CN112448572A - 一种混合式换流器直流侧短路的充电方法与充电控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统柔性直流输电领域，特别是一种混合式换流器直流侧短路的充电方法与充电控制装置，该充电方法是在换流器直流侧短路状态下，投入软启限流电阻，闭锁所有子模块，进行充电；当换流器的子模块充电达到稳态后，将软启限流电阻切除，并将换流器每个桥臂中设定数量电压较高的子模块切除，其余子模块保持闭锁。充电过程仅包括自然充电和主动充电两个阶段，自然充电阶段所有子模块闭锁；主动充电阶段初始时刻将软启限流电阻切除，且将各桥臂中电压较高的子模块以特定的方式切除设定数量，减少软启电阻投入时间，降低了软启电阻功率和能量需求，简化了半桥全桥子模块混合式换流器在直流正负母线短接的特殊工况下的启动步骤。

Description

一种混合式换流器直流侧短路的充电方法与充电控制装置

技术领域

本发明涉及电力系统柔性直流输电领域，特别是一种混合式换流器直流侧短路的充电方法与充电控制装置。

背景技术

模块化多电平电压源型换流器(MMC)与传统的直流输电技术相比，具有较大优势：没有无功补偿问题，没有换相失败问题，可以为无源系统供电，可独立调节有功功率和无功功率，谐波水平低等，基于这些优势，MMC从提出至今得到广泛的研究，并因该系统具备开关频率较低、开关损耗小、无需交流滤波器组和扩展性强等优点，使得该系统可以应用于高直流电压、大功率输电的场合。

目前，受开关器件耐压水平和控制系统设计难度等限制，MMC应用于特高压直流系统时，多采用两个阀组串联运行的结构形式，同时为了增加系统运行灵活性和可靠性，要求单个阀组可在线投入/退出而不影响其余阀组正常运行。

单个阀组的在线投入/退出功能要求MMC阀组采用子模块混合式换流器结构，由此可通过半桥与全桥子模块的混合式结构实现阀组零直流电压运行，从而为配置如图1中所示的直流场开关的开断操作创造有利条件，图1中，全桥子模块包括并联的第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂由上开关管T1和下开关管T3两个开关管同向串联而成，第二桥臂由上开关管T2和下开关管T4两个开关管同向串联而成，半桥子模块包括一个桥臂，由上开关管T1和下开关管T2两个开关管同向串联而成。另外，图1中，Q1为进线隔离刀闸，Q2为出线隔离刀闸，BPS为高速旁路开关，BPI为旁路刀闸。各端系统采用高低阀组拓扑形式，每个阀组直流侧均含有一套直流开关，用于投入或切除该阀组，其中阀组在线退出时需闭合高速旁路开关BPS和旁路刀闸BPI，阀组在线投入时需将已闭合的BPS和BPI断开。

此外，为便于直流场开关顺控操作，并与常规特高压直流输电系统单阀组投入时的直流场开关顺控操作尽可能保持一致，要求MMC能够在直流场快速旁路开关BPS闭合情况下完成子模块电容充电，即要求MMC能够有效应对直流正负母线短接的特殊启动工况。

将常规的启动方式应用于直流侧正负母线短接的启动工况下，可能会造成交流三相电压经换流阀短路等问题，有中国专利申请公布号为CN109067162A的专利申请文件公开了一种混合型模块化多电平换流器的启动方法及装置，提出了混合MMC直流侧短接工况下的启动方法，通过控制全桥子模块第二绝缘栅双极型晶体管或第三绝缘栅双极型晶体管导通，控制半桥子模块的第二绝缘栅双极型晶体管导通即可实现直流侧短接工况下的充电，但在充电过程中采用的分段式切除方法，需要阀控区分两种可控充电过程，并进行两种方式的子模块电压排序，操作较为复杂，且该方法中软启限流电阻的切除时间为第一阶段充电结束后，软启限流电阻除了需要承受自然充电阶段的充电电流外，还需要承受一段可控充电阶段的充电电流，这对软启限流电阻的功率水平、能量累积都提出了更为严苛的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合式换流器直流侧短路的充电方法与充电控制装置，用以解决现有充电方法较为复杂的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种混合式换流器直流侧短路的充电方法，包括自然充电阶段和主动充电阶段，其中，

自然充电阶段：

在换流器直流侧短路状态下，投入软启限流电阻，闭锁所有子模块，进行充电；

主动充电阶段：

当换流器的子模块充电达到稳态后，将软启限流电阻切除，并将换流器每个桥臂中设定数量电压较高的子模块切除，其余子模块保持闭锁；

其中，切除方式为：对于全桥子模块，将子模块中的第一桥臂的下开关管导通或第二桥臂的上开关管导通，其他的开关管关断，使得换流器桥臂电流为正时切除的全桥子模块对外呈现为零压降，换流器桥臂电流为负时切除的全桥子模块对外呈现负压降；对于半桥子模块，将子模块下开关管导通，上开关管关断，使得换流器桥臂电流为正或者为负时切除的半桥子模块对外都呈现零压降。

有益效果是，充电过程仅包括自然充电和主动充电两个阶段，自然充电阶段所有子模块闭锁；主动充电阶段初始时刻将软启限流电阻切除，且将各桥臂中电压较高的子模块以特定的方式切除设定数量，减少软启电阻投入时间，降低了软启电阻功率和能量需求，简化了半桥全桥子模块混合式换流器在直流正负母线短接的特殊工况下的启动步骤。

进一步地，子模块充电达到稳态时子模块电压U_{c_steady}的取值范围为：

U_on＜U_{c_steady}＜U_{c_charge}

其中，U_on为全桥子模块的可靠上电电压，U_{c_steady}为全桥子模块平均电压，U_{c_charge}为自然充电阶段全桥子模块电压理论值，

其中，U_ac为交流线电压有效值，n为任一桥臂中全桥子模块的个数。

进一步地，为了准确切除子模块，切除子模块的设定数量x的计算公式如下：

其中，m、n分别为任一桥臂中半桥子模块数量、全桥子模块的个数，U_c为子模块额定电压，U_ac为交流线电压有效值。

本发明提供一种混合式换流器直流侧短路的充电控制装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现自然充电阶段步骤和主动充电阶段步骤，其中，

自然充电阶段：

在换流器直流侧短路状态下，投入软启限流电阻，闭锁所有子模块，进行充电；

主动充电阶段：

当换流器的子模块充电达到稳态后，将软启限流电阻切除，并将换流器每个桥臂中设定数量电压较高的子模块切除，其余子模块保持闭锁；

其中，切除方式为：对于全桥子模块，将子模块中的第一桥臂的下开关管导通或第二桥臂的上开关管导通，其他的开关管关断，使得换流器桥臂电流为正时切除的全桥子模块对外呈现为零压降，换流器桥臂电流为负时切除的全桥子模块对外呈现负压降；对于半桥子模块，将子模块下开关管导通，上开关管关断，使得换流器桥臂电流为正或者为负时切除的半桥子模块对外都呈现零压降。

有益效果是，充电过程仅包括自然充电和主动充电两个阶段，自然充电阶段所有子模块闭锁；主动充电阶段初始时刻将软启限流电阻切除，且将各桥臂中电压较高的子模块以特定的方式切除设定数量，减少软启电阻投入时间，降低了软启电阻功率和能量需求，简化了半桥全桥子模块混合式换流器在直流正负母线短接的特殊工况下的启动步骤。

进一步地，该充电控制装置中子模块充电达到稳态时子模块电压U_{c_steady}的取值范围为：

U_on＜U_{c_steady}＜U_{c_charge}

其中，U_on为全桥子模块的可靠上电电压，U_{c_steady}为全桥子模块平均电压，U_{c_charge}为自然充电阶段全桥子模块电压理论值，

其中，U_ac为交流线电压有效值，n为任一桥臂中全桥子模块的个数。

进一步地，为了准确切除子模块，该充电控制装置中切除子模块的设定数量x的计算公式如下：

其中，m、n分别为任一桥臂中半桥子模块数量、全桥子模块的个数，U_c为子模块额定电压，U_ac为交流线电压有效值。

附图说明

图1是现有技术的配置有直流开关的单端特高压柔性直流系统的单极系统示意图；

图2是本发明的换流器结构及自然充电阶段充电回路示意图；

图3是本发明的换流器结构及主动充电阶段充电回路示意图；

图4是本发明的换流器启动过程的子模块电压和桥臂电流仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

方法实施例：

本发明提供一种混合式换流器直流侧短路的充电方法，如图2和图3所示，由半桥子模块和全桥子模块构成的子模块混合式换流器，在直流侧正负母线短接工况下，充电方法包括自然充电阶段和主动充电阶段。

自然充电阶段：

在换流器直流侧短路状态下，投入软启限流电阻，闭锁所有子模块，进行充电。

在阀组启动之初，子模块控制回路电源无法取电，子模块即为闭锁状态，此时MMC处于自然充电阶段，充电回路如图2中的实线②所示。可以看出，在该自然充电阶段当前最高的线电压施加于电压最高相的换流阀上桥臂(即A相的上桥臂)全桥子模块电容和电压最低相的换流阀下桥臂(即B相的下桥臂)全桥子模块电容上，在换流阀的两个桥臂产生负向电流，对全桥子模块充电，并随着三相电压交替进行。除了在自然充电初期存在图2中虚线①的充电回路能给半桥子模块能略微充电外，此后换流阀的各桥臂将不存在虚线①回路中的正向电流，因此，半桥子模块将不再充电。

主动充电阶段：

当换流器的子模块充电达到稳态后，将软启限流电阻切除，并将换流器每个桥臂中设定数量电压较高的子模块切除，其余子模块保持闭锁。

子模块充电达到稳态的判定条件为全桥子模块平均电压升到设定值U_{c_steady}，该设定值的取值范围为大于全桥子模块可靠上电电压，小于全桥子模块自然充电阶段的稳态电压，即：

U_on＜U_{c_steady}＜U_{c_charge}

其中，U_on为全桥子模块的可靠上电电压，U_{c_steady}为全桥子模块平均电压，U_{c_charge}为自然充电阶段全桥子模块电压理论值，

其中，U_ac为交流线电压有效值，n为任一桥臂中全桥子模块的个数。

切除方式为：对于全桥子模块，将全桥子模块中的第一桥臂的下开关管T3导通或第二桥臂的上开关管T2导通，其他的开关管关断，使得换流器桥臂电流为正时切除的全桥子模块对外呈现为零压降，换流器桥臂电流为负时切除的全桥子模块对外呈现负压降；对于半桥子模块，将半桥子模块下开关管T2导通，上开关管关断，使得换流器桥臂电流为正或者为负时切除的半桥子模块对外都呈现零压降。

对于子模块数的切除原则，为了使全桥子模块和半桥子模块能够充电至设定值U_c，切除的子模块的设定数量x的计算公式如下：

其中，m、n分别为任一桥臂中半桥子模块数量、全桥子模块的个数，U_c为子模块额定电压，U_ac为交流线电压有效值。

通过切除一定数量的子模块使桥臂电流为正的回路上的电压降低于桥臂电流为负的回路上的电压降，强制改变充电路径。图3给出了采用特定切除方法时换流器的充电回路，这种切除方法可改变自然充电时的充电电流路径，交流电源经①和③路径即图3中实线所示，当前最高的线电压施加于电压最高相的换流阀下桥臂(即A相的下桥臂)全桥和半桥子模块电容，以及施加于电压最低相的换流阀上桥臂(即B相的上桥臂)全桥和半桥子模块电容上，为半桥子模块和全桥子模块充电。

对该充电方法进行仿真验证，仿真模型中MMC单个桥臂半桥子模块和全桥子模块数目分别为m＝60和n＝156，子模块额定电压为2100V，交流线电压有效值为U_ac＝252kV；为了将半桥和全桥子模块充电至额定值，单个桥臂子模块切除数x＝156+60-252e³/1.414/2100＝131。

图4给出了MMC启动过程的子模块电压和桥臂电流仿真波形，图4中不同灰度线条分别代表六个桥臂，从仿真结果可以看出本发明的启动充电方法能够有效应对换流器直流正负母线短接的特殊启动工况，将半桥和全桥子模块均充电至设定值。

本发明中的充电方法可以通过特定的子模块切除方法完成换流器在直流正负母线短接特殊启动工况下对子模块的充电，同时该方法相比之前针对该工况的充电方法更优化，不依靠桥臂电流或阀侧电压来判断切除子模块的桥臂，而是对所有的桥臂上的子模块都用相同的切除方法，将半桥和全桥子模块均充电至设定值，且可控充电阶段无需再划分不同的控制阶段，方法简单可靠，并能缩短软启电阻的投入时间，降低对其功率水平和能量的要求。

装置实施例：

本发明提供一种混合式换流器直流侧短路的充电控制装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现上述充电方法，具体不再赘述。

以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种混合式换流器直流侧短路的充电方法，其特征在于，包括自然充电阶段和主动充电阶段，其中，

自然充电阶段：

在换流器直流侧短路状态下，投入软启限流电阻，闭锁所有子模块，进行充电；

主动充电阶段：

当换流器的子模块充电达到稳态后，将软启限流电阻切除，并将换流器每个桥臂中设定数量电压较高的子模块切除，其余子模块保持闭锁；

其中，切除方式为：对于全桥子模块，将子模块中的第一桥臂的下开关管导通或第二桥臂的上开关管导通，其他的开关管关断，使得换流器桥臂电流为正时切除的全桥子模块对外呈现为零压降，换流器桥臂电流为负时切除的全桥子模块对外呈现负压降；对于半桥子模块，将子模块下开关管导通，上开关管关断，使得换流器桥臂电流为正或者为负时切除的半桥子模块对外都呈现零压降。

2.根据权利要求1所述的混合式换流器直流侧短路的充电方法，其特征在于，子模块充电达到稳态时子模块电压U_{c_steady}的取值范围为：

U_on＜U_{c_steady}＜U_{c_charge}

其中，U_on为全桥子模块的可靠上电电压，U_{c_steady}为全桥子模块平均电压，U_{c_charge}为自然充电阶段全桥子模块电压理论值，

其中，U_ac为交流线电压有效值，n为任一桥臂中全桥子模块的个数。

3.根据权利要求1所述的混合式换流器直流侧短路的充电方法，其特征在于，切除子模块的设定数量x的计算公式如下：

其中，m、n分别为任一桥臂中半桥子模块数量、全桥子模块的个数，U_c为子模块额定电压，U_ac为交流线电压有效值。

4.一种混合式换流器直流侧短路的充电控制装置，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现自然充电阶段步骤和主动充电阶段步骤，其中，

自然充电阶段：

在换流器直流侧短路状态下，投入软启限流电阻，闭锁所有子模块，进行充电；

主动充电阶段：

当换流器的子模块充电达到稳态后，将软启限流电阻切除，并将换流器每个桥臂中设定数量电压较高的子模块切除，其余子模块保持闭锁；

其中，切除方式为：对于全桥子模块，将子模块中的第一桥臂的下开关管导通或第二桥臂的上开关管导通，其他的开关管关断，使得换流器桥臂电流为正时切除的全桥子模块对外呈现为零压降，换流器桥臂电流为负时切除的全桥子模块对外呈现负压降；对于半桥子模块，将子模块下开关管导通，上开关管关断，使得换流器桥臂电流为正或者为负时切除的半桥子模块对外都呈现零压降。

5.根据权利要求4所述的混合式换流器直流侧短路的充电控制装置，其特征在于，子模块充电达到稳态时子模块电压U_{c_steady}的取值范围为：

U_on＜U_{c_steady}＜U_{c_charge}

其中，U_on为全桥子模块的可靠上电电压，U_{c_steady}为全桥子模块平均电压，U_{c_charge}为自然充电阶段全桥子模块电压理论值，

其中，U_ac为交流线电压有效值，n为任一桥臂中全桥子模块的个数。

6.根据权利要求4所述的混合式换流器直流侧短路的充电控制装置，其特征在于，切除子模块的设定数量x的计算公式如下：

其中，m、n分别为任一桥臂中半桥子模块数量、全桥子模块的个数，U_c为子模块额定电压，U_ac为交流线电压有效值。

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