專利名稱：一種模塊化多電平柔性直流輸電換流器的啟動方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)柔性輸配電、電力電子和用戶電力技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種模塊化多電平柔性直流輸電換流器的啟動方法。
背景技術(shù)：
柔性直流輸電技術(shù)以可關(guān)斷電力電子器件和電壓源型換流站(VSC)為基礎(chǔ)，多為BtB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并以地下電纜及海底電纜為傳輸媒介實現(xiàn)電能傳輸。其中電壓源型換流器(VSC)是該輸電系統(tǒng)的基本組成單元。模塊化多電平換流器(Modular multilevelconverter, MMC)是近幾年備受關(guān)注的一種多電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在模塊化多電平換流器中每個橋臂由若干個子模塊(submodule，SM)串聯(lián)而成，通過控制各個子模塊的投入和切除狀態(tài)，進而實現(xiàn)對換流器交流側(cè)輸出電壓的控制。這種控制方式能夠以階梯波的形式 最大限度逼近正弦波，從而降低輸出電壓畸變，滿足電網(wǎng)對于諧波的限制要求。模塊化多電平柔性直流輸電換流器的基本拓?fù)淙鐖DIa所示，由三相六個橋臂組成，每個相單元由兩個橋臂組成，每個橋臂由橋臂電抗器及若干個子模塊串聯(lián)而成。子模塊是換流器的基本組成單元，子模塊的拓?fù)淙鐖DIb所示，其中包括直流電容、與直流電容串聯(lián)的上管IGBT和其反并聯(lián)二極管及與直流電容并聯(lián)的下管IGBT和其反并聯(lián)二極管。當(dāng)子模塊接入換流器橋臂中，上管閉合，下管斷開時，子模塊電容接入系統(tǒng)，此時如果橋臂電流為向子模塊上管IGBT和下管IGBT之間節(jié)點流進方向，則會通過上管反并聯(lián)二極管對電容充電；如果橋臂電流為向子模塊上管IGBT和下管IGBT之間節(jié)點流出方向，則會通過上管IGBT對電容放電。當(dāng)子模塊接入換流器橋臂中，上管斷開，下管閉合時，由于下管與電容并聯(lián)，此時通過下管對電容進行短路操作，將電容切除，此時無論橋臂電流如何，均不會與該子模塊電容形成回路，不會對子模塊進行充放電操作。在傳統(tǒng)直流輸電中，開關(guān)器件主要采用晶閘管，對于晶閘管控制電路的電源均取自直流母線。在高電壓大功率系統(tǒng)中，開關(guān)器件控制取電自直流電容，是一個簡單實用的方法。同樣，對于模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)，子模塊控制用電(包括子模塊驅(qū)動電路以及其他控制電路)取自于子模塊直流電容兩側(cè)，也是一個簡單實用的方法。子模塊控制電取電于子模塊直流電容功能的加入，引入了各控制電流消耗的差異性，再加之子模塊電路參數(shù)本身有差異性，使得子模塊串聯(lián)入一個直流源系統(tǒng)兩端時，子模塊電壓會存在不小的不均衡度，如果該不均衡度足夠大，將導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常運行。在換流器運行過程中，需要保證各橋臂內(nèi)子模塊電壓在一定范圍內(nèi)保持一致。因此系統(tǒng)在啟動過程中完成對各子模塊的預(yù)充電，并保證子模塊電壓均勻，即平穩(wěn)的啟動是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的第一步。申請公布號為CN101795057 A的中國專利申請“無需輔助直流電源的三相模塊化多電平換流器啟動方法”，公開了一種三相模塊化多電平換流器的自勵充電方法，該方法用交流系統(tǒng)線電壓作為充電電源，通過檢測橋臂電流方向和各子模塊電容電壓來控制各橋臂的開關(guān)狀態(tài)，完成換流器的子模塊充電。具體過程為通過限流電阻將交流電壓引至換流器，給所有子模塊上下開關(guān)器件予以關(guān)斷信號，檢測各橋臂的電流，當(dāng)電流與充電方向一致時，給待充電子模塊下開關(guān)器件予以觸發(fā)信號，該子模塊充電；當(dāng)電流與充電方向相反時，給該子模塊下開關(guān)器件予關(guān)斷信號，該子模塊電容電壓得以保持，如此反復(fù)，待子模塊電容電壓達到額定時，觸發(fā)開通該子模塊下開關(guān)器件，該子模塊充電完畢，可轉(zhuǎn)而對下一個子模塊進行充電，重復(fù)上述步驟，直至橋臂所有的子模塊電容電壓均達到額定值附近，換流器完成充電。申請公布號為CN102170140 A的中國專利申請“一種模塊化多電平換流器柔性直流輸電系統(tǒng)的起動方法”，主要從模塊化多電平柔性直流輸電BtB系統(tǒng)的角度說明了系統(tǒng)合閘及控制模式啟動的時序，首先兩端換流站在軟啟電阻限流作用下自然充電到穩(wěn)態(tài)，然后再對于無源端換流站進行均壓控制。上述兩種子模塊的充電方式中，第一種充電方式采用逐一給各子模塊充電，充電時間長，并且如果子模塊控制電路從子模塊直流電容兩端取電，將導(dǎo)致先完成充電的子模塊電壓將在一定時間內(nèi)完成放電過程，對于實際系統(tǒng)，該方法可操作性不強；第二種充電方式，其缺陷之一在于未考慮子模塊本身電路參數(shù)差異和子模塊直流電源負(fù)載差異對于子模 塊自然充電不均壓的影響；缺陷之二在于對于軟啟進入穩(wěn)定之后對于子模塊充電所采用的均壓策略選取以一個相單元(兩個橋臂)為控制對象，對于龐大的系統(tǒng)來說，如果橋臂子模塊個數(shù)很多，對兩個橋臂子模塊電壓進行排序計算量會大大增加，因此對控制系統(tǒng)資源的消耗比較高，另外模塊化多電平閥控系統(tǒng)一般是以橋臂控制器為一個單元，以相單元為一個整體進行均壓控制必然帶來每相橋臂控制器之間巨大的通訊量要求，加劇了閥控系統(tǒng)硬件內(nèi)部的依賴性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種模塊化多電平柔性直流輸電換流器的啟動方法，以實現(xiàn)在柔性直流輸電系統(tǒng)正常運行前，保證子模塊電容電壓和直流電壓達到額定值，并且保證各子模塊電容電壓的一致性。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的模塊化多電平柔性直流輸電換流器的啟動方法技術(shù)方案如下該模塊化多電平柔性直流輸電換流器由三相六個橋臂構(gòu)成，每個橋臂由一個電抗器和若干個結(jié)構(gòu)相同的子模塊級聯(lián)而成，每個子模塊由上管及下管兩個IGBT器件及子模塊電容構(gòu)成，啟動方法包括以下步驟
(1)選定系統(tǒng)軟啟過程中切除子模塊個數(shù)Nsm_d，該系統(tǒng)中橋臂子模塊總數(shù)為Nsm；
(2)閉合交流側(cè)斷路器，電網(wǎng)通過交流側(cè)軟啟動電阻對六個橋臂上的子模塊進行預(yù)充
電；
(3)以一個橋臂為單位控制單元，對各橋臂內(nèi)部子模塊電壓進行排序；
(4)對于從高到低排序的前Nsm_d個子模塊，下發(fā)閉合子模塊下管的操作，對于其余Nsm-Nsm_d個子模塊，采取斷開上管及下管的操作；
(5)以設(shè)定的頻率重復(fù)步驟(3)、(4)，直至子模塊電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)；
(6)當(dāng)系統(tǒng)檢測到各子模塊電壓均處于穩(wěn)定狀態(tài)時，閉合軟啟電阻旁路接觸器，軟啟過程完成。本發(fā)明的模塊化多電平柔性直流輸電換流器的啟動方法，采用以單個橋臂為控制對象而未采取以一個相為控制對象，這樣降低了系統(tǒng)對單個橋臂控制器排序及硬件資源的要求，實現(xiàn)更加簡單、高效；不檢測橋臂電流方向進行均壓控制，在均壓的同時橋臂子模塊同時被通電從而簡化了模塊化多電平柔性直流輸電換流器的起動方法，該方法簡單、易行、實用性強；考慮到了子模塊控制電路的取電問題及各子模塊參數(shù)的差異性問題，在預(yù)充電過程中采用均壓策略，保證了各子模塊預(yù)充電過程中電壓的一致性；采用軟啟均壓階段切除模塊數(shù)Nsm_d可選擇，這樣使得子模塊穩(wěn)態(tài)軟啟電壓具有可調(diào)整性，使得子模塊穩(wěn)態(tài)軟啟電壓和正常閉環(huán)運行穩(wěn)態(tài)電壓盡可能一致，從而有利于實現(xiàn)系統(tǒng)由軟啟動階段到控制模式間的平滑切換，降低換流閥切入閉環(huán)控制時的電氣沖擊。


圖I是模塊化多電平柔性直流換流器基本結(jié)構(gòu)示意 圖2是子模塊結(jié)構(gòu)示意 圖3是軟啟動控制流程圖；
圖4子模塊電容電壓充電一致性波形；
圖5子模塊電容電壓充電波形。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步介紹。模塊化多電平柔性直流輸電換流器的基本拓?fù)淙鐖DI所示，圖2是子模塊結(jié)構(gòu)示意圖，模塊化多電平柔性直流輸電換流器由三相六個橋組成，每相橋由兩個橋臂組成，每個橋臂由橋臂電抗器及若干個子模塊級聯(lián)而成。單個橋臂所含子模塊數(shù)用Nsm表示。子模塊是換流器的基本組成單元，子模塊的拓?fù)淙鐖D2所示，其中包括直流電容、與直流電容串聯(lián)的上管IGBT及與直流電容并聯(lián)的下管IGBT，在上下IGBT管中都有二極管與之反相并聯(lián)，子模塊中還包含起保護作用的旁路開關(guān)及晶閘管并于下管IGBT兩端。當(dāng)子模塊接入換流器橋臂中，上管斷開，下管閉合時，由于下管與電容并聯(lián)，此時通過下管對電容進行短路操作，將電容切除，此時無論橋臂電流如何，均不會與該子模塊電容形成回路，不會對子模塊進行充放電操作。當(dāng)子模塊接入換流器橋臂中，上管下管均處于斷開狀態(tài)時，如果橋臂電流為充電方向時，電流會經(jīng)過上管IGBT的反并聯(lián)二極管對子模塊電容進行充電；橋臂電流為放電方向時，在此開關(guān)狀態(tài)下無法流通。圖3給出了本模塊化多電平柔性直流輸電換流器起動方法的流程圖，具體方法如下
(1)選定系統(tǒng)軟啟過程中切除子模塊個數(shù)Nsm_d，該參數(shù)的選定，使得各子模塊完成預(yù)充電后的電壓接近系統(tǒng)額定運行的電壓(設(shè)定該系統(tǒng)中橋臂子模塊數(shù)為Nsm)；
(2)閉合交流側(cè)斷路器QF1，電網(wǎng)電壓交流電通過軟啟動電阻對六個橋臂上的子模塊進行預(yù)充電；
(3)合交流斷路器后立即啟動軟啟階段均壓控制策略(該處的均勻控制策略是指以下的步驟4一6);
(4)以一個橋臂為單位控制單元，對各橋臂內(nèi)部子模塊電壓進行排序。對子模塊的排序程序可直接采用正常運行模式下的子模塊排序程序即可；(5)對于各橋臂內(nèi)部電壓較高的Nsm_d個子模塊，下發(fā)閉合子模塊下管的操作，對于其余(Nsm-Nsm_d)個子模塊，采取封鎖上管及下管脈沖的操作，即斷開上下管的操作；
(6)以設(shè)定的頻率重復(fù)步驟(4)、(5)，直至子模塊電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)(該控制頻率如果選擇太低將無法達到子模塊電容均壓的目的，需要選擇足夠大，但不能太高影響系統(tǒng)開關(guān)損耗)；
(7)當(dāng)系統(tǒng)檢測各子模塊電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)時，閉合軟啟電阻旁路接觸器KM1，軟啟過程完成，軟件系統(tǒng)可以切換至正常的控制模式進行控制。上述步驟4、5、6中在子模塊軟啟充電過程中采取切除較高電壓子模塊，較低電壓 子模塊上管處于脈沖封鎖階段，可通過上管二極管與子模塊電容形成通路，對較低電壓子模塊進行充電操作。 步驟(I)中根據(jù)充電穩(wěn)態(tài)電壓進行Nsm_d的選取，比如直流電壓為1000V，橋臂共有13個子模塊，每個子模塊需要充電到100V，則需要切除3個子模塊使得剩余的10個子模塊剛好承擔(dān)1000V電壓。Nsm表示單個橋臂子模塊總數(shù)，每個橋臂子模塊數(shù)量一致，每個橋臂切除子模塊數(shù)相同。步驟(6)中設(shè)定的頻率，沒有嚴(yán)格限制，太低子模塊均壓或受到影響，太高沒有必要，一般建議為500Hz即可。圖4、5為一模塊化多電平柔性直流輸電換流器一橋臂上四個子模塊的電容電壓波形，從圖中可看出四個特性上存在差異的子模塊在本文所述軟啟動方法下，四個子模塊電壓在很大程度內(nèi)保持一致，達到了均壓且同步軟啟的效果。以上列舉的僅是本發(fā)明的若干個具體實施例，本發(fā)明不限于以上實施例，還可以有許多變形，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種模塊化多電平柔性直流輸電換流器的啟動方法，該模塊化多電平柔性直流輸電換流器由三相六個橋臂構(gòu)成，每個橋臂由一個電抗器和若干個結(jié)構(gòu)相同的子模塊級聯(lián)而成，每個子模塊由上管及下管兩個IGBT器件及子模塊電容構(gòu)成，其特征在于，所述啟動方法包括以下步驟 (1)選定系統(tǒng)軟啟過程中切除子模塊個數(shù)Nsm_d，該系統(tǒng)中橋臂子模塊總數(shù)為Nsm； (2)閉合交流側(cè)斷路器，電網(wǎng)通過交流側(cè)軟啟動電阻對六個橋臂上的子模塊進行預(yù)充電； (3)以一個橋臂為單位控制單元，對各橋臂內(nèi)部子模塊電壓進行排序； (4)對于從高到低排序的前Nsm_d個子模塊，下發(fā)閉合子模塊下管的操作，對于其余Nsm-Nsm_d個子模塊，采取斷開上管及下管的操作； (5)以設(shè)定的頻率重復(fù)步驟(3)、(4)，直至子模塊電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)； (6)當(dāng)系統(tǒng)檢測到各子模塊電壓均處于穩(wěn)定狀態(tài)時，閉合軟啟電阻旁路接觸器，軟啟過程完成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種模塊化多電平柔性直流輸電換流器的啟動方法，通過斷路器及線路接觸器的開通關(guān)斷實現(xiàn)軟啟動與正常運行回路的切換，在軟啟動過程中，以一定頻率切除子模塊直流電壓最高者保證橋臂子模塊均壓充電，通過子模塊切除個數(shù)的選擇，確保橋臂子模塊電壓達到系統(tǒng)運行額定值，為系統(tǒng)從軟啟動過程到控制模式的平滑切換創(chuàng)造了條件。控制階段采用單個橋臂為單位控制單元，同時進行每個橋臂內(nèi)部子模塊的均壓控制，這樣無需橋臂電流檢測，使得充電更易于實現(xiàn)，軟啟過程明顯縮短，且子模塊間均壓程度非常高。
文檔編號H02M1/36GK102969882SQ20121046297
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月16日
發(fā)明者姚為正, 吳金龍, 何青連, 梁燕, 韓坤, 劉普 申請人:許繼集團有限公司, 國家電網(wǎng)公司