CN105119508A - 全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器及启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器及启动方法，包括分别与对应的三相电源相连接的三相单元，每个单元均包括上桥臂及下桥臂，上桥臂及下桥臂结构相同，均包括相串联的M个半桥式子模块、N个全桥式子模块及电感L₀；由于不同子模块选用不同的电容值，会造成充电速度不一致。常规的充电方式不能满足该子模块混联MMC拓扑的正常充电。本发明采用自然软启阶段及软启均压阶段，保证不同子模块电压相同。

Description

全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器及启动方法

技术领域

本发明涉及新能源与电力系统领域，具体将涉及全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器及启动方法。

背景技术

基于电压源型换流器的柔性直流输电技术由于其有功无功解耦独立控制、能够接入弱电网、向无源负荷供电、具备电网黑启动能力、动态响应快、谐波特性优良且占地面积小等诸多优点，在大规模间歇性新能源并网、孤岛无源负荷供电、交流电网互联和城市智能供配电等方面得到了越来越广泛的应用。

德国学者RainerMarquardt介绍了具有穿越严重直流故障能力的全桥子模块MMC拓扑，当发生直流短路故障时，可以通过闭锁换流器来抑制故障电流，但由于全桥子模块所需开关器件为半桥子模块的两倍，增加了换流器的建造成本。

由此，业界提出将全桥子模块与其他子模块混联组成MMC的桥臂，在维持直流故障穿越能力的基础上，降低了系统成本。但简单的将相同参数的全桥子模块和其他子模块混联，在系统配置上并非最合理的选择，亟待提出一种合理的优化配置，并为该优化配置提供相应的控制方法支撑。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器及启动方法，全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器进行了优化配置，并为该优化配置提供相应的控制方法支撑。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器，包括分别与对应的三相电源相连接的三相单元，每个单元均包括上桥臂及下桥臂，上桥臂及下桥臂结构相同，均包括相串联的M个半桥式子模块、N个全桥式子模块及电感L₀；

半桥式子模块包括电容及与该电容相并联的开关单元，所述开关单元包括相串联的两个IGBT，每个IGBT均与对应的反向二极管相并联；

全桥式子模块包括电容及与该电容相并联的两个开关单元，每个开关单元包括相串联的两个IGBT，每个IGBT均与对应的反向二极管相并联。

进一步的，半桥式子模块与全桥式子模块的数量相等或全桥式子模块的数量与半桥式子模块的数量为2：1。综合系统成本、损耗、容量以及直流故障穿越能力各方面的要求，当系统不需要提高直流电压利用率时，建议选用全桥及半桥式子模块各使用一半的配置方式；当系统需要尽量提高直流电压利用率以提供传输功率时，建议选用2/3的全桥式子模块和1/3的半桥式子模块。

优选的，半桥式子模块与全桥式子模块的额定电容电压宜相同，由于模块化多电平换流器主要应用于高压大功率场合，子模块的额定电容电压选择主要受到器件约束，因此，全桥式子模块和半桥式子模块的额定电容电压宜相同，根据功率器件的额定电压选取合理值。

全桥式子模块的电容值设置为半桥式子模块电容值的二倍。由于全桥式子模块在直流故障穿越过程中的作用，应适当提高全桥子模块的电容值，但又应避免不同子模块电容值差别过大对系统启动及控制带来的影响，所以将系统中的全桥式子模块的电容值设置为半桥式子模块电容值的二倍。

全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器的启动方法，包括：

充电流程开始：投入系统软启电阻，闭合交流断路器，进行自然软启阶段，当子模块电压达到上电电压后，进入软启均压阶段，切除L个子模块继续充电，待系统稳定后(即充电电流衰减至接近零)，切除软启电阻，解锁换流器进行定直流电压控制，继续充电至稳定，充电完成。

进一步的，在自然软启阶段，正向、负向桥臂电流均为全桥式子模块进行充电，半桥式子模块只在桥臂电流为正的时间段内充电，因此在自然软启阶段结束后，相同桥臂内全桥式子模块电容充电能量是半桥式子模块的二倍，全桥式子模块的电容值设置为半桥式子模块电容的二倍，因此能够保证两种子模块的电容电压相同。

进一步的，软启均压阶段，在同一桥臂内切除一定数量的子模块，其余子模块依然闭锁，达到稳态后切除软起电阻并解锁换流器。

在桥臂电流正负时刻，均对全桥式子模块进行充电，通过均压作用，能够将全桥式子模块的充电能量调整为半桥式子模块的二倍，及保证不同子模块电压相同。

切除的子模块需要动态选择桥臂中电压最高的L个子模块，L的个数由下式确定： $L=M+N-\frac{U_{line}}{U_{C\_rated}}$

其中，M为单桥臂内全桥式子模块个数，N为单桥臂内半桥式子模块个数，U_line为系统阀侧线电压，U_{C_rated}为子模块额定电压值。

当检测到直流双极短路故障时，立即闭锁换流器，当上下桥臂的子模块电容电压和高于交流线电压峰值时，子模块电容提供的反电动势可将直流电流抑制到零，从而实现直流故障穿越。

本发明的有益效果：

本发明所提及的全桥式子模块的电容值设置为半桥式子模块电容的二倍，在直流故障发生初期，故障电流会流经全桥式子模块电容，对全桥式子模块电容进行充电。从而造成全桥式子模块电容电压，超出子模块额定电压。若该电容电压过大，会在系统解锁瞬间造成较大的冲击电流，适当提高全桥式子模块电容值有利于解决该问题。

由于不同子模块选用不同的电容值，会造成充电速度不一致。常规的充电方式不能满足该子模块混联MMC拓扑的正常充电。本发明采用自然软启阶段及软启均压阶段，保证不同子模块电压相同。

附图说明

图1为全桥子模块与半桥子模块混合级联MMC拓扑；

图2为混合子模块级联MMC拓扑在直流故障穿越工况的等效电路；

图3为混合子模块级联MMC拓扑的启动流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，本发明实施例的全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器，包括分别与对应的三相电源相连接的三相单元，每个单元均包括上桥臂及下桥臂，上桥臂及下桥臂结构相同，均包括相串联的M个半桥式子模块、N个全桥式子模块及电感L₀；

半桥式子模块包括电容及与该电容相并联的开关单元，所述开关单元包括相串联的两个IGBT，每个IGBT均与对应的反向二极管相并联；

全桥式子模块包括电容及与该电容相并联的两个开关单元，每个开关单元包括相串联的两个IGBT，每个IGBT均与对应的反向二极管相并联。

该发明首先需要综合系统成本、损耗、容量以及直流故障穿越能力各方面的要求，给出系统子模块的数目配置。然后根据开关器件约束给出不同子模块的额定电容电压，并通过全桥子模块的直流故障穿越的功能分析，设定全桥子模块电容值为半桥子模块的二倍。最后给出了新型系统配置下对应的系统启动方法。该方法中包括自然软启和软启均压两个阶段，其中通过对传统软启均压控制方法的改进，使其能够满足不同子模块电容电压的均压问题。

1.系统子模块数目配置

为简化说明，本专利选用全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器进行新型系统配置及启动方法的说明。但该方法同样适用于全桥与其他一种和多种子模块混联的换流器拓扑。

综合系统成本、损耗、容量以及直流故障穿越能力各方面的要求，当系统不需要提高直流电压利用率时，建议选用全桥及半桥子模块各使用一半的配置方式；当系统需要尽量提高直流电压利用率以提供传输功率时，建议选用2/3的全桥子模块和1/3的半桥子模块。

2.子模块参数配置

由于模块化多电平换流器主要应用于高压大功率场合，子模块的额定电容电压选择主要受到器件约束，因此，全桥子模块和半桥子模块的额定电容电压宜相同，根据功率器件的额定电压选取合理值。

由于全桥子模块在直流故障穿越过程中的作用(见下文)，应适当提高全桥子模块的电容值，但又应避免不同子模块电容值差别过大对系统启动及控制带来的影响，本专利推荐将系统中的全桥子模块的电容值设置为半桥子模块电容值的二倍。

当检测到直流双极短路故障时，立即闭锁换流器，此时混合子模块级联的MMC拓扑等效电路如图2所示。该故障工况下两种子模块均处于闭锁且桥臂电流为负，此时半桥子模块可以等效为两极管串联，全桥子模块可等效为电容与二极管串联，由此可得如图所示的等效电路图。当图示上下桥臂的子模块电容电压和高于交流线电压峰值时，子模块电容可以提供足够的反电动势将直流电流降为零，从而实现直流故障穿越。

在直流故障发生初期，故障电流会流经全桥子模块电容，对全桥子模块电容进行充电。从而造成全桥子模块电容电压，超出子模块额定电压。若该电容电压过大，会在系统解锁瞬间造成较大的冲击电流，适当提高全桥子模块电容值有利于解决该问题。

3.新型系统配置下的启动策略

由于不同子模块选用不同的电容值，会造成充电速度不一致。常规的充电方式不能满足该子模块混联MMC拓扑的正常充电。

启动方法分为以下步骤：

1.自然软启阶段

由于MMC子模块控制单元多通过子模块电容取电，因此在零电压启动的过程中，必然要经历一个自然软起阶段。此阶段中IGBT不可控，电容通过反并联二极管充电。

正向、负向桥臂电流均为全桥子模块进行充电，而半桥子模块只在桥臂电流为正的时间段内充电，因此在自然软启阶段结束后，相同桥臂内全桥子模块电容充电能量是半桥子模块的二倍。但由于前文将全桥子模块的电容值设置为半桥子模块电容的二倍，因此能够保证两种子模块的电容电压基本相同。

2.软启均压阶段

若仅通过自然软启充电，子模块电压并不能充至额定值，且存在子模块电压发散的风险，因此有必要进行软启均压。

传统的不同子模块级联MMC在启动过程中，惯于在桥臂电流为负时切除全部子模块，以保证子模块的均衡。

该方法则需无论桥臂电流正负，在同一桥臂内切除一定数量的子模块，其余子模块依然闭锁，达到稳态后切除软起电阻并解锁换流器。

在桥臂电流正负时刻，均对全桥子模块进行充电，通过均压作用，能够将全桥子模块的充电能量调整为半桥子模块的二倍，及保证不同子模块电压相同。

切除的子模块需要动态选择桥臂中电压最高的L个子模块。L的个数由下式确定： $L=M+N-\frac{U_{line}}{U_{C\_rated}}.$

其中，M为单桥臂内全桥子模块个数，N为单桥臂内半桥子模块个数，U_line为系统阀侧线电压，U_{C_rated}为子模块额定电压值。

启动流程图如图3所示，首先投入软启电阻，进行自然软启。当子模块电压达到上电电压后，进入软启均压阶段，切除L个子模块继续充电，待系统稳定后，切除软启电阻，继续充电至稳定，解锁换流器，充电完成。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器，其特征是，包括分别与对应的三相电源相连接的三相单元，每个单元均包括上桥臂及下桥臂，上桥臂及下桥臂结构相同，均包括相串联的M个半桥式子模块、N个全桥式子模块及电感L₀；

半桥式子模块包括电容及与该电容相并联的开关单元，所述开关单元包括相串联的两个IGBT，每个IGBT均与对应的反向二极管相并联；

全桥式子模块包括电容及与该电容相并联的两个开关单元，每个开关单元包括相串联的两个IGBT，每个IGBT均与对应的反向二极管相并联。

2.如权利要求1所述的全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器，其特征是，半桥式子模块与全桥式子模块的数量相等或全桥式子模块的数量与半桥式子模块的数量为2：1。

3.如权利要求1所述的全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器，其特征是，半桥式子模块与全桥式子模块的额定电容电压相同。

4.如权利要求1所述的全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器，其特征是，全桥式子模块的电容值设置为半桥式子模块电容值的二倍。

5.基于权利要求1所述的全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器的启动方法，其特征是，包括：

充电流程开始：投入系统软启电阻，闭合交流断路器，进行自然软启阶段，当子模块电压达到上电电压后，进入软启均压阶段，切除L个子模块继续充电，待系统稳定后，即充电电流衰减至接近零，切除软启电阻，解锁换流器进行定直流电压控制，继续充电至稳定，充电完成。

6.如权利要求5所述的全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器的启动方法，其特征是，在自然软启阶段，正向、负向桥臂电流均为全桥式子模块进行充电，半桥式子模块只在桥臂电流为正的时间段内充电，因此在自然软启阶段结束后，相同桥臂内全桥式子模块电容充电能量是半桥式子模块的二倍，全桥式子模块的电容值设置为半桥式子模块电容的二倍，因此能够保证两种子模块的电容电压相同。

7.如权利要求5所述的全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器的启动方法，其特征是，软启均压阶段，在同一桥臂内切除一定数量的子模块，其余子模块依然闭锁，达到稳态后切除软起电阻并解锁换流器。

8.如权利要求7所述的全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器的启动方法，其特征是，在桥臂电流正负时刻，均对全桥式子模块进行充电，通过均压作用，能够将全桥式子模块的充电能量调整为半桥式子模块的二倍，保证不同子模块电压相同。

9.如权利要求5所述的全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器的启动方法，其特征是，切除的子模块需要动态选择桥臂中电压最高的L个子模块，L的个数由下式确定： $L=M+N-\frac{U_{line}}{U_{C\_raited}}$

其中，M为单桥臂内全桥式子模块个数，N为单桥臂内半桥式子模块个数，U_line为系统阀侧线电压，U_{C_rated}为子模块额定电压值。

10.如权利要求5所述的全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器的启动方法，其特征是，当检测到直流双极短路故障时，立即闭锁换流器，当上下桥臂的子模块电容电压和高于交流线电压峰值时，子模块电容可以提供足够的反电动势将直流电流降为零，从而实现直流故障穿越。