CN103051167B - 一种基于mmc的upqc充电启动方法 - Google Patents

Abstract

一种基于MMC的UPQC充电启动方法，包括如下步骤：1）不控整流充电；2）定直流电压控制充电阶段；3）轮换充电阶段：将UPQC串联部分换流器各相上桥臂中的子模块逐个切换至旁路状态，至最终仅有串联部分换流器各相下桥臂的子模块处于闭锁状态，使串联部分换流器各相下桥臂所有子模块的直流电容的电压充至其额定值即Udc/n，再将UPQC串联部分换流器各相上桥臂的子模块逐个切换至闭锁状态，并相应地把UPQC串联部分换流器各相下桥臂中已充满的子模块逐个切换至旁路状态，使串联部分换流器各相上桥臂所有子模块的直流电容的电压充至其额定值即Udc/n，充电启动过程结束。采用本发明方法可以使UPQC串、并联换流器子模块直流电容的电压都达到其额定值。

Description

一种基于MMC的UPQC充电启动方法

技术领域

本发明属于电力系统柔性交流输配电和电力电子技术领域，具体涉及一种基于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，简称MMC）的统一电能质量控制器（Unified Power Quality Conditioner，简称UPQC）的充电启动方法。

背景技术

现代工业及高科技技术，如高性能办公设备、精密实验仪器、变频调速设备、可编程逻辑控制器、各种自动生产线以及计算机系统等，给人们的衣食住行带来了居多便利的同时也给电力系统注入了非线性、冲击性、波动性等各种干扰因素。电能的质量问题日益成为人们关注的热点。

作为一种能够同时解决电压、电流质量问题的复合型装置，统一电能质量控制器（Unified Power Quality Conditioner，后称UPQC）一经提出便受到了国内外学者的广泛关注。但由于其需要串、并联两个换流器，导致UPQC成本过高而难以在配电网中得到广泛应用。

近年来，随着模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，后称MMC）在高压直流输电领域中应用的日益成熟，其优点也被人们所注意。MMC能够提高直流输电容量及电压等级的优点可以应用到UPQC中，扩展UPQC在中压领域的使用，使得UPQC具有更加广阔的应用前景。

MMC型UPQC的研究工作尚处于起步阶段。如图1所示，图1为常见的一种MMC型UPQC的拓扑结构图。MMC型UPQC主要由串联部分换流器1和并联部分换流器2组成，串联部分换流器1和并联部分换流器2的结构相同，都是由对应于配电网三相交流线路A、B、C的三个相单元a、b、c组成，各相单元并联在正、负极直流母线3、4之间。每个相单元又包括与正极直流母线3相连的上桥臂和与负极直流母线4相连的下桥臂，每个所述桥臂都是由一个电抗如L1~L12和n（n为大于1的偶数）个子模块串联而成。相单元是由所述上、下桥臂串联组成的对称结构，各相单元内的两电抗处于对称结构的中部，相单元与配电网对应相线路的接点设于两电抗之间。

图2为各子模块的电路原理图，如图2所示，每个子模块由两个开关器件IGBT1、IGBT2和分别与每个开关器件反并联的两个二极管D1、D2组成，所述两开关器件IGBT1、IGBT2与两二极管D1、D2反并联后串接，整体再与一直流电容Csm并联，其中，开关器件IGBT2的两端引出作为该子模块的输入输出端。所述开关器件的状态由其控制器（未画出）控制。

上述UPQC在启动前，需要给其串联及并联部分换流器子模块的直流电容进行充电才能保证该装置的正常工作。UPQC的并联部分换流器2是通过限流电阻R直接并接于配电网与负载之间的三相交流线路上，交流电流可以直接流经并联部分换流器2为其子模块的直流电容进行充电，UPQC的串联部分换流器1是通过耦合变压器5串联在配电网的三相交流线路上，所以加载在变压器5原边上的电压Uc很小，所以交流电流不能直接给串联部分换流器1子模块内的直流电容进行充电。但是由于UPQC串、并联部分换流器1、2之间通过直流母线3、4相连，串联部分换流器1子模块内的直流电容可以通过直流母线充电。如何才能有效的将UPQC串、并联部分换流器1、2的每个子模块的电压充至其额定值，又能尽可能的避免在充电过程中产生严重的过电压及过电流现象成为了亟待解决的关键问题之一。

若移植目前MMC应用于高压直流输电领域中较为成熟的“不控整流→定直流电压控制”的两阶段自励式充电启动方案而不加以改进和创新，由于MMC型UPQC拓扑结构及连接方式的特殊性，采用上述充电启动方案，任意时刻并联部分换流器2内子模块导通的个数为n个，充电结束后并联部分换流器2子模块直流电容的电压可以达到其额定值即Udc/n，Udc为两直流母线之间的额定电压，任意时刻串联部分换流器1子模块可以充电的子模块个数2n个，所以充电结束后，串联部分换流器子1子模块直流电容的电压仅为其额定值的一半即Udc/2n。若采用他励式启动方式，则需要配置额外的直流电源及充电电路，成本高且过程复杂。

上述“不控整流→定直流电压控制” 自励式充电启动方案：其中“不控整流”阶段是指，使所述子模块处于闭锁状态，依靠电流流向和子模块中二极管的导通特性来给子模块中的直流电容充电；所述“定直流电压控制”是指，根据正、负极直流母线之间的设定额定电压和它们之间的实际电压的关系，通过控制器变换子模块中开关器件的状态，直至两母线之间的电压达到其设定额定电压。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于MMC的UPQC充电启动方法，采用本方法可以使UPQC串、并联换流器子模块直流电容的电压都达到其额定值。

解决上述技术问题本发明采取的技术方案是：一种基于MMC的UPQC充电启动方法，包括如下步骤：

1）不控整流充电：给UPQC串、并联部分换流器的所有子模块进行不控整流充电，待正、负直流母线之间的电压升至不控整流充电所能达到的最大电压时，不控整流充电过程结束。此处所述最大电压一般为一定值，与配电网系统电压和UPQC内的电抗有关。

2）定直流电压控制充电阶段：对并联部分换流器子模块的触发脉冲解锁，让并联部分换流器子模块按定直流电压控制方式进行充电，使正、负直流母线之间的电压升至额定电压Udc，此时，并联部分换流器所有子模块直流电容的电压达到其额定值即Udc/n，串联部分换流器所有子模块直流电容的电压为其额定值的一半即Udc/2n。

3）轮换充电阶段：将UPQC串联部分换流器各相上桥臂中的子模块逐个切换至旁路状态，至最终仅有串联部分换流器各相下桥臂的子模块处于闭锁状态，使串联部分换流器各相下桥臂所有子模块的直流电容的电压充至其额定值即Udc/n，再将UPQC串联部分换流器各相上桥臂的子模块逐个切换至闭锁状态，并相应地把UPQC串联部分换流器各相下桥臂中已充满的子模块逐个切换至旁路状态，使串联部分换流器各相上桥臂所有子模块的直流电容的电压充至其额定值即Udc/n，充电启动过程结束。

作为对本发明的一种改进，上述步骤2）可作如下改进，在对并联部分换流器子模块的触发脉冲解锁后，短接并联部分换流器与配电网输电线路之间的限流电阻，让并联部分换流器子模块按定直流电压控制方式进行充电，使正、负直流母线之间的电压升至额定电压Udc。此处短接限流电阻的目的是，加快并联部分换流器子模块的充电速度，即加快正、负直流母线之间的电压升至其额定电压Udc的速度。

本发明具有如下有益效果：采样本发明的方法进行基于MMC的UPQC的充电启动，可以使UPQC串、并联部分换流器子模块的直流电容电压都充至其额定值。

附图说明

图1是常见的一种MMC型UPQC的拓扑结构图；

图2是UPQC子模块的电路原理图；

图3是UPQC子模块处于旁路状态下电流流经子模块的通路示意图；

图4是UPQC子模块处于闭锁状态下电流流经子模块的通路示意图；

图5为图1中串联部分换流器的具体实施例。

具体实施方式

本发明较佳实施例的一种基于MMC的UPQC充电启动方法，包括如下步骤：

1）不控整流充电：给UPQC串、并联部分换流器1、2的所有子模块进行不控整流充电，即通过控制器触发脉冲使所有子模块处于闭锁状态，依靠电流流向和子模块中二极管D1、D2的导通特性来给子模块中的直流电容Csm充电，待正、负直流母线3、4之间的电压升至不控整流充电所能达到的最大电压时，不控整流充电过程结束。这个最大电压与配电网系统电压Us和UPQC内的电抗L1~L12有关，一般为配电网系统的线电压Uload有效值的1.414倍，这个线电压Uload与配电网的电压等级相关。

2）定直流电压控制充电阶段：对并联部分换流器子模块的触发脉冲解锁（控制器发送触发脉冲，在子模块处于闭锁状态时，子模块内的开关器件的状态不随触发脉冲而变化，即触发脉冲被锁定；触发脉冲解锁是指，使子模块内的开关器件的状态可以随触发脉冲而变化），使并联部分换流器2子模块的状态可以随控制器输出的触发脉冲信号而变化，让并联部分换流器2子模块按定直流电压控制方式进行充电，即根据正、负极直流母线3、4之间的额定电压Udc和正、负极直流母线3、4之间的实际电压的关系，通过控制器不断改变各子模块中开关器件IGBT1和IGBT2的状态，直至两直流母线3、4之间的电压升至额定电压Udc。额定电压Udc为一预设的目标值，它与配电网的电压等级有关。当两直流母线3、4之间的电压升至额定电压Udc时，并联部分换流器2所有子模块直流电容的电压达到其额定值即Udc/n，串联部分换流器1所有子模块直流电容的电压为其额定值的一半即Udc/2n。此步骤中，在对并联部分换流器2子模块的触发脉冲解锁后，可以通过短接并联部分换流器2与配电网输电线路之间的限流电阻R，以加快并联部分换流器2子模块在定直流电压控制充电阶段的充电速度。在不控整流充电阶段，限流电阻R是必需的，这是因为，在并联部分换流器2刚开始充电时，其内电容相当于短路，电流很大，此时限流电阻可以保护电路；在不控整流充电过程结束后，并联部分换流器2子模块内的电容具有一定的电压，此时短接掉所述限流电阻R，并联部分换流器2内的电流也不会过大，所以可以通过此种方式以加快充电速度。这是因为，并联部分换流器2是直接并联在交流输电线路的，可以通过交流直接充电，根据交流电流的特性，交流系统为并联部分换流器2充电时，任一时刻只有n个子模块进行充电。由于串联部分换流器1是通过变压器5耦合串联在交流输电线路上的，它不能直接被充电，只能通过正、负极直流母线3、4充电。如是，串联部分换流器1任一时刻都有2n个子模块进行充电。所以，此过程结束后，并联部分换流器2所有子模块直流电容Csm的电压达到其额定值即Udc/n，而串联部分换流器1所有子模块直流电容的电压只能达到其额定值的一半即Udc/2n。

理论上讲，省去步骤1），直接进行步骤2）及后续步骤也可以实现本发明的目的，但由于IGBT开关器件的驱动电路需从子模块的电容中取电，刚开始子模块电容没有电压，无法驱动IGBT。

3）轮换充电阶段：将UPQC串联部分换流器1各相上桥臂中的子模块逐个切换至旁路状态，至最终仅有串联部分换流器各相下桥臂的子模块处于闭锁状态，使串联部分换流器各相下桥臂所有子模块的直流电容的电压充至其额定值即Udc/n，再将UPQC串联部分换流器各相上桥臂的子模块逐个切换至闭锁状态，并相应地把UPQC串联部分换流器各相下桥臂中已充满的子模块逐个切换至旁路状态，使串联部分换流器各相上桥臂所有子模块的直流电容的电压充至其额定值即Udc/n，充电启动过程结束。

上述步骤3）中，逐个切换的原因是，如果全部切换或每次切换两、三个子模块而不是一个一个切换的，会产生较大的过电压、过电流，逐个切换是为了使过电压、过电流最小。

下面结合图5中串联部分换流器1的具体实施例进一步讲述下上述步骤3）的过程，以a相为例，按从上到下的顺序将a相上桥臂子模块1、2、3、4由闭锁状态切换到旁路状态，实际上，并不一定需要遵循某种特定的方向，上述顺序的设定，只是为了控制方便而已。随着a相中处于闭锁状态的子模块个数的递减，a相下桥臂的子模块5、6、7、8的电压逐渐达到其额定值即Udc/n。然后轮换子模块1与子模块5的状态（这里也是为了方便控制），即将a相中子模块1从旁路状态转换为闭锁状态，同时将a相中子模块5从闭锁状态转换成旁路状态，将子模块1的电压充至其额定值，再依次轮换子模块2与子模块6、子模块3与子模块7、子模块4与子模块8的状态，最终将a相上桥臂中的四个子模块的电压充至其额定值。至此，整个UPQC启动充电过程结束。

本方法中主要涉及子模块闭锁及旁路两种工作状态。如图3所示，当子模块中IGBT1关断、IGBT2导通时，电流通过IGBT2流经子模块，此时子模块对外的输出电压为零，子模块处于旁路状态。

如图5中，令IGBT1及IGBT2均关断，只能根据电流的流向和二极管的导通特性决定子模块对外的输出电压为零或者电容电压，此时子模块处于闭锁状态。其实，上述子模块的旁路和闭锁状态，都为行业中常用的术语。

Claims (2)

1.一种基于MMC的UPQC充电启动方法,MMC即Modular Multilevel Converter的简称，UPQC即Unified Power Quality Conditioner的简称，其特征在于，包括如下步骤：

1)不控整流充电：给UPQC串、并联部分换流器的所有子模块进行不控整流充电，待正、负直流母线之间的电压升至不控整流充电所能达到的最大电压时，不控整流充电过程结束；

2)定直流电压控制充电阶段：对并联部分换流器子模块的触发脉冲解锁，让并联部分换流器子模块按定直流电压控制方式进行充电，使正、负直流母线之间的电压升至额定电压Udc，此时，并联部分换流器所有子模块直流电容的电压达到其额定值即Udc/n，串联部分换流器所有子模块直流电容的电压为其额定值的一半即Udc/2n，n为大于1的偶数，表示每个相单元中上桥臂或下桥臂所包含的子模块数量；

3)轮换充电阶段：将UPQC串联部分换流器各相上桥臂中的子模块逐个切换至旁路状态，至最终仅有串联部分换流器各相下桥臂的子模块处于闭锁状态，使串联部分换流器各相下桥臂所有子模块的直流电容的电压充至其额定值即Udc/n，再将UPQC串联部分换流器各相上桥臂的子模块逐个切换至闭锁状态，并相应地把UPQC串联部分换流器各相下桥臂中已充满的子模块逐个切换至旁路状态，使串联部分换流器各相上桥臂所有子模块的直流电容的电压充至其额定值即Udc/n，充电启动过程结束。

2.根据权利要求1所述的基于MMC的UPQC充电启动方法，其特征在于，上述步骤2)中，在对并联部分换流器子模块的触发脉冲解锁后，短接并联部分换流器与配电网输电线路之间的限流电阻，让并联部分换流器子模块按定直流电压控制方式进行充电，使正、负直流母线之间的电压升至额定电压Udc。