CN104734482A - 柔性直流输电换流器交流侧充电电压发散抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种柔性直流输电换流器交流侧充电电压发散抑制方法，所述方法在模块化多电平换流器交流侧充电、且无法实施直流侧电压闭环控制的阶段，根据模块化多电平换流器交流侧每个桥臂功率模块电容电压的大小，令部分功率模块处于旁路，其余功率模块内的所有开关器件均关断，即可抑制功率模块电压发散。在模块化多电平换流器交流充电阶段无需换流器解锁闭环控制即可将功率模块电压充到额定值附近，同时允许交流侧长时间保持在充电状态。

Description

柔性直流输电换流器交流侧充电电压发散抑制方法

技术领域

本发明涉及一种应用于柔性直流输电系统的模块化多电平换流器在交流侧充电过程中功率模块电压发散的抑制方法。

背景技术

近年来，基于电压源换流器(Voltage Source Converter，VSC)的高压柔性直流输电系统(VSC-HVDC)以其可四象限运行、滤波器小、可向无源网络供电等诸多优点在输电领域获得了广泛关注。而模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的出现更是为柔性直流输电的发展注入了新的活力。

现有的MMC电路拓扑中，最常见的功率模块为由两只开关器件和一只储能电容组成的半桥型电路和由四只开关器件和一只储能电容组成的全桥型电路。功率模块内部还包括开关器件，如IGBT(绝缘栅门极双极型晶体管)的驱动电路、功率模块电容电压采集电路、控制和监测功率模块状态并与上级控制系统通讯的功率模块控制电路等。这些电路都需要低压电源(通常小于50V)提供电能才能正常工作。对应用于实际工程的MMC来说，其电压等级高达数百kv，甚至上千kV，同时功率模块的数量高达数千只，功率模块内部所需的低压电源很难从外部获得，往往通过取能电源从模块内的电容上变换获得。

对应用柔性直流输电系统的MMC来说，在系统能够正常运行之前，必须对其功率模块的电容进行充电，且电容电压达到一定的数值，换流器才能进行直流电压、交流侧电流等的闭环控制。在此之前，由于MMC能够逆变出的交流电压小于电网电压，如果进行闭环控制，则会产生很大的交流电流，威胁换流器的安全运行。

MMC通过交流侧电网对功率模块电容充电是一种典型的充电方式。在交流侧充电阶段，现有的方法是进行不控充电——即，将MMC中所有功率模块的开关器件全部闭锁，利用每个功率模块内部的开关器件反并联二极管为每个功率模块的电容充电。但是，功率模块内的开关器件驱动电路板以及功率模块控制电路板等均呈现出恒功率的特性，而与模块电容电压的高低无关，这会导致串联连接的功率模块电压出现发散问题。例如，假设每个功率模块的驱动板、控制板等负载的功率为P_{load_PM}，功率模块电容电压为U_PM，由于负载从电容取得能量，因此会使电容放电，形成的放电电流I_discharge＝P_{load_PM}/U_PM。显然，由于P_{load_PM}为常数，电容电压越高的模块，其负载形成的放电电流越小，而电容电压越低的模块，其负载形成的放电电流越大。另外，对于每个桥臂中的功率模块来说，由于其串联连接，因此流过所有模块的充电电流均相同，但内部负载形成的放电电流不同。结果导致电压高的模块电压越来越高，而电压低的模块电压越来越低，出现了功率模块在交流充电阶段电压发散的问题。

上述问题在我国的多个柔性直流输电工程，例如广东南澳±160kV的3端直流输电工程、浙江舟山的±200kV的5端直流输电工程中均已遇到。解决的方法一般是缩短交流充电的时间，即交流充电过程需尽量短，以降低功率模块电压在充电阶段的发散程度。但这给输电系统运行操作人员带来了很大的困难，也给换流器的长期安全稳定运行带来了隐患。

另外，为了解决串联连接的功率模块电压发散的问题，专利CN103986308A公开了一种在功率模块内增加宽范围电压输入直流电源、低压功率开关及功率电阻来调整每个功率模块电容电压的方法。但是，这一方法会增加功率模块电路的成本和复杂程度，而功率电阻的引入也增加了系统损耗。而专利CN101860203B、CN102130619B、CN102969922B以及多篇学术论文中所提出的模块化多电平换流器的均压方法要求每个功率模块要么处于旁路状态，要么处于投入状态，而不能是内部开关器件全部关断的状态。因此，这些方法只能在换流器并网运行并开始直流电压的闭环控制之后才能使用，在交流侧充电阶段不能使用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种抑制柔性直流输电换流器交流侧充电电压发散的方法。

本发明应用于柔性直流输电工程的模块化多电平换流器，可在换流器交流侧充电时抑制其桥臂功率模块的电压发散，特别是模块化多电平换流器在交流侧充电、且无法实施直流侧电压闭环控制的阶段。本发明无需增加额外电路，也无需判断桥臂电流方向，根据模块化多电平换流器交流侧桥臂的功率模块电容电压的大小，令部分功率模块处于旁路，其余功率模块的所有开关器件均关断，这些模块既非投入也非切除，即可抑制模块化多电平换流器交流侧桥臂的功率模块的电压发散。

本发明包括以下步骤：

(1)假设块化多电平换流器交流侧每个桥臂中串联连接的功率模块数量为N，N≥1，以及交流侧线电压的峰值U_{peak_grid}；

(2)按下述公式确定每桥臂关断模块数量K的数值：

K＝int(U_{peak_grid}/U_PM__charged)，

其中，int()为按照四舍五入原则进行取整的函数，U_PM__charged为模块化多电平换流器功率模块在交流侧充电阶段欲达到的目标电压，U_PM__charged可以选择为功率模块的额定电压U_PM__rated或其他数值，但必须满足K小于N，K为正整数；

(3)按照固定的控制周期对每个桥臂的功率模块电压进行控制。在每个控制周期内，令每个桥臂内电容电压最高的N-K个功率模块处于旁路状态，其余K个功率模块的所有开关器件均处于关断状态。

本发明方法能够抑制模块化多电平换流器的功率模块在交流侧充电阶段电压发散的原理是：

在本发明方法中模块化多电平换流器MMC的所有功率模块只有两种状态，即(1)旁路状态；(2)内部开关器件全部关断的状态。而在交流侧充电过程中，流过模块化多电平换流器所有桥臂的电流只能给功率模块中的电容充电或者为零。令电容电压最高的N-K个功率模块处于旁路状态，则该N-K个功率模块不能被充电，只能通过其内部的恒功率负载进行放电，因此电压可以降低；令其余的K个功率模块处于内部开关器件全部关断的状态，但是该K个功率模块内部的二极管为电容充电提供了路径，因此这些功率模块的电容会被充电，其电压会升高。在每个控制周期中不断轮换选择电压最高的功率模块进行放电，而其余功率模块充电，因此可以抑制模块化多电平换流器功率模块内因恒功率负载导致的电压发散。

本发明的特征在于无需换流器对直流侧电压进行闭环控制即可将所有功率模块的电压充到额定值附近，只要选择合适的K值即能实现。另外，本发明允许交流侧长时间保持在充电状态，而无需设定上限时间。同时，本发明既适用于半桥功率模块，也适用于全桥型功率模块。

附图说明

图1为模块化多电平换流器通过交流侧充电时的电路原理图；

图2为半桥型功率模块的内部电路原理图；

图3为全桥型功率模块的内部电路原理图；

图4为采用现有的交流侧不控充电方法时，实施例MMC一个桥臂中所有功率模块的电压波形图；

图5为采用本发明电压发散抑制方法，且K＝3时，实施例一个桥臂中所有功率模块的电压波形图；

图6为采用本发明电压发散抑制方法，且K＝4时，实施例一个桥臂中所有功率模块的电压波形图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为模块化多电平换流器(MMC)通过交流侧充电时的电路原理图。模块化多电平换流器的交流侧每相由上下两个桥臂组成，每个桥臂包括一个电抗器L_arm和N个串联连接的功率模块PM₁-PM_N，N≥1。交流侧通过充电电阻与交流电网连接在一起。

模块化多电平换流器的功率模块既可以选择半桥型功率模块，也可以选择全桥型功率模块。图2为半桥型功率模块的内部电路原理图。如图2所示，半桥型功率模块包括储能电容C、两只开关器件S1、S2，两只二极管D1、D2，取能电源以及开关器件驱动电路板和功率模块控制电路板。其中，开关器件S1的集电极连接到储能电容C的正极，开关器件S2的发射极连接到储能电容C的负极；开关器件S1的集电极与二极管D1的阴极相连，开关器件S1的发射极与二极管D1的阳极相连；开关器件S2的集电极与二极管D2的阴极相连，开关器件S2的发射极与二极管D2的阳极相连；开关器件S1的发射极与开关器件S2的集电极连接在到半桥型功率模块的输出端子x，储能电容C的负极连接到半桥型功率模块的输出端子y；取能电源的高压输入侧连接到储能电容的正负极，取能电源的输出侧连接到开关器件驱动电路板和功率模块控制板的电源输入端。

图3为全桥型功率模块的内部电路原理图，包括储能电容C、四只开关器件S1、S2、S3、S4，四只二极管D1、D2、D3、D4，取能电源以及开关器件驱动电路板和功率模块控制电路板。其中，开关器件S1和S3的集电极连接到储能电容C的正极，开关器件S2和S4的发射极连接到储能电容的负极；开关器件S1的集电极与二极管D1的阴极相连，开关器件S1的发射极与二极管D1的阳极相连；开关器件S2的集电极与二极管D2的阴极相连，开关器件S2的发射极与二极管D2的阳极相连；开关器件S3的集电极与二极管D3的阴极相连，开关器件S3的发射极与二极管D3的阳极相连；开关器件S4的集电极与二极管D4的阴极相连，开关器件S4的发射极与二极管D4的阳极相连；开关器件S1的发射极与开关器件S2的集电极连接在到半桥型功率模块的输出端子x，开关器件S3的发射极与开关器件S4的集电极连接在到半桥型功率模块的输出端子y；取能电源的高压输入侧连接到储能电容C的正负极，取能电源的输出侧连接到开关器件驱动电路板和功率模块控制板的电源输入端。

半桥型功率模块旁路状态指的是其内部的开关器件S1处于关断状态，开关器件S2处于导通状态。半桥型功率模块内部开关器件全部关断的状态指的是其内部的开关器件S1和S2均处于关断状态。

全桥型功率模块旁路状态指的是其内部的开关器件S1和S3都处于开通状态而开关器件S2和S4均处于关断状态，或者开关器件S1和S3都处于关断状态而开关器件S2和S4均处于导通状态。全桥型功率模块内部开关器件全部关断的状态指的是其内部的开关器件S1、S2、S3和S4均处于关断状态。

应用本发明的一个10kV、1MVA模块化多电平换流器(MMC)的交流侧充电仿真模型参数如下：

图4为采用现有的交流侧不控充电方法时，该实施例MMC一个桥臂中所有功率模块的电压波形。显然，功率模块的电容电压随着时间逐渐开始发散，且发散斜率越来越高，因此不允许长时间处于交流侧充电的状态。同时，由于每个桥臂中一直是10个功率模块承受电网的线电压峰值，因此功率模块充电完成时的平均电压约为1.4kV。

图5为采用本发明的MMC在交流侧充电阶段功率模块电压发散抑制方法，且K＝3时一个桥臂中所有功率模块的电压波形。显然，本发明方法可以显著抑制功率模块电压发散。同时，由于K＝3，每个桥臂中始终有10-K＝7个功率模块承受电网线电压峰值，功率模块充电完成时的平均电压约为2.0kV，高于交流侧不控充电的情况。

图6为采用本发明的MMC在交流侧充电阶段功率模块电压发散抑制方法，且K＝4时一个桥臂中所有功率模块的电压波形。显然，本发明方法可以显著抑制功率模块电压的发散。同时，由于K＝4，每个桥臂中始终有10-K＝6个功率模块承受电网线电压的峰值，功率模块充电完成时的平均电压约为2.4kV，亦高于交流侧不控充电的情况。

因此，本发明在保证MMC在交流侧充电时功率模块电压不发散的前提下，通过改变K值可以调整功率模块在交流侧充电完成时的电压，且交流充电状态没有时间限制，可以一直保持。

Claims (2)

1.一种柔性直流输电换流器交流侧充电电压发散抑制方法，所述的柔性直流输电换流器为模块化多电平换流器，模块化多电平换流器的交流侧每相由上下两个桥臂组成，每个桥臂中包括一个电抗器L_arm和N个串联连接的功率模块PM₁-PM_N，N≥1；交流侧通过充电电阻与交流电网连接在一起，其特征在于：

所述方法在模块化多电平换流器交流侧充电、且无法实施直流侧电压闭环控制的阶段，根据模块化多电平换流器交流侧桥臂功率模块电容电压的大小，令部分功率模块处于旁路，其余功率模块内的所有开关器件均关断。

2.如权利要求1所述的柔性直流输电换流器交流侧充电电压发散抑制方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)假设柔性直流输电换流器交流侧每个桥臂中串联连接的功率模块数量为N，N≥1，以及交流侧线电压的峰值U_{peak_grid}；

(2)按以下公式确定每桥臂关断模块数量K的数值：

K＝int(U_{peak_grid}/U_{PM_charged})

其中，int()为按照四舍五入原则进行取整的函数，U_{PM_charged}为模块化多电平换流器功率模块在交流侧充电阶段欲达到的目标电压，U_{PM_charged}选择为功率模块的额定电压U_{PM_rated}或其他数值，但必须满足K小于N，K为正整数；

(3)按照固定的控制周期对每个桥臂的功率模块电压进行控制，在每个控制周期内，令每个桥臂电容电压最高的N-K个功率模块处于旁路状态，其余K个功率模块的所有开关器件均处于关断状态。