联模块中的第一电抗器（La）和第二电抗器（La’）的公共节点；第二限流电阻（Rb）的一端连接第一三相断路器（KM1），另一端连接并联模块中的第三电抗器（Lb）和第四电抗器（Lb’）的公共节点；第三限流电阻（Rc）的一端连接第一三相断路器（KM1），另一端连接并联模块中的第五电抗器（Lc）和第六电抗器（Lc’）的公共节点；第一限流电阻（Ra）、第二限流电阻（Rb）和第三限流电阻（Rc）均与第二三相断路器（KM2）并联；第一三相断路器KM1分别连接输电线路A相线路（Ua）、输电线路B相线路（Ub）和输电线路C相线路（Uc）；输电线路A相线路（Ua）、输电线路B相线路（Ub）和输电线路C相线路（Uc）是指三相高压交流电网的三相交流线路。

2.根据权利要求1所述的基于MMC的三相UPQC拓扑电路，其特征在于，所述并联模块与串联模块的结构均为：第1上桥臂A相MMC功率模块至第N上桥臂A相MMC功率模块依次串联连接构成上桥臂A相电路，第1上桥臂B相MMC功率模块至第N上桥臂B相MMC功率模块依次串联连接构成上桥臂B相电路；第1上桥臂C相MMC功率模块至第N上桥臂C相MMC功率模块依次串联连接构成上桥臂C相电路，第1下桥臂A相MMC功率模块至第N下桥臂A相MMC功率模块依次串联连接构成下桥臂A相电路，第1下桥臂B相MMC功率模块至第N下桥臂B相MMC功率模块依次串联连接构成下桥臂B相电路，第1下桥臂C相MMC功率模块至第N下桥臂C相MMC功率模块依次串联连接构成下桥臂C相电路；第一电抗器（La）连接第N上桥臂A相MMC功率模块的第二公共端（b），第二电抗器（La’）连接第1下桥臂A相MMC功率模块的第一公共端（a），第三电抗器（Lb）连接第N上桥臂B相MMC功率模块的第二公共端（b），第四电抗器（Lb’）连接第1下桥臂B相MMC功率模块的第一公共端（a），第五电抗器（Lc）连接第N上桥臂C相MMC功率模块的第二公共端（b），第六电抗器（Lc’）连接第1下桥臂C相MMC功率模块的第一公共端（a），N为大于1的偶数。

3.根据权利要求1所述的基于MMC的三相UPQC拓扑电路，其特征在于，所述并联模块的第1上桥臂A相MMC功率模块、并联模块的第1上桥臂B相MMC功率模块、并联模块的第1上桥臂C相MMC功率模块、串联模块的第1上桥臂A相MMC功率模块、串联模块的第1上桥臂B相MMC功率模块和串联模块的第1上桥臂C相MMC功率模块以上六者的第一公共端（a）连接在一起；

并联模块的第N下桥臂A相MMC功率模块、并联模块的第N下桥臂B相MMC功率模块、并联模块的第N下桥臂C相MMC功率模块、串联模块的第N下桥臂A相MMC功率模块、串联模块的第N下桥臂B相MMC功率模块和串联模块的第N下桥臂C相MMC功率模块以上六者的第二公共端（b）连接在一起。

4.根据权利要求1所述的基于MMC的三相UPQC拓扑电路，其特征在于，所述第1上桥臂A相MMC功率模块至第N上桥臂A相MMC功率模块、第1上桥臂B相MMC功率模块至第N上桥臂B相MMC功率模块、第1上桥臂C相MMC功率模块至第N上桥臂C相MMC功率模块、第1下桥臂A相MMC功率模块至第N下桥臂A相MMC功率模块、第1下桥臂B相MMC功率模块至第N下桥臂B相MMC功率模块以及第1下桥臂C相MMC功率模块至第N下桥臂C相MMC功率模块具有相同的结构，它们的结构均为：反并联第一续流二极管（D1）的第一IGBT器件（I1）与反并联第二续流二极管（D2）的第二IGBT器件（I2）串联，然后与直流电容（C）并联，第一晶闸管（S1）和第二晶闸管（S2）反并联构成晶闸管模块（SCR），第一公共端（a）连接第一IGBT器件（I1）和第二IGBT器件（I2）的公共节点，第二公共端（b）连接第二IGBT器件（I2）和直流电容（C）的公共节点，在第一公共端（a）和第二公共端（b）之间并联晶闸管模块（SCR）。

5.基于MMC的三相UPQC拓扑电路的预充电方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）使第一三相断路器（KM1）、第二三相断路器（KM2）和第三三相断路器（KM3）处于断开状态，并使所有功率模块的直流电容（C）两端电压为零；

2）闭合第一三相断路器（KM1），此时，在并联模块的所有功率模块中，第一IGBT器件（I1）和第二IGBT器件（I2）均处于关断状态，三相高压交流电网分别经过第一限流电阻、第二限流电阻和第三限流电阻，然后通过第一续流二极管（D1）和第二续流二极管（D2）对直流电容（C）充电，并联模块开始不控整流；

3）等待三相MMC-UPQC直流母线电压上升至三相高压交流电网线电压有效值的0.8-1.2倍时，此时三相MMC-UPQC控制系统开始工作，能够对所有功率模块内的第一IGBT器件（I1）和第二IGBT器件（I2）进行控制，令n=1；

4）在串联模块的第1上桥臂A相MMC功率模块至第N上桥臂A相MMC功率模块中，选取这N个功率模块的直流电容（C）两端电压最高的n个功率模块，将这n个功率模块的第二IGBT器件（I2）导通；

在串联模块的第1下桥臂A相MMC功率模块至第N下桥臂A相MMC功率模块中，选取这N个功率模块的直流电容（C）两端电压最高的n个功率模块，将这n个功率模块的第二IGBT器件（I2）导通；

在串联模块的第1上桥臂B相MMC功率模块至第N上桥臂B相MMC功率模块中，选取这N个功率模块的直流电容（C）两端电压最高的n个功率模块，将这n个功率模块的第二IGBT器件（I2）导通；

在串联模块的第1下桥臂B相MMC功率模块至第N下桥臂B相MMC功率模块中，选取这N个功率模块的直流电容（C）两端电压最高的n个功率模块，将这n个功率模块的第二IGBT器件（I2）导通；

在串联模块的第1上桥臂C相MMC功率模块至第N上桥臂C相MMC功率模块中，选取这N个功率模块的直流电容（C）两端电压最高的n个功率模块，将这n个功率模块的第二IGBT器件（I2）导通；

在串联模块的第1下桥臂C相MMC功率模块至第N下桥臂C相MMC功率模块中，选取这N个功率模块的直流电容（C）两端电压最高的n个功率模块，将这n个功率模块的第二IGBT器件（I2）导通；

5）如果串联模块的所有功率模块的直流电容（C）两端电压均大于

，则执行步骤6）；否则，返回执行步骤4）；U_dc为三相MMC-UPQC直流母线电压；

6）如果n=N/2，则执行步骤7）；否则，将n+1赋值给n，返回执行步骤4）；

7）闭合第二三相断路器（KM2），将第一限流电阻（Ra）、第二限流电阻（Rb）和第三限流电阻（Rc）旁路，并联模块直接与三相高压交流电网连接；

8）向并联模块的所有功率模块的第一IGBT器件（I1）和第二IGBT器件（I2）发送触发脉冲，并联模块开始可控整流，待所有功率模块的直流电容（C）两端电压上升至稳态工作电压时，预充电过程结束。

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