CN107947618A - 基于全半桥混连拓扑的换流阀交流侧可控充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于全半桥混连拓扑的换流阀交流侧可控充电方法，所述全半桥混连换流阀是基于模块化多电平结构的电压源型换流阀，所述交流侧可控充电方法，是在充电过程中首先打开全部全桥模块的T4IGBT，然后通过预设斜率控制投入充电过程的模块个数，可逐步提升模块的电压，对全半桥混合拓扑的换流阀进行可控充电，并在充电过程中消除初始不可控充电期间全半桥充电电压的严重不平衡问题。
Description
技术领域
本发明属于柔性直流输电系统控制技术领域，尤其涉及柔性直流输电系统中基于全半桥混连拓扑的换流阀交流侧可控充电方法。
背景技术
随着柔性直流工程向超远距离，超高电压架空线输电技术发展，基于全桥模块和半桥模块的混连拓扑，能够自清除直流侧故障，并且具备降压运行能力，具有良好的发展前景和工程实用意义，例如：专利CN201420288038一种用于柔性直流输电系统的模块化多电平换流阀提出，在桥臂中将全桥子模块和半桥子模块进行混合配置，如图7所示，这样既发挥的全桥子模块抑制故障电流的特点，又能够降低成本和损耗的增加。另外，还有很多专利(例如专利CN103731059)也提出了各种全半桥混合型的柔性直流输电系统的换流阀。
但是全桥不可控充电是双向的，并非像半桥一样是单向充电，因此混连阀组的全桥模块在充电过程中充电电压较高，不可控充电期间全桥模块电压为半桥模块的两倍。
为解决交流侧充电时全半桥模块电压的不一致问题，需要一种基于MMC拓扑的换流阀交流侧可控充电方法，通过可控充电提高模块的平均电压，并保持桥臂内所有模块的电压平衡。
发明内容
为了解决背景技术中所述问题，本发明提供一种基于全半桥混连拓扑的换流阀交流侧可控充电方法，所述全半桥混连换流阀是基于模块化多电平结构的电压源型换流阀，所述交流侧可控充电方法，是在充电过程中首先打开全部全桥模块的T4IGBT，然后通过预设斜率控制投入充电过程的模块个数，可逐步提升模块的电压，对全半桥混合拓扑的换流阀进行可控充电，并在充电过程中消除初始不可控充电期间全半桥充电电压的严重不平衡问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种基于全半桥混连拓扑的换流阀交流侧可控充电方法，所述的可控充电方法通过在换流站交流侧充电过程中控制全桥模块或半桥模块的投切，使得所有模块的电压能够平衡一致的升高；具体包括步骤如下：
步骤一、接入启动电阻，然后交流断路器合闸；
步骤二、第一阶段为混合阀组不可控充电阶段，由于全桥模块电流可以双向流动，第一阶段中全桥电压始终是半桥电压的两倍；
步骤三、第二阶段为全桥以半桥模式充电阶段，具体为：当全桥全部带电后，所述的当全桥全部带电为全桥模块的取能电源和负责触发的控制板和驱动板卡都能够正常工作，此时触发并维持所有全桥T4IGBT，使其等效为半桥继续充电；
步骤四、第三阶段，等待桥臂内所有模块平均值达到设定值后，启动带斜率的可控充电控制，有选择的逐步增加或逐步减小投入的功率模块，直到投入的模块数达到最终设定值并维持不变，至此可控充电过程结束。
所述的步骤三为可选步骤，直接从步骤二不可控充电阶段进入步骤四可控充电阶段。
所述的步骤四中投切全桥或半桥功率模块有两种方法：
第一种投切模块的控制方法为：投入模块数从下限Nst逐步升高至投入模块数上限Ned，这种方法必须带着启动电阻，否则引起较大的冲击电流，此方法优点是充电速度较快，全桥与半桥之间平衡过程较短，在启动带斜率可控充电控制以后零点几秒内全桥和半桥模块电压就趋于一致；
第二种投切模块的控制方法为：投入充电模块数从投入桥臂内所有模块数Nsm逐步降低至投入模块上限Ned，这种方法不必要带启动电阻，因此若使用第二种方法在步骤四进行之前，允许旁路启动电阻。
所述的步骤四中，在实现当前投入模块个数跟随投入模块数给定值的前提下，在电流为充电方向时，仅根据模块电压优先投入电压偏低的模块，切除电压偏高的模块，并不区分是全桥还是半桥。
当所述的步骤四结束并切除启动电阻之后，维持每个桥臂中所投入充电的模块数不变，等于步骤四结束时的投入充电模块数，维持这一状态，直至系统解锁。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的一种基于全半桥混连拓扑的换流阀交流侧可控充电方法，可消除全半桥混连阀组交流侧不可控充电的严重不平衡，使得全半桥的模块电压高度一致。
2、本发明的一种基于全半桥混连拓扑的换流阀交流侧可控充电方法，原理简单、思路清晰，便于工程实现。
附图说明
图1为本发明的混连阀组的交流侧充电策略流程图；
图2为本发明的全桥模块结构；
图3为本发明的半桥模块结构；
图4为本发明的可控充电方法1曲线示意图；
图5为本发明的可控充电方法2曲线示意图；
图6为本发明的应用混连阀组的交流侧可控充电方法的全、半桥电压波形；
图7为本发明所应用的一种全半桥混连拓扑的换流阀结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
基于全半桥混连拓扑的换流阀交流侧可控充电方法流程图如图1所示，所述的可控充电方法通过在换流站交流侧启动过程中控制全桥模块或半桥模块的投切，使得所有模块的电压能够平衡一致的升高。
图2和图3分别为MMC系统中常用的全桥模块或半桥模块的结构拓扑图。图2中的T1-T4为IGBT，图3中的T1-T2为IGBT。图7为一种全桥模块或半桥模块混连拓扑结构实施例图，其中的F-SM为全桥子模块，H-SM为半桥子模块。
基于全半桥混连拓扑的换流阀交流侧可控充电方法在全桥不可控充电电压到达限值时触发所有T4，然后在所有模块的平均值到达预设值时，启动混合阀组的带斜率的可控充电策略。所述的带斜率可控充电策略是通过控制投入交流侧充电的模块数来控制混合阀组的充电，并创造出可倒换功率模块个数然后通过阀控电容电压平衡控制控制电容电压的平衡，该策略投入模块的斜率控制可以从投入模块数下限Nst逐步升高至投入模块数上限Ned，也可以从投入桥臂内所有模块数Nsm逐步降低至投入模块上限Ned。
具体包括步骤如下：
A、等待交流侧充电的换流站投入启动电阻，打开启动电阻的旁路开关，然后交流断路器合闸，换流阀和电网连接,直流侧是极连接或者极隔离不做要求，即在交流侧可控充电的同时可以通过直流侧给其他站充电；
B、第一阶段为混合阀组不可控充电阶段，由于混连阀组全桥和半桥模块中存在二极管，因此阀组通过交流电网给模块电容进行不可控充电，但由于全桥模块电流可以双向流动，第一阶段中全桥电压始终是半桥电压的两倍，不可控充电的时间越久，全桥和半桥模块之间的电压偏差越大。如图6中所示，0.2s前为不可控充电阶段，全桥模块电压为半桥的两倍；
C、第二阶段为全桥以半桥模式充电阶段，具体实现方式为当全桥全部带电后，这里所说的带电为全桥模块的取能电源和负责触发的控制板和驱动板卡都能够正常工作，此时触发并维持所有全桥T4IGBT，使其等效为半桥继续充电，T4的位置见图2所示，触发T4后全桥在充电中等效为半桥，充电时，通过D1->电容->T4回路充电，切除时触通T2、T4，。如图6中所示，0.2s后启动全桥以半桥模式充电，全桥和半桥的充电速率变得一致，全桥和半桥的电压偏差不再扩大保持稳定；
进一步的，上述步骤为可选步骤，可以直接进入下一步骤可控充电阶段。
D、第三阶段，等待桥臂内所有模块平均值达到设定值后，启动带斜率的可控充电控制，有选择的逐步增加或逐步减小投入的功率模块数，这里的功率模块数指的是总模块数，为投入的全桥和半桥的和，全桥模块和半桥模块的分配比例，是根据当前电流方向和统一电容电压排序选择的，比如在刚开始可控充电阶段，半桥模块电压整体偏低，在充电时，优先投入半桥模块。
进一步的，在本步骤中的投入定义为：半桥为不触发任何IGBT，这样可以在充电时通过D1为电容充电，全桥为触发T4，切除定义为：半桥触发下管T2，全桥触发T2、T4，半桥结构见图3和全桥结构见图2；
进一步的，投入模块的控制方法1为从投入模块数下限Nst逐步升高至投入模块数上限Ned，这种方法必须带着启动电阻，否则引起较大的冲击电流，方法1示意图如图4所示；
进一步的，投入模块的控制方法2为从投入桥臂内所有模块数Nsm逐步降低至投入模块上限Ned，这种方法不必要带启动电阻，因此若使用方法2，在步骤D开始之前，允许旁路启动电阻，方法2示意图如图5所示；
进一步的，方法1由于初始切除模块数较多，因此充电速度较快和全桥与半桥之间平衡过程较短，见图6所示，在启动带斜率可控充电控制以后0.2s内全桥和半桥模块电压就趋于一致；
进一步的，以上两种方法中投入模块的上限Ned为桥臂总模块个数Nsm减去可投切模块个数△Nsm。△Nsm的选择可以根据充电结束后期望的模块电压Ucp决定，Ucp＝Uac/(Nsm-△Nsm)，其中Uac为阀侧交流线电压峰值；
进一步的，在充电过程中，根据当前模块电压的高低，可以在维持当前投入模块个数跟随图4-5中给定值的前提下，倒换功率模块，投入电压偏低的模块，切除电压偏高的模块。
进一步的，当上述充电过程结束后，应切除充电电阻并等待系统解锁。由于解锁操作流程通常耗时很长，在这一阶段模块的电压可能变化，而且由于阀塔杂散参数的影响，往往出现桥臂一端模块电压逐渐变高，另外一端模块电压逐渐变小的情况。因此，可以在充电过程结束并切除充电电阻之后，维持上述投入的模块数不变，相当于步骤D结束时的投入模块数，以保持桥臂中模块的电压不变且保持平衡。
图7为背景技术中提到的专利CN201420288038的一种用于柔性直流输电系统的模块化多电平换流阀，是半桥和全桥混合型的换流阀，其中的F-SM为全桥子模块，H-SM为半桥子模块。本发明的方法可以应用到所有半桥和全桥混合型的换流阀的控制中。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
Claims (5)
1.一种基于全半桥混连拓扑的换流阀交流侧可控充电方法，其特征在于，所述的可控充电方法通过在换流站交流侧充电过程中控制全桥模块或半桥模块的投切，使得所有模块的电压能够平衡一致的升高；具体包括步骤如下：
步骤一、接入启动电阻，然后交流断路器合闸；
步骤二、第一阶段为混合阀组不可控充电阶段，由于全桥模块电流可以双向流动，第一阶段中全桥电压始终是半桥电压的两倍；
步骤三、第二阶段为全桥以半桥模式充电阶段，具体为：当全桥全部带电后，所述的当全桥全部带电为全桥模块的取能电源和负责触发的控制板和驱动板卡都能够正常工作，此时触发并维持所有全桥T4IGBT，使其等效为半桥继续充电；
步骤四、第三阶段，等待桥臂内所有模块平均值达到设定值后，启动带斜率的可控充电控制，有选择的逐步增加或逐步减小投入的功率模块，直到投入的模块数达到最终设定值并维持不变，至此可控充电过程结束。
2.根据权利要求1所述的一种基于全半桥混连拓扑的换流阀交流侧可控充电方法，其特征在于，所述的步骤三为可选步骤，直接从步骤二不可控充电阶段进入步骤四可控充电阶段。
3.根据权利要求1所述的一种基于全半桥混连拓扑的换流阀交流侧可控充电方法，其特征在于，所述的步骤四中投切全桥或半桥功率模块有两种方法：
第一种投切模块的控制方法为：投入模块数从下限Nst逐步升高至投入模块数上限Ned，这种方法必须带着启动电阻，否则引起较大的冲击电流，此方法优点是充电速度较快，全桥与半桥之间平衡过程较短，在启动带斜率可控充电控制以后零点几秒内全桥和半桥模块电压就趋于一致；
第二种投切模块的控制方法为：投入充电模块数从投入桥臂内所有模块数Nsm逐步降低至投入模块上限Ned，这种方法不必要带启动电阻，因此若使用第二种方法在步骤四进行之前，允许旁路启动电阻。
4.根据权利要求1所述的一种基于全半桥混连拓扑的换流阀交流侧可控充电方法，其特征在于，所述的步骤四中，在实现当前投入模块个数跟随投入模块数给定值的前提下，在电流为充电方向时，仅根据模块电压优先投入电压偏低的模块，切除电压偏高的模块，并不区分是全桥还是半桥。
5.根据权利要求1所述的一种基于全半桥混连拓扑的换流阀交流侧可控充电方法，其特征在于，当所述的步骤四结束并切除启动电阻之后，维持每个桥臂中所投入充电的模块数不变，等于步骤四结束时的投入充电模块数，维持这一状态，直至系统解锁。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180420 |