CN106877714A - 一种模块化多电平换流器分层放电控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模块化多电平换流器分层放电控制系统及方法，1)放电前，打开交流断路器，闭合MMC直流侧正、负极接地开关，各桥臂中旁路开关处于断开状态，令MMC中所有子模块处于切除状态；2)对MMC各桥臂子模块进行编号，并设定投入子模块序号初始值为1，控制MMC开始第一层放电；3)设定各桥臂子模块电容的最终电压；4)当各投入子模块电容的电压值均达到设定的最终电压值时，发送更新信号到更新模块；5)更新投入子模块序号，并将更新后的投入子模块序号发送到判断模块；6)若更新后投入子模块序号大于各桥臂包括的子模块总数目，则放电过程结束，否则重复步骤3)～5)，实现MMC逐层放电。本发明可广泛应用于模块化多电平换流器的放电中。

Description

一种模块化多电平换流器分层放电控制系统及方法
技术领域
本发明涉及电力系统运行与控制技术领域，特别是关于一种模块化多电平换流器分层放电控制系统及方法。
背景技术
模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)是电压源型换流器(voltage source converter,VSC)的一种新的拓扑结构。由于MMC具备较好的输出交流波形质量和较低的开关动作一致性要求等优点，其拓扑结构被认为在未来高压、中压等级电能输送和电力驱动领域具有广阔的应用前景。因此，MMC的子模块(sub-module,SM)级联拓扑结构是一种极具商业应用前景的VSC拓扑结构。
对于MMC放电，目前主要提出两类放电策略，即子模块逐一放电策略和桥臂整体放电策略。对于子模块逐一放电策略来说，需要较小的保护电阻，但放电过程的效率很低；对于桥臂整体放电策略来说，放电效率较高，但需要的保护电阻较高且存在一定的风险。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种模块化多电平换流器分层放电控制系统及方法，在放电过程中，每个桥臂各投入一个子模块，兼顾了放电效率与放电电流的大小。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种模块化多电平换流器分层放电控制系统，其特征在于：其包括一模块化多电平换流器以及一分层放电控制系统；所述模块化多电平换流器包括相互并联的三相电路，各相电路均包括相互串联的上、下两桥臂，且所述上、下两桥臂连接处分别与一交流母线连接，各所述交流母线通过交流断路器与交流系统相连；各相电路中所述上桥臂并联后作为所述模块化多电平换流器直流侧的正极输出端；各相电路中所述下桥臂并联后作为所述模块化多电平换流器直流侧的正极输出端；所述正、负极输出端分别设置有接地开关K1、K2；所述分层放电控制系统用于输出子模块控制信号到所述模块化多电平换流器，实现所述模块化多电平换流器的分层放电。
所述分层放电控制系统包括初始值设定模块、最终电压设定模块、电压检测模块、更新模块、判断模块和控制模块；所述初始值设定模块用于对所述模块化多电平换流器各桥臂的子模块进行编号，并将投入子模块序号的初始值设定为1，并发送到所述控制模块；所述最终电压设定模块用于设定放电过程中各桥臂投入子模块的最终电压，并发送到所述电压检测模块；所述电压检测模块用于对放电过程中各桥臂投入子模块的电容电压进行实时检测，当所有投入子模块的电容电压均达到设定的最终电压值时发送更新信号到所述更新模块；所述更新模块用于对各桥臂投入子模块序号进行更新，并将更新后的投入子模块序号发送到所述判断模块；所述判断模块用于将投入子模块序号和各相电路中各桥臂子模块总数目进行比较，并将比较结果发送到所述控制模块；所述控制模块根据接收到的投入子模块序号以及比较结果，输出子模块控制信号到所述模块化多电平换流器，实现所述模块化多电平换流器的分层放电。
一种基于所述系统的模块化多电平换流器分层放电控制方法，其特征在于包括以下步骤：1)在模块化多电平换流器放电前，打开交流系统与模块化多电平换流器之间的交流断路器，闭合模块化多电平换流器直流侧正、负极接地开关，各桥臂中旁路开关处于断开状态，并令模块化多电平换流器中所有子模块处于切除状态；2)在初始值设定模块中将模块化多电平换流器各桥臂的子模块进行编号，并设定各桥臂投入子模块序号的初始值为1，将投入子模块序号发送到控制模块，由控制模块发送相应控制信号到模块化多电平换流器开始第一层放电，也即控制模块化多电平换流器中各桥臂对应序号为1的子模块处于投入状态；3)在最终电压设定模块中设定各桥臂子模块中电容的最终电压，并发送到电压检测模块；4)电压检测模块实时检测放电过程中，各桥臂投入子模块中电容的电压值，当各投入子模块电容的电压值均达到设定的最终电压值时，发送更新信号到更新模块；5)更新模块对当前设定的投入子模块序号加1，并将更新后的投入子模块序号发送到判断模块；6)判断模块对更新后的投入子模块序号与各桥臂包括的子模块总数目进行比较，若更新后的投入子模块序号大于各桥臂包括的子模块总数目，则放电过程结束，否则重复步骤3)到5)，由控制模块发送控制信号到模块化多电平换流器实现逐层放电，控制模块化多电平换流器中各桥臂对应投入序号的子模块处于投入状态。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过在模块化多电平换流器的正负极输出端设置接地开关，同时由分层放电控制系统控制模块化多电平换流器实现分层放电，相较于子模块逐一放电，大大提升了模块化多电平的放电速率。2、本发明由于模块化多电平换流器中各相桥臂子模块为分层放电，每层放电中各桥臂仅投入一个子模块，相较于桥臂整体放电，大大降低了放电电流，进而降低了对各桥臂中保护电阻的要求。因而本发明可以广泛应用于模块化多电平换流器的放电中。
附图说明
图1是本发明模块化多电平换流器拓扑结构示意图；
图2是放电过程的等效电路图；
图3是本发明实施例分层放电控制系统示意图；
图4是本发明实施例中初始值设定模块与最终电压设定模块设置界面；
图5是本发明实施例中放电电流对比示意图；
图6是本发明实施例中子模块电容电压。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明一种模块化多电平换流器分层放电控制系统，包括模块化多电平换流器(MMC)以及分层放电控制系统，分层放电控制系统用于控制MMC实现分层放电。MMC包括三相电路(图中的A、B、C三相)，每相电路均包括相互串联的上、下两桥臂，且上、下两桥臂分别与交流母线连接，各交流母线通过交流断路器BREAK1与交流系统相连。各相电路并联后分别作为MMC直流侧的正、负极输出端，正、负极输出端分别设置有接地开关K1、K2。每个桥臂中均包括若干级联的子模块HBSM、保护电阻Rp以及电感L0，其中，保护电阻Rp两端设置有带旁路开关K3的旁路。
分层放电控制系统包括初始值设定模块、最终电压设定模块、电压检测模块、更新模块、判断模块和控制模块。初始值设定模块用于将MMC各桥臂的子模块进行编号，并将投入子模块序号的初始值设定为1，并发送到控制模块；最终电压设定模块用于设定放电过程中各桥臂投入子模块的最终电压，并发送到电压检测模块；电压检测模块用于对放电过程中各桥臂投入子模块的电容电压进行实时检测，当所有投入子模块的电容电压均达到设定的最终电压值时发送更新信号到更新模块；更新模块用于对各桥臂投入子模块序号进行更新，并将更新后的投入子模块序号发送到判断模块；判断模块用于将投入子模块序号和各相电路中各桥臂子模块总数目进行比较，并将比较结果发送到控制模块；控制模块根据接收到的投入子模块序号以及比较结果，输出子模块控制信号到MMC，实现MMC的分层放电。
基于上述模块化多电平换流器分层放电控制系统，本发明提供一种模块化多电平换流器分层放电控制方法，包括以下步骤：
1)在MMC放电前，打开交流系统与MMC之间的交流断路器，闭合MMC直流侧正、负极接地开关K1，K2，各桥臂中旁路开关K3处于断开状态，并令MMC中所有子模块处于切除状态。
如图2所示，为图1中MMC放电过程的等效电路图，其中ica(t)、icb(t)、icc(t)分别为A、B、C三相的放电电流，Ca、Cb、Cc分别为各相处于放电状态的电容值，uca(t)、ucb(t)、ucc(t)分别为各相放电电容的放电电压，L0为每相电感，Rp为保护电阻。由于实际情况下，各个子模块的电容电压存在差异，所以各相放电电流不完全相等。
2)在初始值设定模块中将MMC各桥臂的子模块进行1到N编号，并设定各桥臂投入子模块序号的初始值为1，将投入子模块序号发送到控制模块，由控制模块发送相应控制信号到MMC开始第一层放电，也即控制MMC中各桥臂对应序号为1的子模块处于投入状态。
3)在最终电压设定模块中设定各桥臂子模块中电容的最终电压Ucref，并发送到电压检测模块。
4)电压检测模块实时检测放电过程中，各桥臂投入子模块中电容的电压值，当各投入子模块电容的电压值均达到设定的最终电压值时，发送更新信号到更新模块。
5)更新模块对当前设定的投入子模块序号加1，并将更新后的投入子模块序号发送到判断模块。
6)判断模块对更新后的投入子模块序号与各桥臂包括的子模块总数目进行比较，若更新后的投入子模块序号大于各桥臂包括的子模块总数目，则放电过程结束，否则重复步骤3)到5)，由控制模块发送控制信号到MMC实现逐层放电，控制MMC中各桥臂对应投入序号的子模块处于投入状态。
实施例一
本实施例中，在PSCAD/EMTDC中建立了单端MMC系统，其参数为：每个桥臂子模块数N＝5，保护电阻Rp＝40Ω，桥臂电感L0/2＝0.04H，子模块电容值C＝3000μF，将每个桥臂子模块编号，其中A相上桥臂第5个子模块电容初始电压为4kV，其他子模块电容电压都为3kV。
1)放电开始前，打开交流系统与MMC之间的交流断路器BREAK1，闭合MMC直流侧正负极接地开关K1、K2，旁路开关K3处于断开状态，所有子模块处于切除状态。
2)通过初始值设定模块设定初始子模块投入序号为1，电容的最终电压Ucref为1kV，由控制模块发送子模块控制信号到MMC换流器开始第一层放电。
3)在最终电压设定模块中设定各桥臂子模块中电容的最终电压Ucref，并发送到电压检测模块。
如图3、图4所示，为本实施例分层放电控制系统示意图，其中左端输入为每个桥臂子模块电容电压，右端输出为子模块控制信号(如图3所示)。双击可进入其设置界面，其中num表示每个桥臂子模块个数，ucref为放电过程子模块电容的最终电压(如图4所示)。
3)电压检测模块实时检测放电过程中，各相放电电路投入子模块中各电容的电压值，当各电容的电压值均达到设定的最终电压值时，发送更新信号到更新模块。
4)更新模块对当前设定的投入子模块序号加1，并将更新后的投入子模块序号发送到判断模块。
5)判断模块对更新后的投入子模块序号与各桥臂包括的子模块总数目进行比较，若更新后的投入子模块序号大于各桥臂包括的子模块总数目，则放电过程结束，否则重复步骤3)到4)，依次进行下一层放电。
如图5、图6所示，在保护电阻相同的情况下，分层放电电流相较于整个桥臂放电要小得多，而且，放电时间远短于子模块逐一放电策略。由于第一个桥臂第5个子模块电容电压为4kV，而其他子模块电容电压为3kV，所以，第5个子模块放电时，A相放电电流要略大于其他子模块放电电流。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种模块化多电平换流器分层放电控制系统，其特征在于：其包括一模块化多电平换流器以及一分层放电控制系统；所述模块化多电平换流器包括相互并联的三相电路，各相电路均包括相互串联的上、下两桥臂，且所述上、下两桥臂连接处分别与一交流母线连接，各所述交流母线通过交流断路器与交流系统相连；各相电路中所述上桥臂并联后作为所述模块化多电平换流器直流侧的正极输出端；各相电路中所述下桥臂并联后作为所述模块化多电平换流器直流侧的正极输出端；所述正、负极输出端分别设置有接地开关K1、K2；所述分层放电控制系统用于输出子模块控制信号到所述模块化多电平换流器，实现所述模块化多电平换流器的分层放电。
2.如权利要求1所述的一种模块化多电平换流器分层放电控制系统，其特征在于：所述分层放电控制系统包括初始值设定模块、最终电压设定模块、电压检测模块、更新模块、判断模块和控制模块；
所述初始值设定模块用于对所述模块化多电平换流器各桥臂的子模块进行编号，并将投入子模块序号的初始值设定为1，并发送到所述控制模块；所述最终电压设定模块用于设定放电过程中各桥臂投入子模块的最终电压，并发送到所述电压检测模块；所述电压检测模块用于对放电过程中各桥臂投入子模块的电容电压进行实时检测，当所有投入子模块的电容电压均达到设定的最终电压值时发送更新信号到所述更新模块；所述更新模块用于对各桥臂投入子模块序号进行更新，并将更新后的投入子模块序号发送到所述判断模块；所述判断模块用于将投入子模块序号和各相电路中各桥臂子模块总数目进行比较，并将比较结果发送到所述控制模块；所述控制模块根据接收到的投入子模块序号以及比较结果，输出子模块控制信号到所述模块化多电平换流器，实现所述模块化多电平换流器的分层放电。
3.一种基于如权利要求1或2所述系统的模块化多电平换流器分层放电控制方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在模块化多电平换流器放电前，打开交流系统与模块化多电平换流器之间的交流断路器，闭合模块化多电平换流器直流侧正、负极接地开关，各桥臂中旁路开关处于断开状态，并令模块化多电平换流器中所有子模块处于切除状态；
2)在初始值设定模块中将模块化多电平换流器各桥臂的子模块进行编号，并设定各桥臂投入子模块序号的初始值为1，将投入子模块序号发送到控制模块，由控制模块发送相应控制信号到模块化多电平换流器开始第一层放电，也即控制模块化多电平换流器中各桥臂对应序号为1的子模块处于投入状态；
3)在最终电压设定模块中设定各桥臂子模块中电容的最终电压，并发送到电压检测模块；
4)电压检测模块实时检测放电过程中，各桥臂投入子模块中电容的电压值，当各投入子模块电容的电压值均达到设定的最终电压值时，发送更新信号到更新模块；
5)更新模块对当前设定的投入子模块序号加1，并将更新后的投入子模块序号发送到判断模块；
6)判断模块对更新后的投入子模块序号与各桥臂包括的子模块总数目进行比较，若更新后的投入子模块序号大于各桥臂包括的子模块总数目，则放电过程结束，否则重复步骤3)到5)，由控制模块发送控制信号到模块化多电平换流器实现逐层放电，控制模块化多电平换流器中各桥臂对应投入序号的子模块处于投入状态。
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