CN104143831A - 一种第三端模块化多电平换流器的预充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了本发明提出一种模块化多电平换流器的预充电方法，该方法适用于多端柔性直流输电系统的第三端换流站的系统带电启动，首先通过正常运行中的柔性直流输电系统给第三端换流站直流侧带电，待子模块电压稳定后，采用适当的子模块触发策略使换流器子模块充电到正常运行时的额定工作电压。本发明的预充电方法，有效地降低了IGBT的开关频率，也减少了阀控程序的计算量。

Description

一种第三端模块化多电平换流器的预充电方法

技术领域

本发明涉及电力系统多端柔性直流输电领域，特别涉及一种第三端模块化多电平换流器的预充电方法。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)采用严格的模块化设计，通过子模块的串联来达到高压大功率的目的。其核心单元子模块(Sub Module，SM)，是由两个带有反并联二极管的IGBT和一个直流电容器构成的半桥结构，由三个相单元(Phase Unite)组成，每个相单元包含上下对称的换流桥臂(Converter Leg)，而每个换流桥臂又由N(N为桥臂总模块数)个子模块和一个桥臂电抗器串联而成。

目前模块化多电平换流器子模块电容预充电有自励和他励两种方式：自励是指由与换流器相连的本地交流系统向子模块电容充电；他励是由辅助直流电压电源提供换流器的充电电源。前者要求模块化多电平换流器交流侧必须为正常运行的有源电网，而后者需要额外的辅助装置，经济性较差。

公开号为CN103078539A的中国发明专利申请公开了“一种模块化多电平换流器的充电方法”，提出了一种用于柔性直流输电的MMC直流侧充电方法，首先通过其他换流器或者辅助充电电源使直流侧带电，接着解锁该待充电换流站，导通所有子模块，而后逐渐减少投入模块数使各子模块充电到额定状态。

公开号为CN103618333A的中国发明专利申请公开了“一种模块化多电平换流器的直流侧充电方法”，提出了一种用于第三端MMC换流站启动的直流侧充电方法，闭合直流侧断路器使该换流站进行一定程度的不控整流充电，而后解锁换流站以投入子模块数递减的方法解锁模块化多电平换流器，使其继续从直流侧充电，直到子模块电容电压达到额定值。

上述方法的缺点在于：换流站解锁后，为实现子模块电容电压动态平衡，采用基于电压排序的电容电压平衡策略以递减的投入模块数来使子模块充电达到额定状态，阀控程序计算量较大，且开关频率较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种第三端模块化多电平换流器的预充电方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种第三端模块化多电平换流器的预充电方法，包含以下顺序的步骤：

S1.断开需要带电启动的第三端模块化多电平换流器的交流侧断路器和直流充电电阻旁路开关；除需直流充电的模块化多电平换流器以外的其它换流器组成的系统正常运行；

S2.闭合待启动模块化多电平换流器的直流侧两组隔离开关，换流器通过直流线路进行不控整流预充电；

S3.计算换流器每相桥臂的备用模块数nums，投入每相桥臂所有子模块，将1～nums号子模块切除对其他2N-nums个子模块进行充电，稳定后将1号子模块由切除转为投入状态，同时将nums+1号子模块由投入转为切除状态；如此循环导通充电模块，同一时刻有且仅有nums个子模块被切除，其余模块均投入充电；当需要切除该桥臂第2N号子模块的下一个模块时，切除1号子模块，以此类推，直到第2N号子模块再次投入为止，这时闭合直流充电电阻的旁路开关，换流站启动预充电结束。

所述的第三端模块化多电平换流器，包括至少一个相单元，各个相单元由上、下两个桥臂组成，各桥臂由数个结构相同的子模块与桥臂电抗器串联而成，所述子模块由IGBT半桥和电容器并联而成。

所述的第三端模块化多电平换流器，为正常运行的多端柔性直流输电系统中的第三端换流站，通过直流线路与其它换流站互联；所述模块化多电平换流器直流侧包括两组隔离开关，分别对应汇流母线侧和换流站侧，交流侧为无源网络或待启动的有源网络；当第三端换流站带电启动时直流侧还包括直流充电电阻，充电电阻两端并联旁路开关。

所述的第三端模块化多电平换流器的预充电方法，当换流站子模块数目较多时，采用导通模块首尾相接一个或若干个子模块的方法来加速换流站的启动。采用此方法启动第三端换流站时无需对子模块电容电压进行排序递减导通，减少了阀控程序的计算量，缩短了启动时间。

步骤S3中，所述的备用模块数nums的计算方法如下：

$\mathrm{nums}=A-\frac{B}{C}$

其中，A为每相桥臂共有的子模块数量；B为直流电压，单位为kV；C为每个子模块额定工作电压，单位为kV。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)操作简单，不需要增加一次设备，充电过程阀控程序简单，计算量小，开关频率较低，适合于工程应用。

(2)适合于第三端或第N端换流站的再并列启动，且换流器交流侧可以是待启动的有源网络，也可以是无源网络，适用范围大。

(3)采用循环导通的方法能有效实现子模块电容电压平衡。

附图说明

图1为本发明所述的一种第三端模块化多电平换流器的预充电方法的流程图；

图2为图1所述方法的三端模块化多电平式柔性直流输电系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

一种第三端模块化多电平换流器的预充电方法，如图2，所述的模块化多电平换流器为正常运行的柔性直流输电系统中的第三端换流站，通过直流线路与其它换流站互联。所述模块化多电平换流器直流侧包括两组隔离开关，分别对应汇流母线侧和换流站侧，交流侧为无源网络或待启动的有源网络；当第三端换流站带电启动时直流侧还包括直流充电电阻，充电电阻两端并联旁路开关；所述的预充电是指模块化多电平换流站通过直流线路从直流侧充电；所述的第三端模块化多电平换流器，包括至少一个相单元，各个相单元由上、下两个桥臂组成，各桥臂由数个结构相同的子模块与桥臂电抗器串联而成，所述子模块由IGBT半桥和电容器并联而成；

以采用模块化多电平换流器的三端柔性直流输电系统两站正常运行，另一站需从直流侧充电为例，三端柔性直流输电系统如图2所示，图2中MMCl、MMC2为三端柔性直流输电系统中正常稳定运行的换流器，MMC3为需要带电启动的第三端换流站。S_j、S_kj、S_kij(j＝1,2,3)分别为三端换流站交流侧断路器、换流站侧直流隔离开关、汇流母线侧直流隔离开关,MMC1和MMC2两站交流侧装设限流电阻R_i及旁路开关S_Ri(i＝1，2)，第三端换流站直流侧装设直流充电电阻R_dc及旁路开关S_Rk3；

如图1，所述方法包含以下顺序的步骤：

(1)如图2，断开需要直流侧充电的第三端模块化多电平换流器交流侧断路器S₃，依次断开MMC3汇流母线侧隔离开关S_ki3、换流站侧隔离开关S_k3和直流充电电阻旁路开关S_Rk3，封锁MMC3所有子模块VT1和VT2的触发脉冲，为换流器的起动充电做准备；

(2)系统中除需直流充电的模块化多电平换流站以外的其它换流站组成的系统正常运行；

(3)闭合需要直流侧充电的该模块化多电平换流器直流侧隔离开关S_ki3和S_k3，该换流站通过直流线路进行不控整流预充电；

(4)计算每相桥臂的备用模块数nums，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电压；

(5)投入每相桥臂所有子模块，将1～nums号子模块切除对其余子模块进行充电，稳定后将1号子模块由切除转为投入状态，同时将nums+1号子模块由投入转为切除状态；如此循环导通充电模块，同一时刻有且仅有nums个子模块被切除，其余模块均投入充电；当需要切除该桥臂第2N号子模块的下一个模块时，切除1号子模块；以此类推，直到第2N号子模块再次投入为止，这时闭合直流充电电阻的旁路开关，换流站启动预充电结束；

步骤(4)中桥臂备用模块数nums的计算，如直流电压为320kV，每相桥臂共有24个子模块，每个子模块额定工作电压为16kV，则桥臂备用模块数为4个；

步骤(5)控制过程的实现，当换流站子模块数目较多时，可采用导通模块首尾相接一个或若干个子模块的方法来加速换流站的启动。如前一步切除模块1～4号子模块，下一步可切除3～6号子模块，只要整个过程保持一致的导通规则即可；

步骤(5)中前一步的处于切除状态的模块，到下一步时仅有部分模块的导通状态改变，这时其他模块保持原来的导通状态，仅改变少数模块上下IGBT的触发状态，降低了开关频率。

步骤(5)的结束时刻，以开始充电时的切除模块号为基准，考虑具体的导通规则而定。当开始切除时切除模块号为1～4号，下一步切除模块号为3～6号，则当切除模块号为21～24号时，下一步切除的模块号应为(23，24，1，2)号，这时每个模块均切除过两个轮换周期，充电时间基本一致，此时换流站充电结束。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种第三端模块化多电平换流器的预充电方法，其特征在于，包含以下顺序的步骤：

S1.断开需要带电启动的第三端模块化多电平换流器的交流侧断路器和直流充电电阻旁路开关；除需直流充电的模块化多电平换流器以外的其它换流器组成的系统正常运行；

S2.闭合待启动模块化多电平换流器的直流侧两组隔离开关，换流器通过直流线路进行不控整流预充电；

S3.计算换流器每相桥臂的备用模块数nums，投入每相桥臂所有子模块，将1～nums号子模块切除对其他2N-nums个子模块进行充电，稳定后将1号子模块由切除转为投入状态，同时将nums+1号子模块由投入转为切除状态；如此循环导通充电模块，同一时刻有且仅有nums个子模块被切除，其余模块均投入充电；当需要切除该桥臂第2N号子模块的下一个模块时，切除1号子模块，以此类推，直到第2N号子模块再次投入为止，这时闭合直流充电电阻的旁路开关，换流站启动预充电结束。

2.根据权利要求1所述的第三端模块化多电平换流器的预充电方法，其特征在于：所述的第三端模块化多电平换流器，包括至少一个相单元，各个相单元由上、下两个桥臂组成，各桥臂由数个结构相同的子模块与桥臂电抗器串联而成，所述子模块由IGBT半桥和电容器并联而成。

3.根据权利要求1所述的第三端模块化多电平换流器的预充电方法，其特征在于：所述的第三端模块化多电平换流器，为正常运行的多端柔性直流输电系统中的第三端换流站，通过直流线路与其它换流站互联；所述模块化多电平换流器直流侧包括两组隔离开关，分别对应汇流母线侧和换流站侧，交流侧为无源网络或待启动的有源网络；当第三端换流站带电启动时直流侧还包括直流充电电阻，充电电阻两端并联旁路开关。

4.根据权利要求3所述的第三端模块化多电平换流器的预充电方法，其特征在于：所述的第三端模块化多电平换流器的预充电方法，当换流站子模块数目较多时，采用导通模块首尾相接一个或若干个子模块的方法来加速换流站的启动。

5.根据权利要求1所述的第三端模块化多电平换流器的预充电方法，其特征在于：步骤S3中，所述的备用模块数nums的计算方法如下：

$\mathrm{nums}=A-\frac{B}{C}$

其中，A为每相桥臂共有的子模块数量；B为直流电压，单位为kV；C为每个子模块额定工作电压，单位为kV。