CN105680681A - 基于箝位式单子模块的模块化多电平换流器的启动方法 - Google Patents

基于箝位式单子模块的模块化多电平换流器的启动方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于箝位式单子模块的模块化多电平换流器的启动方法。所述启动方法包括：第一预充电阶段，通过变压器阀侧设定的启动电阻分别对各个桥臂中子模块进行充电，直到子模块电容的电压达到设定值时，解锁子模块的保护IGBT，进入第二预充电阶段；当子模块中电容C1和电容C2两者之间的电压达到平衡状态时，闭合预设的旁路刀闸使所述启动电阻被旁路；当子模块的电压达到稳定值时，解锁子模块的主IGBT，进入主动充电阶段；当充电至子模块的电压达到其额定工作电压时，停止充电，启动结束。通过本发明能避免子模块过电压和过电流问题，实现换流器的平稳启动。

Description

基于箝位式单子模块的模块化多电平换流器的启动方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及基于箝位式单子模块的模块化多电平换流器的启动方法。
背景技术
电压源型换流器是柔性直流输电的核心，负责完成交直流变换和功率传输。模块化多电平换流器(Modularmultilevelconverter,MMC)是电压源换流器的拓扑结构之一，由于其模块化设计、谐波含量低、扩展容易等优点，广泛应用于柔性直流输电场合。
半桥型子模块是MMC的一种子模块拓扑结构，每个子模块包括两个IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)和一个子模块电容。基于半桥型子模块是MMC在直流双极短路时，由于二极管整流效应，该拓扑不能隔离交流系统和直流故障点的故障通路，导致短路电流水平高，威胁设备安全。为了提高可靠性，现有基于半桥子模块的MMC型柔性直流输电基本采用直流电缆作为媒介完成电力传输。
箝位式单子模块是MMC的另一种子模块拓扑结构，其在半桥型子模块基础上增加了一个保护IGBT和一个子模块电容，结构如图1所示，子模块IGBT包括保护IGBT、第一主IGBT和第二主IGBT(分别对应图1中的S3、S1和S2)，子模块电容包括第一电容和第二电容(分别对应图1中的C1、C2)。S1集电极与C1正极连接，S1发射极、S2集电极均连接所属子模块的一电压输入端，S2发射极、S3发射极均与C2负极连接，C1负极、C2正极通过二极管D4与S3集电极连接，S3集电极还连接所属子模块的另一电压输入端。基于箝位式单子模块是MMC在直流双极短路时，换流器自身能够提供足够反压促进短路电流衰减，完成直流故障自清除，因此特别适用于远距离、大容量、架空线场合的柔性直流输电工程。
启动是柔性直流输电换流器的一个核心问题，它的主要目标是完成子模块电容的充电过程，同时还需要避免过电压和过电流问题，避免设备损坏。传统的软启动方法为：将启动过程分为不可控启动和可控启动两个阶段，对于基于半桥型子模块的MMC来说，该方法能够实现换流器的平稳启动；然而，对于箝位式单子模块的MMC来说，若采用该方法启动，则在换流器解锁时，会产生较大的过电压和过电流，导致解锁失败。
因此，如何实现基于箝位式单子模块的MMC的平稳启动，是亟待解决的问题。
发明内容
基于此，本发明提供一种基于箝位式单子模块的模块化多电平换流器的启动方法，能够实现换流器的平稳启动。
本发明一方面提供基于箝位式单子模块的模块化多电平换流器的启动方法，所述模块化多电平换流器包括至少两个桥臂，每个桥臂包括若干个级联的子模块，所述子模块为箝位式单子模块，每个子模块包括子模块IGBT和子模块电容；所述子模块IGBT包括一个保护IGBT和两个主IGBT，所述子模块电容包括电容C1、电容C2；
所述模块化多电平换流器的启动方法包括：
第一预充电阶段，通过设置在变压器阀侧的启动电阻分别对各个桥臂中子模块进行充电，直到子模块电容的电压达到设定值时，解锁子模块的保护IGBT，进入第二预充电阶段；
在第二预充电阶段，当子模块中电容C1和电容C2两者之间的电压达到平衡状态时，闭合预设的旁路刀闸以使所述启动电阻被旁路，当子模块的电压达到稳定值时，解锁子模块的两个主IGBT，进入主动充电阶段；
在主动充电阶段，当充电至子模块的电压达到其额定工作电压时，停止充电，启动结束。
优选的，所述模块化多电平换流器包括6个桥臂。
优选的，在所述第一预充电阶段，子模块电容的电压达到设定值时，该子模块中电容C1和电容C2的电压总和为0.6UL/N，UL为变压器阀侧的线电压幅值，N为每个桥臂包含的子模块数量。
优选的，在所述第二预充电阶段，当子模块中电容C1的电压高于电容C2的电压、且两者之差大于设定差值时，控制电容C1进行放电，直到两者之差回到所述设定差值以下时，控制电容C1停止放电；
或者，当子模块中电容C2的电压高于电容C1的电压、且两者之差大于设定差值时，控制电容C2进行放电，直到两者之差回到所述设定差值以下时，控制电容C2停止放电。
基于上述技术方案的箝位式单子模块的模块化多电平换流器的启动方法，能够确保子模块的电压和直流电压平稳的充电至其额定值，同时有效避免启动过程中的过电压和过电流问题，实现系统平稳启动。
附图说明
图1为箝位式单子模块的示意性结构图；
图2为一实施例的基于箝位式单子模块的模块化多电平换流器的示意性结构图；
图3为一实施例的基于箝位式单子模块的模块化多电平换流器的启动方法的示意性流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的实施例包括基于箝位式单子模块的模块化多电平换流器的实施例，还包括相应的基于箝位式单子模块的模块化多电平换流器的启动方法实施例。以下分别进行详细说明。
图2为一实施例的基于箝位式单子模块的模块化多电平换流器的示意性结构图。本实施例的基于箝位式单子模块的模块化多电平换流器包括至少两个桥臂，每个桥臂包括一个桥臂电抗器和若干个级联的子模块，所述子模块为箝位式单子模块。优选的，如图2所示，本实施例的模块化多电平换流器包括6个桥臂。
优选的，如图1所示，每个子模块包括子模块IGBT和子模块电容。其中，子模块IGBT包括保护IGBT、第一主IGBT和第二主IGBT(分别对应图1中的S3、S1和S2)，子模块电容包括第一电容和第二电容(分别对应图1中的C1、C2)。每个子模块的内部结构为：S1集电极与C1正极连接，S1发射极、S2集电极均连接所属子模块的一电压输入端，S2发射极、S3发射极均与C2负极连接，C1负极、C2正极连接二极管D4负极，D4正极连接、S3集电极均连接所属子模块的另一电压输入端。
优选的，每个子模块中还包括二极管D1～D3，如图1所示，S1、S2、S3分别与D1、D2、D3构成反并联结构。
进一步的，基于上述的箝位式单子模块的模块化多电平换流器的启动方法，为了确保子模块的电压和直流电压平稳的充电至其额定值，通过变压器将该模块化多电平换流器接入交流电，如图2所示，预先在交流侧设置有断路器QF1，在变压器T阀侧设置有旁路刀闸QF2和启动电阻R；启动前，断开断路器QF1，断开旁路刀闸QF2。如图3所示，该模块化多电平换流器的启动方法包括步骤：
S100、启动时，闭合断路器QF1，首先进入第一预充电阶段，电流通过启动电阻R为该模块化多电平换流器进行充电；
在所述第一预充电阶段，通过启动电阻R分别对各个桥臂中子模块进行充电，直到子模块电容的电压达到设定值时，解锁子模块的保护IGBT，即开通子模块的S3，进入第二预充电阶段；
第一预充电阶段的主要目标是，使子模块电容充电到能满足子模块取能电源正常工作的数值。需要说明的是，由于箝位式单子模块特殊的拓扑结构，在第一预充电阶段过程中，子模块中电容C1和C2的充电时间不同，导致C1和C2的电压不一致。
作为一优选实施方式，在第一预充电阶段，子模块电容的电压达到设定值时，所述子模块中第一电容C1和第二电容C2的电压总和为0.6UL/N，其中，UL为所述变压器阀侧的线电压幅值，N为每个桥臂包含的子模块数量。根据工程实践经验，该数值已经达到满足子模块取能电源正常工作的条件，此时子模块本地控制电路已能够正常工作。
S200、在第二预充电阶段，当子模块中电容C1和电容C2两者的电压达到平衡状态时，闭合所述旁路刀闸QF2使所述启动电阻R被旁路；并且，在第二预充电阶段，当子模块的电压达到稳定值时，解锁子模块的两个主IGBT，进入主动充电阶段；
第二预充电阶段的主要目标是，对子模块电容进一步充电；并且，在第二预充电阶段，当电容C1的电压高于电容C2的电压、且两者之差大于设定差值时，控制电容C1进行放电，直到两者之差回到设定差值以下时，控制电容C1停止放电，以实现C1和C2的电压平衡。
由于箝位式单子模块特殊的拓扑结构，电容C1和C2一般存在参数偏差，导致正常工作中可能会有电压偏差。作为一优选实施方式，可在子模块本地采取一定的均压控制方法，比如：在C1和C2两端并联对应的放电回路，当C1电压高于C2电压，且电压差高于设定差值时，闭合C1对应的放电回路的开关，对C1进行适当放电，当二者电压差回到设定差值以下时，断开C1对应的放电回路的开关，停止对C1的放电；反之，对C2亦然。
本实施例中，闭合旁路刀闸QF2，启动电阻R被旁路，待子模块的电压稳定后，预充电阶段结束，进入主动充电阶段。
S300、在主动充电阶段，当充电至子模块的电压达到其额定工作电压时，停止充电，电压源型换流器启动结束。
本实施例中，预充电阶段结束后，控制系统解锁主IGBT(S1和S2)。此时直流输电换流器在控制系统的作用下分别对各个桥臂中的子模块电容进行主动充电，待子模块的电压达到其额定工作电压后，可停止充电，软启动过程结束。该阶段，控制系统采取定直流电压控制模式，直流电压参考值按照一定的斜率值从主IGBT解锁时刻的数值逐渐爬升至额定值。
通过本实施例的基于箝位式单子模块的模块化多电平换流器及其启动方法，能够确保子模块的电压和直流电压平稳的充电至其额定值，同时有效避免启动过程中的过电压和过电流问题，实现系统平稳启动。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，不能理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.基于箝位式单子模块的模块化多电平换流器的启动方法，其特征在于，所述模块化多电平换流器包括至少两个桥臂，每个桥臂包括若干个级联的子模块，所述子模块为箝位式单子模块，每个子模块包括子模块IGBT和子模块电容；所述子模块IGBT包括一个保护IGBT和两个主IGBT，所述子模块电容包括电容C1、电容C2；
所述模块化多电平换流器的启动方法包括：
第一预充电阶段，通过设置在变压器阀侧的启动电阻分别对各个桥臂中子模块进行充电，直到子模块电容的电压达到设定值时，解锁子模块的保护IGBT，进入第二预充电阶段；
在第二预充电阶段，当子模块中电容C1和电容C2两者之间的电压达到平衡状态时，闭合预设的旁路刀闸以使所述启动电阻被旁路，当子模块的电压达到稳定值时，解锁子模块的两个主IGBT，进入主动充电阶段；
在主动充电阶段，当充电至子模块的电压达到其额定工作电压时，停止充电，启动结束。
2.根据权利要求1所述的基于箝位式单子模块的模块化多电平换流器的启动方法，其特征在于，所述模块化多电平换流器包括6个桥臂。
3.根据权利要求1所述的基于箝位式单子模块的模块化多电平换流器的启动方法，其特征在于，在所述第一预充电阶段，子模块电容的电压达到设定值时，该子模块中电容C1和电容C2的电压总和为0.6UL/N，UL为变压器阀侧的线电压幅值，N为每个桥臂包含的子模块数量。
4.根据权利要求1所述的基于箝位式单子模块的模块化多电平换流器的启动方法，其特征在于，在所述第二预充电阶段，当子模块中电容C1的电压高于电容C2的电压、且两者之差大于设定差值时，控制电容C1进行放电，直到两者之差回到所述设定差值以下时，控制电容C1停止放电；
或者，当子模块中电容C2的电压高于电容C1的电压、且两者之差大于设定差值时，控制电容C2进行放电，直到两者之差回到所述设定差值以下时，控制电容C2停止放电。
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