一種模塊化多電平柔性直流輸電換流器的啟動方法

2023-05-25 04:59:06 2

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
技術領域：
本發明屬於電力系統柔性輸配電、電力電子和用戶電力技術領域，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：
柔性直流輸電技術以可關斷電力電子器件和電壓源型換流站(VSC)為基礎，多為BtB拓撲結構並以地下電纜及海底電纜為傳輸媒介實現電能傳輸。其中電壓源型換流器(VSC)是該輸電系統的基本組成單元。模塊化多電平換流器(Modular multilevelconverter, MMC)是近幾年備受關注的一種多電平換流器拓撲結構。在模塊化多電平換流器中每個橋臂由若干個子模塊(submodule，SM)串聯而成，通過控制各個子模塊的投入和切除狀態，進而實現對換流器交流側輸出電壓的控制。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，滿足電網對於諧波的限制要求。模塊化多電平柔性直流輸電換流器的基本拓撲如圖Ia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而成。子模塊是換流器的基本組成單元，子模塊的拓撲如圖Ib所示，其中包括直流電容、與直流電容串聯的上管IGBT和其反並聯二極體及與直流電容並聯的下管IGBT和其反並聯二極體。當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，此時如果橋臂電流為向子模塊上管IGBT和下管IGBT之間節點流進方向，則會通過上管反並聯二極體對電容充電；如果橋臂電流為向子模塊上管IGBT和下管IGBT之間節點流出方向，則會通過上管IGBT對電容放電。當子模塊接入換流器橋臂中，上管斷開，下管閉合時，由於下管與電容並聯，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迴路，不會對子模塊進行充放電操作。在傳統直流輸電中，開關器件主要採用晶閘管，對於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中，開關器件控制取電自直流電容，是一個簡單實用的方法。同樣，對於模塊化多電平柔性直流輸電系統，子模塊控制用電(包括子模塊驅動電路以及其他控制電路)取自於子模塊直流電容兩側，也是一個簡單實用的方法。子模塊控制電取電於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本身有差異性，使得子模塊串聯入一個直流源系統兩端時，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，將導致系統無法正常運行。在換流器運行過程中，需要保證各橋臂內子模塊電壓在一定範圍內保持一致。因此系統在啟動過程中完成對各子模塊的預充電，並保證子模塊電壓均勻，即平穩的啟動是系統穩定運行的第一步。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狀態，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器件予以關斷信號，檢測各橋臂的電流，當電流與充電方向一致時，給待充電子模塊下開關器件予以觸發信號，該子模塊充電；當電流與充電方向相反時，給該子模塊下開關器件予關斷信號，該子模塊電容電壓得以保持，如此反覆，待子模塊電容電壓達到額定時，觸發開通該子模塊下開關器件，該子模塊充電完畢，可轉而對下一個子模塊進行充電，重複上述步驟，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的起動方法」，主要從模塊化多電平柔性直流輸電BtB系統的角度說明了系統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態，然後再對於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，第一種充電方式採用逐一給各子模塊充電，充電時間長，並且如果子模塊控制電路從子模塊直流電容兩端取電，將導致先完成充電的子模塊電壓將在一定時間內完成放電過程，對於實際系統，該方法可操作性不強；第二種充電方式，其缺陷之一在於未考慮子模塊本身電路參數差異和子模塊直流電源負載差異對於子模 塊自然充電不均壓的影響；缺陷之二在於對於軟啟進入穩定之後對於子模塊充電所採用的均壓策略選取以一個相單元(兩個橋臂)為控制對象，對於龐大的系統來說，如果橋臂子模塊個數很多，對兩個橋臂子模塊電壓進行排序計算量會大大增加，因此對控制系統資源的消耗比較高，另外模塊化多電平閥控系統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，加劇了閥控系統硬體內部的依賴性。

發明內容
本發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，以實現在柔性直流輸電系統正常運行前，保證子模塊電容電壓和直流電壓達到額定值，並且保證各子模塊電容電壓的一致性。為實現上述目的，本發明的模塊化多電平柔性直流輸電換流器的啟動方法技術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成，每個橋臂由一個電抗器和若干個結構相同的子模塊級聯而成，每個子模塊由上管及下管兩個IGBT器件及子模塊電容構成，啟動方法包括以下步驟
(1)選定系統軟啟過程中切除子模塊個數Nsm_d，該系統中橋臂子模塊總數為Nsm；
(2)閉合交流側斷路器，電網通過交流側軟啟動電阻對六個橋臂上的子模塊進行預充
電；
(3)以一個橋臂為單位控制單元，對各橋臂內部子模塊電壓進行排序；
(4)對於從高到低排序的前Nsm_d個子模塊，下發閉合子模塊下管的操作，對於其餘Nsm-Nsm_d個子模塊，採取斷開上管及下管的操作；
(5)以設定的頻率重複步驟(3)、(4)，直至子模塊電壓處於穩定狀態；
(6)當系統檢測到各子模塊電壓均處於穩定狀態時，閉合軟啟電阻旁路接觸器，軟啟過程完成。本發明的模塊化多電平柔性直流輸電換流器的啟動方法，採用以單個橋臂為控制對象而未採取以一個相為控制對象，這樣降低了系統對單個橋臂控制器排序及硬體資源的要求，實現更加簡單、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的差異性問題，在預充電過程中採用均壓策略，保證了各子模塊預充電過程中電壓的一致性；採用軟啟均壓階段切除模塊數Nsm_d可選擇，這樣使得子模塊穩態軟啟電壓具有可調整性，使得子模塊穩態軟啟電壓和正常閉環運行穩態電壓儘可能一致，從而有利於實現系統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控制時的電氣衝擊。


圖I是模塊化多電平柔性直流換流器基本結構示意 圖2是子模塊結構示意 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撲如圖I所示，圖2是子模塊結構示意圖，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而成。單個橋臂所含子模塊數用Nsm表示。子模塊是換流器的基本組成單元，子模塊的拓撲如圖2所示，其中包括直流電容、與直流電容串聯的上管IGBT及與直流電容並聯的下管IGBT，在上下IGBT管中都有二極體與之反相併聯，子模塊中還包含起保護作用的旁路開關及晶閘管並於下管IGBT兩端。當子模塊接入換流器橋臂中，上管斷開，下管閉合時，由於下管與電容並聯，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迴路，不會對子模塊進行充放電操作。當子模塊接入換流器橋臂中，上管下管均處於斷開狀態時，如果橋臂電流為充電方向時，電流會經過上管IGBT的反並聯二極體對子模塊電容進行充電；橋臂電流為放電方向時，在此開關狀態下無法流通。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)選定系統軟啟過程中切除子模塊個數Nsm_d，該參數的選定，使得各子模塊完成預充電後的電壓接近系統額定運行的電壓(設定該系統中橋臂子模塊數為Nsm)；
(2)閉合交流側斷路器QF1，電網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充電；
(3)合交流斷路器後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，對各橋臂內部子模塊電壓進行排序。對子模塊的排序程序可直接採用正常運行模式下的子模塊排序程序即可；(5)對於各橋臂內部電壓較高的Nsm_d個子模塊，下發閉合子模塊下管的操作，對於其餘(Nsm-Nsm_d)個子模塊，採取封鎖上管及下管脈衝的操作，即斷開上下管的操作；
(6)以設定的頻率重複步驟(4)、(5)，直至子模塊電壓處於穩定狀態(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開關損耗)；
(7)當系統檢測各子模塊電壓處於穩定狀態時，閉合軟啟電阻旁路接觸器KM1，軟啟過程完成，軟體系統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採取切除較高電壓子模塊，較低電壓 子模塊上管處於脈衝封鎖階段，可通過上管二極體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)中根據充電穩態電壓進行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個子模塊使得剩餘的10個子模塊剛好承擔1000V電壓。Nsm表示單個橋臂子模塊總數，每個橋臂子模塊數量一致，每個橋臂切除子模塊數相同。步驟(6)中設定的頻率，沒有嚴格限制，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明的若干個具體實施例，本發明不限於以上實施例，還可以有許多變形，本領域的普通技術人員能從本發明公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本發明的保護範圍。
權利要求
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成，每個橋臂由一個電抗器和若干個結構相同的子模塊級聯而成，每個子模塊由上管及下管兩個IGBT器件及子模塊電容構成，其特徵在於，所述啟動方法包括以下步驟 (1)選定系統軟啟過程中切除子模塊個數Nsm_d，該系統中橋臂子模塊總數為Nsm； (2)閉合交流側斷路器，電網通過交流側軟啟動電阻對六個橋臂上的子模塊進行預充電； (3)以一個橋臂為單位控制單元，對各橋臂內部子模塊電壓進行排序； (4)對於從高到低排序的前Nsm_d個子模塊，下發閉合子模塊下管的操作，對於其餘Nsm-Nsm_d個子模塊，採取斷開上管及下管的操作； (5)以設定的頻率重複步驟(3)、(4)，直至子模塊電壓處於穩定狀態； (6)當系統檢測到各子模塊電壓均處於穩定狀態時，閉合軟啟電阻旁路接觸器，軟啟過程完成。
全文摘要
本發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斷實現軟啟動與正常運行迴路的切換，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的選擇，確保橋臂子模塊電壓達到系統運行額定值，為系統從軟啟動過程到控制模式的平滑切換創造了條件。控制階段採用單個橋臂為單位控制單元，同時進行每個橋臂內部子模塊的均壓控制，這樣無需橋臂電流檢測，使得充電更易於實現，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 優先權日2012年11月16日
發明者姚為正, 吳金龍, 何青連, 梁燕, 韓坤, 劉普 申請人:許繼集團有限公司, 國家電網公司