CN102969882A - 一种模块化多电平柔性直流输电换流器的启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化多电平柔性直流输电换流器的启动方法，通过断路器及线路接触器的开通关断实现软启动与正常运行回路的切换，在软启动过程中，以一定频率切除子模块直流电压最高者保证桥臂子模块均压充电，通过子模块切除个数的选择，确保桥臂子模块电压达到系统运行额定值，为系统从软启动过程到控制模式的平滑切换创造了条件。控制阶段采用单个桥臂为单位控制单元，同时进行每个桥臂内部子模块的均压控制，这样无需桥臂电流检测，使得充电更易于实现，软启过程明显缩短，且子模块间均压程度非常高。

Description

一种模块化多电平柔性直流输电换流器的启动方法

技术领域

本发明属于电力系统柔性输配电、电力电子和用户电力技术领域，涉及一种模块化多电平柔性直流输电换流器的启动方法。

背景技术

柔性直流输电技术以可关断电力电子器件和电压源型换流站（VSC）为基础，多为BtB拓扑结构并以地下电缆及海底电缆为传输媒介实现电能传输。其中电压源型换流器（VSC）是该输电系统的基本组成单元。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。在模块化多电平换流器中每个桥臂由若干个子模块（submodule, SM）串联而成，通过控制各个子模块的投入和切除状态，进而实现对换流器交流侧输出电压的控制。这种控制方式能够以阶梯波的形式最大限度逼近正弦波，从而降低输出电压畸变，满足电网对于谐波的限制要求。

    模块化多电平柔性直流输电换流器的基本拓扑如图1a所示，由三相六个桥臂组成，每个相单元由两个桥臂组成，每个桥臂由桥臂电抗器及若干个子模块串联而成。子模块是换流器的基本组成单元，子模块的拓扑如图1b所示，其中包括直流电容、与直流电容串联的上管IGBT和其反并联二极管及与直流电容并联的下管IGBT和其反并联二极管。

    当子模块接入换流器桥臂中，上管闭合，下管断开时，子模块电容接入系统，此时如果桥臂电流为向子模块上管IGBT和下管IGBT之间节点流进方向，则会通过上管反并联二极管对电容充电；如果桥臂电流为向子模块上管IGBT和下管IGBT之间节点流出方向，则会通过上管IGBT对电容放电。当子模块接入换流器桥臂中，上管断开，下管闭合时，由于下管与电容并联，此时通过下管对电容进行短路操作，将电容切除，此时无论桥臂电流如何，均不会与该子模块电容形成回路，不会对子模块进行充放电操作。

    在传统直流输电中，开关器件主要采用晶闸管，对于晶闸管控制电路的电源均取自直流母线。在高电压大功率系统中，开关器件控制取电自直流电容，是一个简单实用的方法。同样，对于模块化多电平柔性直流输电系统，子模块控制用电（包括子模块驱动电路以及其他控制电路）取自于子模块直流电容两侧，也是一个简单实用的方法。

    子模块控制电取电于子模块直流电容功能的加入，引入了各控制电流消耗的差异性，再加之子模块电路参数本身有差异性，使得子模块串联入一个直流源系统两端时，子模块电压会存在不小的不均衡度，如果该不均衡度足够大，将导致系统无法正常运行。

    在换流器运行过程中，需要保证各桥臂内子模块电压在一定范围内保持一致。因此系统在启动过程中完成对各子模块的预充电，并保证子模块电压均匀，即平稳的启动是系统稳定运行的第一步。

    申请公布号为CN101795057 A的中国专利申请“无需辅助直流电源的三相模块化多电平换流器启动方法”，公开了一种三相模块化多电平换流器的自励充电方法，该方法用交流系统线电压作为充电电源，通过检测桥臂电流方向和各子模块电容电压来控制各桥臂的开关状态，完成换流器的子模块充电。具体过程为：通过限流电阻将交流电压引至换流器，给所有子模块上下开关器件予以关断信号，检测各桥臂的电流，当电流与充电方向一致时，给待充电子模块下开关器件予以触发信号，该子模块充电；当电流与充电方向相反时，给该子模块下开关器件予关断信号，该子模块电容电压得以保持，如此反复，待子模块电容电压达到额定时，触发开通该子模块下开关器件，该子模块充电完毕，可转而对下一个子模块进行充电，重复上述步骤，直至桥臂所有的子模块电容电压均达到额定值附近，换流器完成充电。

    申请公布号为CN102170140 A的中国专利申请“一种模块化多电平换流器柔性直流输电系统的起动方法”，主要从模块化多电平柔性直流输电BtB系统的角度说明了系统合闸及控制模式启动的时序，首先两端换流站在软启电阻限流作用下自然充电到稳态，然后再对于无源端换流站进行均压控制。

    上述两种子模块的充电方式中，第一种充电方式采用逐一给各子模块充电，充电时间长，并且如果子模块控制电路从子模块直流电容两端取电，将导致先完成充电的子模块电压将在一定时间内完成放电过程，对于实际系统，该方法可操作性不强；第二种充电方式，其缺陷之一在于未考虑子模块本身电路参数差异和子模块直流电源负载差异对于子模块自然充电不均压的影响；缺陷之二在于对于软启进入稳定之后对于子模块充电所采用的均压策略选取以一个相单元（两个桥臂）为控制对象，对于庞大的系统来说，如果桥臂子模块个数很多，对两个桥臂子模块电压进行排序计算量会大大增加，因此对控制系统资源的消耗比较高，另外模块化多电平阀控系统一般是以桥臂控制器为一个单元，以相单元为一个整体进行均压控制必然带来每相桥臂控制器之间巨大的通讯量要求，加剧了阀控系统硬件内部的依赖性。

发明内容

本发明的目的是提供一种模块化多电平柔性直流输电换流器的启动方法，以实现在柔性直流输电系统正常运行前，保证子模块电容电压和直流电压达到额定值，并且保证各子模块电容电压的一致性。

为实现上述目的，本发明的模块化多电平柔性直流输电换流器的启动方法技术方案如下：该模块化多电平柔性直流输电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，每个子模块由上管及下管两个IGBT器件及子模块电容构成，启动方法包括以下步骤：

    （1）选定系统软启过程中切除子模块个数Nsm_d，该系统中桥臂子模块总数为Nsm；

    （2）闭合交流侧断路器，电网通过交流侧软启动电阻对六个桥臂上的子模块进行预充电；

    （3）以一个桥臂为单位控制单元，对各桥臂内部子模块电压进行排序； 

    （4）对于从高到低排序的前Nsm_d个子模块，下发闭合子模块下管的操作，对于其余Nsm-Nsm_d个子模块，采取断开上管及下管的操作；

（5）以设定的频率重复步骤（3）、（4），直至子模块电压处于稳定状态；

（6）当系统检测到各子模块电压均处于稳定状态时，闭合软启电阻旁路接触器，软启过程完成。 

本发明的模块化多电平柔性直流输电换流器的启动方法，采用以单个桥臂为控制对象而未采取以一个相为控制对象，这样降低了系统对单个桥臂控制器排序及硬件资源的要求，实现更加简单、高效；不检测桥臂电流方向进行均压控制，在均压的同时桥臂子模块同时被通电从而简化了模块化多电平柔性直流输电换流器的起动方法，该方法简单、易行、实用性强；考虑到了子模块控制电路的取电问题及各子模块参数的差异性问题，在预充电过程中采用均压策略，保证了各子模块预充电过程中电压的一致性；采用软启均压阶段切除模块数Nsm_d可选择，这样使得子模块稳态软启电压具有可调整性，使得子模块稳态软启电压和正常闭环运行稳态电压尽可能一致，从而有利于实现系统由软启动阶段到控制模式间的平滑切换，降低换流阀切入闭环控制时的电气冲击。

附图说明

图1是模块化多电平柔性直流换流器基本结构示意图；

图2是子模块结构示意图；

图3是软启动控制流程图；

图4 子模块电容电压充电一致性波形;

图5 子模块电容电压充电波形。

具体实施方式

    下面对本发明的具体实施方式作进一步介绍。

    模块化多电平柔性直流输电换流器的基本拓扑如图1所示，图2是子模块结构示意图，模块化多电平柔性直流输电换流器由三相六个桥组成，每相桥由两个桥臂组成，每个桥臂由桥臂电抗器及若干个子模块级联而成。单个桥臂所含子模块数用Nsm表示。子模块是换流器的基本组成单元，子模块的拓扑如图2所示，其中包括直流电容、与直流电容串联的上管IGBT及与直流电容并联的下管IGBT，在上下IGBT管中都有二极管与之反相并联，子模块中还包含起保护作用的旁路开关及晶闸管并于下管IGBT两端。

    当子模块接入换流器桥臂中，上管断开，下管闭合时，由于下管与电容并联，此时通过下管对电容进行短路操作，将电容切除，此时无论桥臂电流如何，均不会与该子模块电容形成回路，不会对子模块进行充放电操作。当子模块接入换流器桥臂中，上管下管均处于断开状态时，如果桥臂电流为充电方向时，电流会经过上管IGBT的反并联二极管对子模块电容进行充电；桥臂电流为放电方向时，在此开关状态下无法流通。

    图3给出了本模块化多电平柔性直流输电换流器起动方法的流程图，具体方法如下：

    （1）选定系统软启过程中切除子模块个数Nsm_d，该参数的选定，使得各子模块完成预充电后的电压接近系统额定运行的电压（设定该系统中桥臂子模块数为Nsm）；

    （2）闭合交流侧断路器QF1，电网电压交流电通过软启动电阻对六个桥臂上的子模块进行预充电；

    （3）合交流断路器后立即启动软启阶段均压控制策略（该处的均匀控制策略是指以下的步骤4—6）；

    （4）以一个桥臂为单位控制单元，对各桥臂内部子模块电压进行排序。对子模块的排序程序可直接采用正常运行模式下的子模块排序程序即可；

    （5）对于各桥臂内部电压较高的Nsm_d个子模块，下发闭合子模块下管的操作，对于其余（Nsm-Nsm_d）个子模块，采取封锁上管及下管脉冲的操作，即断开上下管的操作；

    （6）以设定的频率重复步骤（4）、（5），直至子模块电压处于稳定状态（该控制频率如果选择太低将无法达到子模块电容均压的目的，需要选择足够大，但不能太高影响系统开关损耗）；

（7）当系统检测各子模块电压处于稳定状态时，闭合软启电阻旁路接触器KM1，软启过程完成，软件系统可以切换至正常的控制模式进行控制。

上述步骤4、5、6中在子模块软启充电过程中采取切除较高电压子模块，较低电压子模块上管处于脉冲封锁阶段，可通过上管二极管与子模块电容形成通路，对较低电压子模块进行充电操作。

步骤（1）中根据充电稳态电压进行Nsm_d的选取，比如直流电压为1000V，桥臂共有13个子模块，每个子模块需要充电到100V，则需要切除3个子模块使得剩余的10个子模块刚好承担1000V电压。Nsm表示单个桥臂子模块总数，每个桥臂子模块数量一致，每个桥臂切除子模块数相同。

步骤（6）中设定的频率，没有严格限制，太低子模块均压或受到影响，太高没有必要，一般建议为500Hz即可。

    图4、5为一模块化多电平柔性直流输电换流器一桥臂上四个子模块的电容电压波形，从图中可看出四个特性上存在差异的子模块在本文所述软启动方法下，四个子模块电压在很大程度内保持一致，达到了均压且同步软启的效果。

    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 (1)

1.一种模块化多电平柔性直流输电换流器的启动方法，该模块化多电平柔性直流输电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，每个子模块由上管及下管两个IGBT器件及子模块电容构成，其特征在于，所述启动方法包括以下步骤：

（1）选定系统软启过程中切除子模块个数Nsm_d，该系统中桥臂子模块总数为Nsm；

（2）闭合交流侧断路器，电网通过交流侧软启动电阻对六个桥臂上的子模块进行预充电；

（3）以一个桥臂为单位控制单元，对各桥臂内部子模块电压进行排序； 

（4）对于从高到低排序的前Nsm_d个子模块，下发闭合子模块下管的操作，对于其余Nsm-Nsm_d个子模块，采取断开上管及下管的操作；

（5）以设定的频率重复步骤（3）、（4），直至子模块电压处于稳定状态；

（6）当系统检测到各子模块电压均处于稳定状态时，闭合软启电阻旁路接触器，软启过程完成。

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