本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)運行與控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種模塊化多電平換流器分層放電控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)是電壓源型換流器(voltage source converter,VSC)的一種新的拓撲結(jié)構(gòu)。由于MMC具備較好的輸出交流波形質(zhì)量和較低的開關(guān)動作一致性要求等優(yōu)點，其拓撲結(jié)構(gòu)被認為在未來高壓、中壓等級電能輸送和電力驅(qū)動領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，MMC的子模塊(sub-module,SM)級聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)是一種極具商業(yè)應(yīng)用前景的VSC拓撲結(jié)構(gòu)。

對于MMC放電，目前主要提出兩類放電策略，即子模塊逐一放電策略和橋臂整體放電策略。對于子模塊逐一放電策略來說，需要較小的保護電阻，但放電過程的效率很低；對于橋臂整體放電策略來說，放電效率較高，但需要的保護電阻較高且存在一定的風險。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種模塊化多電平換流器分層放電控制系統(tǒng)及方法，在放電過程中，每個橋臂各投入一個子模塊，兼顧了放電效率與放電電流的大小。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種模塊化多電平換流器分層放電控制系統(tǒng)，其特征在于：其包括一模塊化多電平換流器以及一分層放電控制系統(tǒng)；所述模塊化多電平換流器包括相互并聯(lián)的三相電路，各相電路均包括相互串聯(lián)的上、下兩橋臂，且所述上、下兩橋臂連接處分別與一交流母線連接，各所述交流母線通過交流斷路器與交流系統(tǒng)相連；各相電路中所述上橋臂并聯(lián)后作為所述模塊化多電平換流器直流側(cè)的正極輸出端；各相電路中所述下橋臂并聯(lián)后作為所述模塊化多電平換流器直流側(cè)的正極輸出端；所述正、負極輸出端分別設(shè)置有接地開關(guān)K1、K2；所述分層放電控制系統(tǒng)用于輸出子模塊控制信號到所述模塊化多電平換流器，實現(xiàn)所述模塊化多電平換流器的分層放電。

所述分層放電控制系統(tǒng)包括初始值設(shè)定模塊、最終電壓設(shè)定模塊、電壓檢測模塊、更新模塊、判斷模塊和控制模塊；所述初始值設(shè)定模塊用于對所述模塊化多電平換流器各橋臂的子模塊進行編號，并將投入子模塊序號的初始值設(shè)定為1，并發(fā)送到所述控制模塊；所述最終電壓設(shè)定模塊用于設(shè)定放電過程中各橋臂投入子模塊的最終電壓，并發(fā)送到所述電壓檢測模塊；所述電壓檢測模塊用于對放電過程中各橋臂投入子模塊的電容電壓進行實時檢測，當所有投入子模塊的電容電壓均達到設(shè)定的最終電壓值時發(fā)送更新信號到所述更新模塊；所述更新模塊用于對各橋臂投入子模塊序號進行更新，并將更新后的投入子模塊序號發(fā)送到所述判斷模塊；所述判斷模塊用于將投入子模塊序號和各相電路中各橋臂子模塊總數(shù)目進行比較，并將比較結(jié)果發(fā)送到所述控制模塊；所述控制模塊根據(jù)接收到的投入子模塊序號以及比較結(jié)果，輸出子模塊控制信號到所述模塊化多電平換流器，實現(xiàn)所述模塊化多電平換流器的分層放電。

一種基于所述系統(tǒng)的模塊化多電平換流器分層放電控制方法，其特征在于包括以下步驟：1)在模塊化多電平換流器放電前，打開交流系統(tǒng)與模塊化多電平換流器之間的交流斷路器，閉合模塊化多電平換流器直流側(cè)正、負極接地開關(guān)，各橋臂中旁路開關(guān)處于斷開狀態(tài)，并令模塊化多電平換流器中所有子模塊處于切除狀態(tài)；2)在初始值設(shè)定模塊中將模塊化多電平換流器各橋臂的子模塊進行編號，并設(shè)定各橋臂投入子模塊序號的初始值為1，將投入子模塊序號發(fā)送到控制模塊，由控制模塊發(fā)送相應(yīng)控制信號到模塊化多電平換流器開始第一層放電，也即控制模塊化多電平換流器中各橋臂對應(yīng)序號為1的子模塊處于投入狀態(tài)；3)在最終電壓設(shè)定模塊中設(shè)定各橋臂子模塊中電容的最終電壓，并發(fā)送到電壓檢測模塊；4)電壓檢測模塊實時檢測放電過程中，各橋臂投入子模塊中電容的電壓值，當各投入子模塊電容的電壓值均達到設(shè)定的最終電壓值時，發(fā)送更新信號到更新模塊；5)更新模塊對當前設(shè)定的投入子模塊序號加1，并將更新后的投入子模塊序號發(fā)送到判斷模塊；6)判斷模塊對更新后的投入子模塊序號與各橋臂包括的子模塊總數(shù)目進行比較，若更新后的投入子模塊序號大于各橋臂包括的子模塊總數(shù)目，則放電過程結(jié)束，否則重復(fù)步驟3)到5)，由控制模塊發(fā)送控制信號到模塊化多電平換流器實現(xiàn)逐層放電，控制模塊化多電平換流器中各橋臂對應(yīng)投入序號的子模塊處于投入狀態(tài)。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明通過在模塊化多電平換流器的正負極輸出端設(shè)置接地開關(guān)，同時由分層放電控制系統(tǒng)控制模塊化多電平換流器實現(xiàn)分層放電，相較于子模塊逐一放電，大大提升了模塊化多電平的放電速率。2、本發(fā)明由于模塊化多電平換流器中各相橋臂子模塊為分層放電，每層放電中各橋臂僅投入一個子模塊，相較于橋臂整體放電，大大降低了放電電流，進而降低了對各橋臂中保護電阻的要求。因而本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于模塊化多電平換流器的放電中。

附圖說明

圖1是本發(fā)明模塊化多電平換流器拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是放電過程的等效電路圖；

圖3是本發(fā)明實施例分層放電控制系統(tǒng)示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例中初始值設(shè)定模塊與最終電壓設(shè)定模塊設(shè)置界面；

圖5是本發(fā)明實施例中放電電流對比示意圖；

圖6是本發(fā)明實施例中子模塊電容電壓。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。

如圖1所示，本發(fā)明一種模塊化多電平換流器分層放電控制系統(tǒng)，包括模塊化多電平換流器(MMC)以及分層放電控制系統(tǒng)，分層放電控制系統(tǒng)用于控制MMC實現(xiàn)分層放電。MMC包括三相電路(圖中的A、B、C三相)，每相電路均包括相互串聯(lián)的上、下兩橋臂，且上、下兩橋臂分別與交流母線連接，各交流母線通過交流斷路器BREAK1與交流系統(tǒng)相連。各相電路并聯(lián)后分別作為MMC直流側(cè)的正、負極輸出端，正、負極輸出端分別設(shè)置有接地開關(guān)K1、K2。每個橋臂中均包括若干級聯(lián)的子模塊HBSM、保護電阻R_p以及電感L₀，其中，保護電阻R_p兩端設(shè)置有帶旁路開關(guān)K3的旁路。

分層放電控制系統(tǒng)包括初始值設(shè)定模塊、最終電壓設(shè)定模塊、電壓檢測模塊、更新模塊、判斷模塊和控制模塊。初始值設(shè)定模塊用于將MMC各橋臂的子模塊進行編號，并將投入子模塊序號的初始值設(shè)定為1，并發(fā)送到控制模塊；最終電壓設(shè)定模塊用于設(shè)定放電過程中各橋臂投入子模塊的最終電壓，并發(fā)送到電壓檢測模塊；電壓檢測模塊用于對放電過程中各橋臂投入子模塊的電容電壓進行實時檢測，當所有投入子模塊的電容電壓均達到設(shè)定的最終電壓值時發(fā)送更新信號到更新模塊；更新模塊用于對各橋臂投入子模塊序號進行更新，并將更新后的投入子模塊序號發(fā)送到判斷模塊；判斷模塊用于將投入子模塊序號和各相電路中各橋臂子模塊總數(shù)目進行比較，并將比較結(jié)果發(fā)送到控制模塊；控制模塊根據(jù)接收到的投入子模塊序號以及比較結(jié)果，輸出子模塊控制信號到MMC，實現(xiàn)MMC的分層放電。

基于上述模塊化多電平換流器分層放電控制系統(tǒng)，本發(fā)明提供一種模塊化多電平換流器分層放電控制方法，包括以下步驟：

1)在MMC放電前，打開交流系統(tǒng)與MMC之間的交流斷路器，閉合MMC直流側(cè)正、負極接地開關(guān)K1，K2，各橋臂中旁路開關(guān)K3處于斷開狀態(tài)，并令MMC中所有子模塊處于切除狀態(tài)。

如圖2所示，為圖1中MMC放電過程的等效電路圖，其中i_ca(t)、i_cb(t)、i_cc(t)分別為A、B、C三相的放電電流，C_a、C_b、C_c分別為各相處于放電狀態(tài)的電容值，u_ca(t)、u_cb(t)、u_cc(t)分別為各相放電電容的放電電壓，L₀為每相電感，R_p為保護電阻。由于實際情況下，各個子模塊的電容電壓存在差異，所以各相放電電流不完全相等。

2)在初始值設(shè)定模塊中將MMC各橋臂的子模塊進行1到N編號，并設(shè)定各橋臂投入子模塊序號的初始值為1，將投入子模塊序號發(fā)送到控制模塊，由控制模塊發(fā)送相應(yīng)控制信號到MMC開始第一層放電，也即控制MMC中各橋臂對應(yīng)序號為1的子模塊處于投入狀態(tài)。

3)在最終電壓設(shè)定模塊中設(shè)定各橋臂子模塊中電容的最終電壓U_cref，并發(fā)送到電壓檢測模塊。

4)電壓檢測模塊實時檢測放電過程中，各橋臂投入子模塊中電容的電壓值，當各投入子模塊電容的電壓值均達到設(shè)定的最終電壓值時，發(fā)送更新信號到更新模塊。

5)更新模塊對當前設(shè)定的投入子模塊序號加1，并將更新后的投入子模塊序號發(fā)送到判斷模塊。

6)判斷模塊對更新后的投入子模塊序號與各橋臂包括的子模塊總數(shù)目進行比較，若更新后的投入子模塊序號大于各橋臂包括的子模塊總數(shù)目，則放電過程結(jié)束，否則重復(fù)步驟3)到5)，由控制模塊發(fā)送控制信號到MMC實現(xiàn)逐層放電，控制MMC中各橋臂對應(yīng)投入序號的子模塊處于投入狀態(tài)。

實施例一

本實施例中，在PSCAD/EMTDC中建立了單端MMC系統(tǒng)，其參數(shù)為：每個橋臂子模塊數(shù)N＝5，保護電阻R_p＝40Ω，橋臂電感L₀/2＝0.04H，子模塊電容值C＝3000μF，將每個橋臂子模塊編號，其中A相上橋臂第5個子模塊電容初始電壓為4kV，其他子模塊電容電壓都為3kV。

1)放電開始前，打開交流系統(tǒng)與MMC之間的交流斷路器BREAK1，閉合MMC直流側(cè)正負極接地開關(guān)K1、K2，旁路開關(guān)K3處于斷開狀態(tài)，所有子模塊處于切除狀態(tài)。

2)通過初始值設(shè)定模塊設(shè)定初始子模塊投入序號為1，電容的最終電壓U_cref為1kV，由控制模塊發(fā)送子模塊控制信號到MMC換流器開始第一層放電。

3)在最終電壓設(shè)定模塊中設(shè)定各橋臂子模塊中電容的最終電壓U_cref，并發(fā)送到電壓檢測模塊。

如圖3、圖4所示，為本實施例分層放電控制系統(tǒng)示意圖，其中左端輸入為每個橋臂子模塊電容電壓，右端輸出為子模塊控制信號(如圖3所示)。雙擊可進入其設(shè)置界面，其中num表示每個橋臂子模塊個數(shù)，ucref為放電過程子模塊電容的最終電壓(如圖4所示)。

3)電壓檢測模塊實時檢測放電過程中，各相放電電路投入子模塊中各電容的電壓值，當各電容的電壓值均達到設(shè)定的最終電壓值時，發(fā)送更新信號到更新模塊。

4)更新模塊對當前設(shè)定的投入子模塊序號加1，并將更新后的投入子模塊序號發(fā)送到判斷模塊。

5)判斷模塊對更新后的投入子模塊序號與各橋臂包括的子模塊總數(shù)目進行比較，若更新后的投入子模塊序號大于各橋臂包括的子模塊總數(shù)目，則放電過程結(jié)束，否則重復(fù)步驟3)到4)，依次進行下一層放電。

如圖5、圖6所示，在保護電阻相同的情況下，分層放電電流相較于整個橋臂放電要小得多，而且，放電時間遠短于子模塊逐一放電策略。由于第一個橋臂第5個子模塊電容電壓為4kV，而其他子模塊電容電壓為3kV，所以，第5個子模塊放電時，A相放電電流要略大于其他子模塊放電電流。

最后應(yīng)說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換，而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。