全橋與半橋子模塊混聯(lián)的模塊化多電平換流器及啟動方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及新能源與電力系統(tǒng)領(lǐng)域，具體將涉及全橋與半橋子模塊混聯(lián)的模塊化 多電平換流器及啟動方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于電壓源型換流器的柔性直流輸電技術(shù)由于其有功無功解耦獨立控制、能夠接 入弱電網(wǎng)、向無源負(fù)荷供電、具備電網(wǎng)黑啟動能力、動態(tài)響應(yīng)快、諧波特性優(yōu)良且占地面積 小等諸多優(yōu)點，在大規(guī)模間歇性新能源并網(wǎng)、孤島無源負(fù)荷供電、交流電網(wǎng)互聯(lián)和城市智能 供配電等方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
[0003] 德國學(xué)者Rainer Marquardt介紹了具有穿越嚴(yán)重直流故障能力的全橋子模塊 MMC拓?fù)?，?dāng)發(fā)生直流短路故障時，可以通過閉鎖換流器來抑制故障電流，但由于全橋子模 塊所需開關(guān)器件為半橋子模塊的兩倍，增加了換流器的建造成本。
[0004] 由此，業(yè)界提出將全橋子模塊與其他子模塊混聯(lián)組成MMC的橋臂，在維持直流故 障穿越能力的基礎(chǔ)上，降低了系統(tǒng)成本。但簡單的將相同參數(shù)的全橋子模塊和其他子模塊 混聯(lián)，在系統(tǒng)配置上并非最合理的選擇，亟待提出一種合理的優(yōu)化配置，并為該優(yōu)化配置提 供相應(yīng)的控制方法支撐。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了全橋與半橋子模塊混聯(lián)的模塊化多電 平換流器及啟動方法，全橋與半橋子模塊混聯(lián)的模塊化多電平換流器進行了優(yōu)化配置，并 為該優(yōu)化配置提供相應(yīng)的控制方法支撐。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：
[0007] 全橋與半橋子模塊混聯(lián)的模塊化多電平換流器，包括分別與對應(yīng)的三相電源相連 接的三相單元，每個單元均包括上橋臂及下橋臂，上橋臂及下橋臂結(jié)構(gòu)相同，均包括相串聯(lián) 的M個半橋式子模塊、N個全橋式子模塊及電感L。；
[0008] 半橋式子模塊包括電容及與該電容相并聯(lián)的開關(guān)單元，所述開關(guān)單元包括相串聯(lián) 的兩個IGBT，每個IGBT均與對應(yīng)的反向二極管相并聯(lián)；
[0009] 全橋式子模塊包括電容及與該電容相并聯(lián)的兩個開關(guān)單元，每個開關(guān)單元包括相 串聯(lián)的兩個IGBT，每個IGBT均與對應(yīng)的反向二極管相并聯(lián)。
[0010] 進一步的，半橋式子模塊與全橋式子模塊的數(shù)量相等或全橋式子模塊的數(shù)量與半 橋式子模塊的數(shù)量為2 :1。綜合系統(tǒng)成本、損耗、容量以及直流故障穿越能力各方面的要 求，當(dāng)系統(tǒng)不需要提高直流電壓利用率時，建議選用全橋及半橋式子模塊各使用一半的配 置方式；當(dāng)系統(tǒng)需要盡量提高直流電壓利用率以提供傳輸功率時，建議選用2/3的全橋式 子模塊和1/3的半橋式子模塊。
[0011] 優(yōu)選的，半橋式子模塊與全橋式子模塊的額定電容電壓宜相同，由于模塊化多電 平換流器主要應(yīng)用于高壓大功率場合，子模塊的額定電容電壓選擇主要受到器件約束，因 此，全橋式子模塊和半橋式子模塊的額定電容電壓宜相同，根據(jù)功率器件的額定電壓選取 合理值。
[0012] 全橋式子模塊的電容值設(shè)置為半橋式子模塊電容值的二倍。由于全橋式子模塊在 直流故障穿越過程中的作用，應(yīng)適當(dāng)提高全橋子模塊的電容值，但又應(yīng)避免不同子模塊電 容值差別過大對系統(tǒng)啟動及控制帶來的影響，所以將系統(tǒng)中的全橋式子模塊的電容值設(shè)置 為半橋式子模塊電容值的二倍。
[0013] 全橋與半橋子模塊混聯(lián)的模塊化多電平換流器的啟動方法，包括：
[0014] 充電流程開始：投入系統(tǒng)軟啟電阻，閉合交流斷路器，進行自然軟啟階段，當(dāng)子模 塊電壓達到上電電壓后，進入軟啟均壓階段，切除L個子模塊繼續(xù)充電，待系統(tǒng)穩(wěn)定后（即 充電電流衰減至接近零），切除軟啟電阻，解鎖換流器進行定直流電壓控制，繼續(xù)充電至穩(wěn) 定，充電完成。
[0015] 進一步的，在自然軟啟階段，正向、負(fù)向橋臂電流均為全橋式子模塊進行充電，半 橋式子模塊只在橋臂電流為正的時間段內(nèi)充電，因此在自然軟啟階段結(jié)束后，相同橋臂內(nèi) 全橋式子模塊電容充電能量是半橋式子模塊的二倍，全橋式子模塊的電容值設(shè)置為半橋式 子模塊電容的二倍，因此能夠保證兩種子模塊的電容電壓相同。
[0016] 進一步的，軟啟均壓階段，在同一橋臂內(nèi)切除一定數(shù)量的子模塊，其余子模塊依然 閉鎖，達到穩(wěn)態(tài)后切除軟起電阻并解鎖換流器。
[0017] 在橋臂電流正負(fù)時刻，均對全橋式子模塊進行充電，通過均壓作用，能夠?qū)⑷珮蚴?子模塊的充電能量調(diào)整為半橋式子模塊的二倍，及保證不同子模塊電壓相同。
[0018] 切除的子模塊需要動態(tài)選擇橋臂中電壓最高的L個子模塊，L的個數(shù)由下式確定：
[0019] 其中，M為單橋臂內(nèi)全橋式子模塊個數(shù)，N為單橋臂內(nèi)半橋式子模塊個數(shù)，Ulira為 系統(tǒng)閥側(cè)線電壓，U e ratad為子模塊額定電壓值。
[0020] 當(dāng)檢測到直流雙極短路故障時，立即閉鎖換流器，當(dāng)上下橋臂的子模塊電容電壓 和高于交流線電壓峰值時，子模塊電容提供的反電動勢可將直流電流抑制到零，從而實現(xiàn) 直流故障穿越。
[0021] 本發(fā)明的有益效果：
[0022] 本發(fā)明所提及的全橋式子模塊的電容值設(shè)置為半橋式子模塊電容的二倍，在直流 故障發(fā)生初期，故障電流會流經(jīng)全橋式子模塊電容，對全橋式子模塊電容進行充電。從而造 成全橋式子模塊電容電壓，超出子模塊額定電壓。若該電容電壓過大，會在系統(tǒng)解鎖瞬間造 成較大的沖擊電流，適當(dāng)提高全橋式子模塊電容值有利于解決該問題。
[0023] 由于不同子模塊選用不同的電容值，會造成充電速度不一致。常規(guī)的充電方式不 能滿足該子模塊混聯(lián)MMC拓?fù)涞恼３潆?。本發(fā)明采用自然軟啟階段及軟啟均壓階段，保 證不同子模塊電壓相同。
【附圖說明】
[0024] 圖1為全橋子模塊與半橋子模塊混合級聯(lián)MMC拓?fù)洌?br>[0025] 圖2為混合子模塊級聯(lián)MMC拓?fù)湓谥绷鞴收洗┰焦r的等效電路；
[0026] 圖3為混合子模塊級聯(lián)MMC拓?fù)涞膯恿鞒虉D。
【具體實施方式】：
[0027] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細(xì)說明：
[0028] 如圖1所示，本發(fā)明實施例的全橋與半橋子模塊混聯(lián)的模塊化多電平換流器，包 括分別與對應(yīng)的三相電源相連接的三相單元，每個單元均包括上橋臂及下橋臂，上橋臂及 下橋臂結(jié)構(gòu)相同，均包括相串聯(lián)的M個半橋式子模塊、N個全橋式子模塊及電感L。；
[0029] 半橋式子模塊包括電容及與該電容相并聯(lián)的開關(guān)單元，所述開關(guān)單元包括相串聯(lián) 的兩個IGBT，每個IGBT均與對應(yīng)的反向二極管相并聯(lián)；
[0030] 全橋式子模塊包括電容及與該電容相并聯(lián)的兩個開關(guān)單元，每個開關(guān)單元包括相 串聯(lián)的兩個IGBT，每個IGBT均與對應(yīng)的反向二極管相并聯(lián)。
[0031] 該發(fā)明首先需要綜合系統(tǒng)成本、損耗、容量以及直流故障穿越能力各方面的要求， 給出系統(tǒng)子模塊的數(shù)目配置。然后根據(jù)開關(guān)器件約束給出不同子模塊的額定電容電壓，并 通過全橋子模塊的直流故障穿越的功能分析，設(shè)定全橋子模塊電容值為半橋子模塊的二 倍。最后給出了新型系統(tǒng)配置下對應(yīng)的系統(tǒng)啟動方法。該方法中包括自然軟啟和軟啟均壓 兩個階段，其中通過對傳統(tǒng)軟啟均壓控制方法的改進，使其能夠滿足不同子模塊電容電壓 的均壓問題。
[0032] 1.系統(tǒng)子模塊數(shù)目配置
[0033] 為簡化說明，本專利選用全橋與半橋子模塊混聯(lián)的模塊化多電平換流器進行新型 系統(tǒng)配置及啟動方法的說明。但該方法同樣適用于全橋與其他一種和多種子模塊混聯(lián)的換 流器拓?fù)洹?br>[0034] 綜合系統(tǒng)成本、損耗、容量以及直流故障穿越能力各方面的要求，當(dāng)系統(tǒng)不需要提 高直流電壓利用率時，建議選用全橋及半橋子模塊各使用一半的配置方式；當(dāng)系統(tǒng)需要盡 量提高直流電壓利用率以提供傳輸功率時，建議選用2/3的全橋子模塊和1/3的半橋子模