CN106786910B - 一种同时适用于mmc换流阀子模块交直流充电的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种同时适用于MMC换流阀子模块交直流充电的方法，在不可控充电结束时，将所有模块的上下IGBT均关断，充电过程中每个控制周期，对模块电压进行排序，然后通过开通模块下IGBT，切出电压最高的out_n个模块，充电过程中未被切出的模块即正在充电的模块保持上、下IGBT同时关断的状态，不需要开通上IGBT，因此流过桥臂的电流不可能对模块放电，可做到对直流充电和交流充电不加区分，同时适用于直流和交流充电。

Description

一种同时适用于MMC换流阀子模块交直流充电的方法

技术领域

本发明属于模块化多电平型电压源换流器控制领域，涉及一种MMC换流阀子模块直流充电方法，具体涉及一种同时适用于MMC换流阀子模块交直流充电的方法。

背景技术

基于电压源换流器的输电技术是一种新型的直流输电技术，相比传统直流输电具有很多好处。模块化多电平换流器是近年来发展的一种新型电压源换流器，它具有谐波小，损耗小等非常多的优点。

单个子模块的运行方式有，投入(上IGBT开通，下IGBT关断)，切出(上IGBT关断，下IGBT开通)，闭锁(上、下IGBT全关断)。其中投入、切出是正常解锁后的运行状态。

换流阀解锁前，应该对子模块充电，子模块充电分为不可控充电和可控充电两个过程。不可控充电是二极管的整流过程。不可控充电结束后，模块上的控制板和驱动板带电，进入工作状态，可以接收阀控的控制命令。但此时如果直接解锁，会在电压电流上产生较大冲击。因此需要通过可控充电将模块电压进一步升高到接近正常工作时的模块电压。

根据提供充电能量的电源不同，充电可分为交流侧充电和直流侧充电两种模式。以直流充电模式为例。稳定时，单个子模块电压由其在直流线路上分到的电压决定。每个模块参数大致相同。因此，子模块电压大致为直流电压除以每相的模块之和。

因此为使子模块电压充到1标幺值，每相应有U_dc/V_m(V_m为模块电压额定值)个模块分担直流电压。为了保证阀侧电压为0，需上下桥臂投入相同数量模块。因此每桥臂需投入U_dc/(2×V_m)个模块。

但若每桥臂直接投入U_dc/(2×V_m)个模块，因为直流线路上电感的存在，会引起子模块电压过冲。交流侧充电有类似问题。

为了减小直流侧充电解锁时电容充电带来的电压和电流冲击，一般的方法是在解锁时刻将直流电压参考值设置为低于额定直流电压，以保证解锁后模块电压不会突变，解锁后指令电压斜坡上升，直至到达额定值。这种情况下，因为模块电压不是直接上升到额定电压，因此电流、电压冲击较小。但是这种方法只适用于直流充电的情形。

南瑞继保(授权公告号CN 103078539 B)：不可控充电完成后，需要解锁换流器，导通所有模块，然后逐步减小导通子模块数量。该方法中的模块工作在上IGBT开通(导通)和下IGBT开通(关断)两种状态，在这种方式下，根据不同的电流方向，模块可能被充电也可能被放电。

荣信(申请公布号CN 103618333 A)：也需要模块解锁，并逐渐减小投入子模块数，其与上述专利的方法是相同的。上述两种方式都需要上IGBT导通。在直流情况下，桥臂电流只能为正，上述两种方式与本方案效果相同，而在交流情况下模块中的电流方向可能为正也可能为负，若上IGBT导通，则模块可能被充电也可能被放电。因此上述两种方式只适用于直充电，无法适用于交流充电。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明目的在于提供一种同时适用于MMC换流阀子模块直流和交流充电的方法，不需要导通上IGBT，流过闭锁模块中的电流不可能对模块放电，本方法可同时适用于直流和交流充电。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种同时适用于MMC换流阀子模块交直流充电的方法，在不可控充电结束时，将所有模块的上下IGBT均关断，此时没有模块电容被切出，设置切出模块数out_n为0，充电过程中每个控制周期，对模块电压进行排序，然后通过开通模块下IGBT，切出电压最高的out_n个模块，充电过程中未被切出的模块即正在充电的模块保持上、下IGBT同时关断的状态。

进一步，充电过程中每N个控制周期切出模块数out_n加1，取足够大的N，确保上次的过渡过程完全结束后才开始下一次过渡过程，减小了模块电压的过冲。

进一步，以电压最高的模块电压是否到达目标值为判断充电是否完成的标志。

进一步，具体步骤如下：

1)在不可控充电结束时，所有模块均工作在闭锁状态，即没有模块切出，模块数out_n为0；

2)可控充电时，每个控制周期内进行如下工作：

采集所有模块电压，对模块电压进行排序；

判断桥臂中电压最高的模块电压是否大于目标值，若大于目标值，可控充电结束，out_n停止增加；若小于目标值，则继续下述步骤；

发送触发脉冲，将每个桥臂中电压最高的out_n个模块切出，同时闭锁其余模块；

3)每N个控制周期切出模块数加1，然后返回步骤2)；

进一步，子模块包括串联的上下两个绝缘栅双极型晶体管IGBT₁和IGBT₂，两个绝缘栅双极型晶体管IGBT₁和IGBT₂分别反向并联二极管D₁和D₂，上下两个绝缘栅双极型晶体管IGBT₁和IGBT₂串联后并联有电容C_M。

进一步，子模块上下两个绝缘栅双极型晶体管IGBT₁和IGBT₂，均连接有开关，通过开关控制IGBT₁和IGBT₂的开通和关断。

本发明同时适用于MMC换流阀子模块交直流充电的方法，在不可控充电结束时，将所有模块的上下IGBT均关断，充电过程中每个控制周期，对模块电压进行排序，然后通过开通模块下IGBT，切出电压最高的out_n个模块，充电过程中未被切出的模块即正在充电的模块保持上、下IGBT同时关断的状态，不需要开通上IGBT，因此流过桥臂的电流不可能对模块放电，可做到对直流充电和交流充电不加区分，同时适用于直流和交流充电。

进一步，每N个控制周期，out_n加1，取足够大的N，这样可确保上次的过渡过程完全结束后才开始下一次过渡过程，更进一步减小了对直流(交流)电压(电流)的冲击，减小了模块电压的过冲。

进一步，以电压最高的模块电压是否到达目标值为判断充电是否完成的标志，避免了取平均值作为判断依据时因模块间电压分散导致最大的模块电压可能超出安全范围。

附图说明

图1本发明的流程图

图2MMC子模块原理图

图3交流充电示意图

图4直流侧充电时模块电压波形

图5交流侧充电时模块电压波形

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。交直流两种情况。

如图1所示，本发明的方法，对于阀控设备，交流和直流侧充电过程是一样的，步骤如下：

1)不可控充电结束时，所有模块均工作在闭锁状态，即没有模块切出(out_n＝0)。

2)可控充电时，每个控制周期内进行如下工作：

采集模块电压，对模块电压排序。

桥臂中电压最高的模块电压是否大于目标值，若大于目标值，可控充电结束，out_n停止增加。若小于目标值，则继续下述步骤。

发送触发脉冲，将每个桥臂中电压最高的out_n个模块切出(开通S2)。同时闭锁其余模块(S1、S2均关断)，见图2。

3)每N个控制周期切出模块数加1(out_n＝out_n+1)，返回步骤2)。

MMC子模块原理图见图2，子模块包括串联的上下两个绝缘栅双极型晶体管IGBT₁和IGBT₂，两个绝缘栅双极型晶体管IGBT₁和IGBT₂分别反向并联二极管D₁和D₂，上下两个绝缘栅双极型晶体管IGBT₁和IGBT₂串联后并联有电容C_M；子模块上下两个绝缘栅双极型晶体管IGBT₁和IGBT₂，均连接有开关，通过开关控制IGBT₁和IGBT₂的开通和关断。

每次切出模块数增加相当于减少了分担直流(交流)电压的模块数，模块电压上升。而每次只增加一个切出模块数，使得过度过程引起的冲击很小。并且若N取值很大，每次过度过程完全结束后才开始下一次过度过程，更进一步减小了对直流(交流)电压(电流)的冲击，减小了模块电压的过冲。实现了子模块平缓充电。

切出模块数量的最终值并非事先设定，而是根据模块电压情况判断。这就使得该方法可同时适用与直流充电和交流充电。

以下结合具体实施例进行说明：

1、交流侧充电

交流侧充电适用于直流侧无电源的情况。在多端直流情况下，建立直流电压的一端需要采用交流侧充电。

如图3。当阀侧线电压Uab为正时，A相上桥臂的电流将通过桥臂中每个子模块的D2二极管，因此A相上桥臂基本不承担电压。Uab直接加在B相上桥臂，同理，此时电流也流过B相下桥臂每个子模块的D2二极管，Uab加在A相下桥臂。在此情况下，假如开通A相上桥臂或者B相下桥臂模块的S1开关，则相应模块会被放电。因此在充电时应当避免开通S1，而使模块只工作在S1、S2全部关断和S1关断、S2开通的状态。当Uab为负时，Uab直接加在A相上桥臂和B相下桥臂，分析与上面相同。

可控充电具体步骤如下：

1)投入交流侧充电电阻

2)合交流断路器

3)模块电压稳定，不可控充电结束，切出模块数out_n＝0

4)切出模块数out_n加1.

5)每控制周期对模块进行均压，同时切出模块电压最大的out_n个模块

6)模块电压最高值大于目标值则进入8，小于则进入7

7)等待N个控制周期，进入4

8)可控充电完成

2、直流侧充电

直流充电适用于两端或多端直流系统，由一端建立直流电压(假定该端称为a端)、其余各端(假定为b、c...端)通过此直流电压给模块充电。

图2为子模块原理图。因为电流只能由直流的正极流到负极，因此桥臂电流只能如图示方向。在此状态下，S1的状态不影响充电过程。只需考虑S2的影响。不可控充电时，所有模块的S2均关断。若S2开通，则电流直接从S2流过，子模块电容相当于被切出。当S2关断时，电流通过二极管D1，流过电容器C，给模块充电，然后再进入下一个子模块。具体步骤如下：

1)断开所有需要直流充电的换流器的交流侧断路器

2)a端解锁，建立直流电压

3)模块电压稳定，不可控充电结束，模块电压为Vdc/2M。M为桥臂中所有模块数量。此时所有模块都处于闭锁状态，切出模块数out_n为0。

4)切出模块数out_n加1.

5)每控制周期对模块进行均压，同时切出模块电压最大的out_n个模块

6)模块电压最高值小于目标值则进入7，大于则进入8

7)等待N个控制周期，进入4

8)可控充电完成

图4为RTLAB仿真系统上三端直流输电系统，201电平换流站直流充电时子模块电压。可见模块电压上升十分平稳。

图5为RTLAB仿真系统上201电平换流阀交流充电时子模块电压。可见，该方法可达到模块电压平稳上升。

Claims (6)

1.一种同时适用于MMC换流阀子模块交直流充电的方法，其特征在于：在不可控充电结束时，将所有模块的上下IGBT均关断，此时没有模块电容被切出，设置切出模块数out_n为0，充电过程中每个控制周期，对模块电压进行排序，然后通过开通模块下IGBT，切出电压最高的out_n个模块，充电过程中未被切出的模块即正在充电的模块保持上、下IGBT同时关断的状态。

2.根据权利要求1所述的同时适用于MMC换流阀子模块交直流充电的方法，其特征在于：充电过程中每N个控制周期切出模块数out_n加1，取足够大的N，确保上次的过渡过程完全结束后才开始下一次过渡过程，减小了模块电压的过冲。

3.根据权利要求1所述的同时适用于MMC换流阀子模块交直流充电的方法，其特征在于：以电压最高的模块电压是否到达目标值为判断充电是否完成的标志。

4.根据权利要求1所述的同时适用于MMC换流阀子模块交直流充电的方法，其特征在于具体步骤如下：

1)在不可控充电结束时，所有模块均工作在闭锁状态，即没有模块切出，模块数out_n为0；

2)可控充电时，每个控制周期内进行如下工作：

采集所有模块电压，对模块电压进行排序；

判断桥臂中电压最高的模块电压是否大于目标值，若大于目标值，可控充电结束，out_n停止增加；若小于目标值，则继续下述步骤；

发送触发脉冲，将每个桥臂中电压最高的out_n个模块切出，同时闭锁其余模块；

3)每N个控制周期切出模块数加1，然后返回步骤2)。

5.根据权利要求1所述的同时适用于MMC换流阀子模块交直流充电的方法，其特征在于：子模块包括串联的上下两个绝缘栅双极型晶体管IGBT₁和IGBT₂，两个绝缘栅双极型晶体管IGBT₁和IGBT₂分别反向并联二极管D₁和D₂，上下两个绝缘栅双极型晶体管IGBT₁和IGBT₂串联后并联有电容C_M。

6.根据权利要求1所述的同时适用于MMC换流阀子模块交直流充电的方法，其特征在于：子模块上下两个绝缘栅双极型晶体管IGBT₁和IGBT₂，均连接有开关，通过开关控制IGBT₁和IGBT₂的开通和关断。