CN107681877B - 一种含全桥子模块的混合型mmc启动方法 - Google Patents

一种含全桥子模块的混合型mmc启动方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含全桥子模块的混合型MMC启动方法，属于柔性高压直流输电技术领域。本发明方法包括不控充电阶段和控制充电阶段：不控充电阶段所有子模块闭锁，利用交流电网对子模块内电容进行充电。不控充电阶段结束后，进入控制充电阶段，换流器解锁，投入闭环控制环对子模块开关管进行控制，子模块电容进一步充电直至额定电压，当所有子模块电容电压都达到额定电压且直流侧电压达到额定直流母线电压，启动过程结束。本发明方法利用全桥子模块的负电平输出能力，在控制充电阶段控制换流器提压运行，提高交流侧输出电压，减小了交流电网在充电过程中的冲击电流，使限流电阻在低电流下切除，避免危害功率器件寿命。

Description

一种含全桥子模块的混合型MMC启动方法
技术领域
本发明属于柔性高压直流输电技术领域，更具体地，涉及一种含全桥子模块的混合型MMC启动方法。
背景技术
近年来全球能源紧缺和环境污染等问题持续加重，其形势愈加严峻，对于风能、太阳能等可再生能源的利用规模和利用形式不断发展扩大，柔性直流输电系统以其反应速度快、可控性较好、运行方式灵活等优点逐渐引起国内外学者的关注得到了迅速的发展,并在工程中得到了大力推广。
基于电压源型变换器VSC(Voltage Source Converter)的高压直流输电HVDC(High-Voltage Direct-Current)技术相对于传统直流输电技术具有：无需无功补偿、没有换相失败风险，可以独立调节系统的有功和无功功率等优势。作为目前最有前景的换流器拓扑结构，模块化多电平换流器MMC(Modular Multilevel Converter)具有结构高度模块化、易于扩展、输出电压谐波低等优点，并在实际工程中得到应用，如美国的Transbay工程、中国的舟山五端柔性直流输电工程。
相比采用传统半桥子模块HBSM(Half-Bridge SM)拓扑的MMC不具有直流故障自清除能力，包含全桥子模块FBSM(Full-Bridge SM)的混合型MMC因全桥子模块的拓扑结构特性使其具备直流故障穿越能力。混合型MMC的启动是换流器稳态运行的前提，其实质是对各个子模块内的电容预充电至额定电容电压，从而建立交、直流侧额定电压。
目前混合型MMC交流侧启动一般采取双阶段启动，分为不控充电阶段和控制充电阶段。在不控启动阶段，所有子模块闭锁，利用交流电网对子模块电容充电，冲击电流通过启动电阻限制。在控制启动阶段，投入控制环瞬间仍利用启动电阻限制冲击电流，在充电电流受控后切除启动电阻。然而，由于切除启动电阻时充电电流不为零，且启动电阻阻值通常较大，切除启动电阻会造成较大的电压跌落，危害换流器的可靠性。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种含全桥子模块的混合型MMC启动方法，其目的在于在不控充电阶段所有子模块闭锁，利用交流电网对子模块内电容进行充电；不控充电阶段结束后，进入控制充电阶段，换流器解锁，投入闭环控制环对子模块开关管进行控制，子模块电容进一步充电直至额定电压，当所有子模块电容电压都达到额定电压且直流侧电压达到额定直流母线电压，启动过程结束。由此解决现有技术在控制启动阶段冲击电流及切除限流电阻的电压跌落的技术问题。
为实现上述目的，提供了一种含全桥子模块的混合型MMC启动方法，所述方法包括：
(1)换流器闭锁，交流电网通过限流电阻对子模块的电容进行充电；
(2)充电电流衰减到零之后，换流器解锁，投入闭环控制环，换流器控制方式设定为斜率直流电压控制，控制直流电压以一定斜率上升；换流器解锁同时，切除限流电阻，换流器进入提压运行状态，换流器交流侧输出电压提高；
(3)子模块电容进一步充电直至额定电压，当所有子模块电容电压都达到额定电压且直流侧电压达到额定直流母线电压，启动过程结束。
进一步地，所述步骤(1)中限流电阻取值为：
其中，Rlim为处于换流器交流侧入口的限流电阻，三相分别设置相同的限流电阻；Imax为功率器件的最大允许通过电流；Up为交流电网相电压峰值；Ls和L0分别为系统等效电感和桥臂电感；C为单个子模块的电容值；ω表示交流电网的角频率；N表示一个桥臂的子模块数；F表示一个桥臂的全桥子模块数。
进一步地，所述步骤(2)中换流器提压运行具体为：
保持直流额定电压不变，设计提压运行后的调制比m(m>1)，上桥臂的输出电压目标值为：下桥臂的输出电压目标值为：桥臂输出电压小于零的部分需要由全桥子模块输出负电平提供，换流器交流侧输出电压交流侧输出电压得到提高，减小解锁换流器瞬间的冲击电流，其中，udc表示直流侧电压；t表示时间；ω表示交流电网的角频率。
进一步地，所述步骤(3)具体为：
当所有全桥子模块的电容电压达到额定值后，将半桥子模块也参与投切，当所有半桥子模块的电容电压达到额定电压且直流侧电压达到直流母线额定电压，启动过程结束。
进一步地，所述步骤(3)中启动结束后子模块电容额定电压为：
Ucr＝Udcr/N，
其中，N表示一个桥臂的子模块数；Udcr表直流侧电压额定值。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术特征及有益效果：
(1)本发明方法利用全桥子模块的负电平输出能力，在控制充电阶段控制换流器提压运行，提高交流侧输出电压，减小了交流电网在充电过程中的冲击电流，使限流电阻在低电流下切除，避免危害功率器件寿命；
(2)本发明方法能在控制充电阶段消除全桥子模块和半桥子模块电压不平衡的同时控制直流侧电压逐步上升。
附图说明
图1是含全桥子模块的混合型MMC拓扑示意图；
图2是混合型MMC启动方法流程图；
图3是混合型MMC不控充电阶段充电回路；
图4是混合型MMC不控充电阶段等效电路；
图5是控制充电阶段双闭环控制框图；
图6a是子模块电容电压仿真波形图；
图6b是A相交流侧电压输出波形图；
图6c是A相下桥臂桥臂电流波形图。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，混合型MMC包含A、B、C三相，每相由上、下两个完全相同的桥臂组成，每个桥臂包含N个子模块，其中F个为全桥子模块，剩余H个为半桥子模块，子模块以级联方式连接，并串接一个桥臂电感。所述半桥子模块包含两个IGBT、两个反并联的二极管和一个电容。所述全桥子模块包含四个IGBT、四个反并联的二极管和一个电容，注意，全桥子模块与半桥子模块所用的IGBT、二极管、电容均一致。
如图2所示，本发明方法流程为：
包含全桥子模块的混合型MMC的启动包括不控充电阶段和控制充电阶段，不控充电阶段所有子模块闭锁，利用交流电网对子模块内电容进行充电。不控充电阶段结束后，进入控制充电阶段，换流器解锁，投入闭环控制环对子模块开关管进行控制，子模块电容进一步充电直至额定电压，当所有子模块电容电压都达到额定电压且直流侧电压达到额定直流母线电压，启动过程结束。
具体包括以下步骤：
(1)闭合交流侧电源开关，通过限流电阻对子模块的电容进行充电，该阶段所有子模块闭锁；
以A相和B相的上桥臂为例，混合型MMC不控充电阶段充电回路如图2所示。Ls是等效系统电感，Rlim是限流电阻。当电流从A相流向B相(即线电压Uab>0)时，所有全桥子模块的电容都处于充电状态，B相中的半桥子模块的电容也处于充电状态，而A相中的半桥子模块电容被旁路。当电流反向时，同样所有全桥子模块电容处于充电状态，而半桥子模块电容的充电状态恰好相反，即A相中的半桥子模块电容器处于充电状态，而B相的半桥子模块电容被旁路。对于下桥臂，不控充电过程完全对称。由上述分析，全桥子模块电容器的充电时间是半桥子模块电容器的两倍。由于全桥子模块和半桥子模块内电容完全一致，因此当两相间的所有子模块的输出电压之和逐渐上升最后达到交流线电压的峰值时，充电电流逐渐降至零，最终全桥子模块的电容电压是半桥子模块的两倍，电压不平衡发生。此时全桥子模块电容电压UF和半桥子模块电容电压UH分别为：
其中，Up为交流电网相电压峰值。
混合型MMC不控充电阶段等效电路如图4所示，限流电阻阻值选取原则为：
充电电流不能超过换流器内包含的功率器件的通流能力，即
其中，Rlim为处于换流器交流侧入口的限流电阻，三相分别设置相同的限流电阻，Imax为功率器件的最大允许通过电流，Up为交流电网相电压峰值，Ls和L0分别为系统等效电感和桥臂电感，C为单个子模块的电容值，ω表示交流电网的角频率。根据该阶段的充电等效电路，利用限流电阻使最大充电电流小于功率器件的最大允许通过电流即可确保装置安全可靠运行。
(2)当充电电流衰减到零之后，不控充电阶段结束，进入控制充电阶段，换流器解锁，投入如图5所示的双闭环控制环，换流器控制方式设定为斜率直流电压控制，控制直流电压以一定斜率从Udci上升。换流器解锁瞬间，同时执行步骤(2A)、步骤(2B)。
(2A)利用桥臂内全桥子模块能输出负电平的能力，所述换流器进入提压运行状态，换流器交流侧输出电压提高，减小解锁时冲击电流。提压运行的原理为：保持直流额定电压不变，设计提压运行后的调制比m(m>1)，以A相为例，上桥臂的输出电压目标值为：下桥臂的输出电压目标值为：桥臂输出电压小于零的部分需要由全桥子模块输出负电平提供，换流器交流侧输出电压交流侧输出电压得到提高，减小解锁换流器瞬间的冲击电流，udc表示直流侧电压。
(2B)切除所述限流电阻。
(3)当所有全桥子模块的电容电压达到额定值Ucr后，将半桥子模块也参与投切，当所有半桥子模块的电容电压达到额定电压Ucr且直流侧电压达到直流母线额定电压Udcr，启动过程结束。子模块电容额定电压在提压运行时发生了变化，假设负电平输出的全桥子模块最大数量为M(M≤F)，则提压运行时子模块电容额定电压为：Ucr＝Udcr/(N-M)，由于最终换流器稳态不运行于提压状态，其最终子模块电容额定电压为：Ucr＝Udcr/N，需要在子模块电压超出额定电压前退出提压运行。
本发明提供的含全桥子模块的混合型MMC启动策略是通过换流器内全桥子模块的负电平输出和外环控制器配合实现的。不控充电期间，换流器闭锁，交流电网通过限流电阻对半桥子模块和全桥子模块的电容均进行充电,但充电过程有所不同,导致该阶段结束时最终全桥子模块的电容电压为半桥子模块电容电压的两倍。不控充电结束后，子模块电容电压并未达到额定电容电压，但此时子模块开关管已处于可控状态，因此需要进一步解锁换流器对子模块进一步充电。不控充电阶段换流器通过限流电阻限制冲击电流，由于全桥子模块有负电平输出特性，换流器能够进入提压运行状态，提高换流器的交流侧输出。因此在解锁后切除限流电阻的同时利用换流器提压运行来限制充电电流，避免过大的冲击电流对换流器功率器件造成危害，通过外环直流电压控制使换流器直流母线电压逐步上升至额定值，避免对后级负载造成危害。
为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明的含全桥子模块的混合型MMC启动策略进行详细说明。
本实例换流器作整流站运行交流侧接交流电网，系统参数为：直流母线额定电压为16kV，交流电网相电压峰值8kV桥臂电感为12mH，单个桥臂包含5个全桥子模块和5个半桥子模块，设定最多2个全桥子模块输出负电平，全桥子模块和半桥子模块的电容均为5mF，子模块额定电压为1.6kV。功率器件最大允许电流500A，根据所述限流电阻选取原则,限流电阻为15Ω。
由于换流器子模块内的IGBT驱动电路通过电容自取电方式工作，因此在启动初期所有子模块闭锁，仅通过交流电网对子模块电容充电。混合型MMC不控充电阶段期间，投入限流电阻抑制过大的充电电流从而保护功率器件，在不控充电阶段最大充电电流为：
限流电阻应保证最大充电电流不大于功率器件最大允许电流，即：
根据对不控充电阶段充电电流回路以及等效电路分析，最终该阶段结束时全桥子模块电容电压、半桥子模块电容电压、直流侧电压为：
Udcf＝-FUF+FUF+HUH＝H·UH。
不控充电阶段结束时子模块电容电压未达到额定电容电压，需要解锁换流器进一步对子模块电容进行充电。
控制充电阶段，投入双闭环控制器，外环为定直流电压控制，其参考值初值为HUH并按一定斜率逐渐上升至额定直流母线电压，配合电容电压均衡控制，最终所有子模块电容电压达到额定值，启动过程结束。
图6为含全桥子模块的混合型MMC启动仿真结果，换流器作整流站运行。不控充电阶段过程中对子模块的开关器件不进行触发导通控制，主要需要观察子模块电容电压波形，全桥、半桥子模块电容电压如图6a所示，结果表明：0～0.5s为换流器不控充电阶段，全桥、半桥子模块电容电压的上升过程基本符合前述分析，当两相间的所有子模块的输出电压之和逐渐上升最后达到交流线电压的峰值，充电电流衰减至零，最终子模块电容电压与理论计算一致，电压不平衡产生。0.5s时进入控制充电阶段，换流器解锁，双闭环控制器投入，全桥子模块和半桥子模块电容电压继续上升，同时电压不平衡逐渐消除，0.7s时全桥子模块和半桥子模块电容电压达到一致，退出提压运行状态，随后两者共同上升达到额定电压，启动过程结束。换流器交流侧输出如图6b所示，提压运行期间调制比上升，桥臂调制波发生变化，由全桥子模块和半桥子模块共同产生提压运行所需要的桥臂电压，以实现更高的交流侧输出电压，结果表明：0～0.5s为换流器不控充电阶段，解锁后提压运行提高了交流侧输出电压，在0.7s充电电流减小后退出提压运行，最终输出期望的交流电压。换流器桥臂电流如图6c所示，不控充电阶段充电电流通过限流电阻受到很好的控制，换流器解锁后充电电流快速上升但仍低于功率器件的最大允许电流，0.7s时退出提压运行后充电电流再次上升，但其峰值低于解锁时的冲击电流，不会对功率器件造成危害验证了提压运行状态限制解锁后冲击电流的结论。根据上述分析可知，该启动方案能够在本例中完成对含全桥子模块的混合型MMC进行预充电，在整个启动过程中子模块电容电压平滑稳步上升，充电电流始终处于最大允许电流以下。
以上内容本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种含全桥子模块的混合型MMC启动方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)换流器闭锁，交流电网通过限流电阻对子模块的电容进行充电；
(2)充电电流衰减到零之后，换流器解锁，投入闭环控制环，换流器控制方式设定为斜率直流电压控制，控制直流电压以一定斜率上升；换流器解锁同时，切除限流电阻，换流器进入提压运行状态，换流器交流侧输出电压提高；
所述提压运行具体为：
保持直流额定电压不变，设计提压运行后的调制比m(m>1)，上桥臂的输出电压目标值为：下桥臂的输出电压目标值为：桥臂输出电压小于零的部分需要由全桥子模块输出负电平提供，换流器交流侧输出电压交流侧输出电压得到提高，减小解锁换流器瞬间的冲击电流，其中，udc表示直流侧电压；t表示时间；ω表示交流电网的角频率；
(3)子模块电容进一步充电直至额定电压，当所有子模块电容电压都达到额定电压且直流侧电压达到额定直流母线电压，启动过程结束。
2.根据权利要求1所述的混合型MMC启动方法，其特征在于，所述步骤(1)中限流电阻取值为：
其中，Rlim为处于换流器交流侧入口的限流电阻，三相分别设置相同的限流电阻；Imax为功率器件的最大允许通过电流；Up为交流电网相电压峰值；Ls和L0分别为系统等效电感和桥臂电感；C为单个子模块的电容值；ω表示交流电网的角频率；N表示一个桥臂的子模块数；F表示一个桥臂的全桥子模块数。
3.根据权利要求1所述的混合型MMC启动方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：
当所有全桥子模块的电容电压达到额定值后，将半桥子模块也参与投切，当所有半桥子模块的电容电压达到额定电压且直流侧电压达到直流母线额定电压，启动过程结束。
4.根据权利要求1所述的混合型MMC启动方法，其特征在于，所述步骤(3)中启动结束后子模块电容额定电压为：
Ucr＝Udcr/N，
其中，N表示一个桥臂的子模块数；Udcr表示 直流侧电压额定值。
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