CN108736501B - 一种全桥型mmc的预充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全桥型MMC的预充电方法，分为不控充电阶段和可控充电阶段，在不控充电阶段，所有子模块均处于闭锁状态，通过串联限流电阻保证充电过程不产生过流；在可控充电阶段，利用全桥子模块触发系统，对每个桥臂的子模块分组充电和退出，使子模块电容充电至额定电压，完成预充电过程。本发明保证了全桥型MMC在预充电阶段从交流系统取能，同时避免了直流线路承受巨大的电压变化率，完成预充电过程后使每个子模块电压升至子模块额定电压值。

Description

一种全桥型MMC的预充电方法
技术领域
本发明属于电力系统输配电技术领域，具体涉及一种全桥型MMC的预充电方法。
背景技术
近年来，模块化多电平换流器(MMC)成为基于电压源换流器高压直流输电(VSC-HVDC)领域的研究热点。与两电平和三电平VSC-HVDC相比，MMC具有谐波含量低、可适用于高电压大容量场合、直流侧无需并联电容等优势。
目前，国内外已有多个MMC-HVDC工程建成投运，并有多项工程在建设规划中。其中，有规划中的MMC换流站传输容量达到5000MW，直流电压达到±800KV。
目前已经建成的MMC-HVDC工程，全部为半桥型MMC(HB-MMC)，而全桥型MMC(FB-MMC)也是一种十分重要的拓扑，其基本控制与调制策略与HB-MMC类似，且FB-MMC具有穿越直流故障的能力，是一种未来的发展趋势。目前对于FB-MMC的预充电方法，鲜有文献介绍。
由于子模块结构的差异，目前半桥型MMC的预充电方法不能直接应用于全桥型MMC，所以十分有必要对全桥型MMC的预充电方法进行研究，并给出可行的预充电方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种全桥型MMC的预充电方法，通过两个阶段的充电过程，完成电容从交流侧取能充电，使子模块电容充电至额定电压值。
为达到上述目的，本发明所述一种全桥型MMC的预充电方法包括不控充电阶段和可控充电阶段，不控充电阶段结束后进入可控充电阶段，在不控充电阶段，所有子模块的IGBT均处于闭锁状态，给所有子模块的电容充电至电压设定值Ucset1，在可控充电阶段，利用全桥子模块触发系统，对每个桥臂的子模块分组充电和退出，最终使全部子模块电容充电至额定电压，其中，N为全桥型MMC每个桥臂上的子模块的数量，Udc为换流器正负极直流母线间的电压差。
进一步的，在不控充电阶段，电容的电压设定值Ucset1为电容额定电压的30％。
进一步的，在不控充电阶段，当Ua＞Ub时，a相上桥臂和b相上桥臂组成一个充电回路，同理，下桥臂也组成一个充电回路，上下两个充电回路并联，充电回路中每个子模块的电容均被充电，每个充电回路中共有2N个子模块处于充电状态。
进一步的，不控充电阶段，充电过程中监测各子模块电容电压。
进一步的，在可控充电阶段，每个桥臂的子模块分成上下两组，每个桥臂的子模块从中间分开，分成上下两组，每一组有N/2个子模块，同一组子模块相邻，通过控制子模块的触发实现每个桥臂上的子模块分组充电或退出。
进一步的，不控充电阶段结束后，开始进入可控充电阶段，可控充电阶段过程为：当i(i＝a,b,c)相电压高于另外两相时，i相上桥臂和下桥臂中各投入一组子模块，使i相另一组子模块和其他两相的所有子模块电容均处于被旁路状态，i相上桥臂和下桥臂中投入的两组子模块充电至额定电压后，投入i相上桥臂和下桥臂的另两组子模块，随着三相交流电压的变化，三相桥臂子模块轮流投入，直至所有桥臂的两组子模块均充电至额定电压。
进一步的，在可控充电阶段，同一时刻只有一组子模块进行充电，另一组子模块电容均处于被旁路状态，当需要某组子模块被旁路时，将该组所有子模块的T1和T2导通且T3和T4关断或者将T3和T4导通且T1和T2关断。
进一步的，在可控充电阶段，对于每个桥臂的上下两组子模块，设置成上组先进行充电，并同时对上组的子模块电容电压进行检测，当上组所有子模块电压均达到额定值时，上组所有子模块转为切除状态，下组子模块开始充电。
进一步的，在不控充电阶段，给所有子模块充电之前，接入限流电阻R，在可控充电阶段结束后，将限流电阻短路。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果。首先，本发明保证了全校型MMC在预充电阶段从交流侧取能充电，直至子模块电压被充电为额定值，在此过程中，不需要借助外来的辅助电源来充电。其次，本发明在可控充电阶段采用分组充电的方法，相当于把不同组子模块分批次进行充电，控制方法简单，且可使每个子模块电压升至子模块额定电压值。
进一步的，在不控充电阶段，电容的电压设定值Ucset1为电容额定电压的30％，一方面，子模块充电至30％所用的时间较短，节省了充电的时间，另一方面，30％的额定电压可使子模块中IGBT触发模块正常工作，为进入不控充电阶段做好了准备。
进一步的，在不控充电阶段，充电过程中监测各子模块电容电压，便于及时的切换充电状态。
进一步的，在可控充电阶段，对于每个桥臂的上下两组子模块，对上组先进行充电，并同时对上组子模块电容电压进行检测，当上组所有子模块电压均达到额定值时，上组所有子模块转为切除状态，下组子模块开始充电，当然，也可以反过来，先对下组子模块进行充电至子模块额定电压，再将其旁路，对上组子模块进行充电，其效果是一样的。
进一步的，在不控充电阶段，给所有子模块充电之前，接入限流电阻R，在可控充电阶段结束后，将限流电阻短路，通过串联限流电阻保证充电过程不产生过流。
附图说明
图1为全桥型MMC的拓扑结构；
图2为全桥型MMC子模块的拓扑结构；
图3为预充电流程图；
图4为全桥型MMC子模块所有IGBT闭锁时充电回路(电流方向为正)；
图5为全桥型MMC子模块所有IGBT闭锁时充电回路(电流方向为负)；
图6为T1、T2导通时，即全桥子模块电容被旁路时的电流回路；
图7为T3、T4导通时，即全桥子模块电容被旁路时的电流回路；
图8为不控充电阶段MMC的充电回路(以a、b相上桥臂为例)；
图9为分组充电阶段对子模块的分组示意图(以a相为例)。
附图中：A、B、C分别表示换流器交流侧三相；SM表示换流器某桥臂中的子模块；L0表示桥臂电抗器；Udc表示换流器正负极直流母线间的电压差，带箭头的虚线表示电流的方向；
图2至图7中，T1、T2、T3和T4分别表示FBSM中四个IGBT，D1、D2，D3和D4分别表示相应IGBT的反并联二极管；C表示FBSM中电容器；
图3中，Uc为全桥型子模块中电容C两端的电压，UcN为全桥型子模块中电容C两端的额定电压，Ua为a相的相电压，Ub为b相的相电压，Uc为c相的相电压，Uca1为a相上桥臂或下桥臂中第一组子模块电容电压测量值，Uca2为a相上桥臂或下桥臂中第二组子模块电容电压测量值，Ucb1为b相上桥臂或下桥臂中第一组子模块电容电压测量值，Ucb2为b相上桥臂或下桥臂中第二组子模块电容电压测量值，Ucc1为c相上桥臂或下桥臂中第一组子模块电容电压测量值，Ucc2为a相上桥臂或下桥臂中第二组子模块电容电压测量值。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1，全桥型MMC共有6个桥臂，每个桥臂上设置有电感L0和N个串联的子模块SM，电感L0和子模块SM串联，相单元由每相上下桥臂组成。
参照图2，子模块SM为全桥型子模块，全桥型子模块FBSM包括一个IGBT全桥和一个直流储能电容C，通过控制T1、T2、T3、T4的通断，可以使子模块处于投入、切除和闭锁三种状态，从而实现子模块的投入和切除。
参照图3，一种全桥型MMC的预充电方法包括不控充电阶段和可控充电阶段，在不控充电阶段，由于无法给出子模块的触发脉冲，所有子模块均处于闭锁状态，通过串联限流电阻保证充电过程不产生过流；在可控充电阶段，利用全桥子模块触发系统，对每个桥臂的子模块分组充电和退出，最终使全部子模块电容充电至额定电压，完成预充电过程，具体介绍如下：
一：不控充电阶段。
(1)不控充电阶段子模块的状态
不控充电阶段子模块电容电压的初始值为0，无法为IGBT的触发提供能量，所以各子模块的IGBT均闭锁，子模块中电流的通路如图4和图5所示，当电流方向为正时，电流依次经过二极管D1、电容C、二极管D4后流出，当电流方向为负时，电流依次经过二极管D2、电容C、二极管D3后流出，规定六个桥臂的桥臂电流正方向为自上向下，无论电流方向为正还是负，子模块中的电容C均处于充电状态。
(2)不控充电阶段的充电回路
以全桥型MMC的a相和b相为例，当Ua＞Ub时，不控充电阶段的充电回路如图8所示。a相上桥臂和b相上桥臂组成一个充电回路，同理，下桥臂也组成一个充电回路，上下两个充电回路并联，充电回路中每个子模块的电容均被充电。充电过程中接入限流电阻R，以避免在充电阶段交流系统产生过流而损坏系统元件，在该过程中，每个回路中各电容串联，理想情况下，各子模块电容值相等，所以每一时刻电容电压值相等。每个充电回路中共有2N个子模块处于充电状态(N为全桥型MMC每个桥臂上的子模块数量)，回路中子模块电容电压之和的最大值可以达到交流侧线电压的峰值，即所以每个子模块的电容电压在不控充电阶段可以达到的最大电压为Ucmax，
(3)不控充电阶段的结束
根据(2)中的分析可知，不控充电阶段每个子模块电容只能充电至Ucmax。经计算，Ucmax最多只能达到额定电容电压的37％。在本发明中，规定六个桥臂的桥臂电流正方向为自上向下，设定第一阶段充电设定值Ucset1，Ucset1一方面需大于能对子模块进行触发控制的最低电压，一般为额定电压的30％，令一方面需满足Ucset1≤Ucmax。充电过程中监测各子模块电容电压，当所有子模块的电容电压达到Ucset1时，不控充电阶段结束，开始进入可控分组充电阶段。
二：可控分组充电阶段，通过控制子模块的触发实现每个桥臂上的子模块分组充电和退出。
(1)子模块的分组
经过计算，若不对每个桥臂的子模块进行分组，即整个桥臂同时充电，则无法将子模块电容电压充电至额定值，只能充至70％左右。所以对每个桥臂的子模块分成上下两组，分组情况如图9所示，每个桥臂的子模块从中间分开，分成上下两组，每一组有N/2个子模块，同一组子模块相邻。
(2)可控分组充电阶段子模块的状态
同一时刻只有一组子模块进行充电，另外一组子模块电容均处于被旁路状态，当一组充电至额定电压后，再将其旁路，对另一组子模块进行充电。当该组子模块被充电时，要求该组子模块的IGBT全部闭锁，该组子模块的充电回路如图4和图5所示，当需要该组子模块被旁路时，使子模块的T1和T2导通且T3和T4关断或者使T3和T4导通且T1和T2关断，当子模块的T1、T2导通时全桥子模块电容被旁路时的电流回路如图6所示，当电流方向为正时，电流依次经过二极管D1和T2后流出，当电流方向为负时，电流依次经过二极管D2和T1后流出；当子模块的T3、T4导通时全桥子模块电容被旁路时的电流回路如图7所示，当电流方向为正时，电流依次经过二极管T3和D4后流出，当电流方向为负时，电流依次经过二极管T4和D3后流出。
(3)分组充电的过程
根据步骤一不控充电阶段第(3)步的要求，当子模块电容电压达到Ucset1时，不控充电阶段结束，开始进入可控分组充电阶段，分组充电阶段过程具体如下：
当i(i＝a,b,c)相电压高于另外两相时，i相上桥臂和下桥臂中各投入一组子模块，使i相另一组子模块和其他两相的所有子模块电容均处于被旁路状态，a b c三相电压轮流达到最高，即三相中的子模块电容轮流被充电。经过一段时间，当i相上桥臂和下桥臂中投入的两组子模块充电至额定电压后，投入i相上桥臂和下桥臂的另两组子模块。随着三相交流电压的变化，三相桥臂子模块轮流投入，直至所有桥臂的两组子模块均充电至额定电压，最终完成预充电过程。
对于每个桥臂的上下两组子模块，设置成上组先进行充电，并同时对上组子模块电容电压进行检测，当上组所有子模块电压均达到额定值时，上组所有子模块转为切除状态，下组子模块开始充电。
(4)可控分组充电阶段结束
当三相6个桥臂的所有下组子模块的电容均充电至额定电压时，可控分组充电过程结束，将6个桥臂的所有子模块闭锁，并闭合并联在限流电阻两端的开关，将限流电阻短路。然后准备投入控制系统，开始稳定运行，全桥型MMC-HVDC的预充电过程完成。
本发明保证了全桥型MMC在预充电阶段从交流系统取能，同时避免了直流线路承受巨大的电压变化率，完成预充电过程后使每个子模块电压升至子模块额定电压值。

Claims (6)

1.一种全桥型MMC的预充电方法，其特征在于，预充电包括不控充电阶段和可控充电阶段，不控充电阶段结束后进入可控充电阶段，在不控充电阶段，所有子模块的IGBT均处于闭锁状态，给所有子模块的电容充电至电压设定值Ucset1，在可控充电阶段，利用全桥子模块触发系统，对每个桥臂的子模块分组充电和退出，最终使全部子模块电容充电至额定电压，其中，N为全桥型MMC每个桥臂上的子模块的数量，Udc为换流器正负极直流母线间的电压差；在可控充电阶段，每个桥臂的子模块分成两组，每一组有N/2个子模块，同一组子模块相邻，通过控制子模块的触发实现每个桥臂上的子模块分组充电或退出；
可控充电阶段过程为：当i(i＝a,b,c)相电压高于另外两相时，i相上桥臂和下桥臂中各投入一组子模块，使i相另一组子模块和其他两相的所有子模块电容均处于被旁路状态，i相上桥臂和下桥臂中投入的两组子模块充电至额定电压后，投入i相上桥臂和下桥臂的另两组子模块，随着三相交流电压的变化，三相桥臂子模块轮流投入，直至所有桥臂的两组子模块均充电至额定电压；
在不控充电阶段，给所有子模块充电之前，接入限流电阻，在可控充电阶段结束后，将限流电阻短路。
2.根据权利要求1所述的一种全桥型MMC的预充电方法，其特征在于，在不控充电阶段，电容的电压设定值Ucset1为电容额定电压的30％。
3.根据权利要求1所述的一种全桥型MMC的预充电方法，其特征在于，在不控充电阶段，当Ua＞Ub时，a相上桥臂和b相上桥臂组成一个充电回路，同理，下桥臂也组成一个充电回路，上下两个充电回路并联，充电回路中每个子模块的电容均被充电，每个充电回路中共有2N个子模块处于充电状态。
4.根据权利要求1所述的一种全桥型MMC的预充电方法，其特征在于，在不控充电阶段，充电过程中监测各子模块电容电压。
5.根据权利要求1所述的一种全桥型MMC的预充电方法，其特征在于，在可控充电阶段，当需要某组子模块被旁路时，将该组所有子模块的T1和T2导通且T3和T4关断或者将T3和T4导通且T1和T2关断。
6.根据权利要求1所述的一种全桥型MMC的预充电方法，其特征在于，在可控充电阶段，对于每个桥臂的上下两组子模块，对上组先进行充电，并同时对上组子模块电容电压进行检测，当上组所有子模块电压均达到额定值时，上组所有子模块转为切除状态，下组子模块开始充电。
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