CN110336478B - 一种背靠背半桥型mmc电路的无源侧功率单元预充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种背靠背半桥型MMC电路的无源侧功率单元预充电方法，背靠背半桥型MMC电路包括依次连接的有源侧整流电路、直流母线、无源侧逆变电路和变压器，有源侧整流电路三相上下桥臂均为N个串联的有源侧功率单元，无源侧逆变电路三相上下桥臂均为N个串联的无源侧功率单元，功率单元均为半桥型MMC电路。本发明的启动预充电方法，不需采集各功率单元的直流电压值，不需排序算法。本发明方法主要通过轮换斩波控制提升无源侧功率单元直流电压，之后再配合系统正常运行时所采用的电压电流双环控制，大幅降低直流母线电压的波动，方法简单可靠，更适用于工程实践。

Description

一种背靠背半桥型MMC电路的无源侧功率单元预充电方法
技术领域
本发明属于电工技术领域，主要涉及一种背靠背半桥型MMC电路的无源侧功率单元预充电方法。
背景技术
背靠背模块化多电平换流器(MMC)具有结构简单、拓展性强、直流母线无需电容支撑等独特的技术优势，因此在高压大容量电能变换领域得到广泛研究。半桥型拓扑作为主要的MMC子模块可选结构，在MMC-HVDC工程中得到普遍应用。
背靠背半桥型MMC的启动是首先要解决的问题。目前，预充电方法主要分为自励和他励两种。从经济性的角度看，自励的成本明显低于他励，因此研究自励充电的方法很多。
现有自励充电技术都分两部分，第一部分是不控充电，第二部分是可控充电。其主要目的是：在有源侧变换器或无源侧变换器功率单元充电时，尽可能减少功率单元对电网的影响以及尽可能减少中间直流母线的电压波动，使系统或装置内的功率单元能平稳启动，达到额定工况。
现有技术中有中国专利文件CN102983568A公开了一种用于电网黑启动的MMC-HVDC换流站启动方法，该专利通过判断子模块电容电压值大小进行轮换充电；中国专利文件CN104821712A公开一种MMC-MTDC系统协调启动控制方法，该专利在可控充电阶段，计算出切除模块数量后按照子模块电压值大小进行充电；中国专利文件CN108933543A公开了一种背靠背MMC结构中逆变器的预充电控制方法，它的主要思想是通过控制电流大小精确计算充电时间，从而完成充电。
基于背靠背MMC拓扑的功率单元预充电方法本质上对直流母线过电压、网侧过电流、功率单元均压三方面的平衡。相比他励充电方式，自励充电方式成本低，为大部分工程项目所采用。现有的自励充电方法不断检测子模块直流电压，然后将子模块按电压大小排序并分组充电。这种方法虽然可行，但对于启动过程，没有必要这么复杂。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种背靠背半桥型MMC电路的无源侧功率单元预充电方法。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种背靠背半桥型MMC电路的无源侧功率单元预充电方法，包括步骤：
(1)闭合第一充电电阻支路开关，断开第一充电电阻旁路开关，闭合第一直流母线开关和第二直流母线开关，断开变压器支路开关，断开第二充电电阻旁路开关和第三充电电阻旁路开关，断开第二充电电阻支路开关和第三充电电阻支路开关；功率单元开始自动充电，有源侧功率单元直流电压达到Udcp＝1.35VL/2N，式中，VL为输入线电压值，N为单桥臂模块数，无源侧功率单元直流电压达到Udcp/2，完成充电阶段Ⅰ；
(2)通过电压外环电流内环双环控制有源侧功率单元直流电压达到控制目标电压Udcr，直流母线电压升高达到额定电压Udc，无源侧功率单元直流电压升高为Udcr/2，完成充电阶段Ⅱ；
(3)闭合第一充电电阻旁路开关，有源侧功率单元预充电过程结束；
(4)将无源侧逆变电路的三相桥臂功率单元分相分组，使每一相功率单元的分组以及充放电顺序相同。之后通过程序控制充放电时间，先后切换每组功率单元充放电，完成充电阶段Ⅲ；
(5)通过电压外环电流内环双环控制无源侧功率单元直流电压达到控制目标电压Udcr，此时各无源侧功率单元直流电压不均衡；闭合变压器支路开关，并保持第二充电电阻支路开关和第三充电电阻支路开关、第二充电电阻旁路开关和第三充电电阻旁路开关开路，各无源侧功率单元直流电压值达到均衡，完成充电阶段Ⅳ。
进一步地，将无源侧逆变电路的三相桥臂功率单元分相分组，使每一相功率单元的分组以及充放电顺序相同。
进一步地，通过程序控制充放电时间，先后切换每组功率单元充放电。
进一步地，所述步骤4中，先将每相桥臂功率单元分为三组，每N/3个功率单元为一组，通过程序设置先充电第一组，TS1时间后给第二组充电，TS1时间后给第三组充电，反复充电两次；再将每相桥臂功率单元分为两组，每N/2个功率单元为一组，通过程序设置先充电第一组，TS1时间后给第二组充电，反复充电三次；其中，TS1取值不固定于特定值，典型值可取0.5s。
进一步地，所述步骤(4)中，分组完成后，充电的先后顺序可以改变。
有益效果：本发明所述的背靠背半桥型MMC电路的无源侧功率单元预充电方法，不检测各功率单元的直流电压，不需排序算法，启动时直流母线电压波动小，对网侧电流冲击小，简单可靠且易于工程实现。
附图说明
图1是背靠背半桥型MMC电路拓扑图；
图2是A相桥臂无源侧功率单元直流电压波形图；
图3是A相桥臂有源侧功率单元直流电压波形图；
图4是直流母线电压波形图；
图5是网侧启动电流波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，背靠背半桥型MMC电路，包括依次连接的有源侧整流电路、直流母线、无源侧逆变电路和变压器T1，有源侧整流电路通过第一充电电阻R1接入电网侧，第一充电电阻R1通过第一充电电阻支路开关接入电路，并设有并联的第一充电电阻旁路开关QF1。直流母线通过第一直流母线开关QL1和第二直流母线开关QL2接入电路。
变压器原边通过变压器支路开关QF2接入电路，变压器副边连接有第二充电电阻R2和第三充电电阻R3。第二充电电阻R2通过第二充电电阻支路开关接入电路，并设有并联的第二充电电阻旁路开关QF3；第三充电电阻R3通过第三充电电阻支路开关接入电路，并设有并联的第三充电电阻旁路开关QF4。
有源侧整流电路三相上下桥臂均为N个串联的有源侧功率单元，无源侧逆变电路三相上下桥臂均为N个串联的无源侧功率单元，功率单元均为半桥型MMC电路。
本发明所述的背靠背半桥型MMC电路的无源侧功率单元预充电方法包括步骤：
步骤1：有源侧功率单元开始充电阶段Ⅰ，无源侧功率单元开始充电阶段I：闭合第一充电电阻支路开关，断开第一充电电阻旁路开关QF1，闭合第一直流母线开关QL1和第二直流母线开关QL2，断开变压器支路开关QF2，断开第二充电电阻旁路开关QF3和第三充电电阻旁路开关QF4，断开第二充电电阻支路开关和第三充电电阻支路开关；
这一阶段为不控充电阶段，完成上述主回路操作之后，功率单元开始自动充电。有源侧功率单元完成充电阶段Ⅰ时，其直流电压达到Udcp＝1.35VL/2N，式中，VL为输入线电压值，N为单桥臂模块数。无源侧功率单元完成充电阶段I后直流电压达到Udcp/2。
步骤2：有源侧功率单元开始充电阶段Ⅱ，无源侧功率单元开始充电阶段Ⅱ：通过电压外环，电流内环双环控制有源侧功率单元直流电压达到控制目标电压Udcr，有源侧功率单元完成充电阶段Ⅱ，此时直流母线电压升高，达到额定电压Udc，无源侧功率单元直流电压升高为Udcr/2。
步骤3：闭合第一充电电阻旁路开关QF1，有源侧功率单元预充电过程结束。
步骤4:开始无源侧功率单元充电阶段Ⅲ：将无源侧每相桥臂的功率单元分组，每N/3个功率单元为一组，通过程序设置先充电第一组，TS1时间后给第二组充电，TS1时间后给第三组充电，反复充电两次。之后，再将无源侧每相桥臂功率单元分组，每N/2个功率单元为一组，通过程序设置先充电第一组，TS1时间后给第二组充电，反复充电三次。TS1取0.5s。充电过程，不需采集各功率单元直流电压值，不需排序。相比充电阶段Ⅱ，充电阶段Ⅲ完成后，无源侧功率单元直流电压值有一定幅度的提升。
步骤5:开始无源侧功率单元充电阶段Ⅳ：通过电压外环，电流内环双环控制无源侧功率单元直流电压，使其达到控制目标电压Udcr附近，但此时无源侧各功率单元直流电压不均衡。之后闭合变压器支路开关QF2，并保持第二充电电阻支路开关和第三充电电阻支路开关、第二充电电阻旁路开关QF3和第三充电电阻旁路开关QF4开路，各功率单元直流电压值达到均衡，充电阶段Ⅳ完成。
本发明的启动预充电方法，不需采集各功率单元的直流电压值，不需排序算法。本发明方法主要通过轮换斩波控制提升无源侧功率单元直流电压，之后再配合系统或装置正常运行时所采用的电压电流双环控制，大幅降低直流母线电压的波动，方法简单可靠，更适用于工程实践。
下面参结合具体实施例对本发明方法作进一步详细描述。
本实施例中背靠背半桥型MMC仿真设计的系统容量为10kV/10MVA，图2-图5为按照本发明方法实施后的相关仿真波形：图2为A相桥臂无源侧功率单元直流电压波形图，图3为A相桥臂有源侧功率单元直流电压波形图，图4为直流母线电压(Udc)波形图，图5为网侧启动电流波形图。
在图1所示主电路拓扑的输入端口加电压10kV，之后执行步骤1-步骤5操作，无源侧A相桥臂功率单元直流电压在每一个充电阶段的波形如图2所示。从中可以看到，在每一个充电阶段，无源侧功率单元直流电压都较前一个充电阶段有所提升，在充电阶段Ⅳ完成时，每个功率单元的直流电压达到均衡。在无源侧功率单元充电过程中，有源侧功率单元的直流电压波动很小，如图3所示。无源侧功率单元充电各个阶段，直流母线电压的波动也不大，如图4所示。图5显示的是网侧电流波形，标注1处所示电流峰值为-806A，标注2处所示电流为-736A和-675A。对于一个10KV/10MVA的系统，这样的电流对电网冲击并不大。

Claims (4)

1.一种背靠背半桥型MMC电路的无源侧功率单元预充电方法，其特征在于，包括步骤：
(1)闭合第一充电电阻支路开关，断开第一充电电阻旁路开关(QF1)，闭合第一直流母线开关(QL1)和第二直流母线开关(QL2)，断开变压器支路开关(QF2)，断开第二充电电阻旁路开关(QF3)和第三充电电阻旁路开关(QF4)，断开第二充电电阻支路开关和第三充电电阻支路开关；
功率单元开始自动充电，有源侧功率单元直流电压达到Udcp＝1.35VL/2N，式中，VL为输入线电压值，N为单桥臂模块数，无源侧功率单元直流电压达到Udcp/2，完成充电阶段Ⅰ；
(2)通过电压外环电流内环双环控制有源侧功率单元直流电压达到控制目标电压Udcr，直流母线电压升高达到额定电压Udc，无源侧功率单元直流电压升高为Udcr/2，完成充电阶段Ⅱ；
(3)闭合第一充电电阻旁路开关(QF1)，有源侧功率单元预充电过程结束；
(4)将无源侧逆变电路的三相桥臂功率单元分相分组，使每一相功率单元的分组以及充放电顺序相同，之后通过程序控制充放电时间，先后切换每组功率单元充放电，完成充电阶段Ⅲ；
(5)通过电压外环电流内环双环控制无源侧功率单元直流电压达到控制目标电压Udcr，此时各无源侧功率单元直流电压不均衡；闭合变压器支路开关(QF2)，并保持第二充电电阻支路开关和第三充电电阻支路开关、第二充电电阻旁路开关(QF3)和第三充电电阻旁路开关(QF4)开路，各无源侧功率单元直流电压值达到均衡，完成充电阶段Ⅳ。
2.根据权利要求1所述的背靠背半桥型MMC电路的无源侧功率单元预充电方法，其特征在于，将无源侧逆变电路的三相桥臂功率单元分相分组，使每一相功率单元的分组以及充放电顺序相同。
3.根据权利要求1所述的背靠背半桥型MMC电路的无源侧功率单元预充电方法，其特征在于，通过程序控制充放电时间，先后切换每组功率单元充放电。
4.根据权利要求1所述的背靠背半桥型MMC电路的无源侧功率单元预充电方法，其特征在于，所述步骤(4)中，先将每相桥臂功率单元分为三组，每N/3个功率单元为一组，通过程序设置先充电第一组，TS1时间后给第二组充电，TS1时间后给第三组充电，反复充电两次；再将每相桥臂功率单元分为两组，每N/2个功率单元为一组，通过程序设置先充电第一组，TS1时间后给第二组充电，反复充电三次；其中，TS1取值为0.5s。
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