CN107528489B - 一种模块化多电平换流器及其启动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化多电平换流器及其启动控制方法，首先进行预充电；然后解锁换流器，设置一个均压控制环节，将均压控制环节的输出量作为电流控制环节的有功电流的指令值，得到各桥臂的调制电压，用各桥臂的调制电压除以均压控制环节的子模块电压指令值，得到各桥臂子模块需投入个数，逐渐增大均压控制环节的子模块电压指令值，使得子模块进一步充电至额定值；最后进行有功类控制模式转换，进入正常解锁运行。本发明使得在解锁换流器初期，各桥臂均有大量的子模块参与调制，以在子模块电压较低时形成更为接近实际交、直流系统电压的阀交、直流端口电压，有效降低启动过程中的电压、电流冲击。

Description

一种模块化多电平换流器及其启动控制方法

技术领域

本发明属于高压直流输电技术领域，具体涉及一种模块化多电平换流器及其启动控制方法。

背景技术

近年来，模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)因其控制灵活、模块化易扩展等特点，成为电压源换流器高压直流输电领域的研究热点。

将子模块电容充电至正常是MMC稳定运行的前提和基础，现有的主流充电方法有：在换流器解锁前，将子模块充电至接近额定值。该方法需在换流器解锁前对桥臂中部分子模块或子模块中部分IGBT进行特殊控制，以减少充电回路电容数，使得在相同的交流系统或直流线路等充电电源条件下，单个子模块电容电压接近额定值。这些操作使得该方法实现较为复杂，且会受充电电源电压波动的影响，无法将子模块电压准确控制到额定值。

为了解决该问题，可在子模块尚未充电至额定值时解锁换流器，接着采用正常的控制模式。该方法操作简单，但因解锁时子模块电压尚未达到额定值，在正常的控制模式下，六个桥臂调制电压是除以了额定子模块电压得到各桥臂投入子模块数，按此投入子模块数形成的阀交流或直流端口电压必小于指令值，也即小于变压器阀侧电压或直流线路电压，会引起较大的电气冲击。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模块化多电平换流器及其启动控制方法，用以解决现有技术中采用子模块尚未充电至额定值时解锁换流器的充电控制方法易造成电气冲击的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明的一种模块化多电平换流器的启动控制方法，包括如下步骤：

第一启动阶段：闭锁换流器，进行预充电；

第二启动阶段：解锁换流器，进行充电；

第二启动阶段中，设置一个均压控制环节，将均压控制环节的输出量作为电流控制环节的有功电流的指令值，得到三相调制波，进而得到各桥臂的调制电压，用各桥臂的调制电压除以均压控制环节的子模块电压指令值，得到各桥臂子模块需投入个数；逐渐增大均压控制环节的子模块电压指令值，由解锁时的所有子模块电压的平均值逐渐增大至子模块电压额定值，使得子模块进一步充电至额定值；所述均压控制环节的输出量为子模块电压指令值与实时检测的所有子模块电压的平均值作差进行闭环控制后得到的输出量；

第三启动阶段：进行有功类控制模式转换，进入正常解锁运行。

进一步地，所述第一启动阶段包括：闭锁换流器，通过交流系统或直流线路对子模块进行不控充电，直至子模块电压稳定。

进一步地，所述第三启动阶段包括：

将定直流电压控制环节的输出量或者定有功功率控制环节的输出量作为电流控制环节的有功电流的指令值，得到三相调制波，进而得到各桥臂的调制电压，用各桥臂的调制电压除以子模块电压额定值，得到各桥臂子模块需投入个数；

定直流电压控制环节的指令值由直流线路电压值逐渐增大至电压设定值；

定有功功率控制环节的指令值由交流有功功率值逐渐调整至功率设定值。

进一步地，第三启动阶段中，所述得到三相调制波，进而得到各桥臂的调制电压的公式为：

其中，U_armij为各桥臂的调制电压，U_{dc_m}为直流电压参考值，U_mi为三相调制波；

所述直流电压参考值由换流器解锁前的直流线路电压值逐渐变化至直流电压指令值。

本发明的一种模块化多电平换流器，包括六个桥臂，每个桥臂包括一个以上的子模块，所述换流器采用如下方法进行启动：

启动过程包括如下步骤：

第一启动阶段：闭锁换流器，进行预充电；

第二启动阶段：解锁换流器，进行充电；

第二启动阶段中，设置一个均压控制环节，将均压控制环节的输出量作为电流控制环节的有功电流的指令值，得到三相调制波，进而得到各桥臂的调制电压，用各桥臂的调制电压除以均压控制环节的子模块电压指令值，得到各桥臂子模块需投入个数；逐渐增大均压控制环节的子模块电压指令值，由解锁时的所有子模块电压的平均值逐渐增大至子模块电压额定值，使得子模块进一步充电至额定值；所述均压控制环节的输出量为子模块电压指令值与实时检测的所有子模块电压的平均值作差进行闭环控制后得到的输出量；

第三启动阶段：进行有功类控制模式转换，进入正常解锁运行。

进一步地，所述第一启动阶段包括：闭锁换流器，通过交流系统或直流线路对子模块进行不控充电，直至子模块电压稳定。

进一步地，所述第三启动阶段包括：

将定直流电压控制环节的输出量或者定有功功率控制环节的输出量作为电流控制环节的有功电流的指令值，得到三相调制波，进而得到各桥臂的调制电压，用各桥臂的调制电压除以子模块电压额定值，得到各桥臂子模块需投入个数；

定直流电压控制环节的指令值由直流线路电压值逐渐增大至电压设定值；

定有功功率控制环节的指令值由交流有功功率值逐渐调整至功率设定值。

进一步地，所述得到三相调制波，进而得到各桥臂的调制电压的公式为：

其中，U_armij为各桥臂的调制电压，U_{dc_m}为直流电压参考值，U_mi为三相调制波；

所述直流电压参考值由换流器解锁前的直流线路电压值逐渐变化至直流电压指令值。

本发明的有益效果：

本发明在换流器解锁后，用各桥臂的调制电压除以均压控制环节的子模块电压指令值，得到各桥臂子模块需投入个数，而不是除以子模块的额定电压值来得到各桥臂子模块需投入个数，使得在解锁换流器初期，各桥臂均有大量的子模块参与调制，以在子模块电压较低时形成更为接近实际交、直流系统电压的阀交、直流端口电压，有效降低启动过程中的电压、电流冲击。

进一步地，在第二启动阶段中，子模块电压指令值由换流器解锁时刻所有子模块电压的平均值逐渐增大至子模块电压额定值并保持恒定，从而将各子模块均可控充电至额定值，且使得由不控充电过程转换到解锁充电过程时，子模块电压不突变，降低了电压、电流冲击。

进一步地，在第三启动阶段中，若采用定直流电压控制，则直流电压的指令值由第二启动阶段进入第三启动阶段时的直流线路电压值逐渐变化至电压设定值；若采用定有功功率控制，则有功功率的指令值由第二启动阶段进入第三的阶段时的有功功率值逐渐变化至有功功率设定值。采用这样一种逐步变化的方法，而不是将指令值直接突变成设定值，降低了电压、电流冲击。

进一步地，在第二启动阶段中，直流电压参考值为换流器解锁前直流线路电压值，在进入第三启动阶段后，再调整为与直流电压指令保持一致，使得由第二启动阶段进入到第三启动阶段时，直流电压参考值不突变，降低了电压、电流冲击。

附图说明

图1是MMC拓扑结构示意图；

图2是半桥子模块式MMC预充电阶段充电的电流走向图；

图3是本发明的模块化多电平换流器启动控制框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式并不局限于此。

对于如图1所示为MMC拓扑图，可为半桥子模块，也可为全桥子模块。

该实施例中针对半桥子模块进行说明。本发明的模块化多电平换流器，包括六个桥臂，每个桥臂上设置有相应个数的子模块，采用如下方法对半桥子模块式MMC进行启动，共经历三个阶段，分别为第一启动阶段、第二启动阶段和第三启动阶段。

在第一启动阶段，即预充电阶段，闭锁换流器，通过交直流系统或直流线路对子模块进行不控充电，直至子模块电压稳定。

由于子模块控制回路取电自自身电容器，当电容电压为零或者较低时，控制回路不工作，子模块IGBT无法触发开通。因此，MMC的启动初始阶段必然经历子模块脉冲封锁，进行自然充电的过程，也即对子模块进行预充电。

图2给出了半桥子模块式MMC预充电阶段充电的电流走向图，可以看出，当交流AB线电压u_ab达到最高时，该电压会产生两个充电回路，分别为B相上桥臂子模块电容充电回路和A相下桥臂子模块电容充电回路。由于三相电压的交替变化，充电回路会在三相之间轮换，使得六个桥臂子模块电压充电均衡。

随着子模块电压的抬升，充电电流减小，子模块充电速率降低，至预充电阶段后期，子模块电压趋于稳定，此时进入第二启动阶段，即解锁充电阶段。

进入第二启动阶段后，采用如图3所示的控制方法。解锁换流器，设置一个均压控制环，将均压控制环节的输出量作为电流控制环节的有功电流的指令值I_{d_ref}。即：将子模块电压指令值U_{sm_ref}与实时检测的换流器所有子模块电压的平均值u_{sm_ave}作差进行闭环控制，并将差值经过一个PI调节器调节，得到的结果作为换流器的有功电流指令值I_{d_ref}，后经交流电流内环控制得到三相调制波U_mi，再由三相调制波U_mi得到各桥臂调制电压U_armij，通过下式得到各桥臂子模块投入个数M_i：

其中，U_{dc_m}为直流电压参考值，U_armij为各桥臂调制电压。

根据各桥臂子模块需投入个数M_i对其进行充电控制，直至子模块电压接近额定值U_sm。

为了使子模块电容电压由预充电阶段转换为解锁充电阶段时不突变，子模块电压指令值U_{sm_ref}的初值为换流器解锁时刻所有子模块电压的平均值，此后斜坡增大至子模块电压额定值U_sm并保持不变。在子模块均压控制环PI调节器的作用下，MMC六个桥臂所有子模块电压的平均值u_{sm_ave}将跟随子模块电压指令值U_{sm_ref}逐步增大至额定值，而MMC常规的子模块排序均压算法则可以保证各桥臂子模块之间的电压均衡，因此，最终各子模块电容均将可控充至额定值。

在该阶段，采用子模块电压指令值U_{sm_ref}而非子模块额定电压值来参与各桥臂子模块个数的计算，使得在解锁充电初期，各桥臂均有大量的子模块参与调制，形成尽可能匹配交、直流侧电源的交、直流端口电压，从而降低启动过程的电压、电流冲击。

在子模块电压充电至额定值U_sm后，进入第三启动阶段。进行有功类控制模式转换，进入正常解锁运行。

在该阶段，有功类控制模式转换是将子模块均压控制环切换为正常有功类控制环。这里的正常类有功控制环包括现有技术中的定直流电压控制、定有功功率控制。同样地，经过交流电流内环控制得到三相调制波U_mi，再由三相调制波U_mi得到各桥臂调制电压U_armij，仍旧通过式(1)得到各桥臂子模块投入个数M_i。

在该阶段，若采用定直流电压控制，其指令值应以控制环切换时刻的直流电压作为初值，之后再调整至设定电压值。同样的，若采用定有功功率控制，其指令值应以控制环切换时刻的有功功率作为初值，之后再调整至设定功率值。

在解锁充电阶段，直流电压参考值U_{dc_m}保持为换流器解锁前的直流线路电压值，在转换到第三启动阶段后，由换流器解锁前的直流线路电压值变化到与直流电压指令保持一致。

本发明还提供一种模块化多电平换流器，包括六个桥臂，每个桥臂包括一个以上的子模块，换流器采用如下方法进行启动：

启动过程包括如下步骤：

第一启动阶段：闭锁换流器，进行预充电；

第二启动阶段：解锁换流器，进行充电；

第二启动阶段中，设置一个均压控制环节，将均压控制环节的输出量作为电流控制环节的有功电流的指令值，得到三相调制波，进而得到各桥臂的调制电压，用各桥臂的调制电压除以均压控制环节的子模块电压指令值，得到各桥臂子模块需投入个数；逐渐增大均压控制环节的子模块电压指令值，由解锁时的所有子模块电压的平均值逐渐增大至子模块电压额定值，使得子模块进一步充电至额定值；所述均压控制环节的输出量为子模块电压指令值与实时检测的所有子模块电压的平均值作差进行闭环控制后得到的输出量；

第三启动阶段：进行有功类控制模式转换，进入正常解锁运行。

上述模块化多电平换流器的实质在于采用上述启动方法，由于对该方法已做了详细介绍，故对该模块化多电平换流器不再赘述。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种模块化多电平换流器的启动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一启动阶段：闭锁换流器，进行预充电；

第二启动阶段：解锁换流器，进行充电；

第二启动阶段中，设置一个均压控制环节，将均压控制环节的输出量作为电流控制环节的有功电流的指令值，得到三相调制波，进而得到各桥臂的调制电压，用各桥臂的调制电压除以均压控制环节的子模块电压指令值，得到各桥臂子模块需投入个数；逐渐增大均压控制环节的子模块电压指令值，由解锁时的所有子模块电压的平均值逐渐增大至子模块电压额定值，使得子模块进一步充电至额定值；所述均压控制环节的输出量为子模块电压指令值与实时检测的所有子模块电压的平均值作差进行闭环控制后得到的输出量；

第三启动阶段：进行有功类控制模式转换，进入正常解锁运行。

2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器的启动控制方法，其特征在于，所述第一启动阶段包括：闭锁换流器，通过交流系统或直流线路对子模块进行不控充电，直至子模块电压稳定。

3.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器的启动控制方法，其特征在于，所述第三启动阶段包括：

将定直流电压控制环节的输出量或者定有功功率控制环节的输出量作为电流控制环节的有功电流的指令值，得到三相调制波，进而得到各桥臂的调制电压，用各桥臂的调制电压除以子模块电压额定值，得到各桥臂子模块需投入个数；

定直流电压控制环节的指令值由直流线路电压值逐渐增大至电压设定值；

定有功功率控制环节的指令值由交流有功功率值逐渐调整至功率设定值。

4.根据权利要求3所述的模块化多电平换流器的启动控制方法，其特征在于，第三启动阶段中，所述得到三相调制波，进而得到各桥臂的调制电压的公式为：

其中，U_armij为各桥臂的调制电压，U_{dc_m}为直流电压参考值，U_mi为三相调制波；

所述直流电压参考值由换流器解锁前的直流线路电压值逐渐变化至直流电压指令值。

5.一种模块化多电平换流器，其特征在于，包括六个桥臂，每个桥臂包括一个以上的子模块，所述换流器采用如下方法进行启动：

启动过程包括如下步骤：

第一启动阶段：闭锁换流器，进行预充电；

第二启动阶段：解锁换流器，进行充电；

第二启动阶段中，设置一个均压控制环节，将均压控制环节的输出量作为电流控制环节的有功电流的指令值，得到三相调制波，进而得到各桥臂的调制电压，用各桥臂的调制电压除以均压控制环节的子模块电压指令值，得到各桥臂子模块需投入个数；逐渐增大均压控制环节的子模块电压指令值，由解锁时的所有子模块电压的平均值逐渐增大至子模块电压额定值，使得子模块进一步充电至额定值；所述均压控制环节的输出量为子模块电压指令值与实时检测的所有子模块电压的平均值作差进行闭环控制后得到的输出量；

第三启动阶段：进行有功类控制模式转换，进入正常解锁运行。

6.根据权利要求5所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述第一启动阶段包括：闭锁换流器，通过交流系统或直流线路对子模块进行不控充电，直至子模块电压稳定。

7.根据权利要求5所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述第三启动阶段包括：

将定直流电压控制环节的输出量或者定有功功率控制环节的输出量作为电流控制环节的有功电流的指令值，得到三相调制波，进而得到各桥臂的调制电压，用各桥臂的调制电压除以子模块电压额定值，得到各桥臂子模块需投入个数；

定直流电压控制环节的指令值由直流线路电压值逐渐增大至电压设定值；

定有功功率控制环节的指令值由交流有功功率值逐渐调整至功率设定值。

8.根据权利要求7所述的模块化多电平换流器，其特征在于，第三启动阶段中，所述得到三相调制波，进而得到各桥臂的调制电压的公式为：

其中，U_armij为各桥臂的调制电压，U_{dc_m}为直流电压参考值，U_mi为三相调制波；

所述直流电压参考值由换流器解锁前的直流线路电压值逐渐变化至直流电压指令值。