CN103311944B - 一种采用模块化结构的统一潮流控制器及其启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种采用模块化结构的统一潮流控制器及其启动方法，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为统一潮流控制器并联换流器模块充电，由并联侧通过直流侧向串联换流器模块充电。通过控制各桥臂子模块的投切对所有子模块电容的预充电，实现采用模块化结构的统一潮流控制器的快速正常启动。启动过程依靠交流电网，无需辅助直流电源，装置依靠并联侧单侧交流电网提供启动能量即可。本发明还适用于基于模块化多电平换流器的直流输电系统向无源网络供电时的启动。

Description

一种采用模块化结构的统一潮流控制器及其启动方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种采用模块化结构的统一潮流控制器及其启动方法。

背景技术

统一潮流控制器(unifiedpowerflowcontroller,UPFC)是基于电压源换流器的串、并联混合型FACTS装置，能够对多个电气参数进行柔性控制，是提高电网可控性的有效手段。为了与输电网电压、功率等级相匹配，必须采取有效措施提高UPFC换流器容量。而模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，MMC)突破了传统电压源换流器的设计思路，将直流电容分散装设在各个子模块内，采用模块直接串联的方式，通过多个小电平值叠加生成多电平交流电压，功率等级变化灵活。近年来，MMC已在柔性直流输电领域得到实践和发展，也为UPFC的拓扑结构选择提供了新的方案。

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，使其上升到正常运行的稳态值附近，之后再将装置投入正常运行。而这个向换流器所有子模块电容充电的过程，即为采用模块化换流器的统一潮流控制器启动过程。在中低压应用领域，MMC的启动一般采用一个单独的辅助直流电源向各个子模块电容充电的他励式启动方案，辅助直流电压的输出电压约等于子模块电容电压。其实现方式为，首先将辅助直流电压源的输出端和换流器相应正、负极直流线相连，上下桥臂2N个子模块中仅投入一个子模块，由直流电压源对该模块充电。该子模块电容电压充电到额定之后，退出该模块，投入下一个模块。启动过程中任意时刻每相只开通一个模块，一相上下桥臂2N个子模块依次充电，所有模块充电完毕后再将辅助直流电源退出。这种方式不仅需要单独设计合适的辅助直流充电电源，增加设备投资，且充电过程较慢。

在高压应用领域，如柔性直流输电系统工程中，模块化多电平换流器采用两阶段启动的他励式启动方案。但依靠交流电网的不控整流到定直流电压控制两阶段启动方案要求换流器并联接入系统，电流可控是前提。由于UPFC串联换流器穿越输电线路电流，该电流取决于线路负荷，受到诸多因素限制，可控范围有限，出于系统安全和装置安全考虑，串联换流器无法直接通过系统电流充电。因此采用模块化结构的统一潮流控制器依靠交流电网的自励式启动技术需要特殊设计。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种采用模块化结构的统一潮流控制器及其启动方法，实现依靠交流电网的自励式启动方案，无需额外辅助电源，节省成本，提高装置可靠性。

本发明提供的一种采用模块化结构的统一潮流控制器的启动方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：

（1）设置统一潮流控制器的初始状态；

（2）闭合并联侧的开关BKRSH，进行串联侧和并联侧的不可控整流充电；

（3）充电完成后，闭合启动电阻旁路开关BKRST；

（4）对并联换流器和串联换流器进行完全充电，直至并联换流器和串联换流器中的子模块电容电压达到额定电压；

（5）闭合直流旁路开关BPSDC1和直流旁路开关BPSDC2，拉开串联侧的旁路断路器BPSSE，装置启动完成，投入系统运行。

其中，步骤（1）设置统一潮流控制器的初始状态包括：

串联换流器和并联换流器的子模块触发脉冲均闭锁；

并联侧开关BKRSH断开；

启动电阻旁路开关BKRST断开；和

直流旁路开关BPSDC1和直流旁路开关BPSDC2均断开，串联断路器BPSSE闭合。

其中，步骤（4）包括如下步骤：

A、解锁并联换流器触发脉冲，采用定直流电压控制，直至交流侧将并联换流器子模块电容电压充电至额定，串联换流器子模块电容电压被充电到额定值一半；

B、解锁串联换流器触发脉冲，每相旁路一个桥臂的子模块，并联换流器继续定直流电压控制，直至串联换流器的所述一个桥臂的子模块的电容电压充电至额定值；

C、将串联换流器的每相中的已冲完电的桥臂的子模块退出，剩下的一个桥臂的子模块投入，并联换流器继续定直流电压控制，直至串联换流器中每相的子模块的电容电压充电至额定值。

其中，步骤（4）包括如下步骤：

A、解锁并联换流器触发脉冲，采用定直流电压控制，直至交流侧将并联换流器子模块电容电压充电至额定，串联换流器子模块电容电压被充电到额定值一半；

B、断开启动电阻旁路开关BKRST；

C、解锁串联换流器触发脉冲，每相旁路一个桥臂的子模块，并联换流器继续定直流电压控制，直至串联换流器的所述一个桥臂的子模块的电容电压充电至额定值；

D、将串联换流器的每相中的已充完电的桥臂的子模块退出，剩下的一个桥臂的子模块投入，并联换流器继续定直流电压控制，直至串联换流器中每相的子模块的电容电压充电至额定值。

本发明基于另一目的提供的一种采用模块化结构的统一潮流控制器，所述统一潮流控制器包括并联侧和串联侧两部分，并联侧和串联侧通过直流母线连接；其改进之处在于，

所述并联侧包括并联换流器、变压器I、启动电路I和开关；并联换流器的交流端依次连接变压器I、启动电路I和开关后并联接入电网；

所述串联侧包括串联换流器、变压器II和旁路断路器；所述串联换流器的交流端通过变压器II串入电网；所述旁路断路器并联在所述变压器II的线路侧；

其中，所述并联换流器和所述串联换流器均由3相六个桥臂构成，每个桥臂包括1个电抗器和N个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与变压器I的阀侧绕组连接；另一端与同方向桥臂的级联的子模块一端连接，形成正负极母线。

其中，所述正负极母线上均设置有启动电路，即启动电路II和启动电路III；

所述启动电路I包括并联的启动电阻RSTDC1和直流旁路开关BPSDC1；

所述启动电路II包括并联的启动电阻RSTDC2和直流旁路开关BPSDC2。

其中，所述子模块由半桥结构与直流电容并联构成，所述半桥结构包括两个串联的IGBT模块，每个IGBT模块包括反并联的IGBT和二极管；

引出半桥结构中点和IGBT的集电极/发射极作为子模块的输入端和输出端。

其中，所述变压器I和所述变压器II的阀侧绕组中性点通过电阻接地。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明实现了依靠交流电网的自励式启动方案，无需额外辅助电源，节省成本，提高装置可靠性。

本发明的启动电路及其策略基本实现UPFC的平滑并网，对电网冲击较小。

本发明的该启动技术适用于换流器一侧有源，一侧无源的应用场合，如黑启动。

本发明的控制方法相对简单，可靠性高，即便启动过程中控制有偏差，对阀的冲击也较轻。

附图说明

图1为本发明提供的采用模块化结构的新型统一潮流控制器换流器启动电路示意图一。

图2为本发明提供的采用模块化结构的新型统一潮流控制器换流器启动电路示意图二。

图3为本发明提供的不可控整流阶段充电电路图。

图4为本发明提供的启动电路2对应的电容电压充电波形图。图中横轴为时间（t），纵轴为电压（v）。

图5为本发明提供的启动电路1对应的电容电压充电波形图。图中横轴为时间（t），纵轴为电压（v）。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本实施例提出以后总采用模块化多电平换流器的统一潮流控制器及其启动方法，包含统一潮流控制器和启动方法两部分，其中：

统一潮流控制器包括并联侧和串联侧两部分，并联侧和串联侧通过直流母线连接，如图1所示，其并联侧包括并联换流器、变压器I、启动电路I和开关；并联换流器的交流端依次连接变压器I、启动电路I和开关后并联接入电网；串联侧包括串联换流器、变压器II和旁路断路器；所述串联换流器的交流输出端连接到变压器II，进而分相接入输电线路；旁路断路器并联在变压器II的线路侧；变压器I和变压器II的阀侧绕组中性点通过电阻接地。

并联换流器和所述串联换流器均由3相六个桥臂构成，每相包含2个桥臂，上桥臂顶端与其他两相上桥臂顶端相连，构成直流端正极；下桥臂底端与其他两相下桥臂底端相连，构成直流端负极。每个桥臂由N个结构相同的子模块交流侧级联后与电抗器串联构成，每台三单相桥模块化换流器包含6个电抗器，上桥臂底端与电抗器相连，下桥臂顶端与电抗器相连。

且本实施例为避免串联侧换流器脉冲解锁时，由串、并联换流器直流电压差导致的冲击电流，可在正负极直流母线上均设置有启动电路，即启动电路II和启动电路III，如图1所示；启动电路I包括并联的启动电阻RSTDC1和直流旁路开关BPSDC1；启动电路II包括并联的启动电阻RSTDC2和直流旁路开关BPSDC2。

上述中，子模块由半桥结构与直流电容并联构成，所述半桥结构包括两个串联的IGBT模块，每个IGBT模块包括反并联的IGBT和二极管；

引出半桥结构中点和IGBT的集电极/发射极作为子模块的输入端和输出端。

对应的，本实施例提出的统一潮流控制器的启动方法，包括如下步骤：

（1）初始状态：串、并联换流器所有子模块触发脉冲均闭锁，并联侧开关BKRSH断开，软启动电阻旁路开关BKRST断开，直流限流电阻旁路开关BKRDC1、BKRDC2断开，串联旁路开关BKRSE闭合；

（2）闭合并联侧的开关BKRSH，进行串联侧和并联侧的二极管的不可控整流充电；其充电过程如图3所示；

加载在各桥臂上的电压为交流线电压，桥臂充电状态近似等效为一阶RC电路的零状态响应。各SM电容电压相等，即：

$u_{\mathrm{sm}}\left(t\right)={\hat{u}}_L/N(1-e^{-t/\mathrm{\τ}})u_{\mathrm{sm}}\left(t\right)={\hat{u}}_L/N(1-e^{-t/\mathrm{\τ}})$

式中，τ＝2RC/Nτ＝2RC/N，u_sm(t)u_sm(t)为子模块电容电压，为系统线电压幅值。N为桥臂模块数。不控充电阶段，电容电压终值为

当需要并联侧向两端MMC充电时，由并联侧MMC闭锁不控整流出的直流电压对串联侧MMC充电，其子模块电容电压近似满足：

$u_{\mathrm{sm}}{\left(t\right)}^{\′}={\hat{u}}_L/2N(1-e^{-t/{\mathrm{\τ}}^{\′}})$

综上所述，MMC闭锁不控整流充电，并联侧子模块电容电压终值不到额定值的串联侧子模块电容电压仅为并联侧的1/2。为建立额定直流电压，可解锁换流器，通过控制换流器流进的功率以进一步对电容器充电。

考虑到MMC充电端和无源端静态交流充电瞬间对桥臂电流、交流系统侧电流的冲击，以及模块电压的建立时间，交流限流电阻的选取值应满足以下取值下限：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\lim }>\sqrt{2}{U}_L/\left(2I_{\mathrm{arm}}\right)\\ R_{\lim }>2\sqrt{2\mathrm{NL}/C_{\mathrm{SM}}}\end{array}\right.---(2-1)$

式中Iarm为桥臂电流设计上限值，UL为交流系统线电压电压值，N为桥臂模块个数，Csm为功率模块直流电容容值，L为MMC桥臂电抗值。

（3）充电完成后，闭合启动电阻旁路开关BKRST；

（4）对并联换流器和串联换流器进行完全充电，直至并联换流器和串联换流器中的子模块电容电压达到额定电压；

（5）闭合直流旁路开关BPSDC1和直流旁路开关BPSDC2，拉开串联侧的旁路断路器BPSSE，装置启动完成，投入系统运行。

其中，步骤（4）的完全充电采用下述两种方式进行：

实施例1

投入直流限流电阻限流启动，以限制子模块低电压时换流器解锁后的电流大小；电路结构如图1所示；

并联换流器通过可控整流使子模块电容电压达到额定值时，串联侧MMC模块电容电压达到额定值的一半。此时将串联侧MMC脉冲解锁，将子模块分为两组投入，同时在直流侧投入限流电阻，限制冲击电流，串联侧MMC能通过直流侧吸收电能，为模块电容充电。当串联侧MMC各相每组投入的模块数为N时，该N个模块电容可充电至额定电压。通过；两阶段投切和轮换充电的方式，最终使串、并联侧MMC模块电容均被充电到额定电压。

完全充电步骤如下：

并联换流器触发脉冲解锁，采用定直流电压控制，直至交流侧将并联换流器子模块电容电压充电至额定，此时串联换流器子模块电容电压被充电到额定值一半。

串联换流器触发脉冲解锁，每相旁路一半数量的模块，如串联换流器三相下桥臂模块全部退出，并联换流器继续定直流电压控制，直至串联换流器上桥臂所有模块电容电压充电至额定值；

串联换流器上桥臂所有模块退出，下桥臂所有模块投入，并联换流器继续定直流电压控制，直至串联换流器下桥臂所有模块电容电压充电至额定值。六个桥臂的子模块电容电压充电波形如图4所示。

实施例2

投入交流限流电阻限流启动，电路结构如图2所示。该方案省略了直流限流电阻及其旁路开关，但会增加阀对电压、电流耐受的要求。不可控整流阶段，交流侧需要存在限流电阻，在不控整流结束后该电阻被旁路。可控整流开始时，可将该电阻重新投入以限制冲击电流。

完全充电步骤如下：

并联换流器触发脉冲解锁，采用定直流电压控制，直至交流侧将并联换流器子模块电容电压充电至额定，此时串联换流器子模块电容电压被充电到额定值一半。

断开软起电阻旁路开关BKRST；

串联换流器触发脉冲解锁，每相旁路一半数量的模块，如串联换流器三相下桥臂模块全部退出，并联换流器继续定直流电压控制，直至串联换流器上桥臂所有模块电容电压充电至额定值；

串联换流器上桥臂所有模块退出，下桥臂所有模块投入，并联换流器继续定直流电压控制，直至串联换流器下桥臂所有模块电容电压充电至额定值；启动过程中六个桥臂的子模块电容电压波形如图5所示。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种采用模块化结构的统一潮流控制器的启动方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)设置统一潮流控制器的初始状态；

(2)闭合并联侧的开关BKRSH，进行串联侧和并联侧的不可控整流充电；

(3)充电完成后，闭合启动电阻旁路开关BKRST；

(4)对并联换流器和串联换流器进行完全充电，直至并联换流器和串联换流器中的子模块电容电压达到额定电压；

(5)闭合直流旁路开关BPSDC1和直流旁路开关BPSDC2，拉开串联侧的旁路断路器BPSSE，装置启动完成，投入系统运行；

步骤(1)设置统一潮流控制器的初始状态包括：

串联换流器和并联换流器的子模块触发脉冲均闭锁；

并联侧开关BKRSH断开；

启动电阻旁路开关BKRST断开；和

直流旁路开关BPSDC1和直流旁路开关BPSDC2均断开，串联断路器BPSSE闭合；

步骤(4)包括如下步骤：

A、解锁并联换流器触发脉冲，采用定直流电压控制，直至交流侧将并联换流器子模块电容电压充电至额定，串联换流器子模块电容电压被充电到额定值一半；

B、解锁串联换流器触发脉冲，每相旁路一个桥臂的子模块，并联换流器继续定直流电压控制，直至串联换流器的所述一个桥臂的子模块的电容电压充电至额定值；

C、将串联换流器的每相中的已冲完电的桥臂的子模块退出，剩下的一个桥臂的子模块投入，并联换流器继续定直流电压控制，直至串联换流器中每相的子模块的电容电压充电至额定值；

所述统一潮流控制器包括并联侧和串联侧两部分，并联侧和串联侧通过直流母线连接；所述并联侧包括并联换流器、变压器I、启动电路I和开关；并联换流器的交流端依次连接变压器I、启动电路I和开关后并联接入电网；

所述串联侧包括串联换流器、变压器II和旁路断路器；所述串联换流器的交流端通过变压器II串入电网；所述旁路断路器并联在所述变压器II的线路侧；

所述并联换流器和所述串联换流器均由3相六个桥臂构成，每个桥臂包括1个电抗器和N个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与变压器I的阀侧绕组连接；另一端与同方向桥臂的级联的子模块一端连接，形成正负极母线；

所述正负极母线上均设置有启动电路，即启动电路II和启动电路III；

所述启动电路I包括并联的启动电阻RSTDC1和直流旁路开关BPSDC1；

所述启动电路II包括并联的启动电阻RSTDC2和直流旁路开关BPSDC2；

所述子模块由半桥结构与直流电容并联构成，所述半桥结构包括两个串联的IGBT模块，每个IGBT模块包括反并联的IGBT和二极管；

引出半桥结构中点和IGBT的集电极/发射极作为子模块的输入端和输出端；

所述变压器I和所述变压器II的阀侧绕组中性点通过电阻接地。