CN106505606A - 一种单箝位子模块型mmc‑hvdc远端启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单箝位子模块型MMC‑HVDC远端启动方法。本发明通过有序轮换触发的策略逐步增加有源侧换流站桥臂上处于半闭锁状态的子模块数量，在避免直流电压的过大突变跃升的前提下能够保证有源侧换流站子模块继续充电，整个启动方法保证了直流电压缓慢逐步上升的同时，也使系统在半闭锁充电过程中平稳过渡；通过有序轮换旁路的控制策略可以在尽可能减小直流电压跌落的基础上完成对无源侧换流站子模块的预充电。本发明有效规避了传统充电方式造成的换流阀解锁瞬间的直流电压突变和过电流问题。

Description

一种单箝位子模块型MMC-HVDC远端启动方法

技术领域

本发明属于输配电技术领域，具体地说是一种单箝位子模块型MMC-HVDC远端启动方法。

背景技术

模块化多电平换流器高压直流输电(Modular Multilevel Converter basedHigh Voltage Direct Current,MMC-HVDC)以其独特的技术优势，非常适合高电压、大功率的供电场合，在风电场并网、电网互联、黑启动、城市中心供电等领域具有巨大的工程优势，已经成为未来柔性直流输电最为主流的拓扑结构。半桥子模块(Half-Bridge Sub-Module，HBSM)是主要的MMC子模块可选结构，目前几乎所有的MMC-HVDC工程都是以半桥型MMC(Half-Bridge MMC，HBMMC)为其拓扑结构。由于造价过高、技术复杂以及工业应用不成熟等原因，直流断路器在高压大功率场合中的工程应用短期内还无法真正实现，而在实际工程中的HBMMC不具备直流故障清除能力，这给MMC直流输电工程的可靠性带来了严重影响。为了尽可能的避免直流故障，现有的MMC直流输电工程均是采用故障率低的电缆作为传输线路而不是采用成本较低的架空线，这对MMC-HVDC在长距离输电和多端系统供电方面的发展产生了极大的制约。

针对半桥型MMC-HVDC无法应对直流故障的问题，国内外学者提出了MMC的多种改进结构，中国学界在综合成本和技术的基础上提出了一种单箝位子模块(Single-ClampSub-Module，SCSM)拓扑结构。单箝位子模块型MMC(Single-Clamp MMC，SCMMC)一经提出就得到了MMC研究者的关注。SCSM结构综合了成本和技术的优势，尤其是在应对直流故障方面使该结构成为MMC未来子模块结构的热点结构之一。

启动问题是MMC-HVDC工程首先要解决的问题，启动策略的研究也是近年来MMC技术研究的热点。尽管MMC的启动策略研究的成果近年不断涌现，然而大多集中在半桥MMC启动的研究上。目前柔性直流输电工程的启动方式主要分为本地启动和远端启动两种，本地启动主要应用于接入交流系统的换流站，远端启动则是对尚未接入交流系统或向无源网络供电的换流站经直流线路进行远距离启动。有关SCSM结构研究虽不断深入，但SCMMC由于其结构特点，涉及SCMMC-HVDC启动的问题较为复杂，其启动方法的研究，尤其是远端启动方法的研究却鲜有提及。

发明内容

针对上述现有技术存在的情况，本发明提供一种单箝位子模块型MMC-HVDC远端启动方法，其在保证直流电压缓慢逐步上升的同时，也使系统在半闭锁充电过程中平稳过渡。

为此，本发明采用如下的技术方案：一种单箝位子模块型MMC-HVDC远端启动方法，其包括以下步骤：

步骤1：启动有源侧单箝位子模块型模块化多电平换流器SCMMC，同时闭合直流线路隔离开关，有源侧SCMMC经限流电阻进行全闭锁充电；

步骤2：全闭锁充电结束后，有源侧SCMMC采用有序轮换触发的控制策略进行半闭锁充电，逐步增加有源侧SCMMC桥臂上处于半闭锁状态的子模块，对有源侧SCMMC子模块继续进行充电，同时对无源侧SCMMC子模块进行充电；

步骤3：在有源侧SCMMC半闭锁充电阶段，无源侧SCMMC通过直流线路充电达到子模块开关驱动触发的自取能阈值后，采用有序轮换旁路的控制策略继续进行充电；

步骤4：半闭锁充电结束后，有源侧SCMMC旁路交流侧限流电阻，解锁并投入定直流电压控制进行可控充电，定直流电压控制器采用斜率控制使直流电压根据设计斜率直线缓慢上升至参考电压；

步骤5：直流电压缓慢上升至参考电压的过程中，无源侧SCMMC采用有序轮换旁路的控制策略继续进行充电，无源侧SCMMC子模块电容电压与有源侧逐步充电到额定值后，预充电结束，无源侧SCMMC短暂闭锁；

步骤6：无源侧SCMMC解锁，投入定交流电压控制，待交流电压稳定后，闭合无源侧交流断路器，启动结束。

进一步地，步骤2中，有源侧SCMMC采用有序轮换触发的控制策略进行半闭锁充电的具体过程为：

步骤201：全闭锁充电结束后，时刻监测有源侧SCMMC各相单个桥臂子模块电容电压的值，用给定周期对SCMMC每个桥臂的子模块电容电压进行排序；

步骤202：对于每个桥臂，选出电容电压最大的M个子模块触发T3，使这些子模块处于半闭锁状态，通过直流线路对无源侧SCMMC进行充电，T3是单箝位子模块下桥臂与负极直接相连的IGBT；

步骤203：待直流电压稳定后，再次通过用给定周期排序选出各桥臂电容电压最大的2M(M为正整数)个子模块触发T3，使这些子模块处于半闭锁状态，通过直流线路对无源侧SCMMC继续进行充电；

步骤204：以此类推，通过用给定周期排序选出每个桥臂电容电压最大的3M、4M……xM(x为正整数)个子模块触发T3，直到桥臂上的所有子模块均处于半闭锁状态，待直流电压稳定后半闭锁充电阶段结束。

进一步地，步骤3中，采用有序轮换旁路的控制策略继续进行充电的具体过程为：

时刻监测无源侧SCMMC各相单个臂子模块电容电压值，将每个桥臂N个子模块电容电压进行排序，选出每个桥臂电容电压最大的0.5N个子模块触发T2，使这些子模块处于旁通状态，通过直流线路对无源侧SCMMC继续进行充电，T2是单箝位子模块下桥臂与正极直接相连的IGBT。

进一步地，步骤2中第x步变化造成的直流电压突变值如下式所示，

其中，上式满足

N、M为正整数，N/M也为正整数，M的取值必须保证在半闭锁充电阶段，半闭锁子模块数量的改变造成的直流电压突变不能超过系统能承受的直流电压突变值(ΔU)_max，V_LL为有源侧SCMMC交流侧线电压峰值。

本发明具有的有益效果是：

通过有序轮换触发的策略可以逐步增加有源侧换流站桥臂上处于半闭锁状态的子模块数量，既可以避免直流电压的过大突变跃升，也能够保证有源侧换流站子模块继续充电，整个启动方法在保证直流电压缓慢逐步上升的同时，也使系统在半闭锁充电过程中平稳过渡；

通过有序轮换旁路的控制策略可以在尽可能减小直流电压跌落的基础上完成对无源侧换流站子模块的预充电，由于触发该控制策略时，直流母线电压相对较小，其造成的直流电压瞬间跌落就会很小，本发明有效规避了传统充电方式造成的换流阀解锁瞬间的直流电压跌落和过电流问题。

附图说明

图1为SCMMC拓扑结构图。

图2为单箝位子模块结构图。

图3为本发明的远端启动流程图。

图4为本发明的远端启动示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施方式详细描述本发明，但本发明不受实施例所限。

图1是SCMMC拓扑结构图，SCMMC由6个桥臂组成，每个桥臂由若干个子模块(SM₁……SMn)与桥臂电抗器L串联组成，其中，每个子模块均采用SCSM结构，上、下桥臂共同构成一个相单元。图1中U_dc表示直流电压。

图2是SCSM子模块结构图，其包括3个IGBT(T1，T2，T3)、对应的三个反向二极管(D1,D2,D3)、1个反向独立二极管D4以及1个电容器C，U_C为每个子模块的电容电压，U_SM表示单个子模块的输出电压。

表1是单箝位子模块SCSM的工作状态表，通过触发控制3个IGBT使子模块运行于不同的模式状态。在稳态运行时，T3一直触发导通，通过其余2个IGBT的开通和关断来使子模块处于切除或投入状态。稳态运行情况下，SCMMC的子模块运行状态如表1所示的模式1和模式2。为充分利用SCSM结构的特点，本发明中将SCSM的工作状态扩展了模式3-模式5三种模式，模式3定义为半闭锁状态，模式4定义为全闭锁状态，模式5定义为旁路状态，模式3、模式4及模式5主要用于换流器故障闭锁或启动。

表1

模式	T1	T2	T3	USM	状态
						1	0	1	1	0	切除
2	1	0	1	UC	投入
						3	0	0	1	——	半闭锁
4	0	0	0	——	全闭锁
						5	0	1	0	——	旁路

注：Ti(i＝1，2，3)列数值为1表示对应的IGBT触发导通，为0表示对应的IGBT关断。

图3是本发明提供的远端启动流程图。

图4是本发明提供的远端启动示意图。

一种单箝位子模块型MMC-HVDC远端启动方法，其包括以下步骤：

步骤1：启动有源侧单箝位子模块型模块化多电平换流器SCMMC，同时闭合直流线路隔离开关，有源侧SCMMC经限流电阻进行全闭锁充电；

步骤2：全闭锁充电结束后，有源侧SCMMC采用有序轮换触发的控制策略进行半闭锁充电，逐步增加有源侧SCMMC桥臂上处于半闭锁状态的子模块，对有源侧SCMMC子模块继续进行充电，同时对无源侧SCMMC子模块进行充电；

步骤3：在有源侧SCMMC半闭锁充电阶段，无源侧SCMMC通过直流线路充电达到子模块开关驱动触发的自取能阈值后，采用有序轮换旁路的控制策略继续进行充电；

步骤4：半闭锁充电结束后，有源侧SCMMC旁路交流侧限流电阻，解锁并投入定直流电压控制进行可控充电，定直流电压控制器采用斜率控制使直流电压根据设计斜率直线缓慢上升至参考电压；

步骤5：直流电压缓慢上升至参考电压的过程中，无源侧SCMMC采用有序轮换旁路的控制策略继续进行充电，无源侧SCMMC子模块电容电压与有源侧逐步充电到额定值后，预充电结束，无源侧SCMMC短暂闭锁；

步骤6：无源侧SCMMC解锁，投入定交流电压控制，待交流电压稳定后，闭合无源侧交流断路器，启动结束。

步骤2中，有源侧SCMMC采用有序轮换触发的控制策略进行半闭锁充电的具体过程为：

步骤201：全闭锁充电结束后，时刻监测有源侧SCMMC各相单个桥臂子模块电容电压的值，用给定周期对SCMMC每个桥臂的子模块电容电压进行排序；

步骤202：对于每个桥臂，选出电容电压最大的M个子模块触发T3，使这些子模块处于半闭锁状态，通过直流线路对无源侧SCMMC进行充电，T3是单箝位子模块下桥臂与负极直接相连的IGBT；

步骤203：待直流电压稳定后，再次通过以给定周期排序选出各桥臂电容电压最大的2M(M为正整数)个子模块触发T3，使这些子模块处于半闭锁状态，通过直流线路对无源侧SCMMC继续进行充电；

步骤204：以此类推，通过以给定周期排序选出每个桥臂电容电压最大的3M、4M……xM(x为正整数)个子模块触发T3，直到桥臂上的所有子模块均处于半闭锁状态，待直流电压稳定后半闭锁充电阶段结束。

步骤3中，采用有序轮换旁路的控制策略继续进行充电的具体过程为：

时刻监测无源侧SCMMC各相单个臂子模块电容电压值，将每个桥臂N个子模块电容电压进行排序，选出每个桥臂电容电压最大的0.5N个子模块触发T2，使这些子模块处于旁通状态，通过直流线路对无源侧SCMMC继续进行充电，T2是单箝位子模块下桥臂与正极直接相连的IGBT。

步骤2中，第x步变化造成的直流电压突变值如公式(1)所示，

其中，x满足

N、M为正整数，N/M也为正整数，M的取值必须保证在半闭锁充电阶段，半闭锁子模块数量的改变造成的直流电压突变不能超过系统可以承受的直流电压突变值(ΔU)_max，V_LL为有源侧SCMMC交流侧线电压峰值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种单箝位子模块型MMC-HVDC远端启动方法，其包括以下步骤：

步骤1：启动有源侧单箝位子模块型模块化多电平换流器SCMMC，同时闭合直流线路隔离开关，有源侧SCMMC经限流电阻进行全闭锁充电；

步骤2：全闭锁充电结束后，有源侧SCMMC采用有序轮换触发的控制策略进行半闭锁充电，逐步增加有源侧SCMMC桥臂上处于半闭锁状态的子模块，对有源侧SCMMC子模块继续进行充电，同时对无源侧SCMMC子模块进行充电；

步骤3：在有源侧SCMMC半闭锁充电阶段，无源侧SCMMC通过直流线路充电达到子模块开关驱动触发的自取能阈值后，采用有序轮换旁路的控制策略继续进行充电；

步骤4：半闭锁充电结束后，有源侧SCMMC旁路交流侧限流电阻，解锁并投入定直流电压控制进行可控充电，定直流电压控制器采用斜率控制使直流电压根据设计斜率直线缓慢上升至参考电压；

步骤5：直流电压缓慢上升至参考电压的过程中，无源侧SCMMC采用有序轮换旁路的控制策略继续进行充电，无源侧SCMMC子模块电容电压与有源侧逐步充电到额定值后，预充电结束，无源侧SCMMC短暂闭锁；

步骤6：无源侧SCMMC解锁，投入定交流电压控制，待交流电压稳定后，闭合无源侧交流断路器，启动结束。

2.根据权利要求1所述的单箝位子模块型MMC-HVDC远端启动方法，其特征在于，步骤2中，有源侧SCMMC采用有序轮换触发的控制策略进行半闭锁充电的具体过程为：

步骤201：全闭锁充电结束后，时刻监测有源侧SCMMC各相单个桥臂子模块电容电压的值，用给定周期对SCMMC每个桥臂的子模块电容电压进行排序；

步骤202：对于每个桥臂，选出电容电压最大的M个子模块触发T3，使这些子模块处于半闭锁状态，通过直流线路对无源侧SCMMC进行充电，T3是单箝位子模块下桥臂与负极直接相连的IGBT；

步骤203：待直流电压稳定后，再次通过用给定周期排序选出各桥臂电容电压最大的2M个子模块触发T3，M为正整数，使这些子模块处于半闭锁状态，通过直流线路对无源侧SCMMC继续进行充电；

步骤204：以此类推，通过用给定周期排序选出每个桥臂电容电压最大的3M、4M……xM个子模块触发T3，x为正整数，直到桥臂上的所有子模块均处于半闭锁状态，待直流电压稳定后半闭锁充电阶段结束。

3.根据权利要求1所述的单箝位子模块型MMC-HVDC远端启动方法，其特征在于，步骤3中，采用有序轮换旁路的控制策略继续进行充电的具体过程为：

时刻监测无源侧SCMMC各相单个臂子模块电容电压值，将每个桥臂N个子模块电容电压进行排序，N为正整数，选出每个桥臂电容电压最大的0.5N个子模块触发T2，使这些子模块处于旁通状态，通过直流线路对无源侧SCMMC继续进行充电，T2是单箝位子模块下桥臂与正极直接相连的IGBT。

4.根据权利要求1或2所述的单箝位子模块型MMC-HVDC远端启动方法，其特征在于，所述的步骤2中，第x步变化造成的直流电压突变值如下式所示，

$\mathrm{\Δ}U=\frac{V_{LL}}{2N-xM}2xM-\frac{V_{LL}}{2N-(x-1)M}(x-1)M$

其中，上式满足

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}U\≤{\left(\mathrm{\Δ}U\right)}_{max}\\ x\∈\[1,N/M\]\end{array}\right.$

N、M为正整数，N/M也为正整数，M的取值必须保证在半闭锁充电阶段，半闭锁子模块数量的改变造成的直流电压突变不能超过系统能承受的直流电压突变值(ΔU)_max，V_LL为有源侧SCMMC交流侧线电压峰值。