CN103595237B - 一种模块化多电平换流器的子模块电容预充电方法 - Google Patents

Abstract

一种模块化多电平换流器的子模块电容预充电方法，属于柔性直流输电、电力电子领域。本发明是为了解决现有子模块电容预充电方法容易引发过流故障的问题。本发明所述的一种模块化多电平换流器子模块电容的预充电方法，控制模块化多电平换流器直流侧输出电压始终等于直流电源电压的一半，使桥臂充电电流始终能够保持稳定，从而避免了充电过程中过流故障的发生；模块化多电平换流器在每个阶段均达到最快的充电速度，从而缩短模块化多电平换流器的整体起动时间，使充电效率提高了80%；整个预充电过程中充电电阻的功耗降低到10%，发热降低了40%，因此能够采用体积更小的电阻型号。本发明适用于为任何模块化多电平换流器进行起动预充电。

Description

一种模块化多电平换流器的子模块电容预充电方法

技术领域

本发明属于柔性直流输电、电力电子领域。

背景技术

模块化多电平换流器，即MMC，作为一种新型的高压大功率电能变换技术，已日益得到了各国研究人员的广泛关注。与传统两电平、三电平换流器相比，MMC结构简单、通过增加模块数，就能够灵活地扩展到高电压大功率，且其功率元件能够工作在较低的开关频率，具备很高的能量转换效率、很小的电压电流尖峰、以及非常低的输出电压谐波含量等优点，十分适用于柔性直流输电等高压大功率电能变换的场合。

在三相MMC电路结构中，其每相中包含上下两个桥臂，每个桥臂由N个结构相同的子模块和一个电感器串联而成，每个子模块为半桥拓扑结构，包含两个绝缘栅双极晶体管IGBT和一组电容器。MMC稳态运行时，同一桥臂中所有子模块的电容电压之和应等于MMC的直流侧电压。因此在MMC运行之前，务必要先对各子模块的电容器进行预充电，将各子模块电容电压充电至额定电压。

针对MMC中子模块电容起动预充电的问题，专利CN101795057A《无需辅助直流电源的三相模块化多电平换流器起动方法》，专利CN102969882A《一种模块化多电平柔性直流输电换流器的启动方法》，专利CN102170140A《一种模块化多电平换流器柔性直流输电***的起动方法》，专利CN102832801A《一种模块化多电平变换器电容分组预充电的***及方法》中，分别提及了相应的起动充电控制方法，但这些方法都是依靠从交流电网吸取能量，并没有指出MMC从直流侧起动充电的方法。对于MMC在不与交流电网相连的情况下，如电力***的“黑启动”过程、电机驱动等场合，上述预充电方法将无能为力。

专利CN103078539A《一种模块化多电平换流器的充电方法》给出了一种从直流侧启动MMC的方案，该方案在直流侧带电且各子模块电容电压稳定后，通过实时判断桥臂电流的大小来决定需要投入子模块的个数，当桥臂电流高于限定值时，增加投入的模块数；相反，当桥臂电流低于限定值时，减少投入的模块数，从而在保证不引发过流的前提下使各子模块电容快速充电。然而，该方法并没有考虑MMC刚接入直流侧电源后的充电过程。此外，该方法对桥臂电流控制的精度作用完全依赖于模块数切换的速度，一旦***切换控制的速度慢，还是会引发过流故障。

发明内容

本发明是为了解决现有子模块电容预充电方法容易引发过流故障的问题，现提供一种模块化多电平换流器的子模块电容预充电方法。

一种模块化多电平换流器的子模块电容预充电方法是基于模块化多电平换流器充电装置实现的，该装置包括：直流电源、电阻和接触器；

直流电源的正极同时连接电阻的一端和接触器的常开触点的一端，电阻的另一端和接触器的常开触点的另一端同时作为模块化多电平换流器充电装置的直流电压输出端的正极，直流电源的负极作为模块化多电平换流器充电装置直流电压输出端的负极；

模块化多电平换流器每相电路均包括上下两个桥臂，每个桥臂中包括n个子模块，n为正整数，每个子模块中均包括一个电容；

所述一种模块化多电平换流器的子模块电容预充电方法包括以下步骤：

步骤一：接通模块化多电平换流器充电装置的直流电源，当模块化多电平换流器每个子模块中的电容的电压U_sm均上升到能够使每个子模块供电时，执行步骤二；

步骤二：采集位于同一桥臂中所有电容的电压，并求和获得∑U_sm1，然后执行步骤三；

步骤三：判断∑U_sm1≥0.5U_dc，是则执行步骤四，否则返回步骤二，其中U_dc为直流电源的电压；

步骤四：测量直流电压输出端的电压U_pn，将该电压U_pn与0.5U_dc作差，并将获得的差值输入PI调节器，经该PI调节器处理获得每相桥臂电流的给定信号值然后执行步骤五；

步骤五：测量每相桥臂的电流i_cir，将该电流i_cir与步骤四获得的每相桥臂电流的给定信号值作差，将获得的差值输入PI调节器，获得第一直流侧输出电压参考信号值u_{ref_pn1}，将u_{ref_pn1}输入PWM调制器，获得模块化多电平换流器的驱动信号，然后执行步骤六；

步骤六：再次采集位于同一桥臂中所有电容此时的电压并求和获得∑U_sm2，然后执行步骤七；

步骤七：判断∑U_sm2≥U_dc，是则执行步骤八，否则返回步骤四；

步骤八：闭合接触器，利用模块化多电平换流器每相桥臂所允许的最大电流I_max和每相桥臂电流i_cir作差，将获得的差值输入PI调节器，经该PI调节器处理获得第二直流侧输出电压参考信号值u_{ref_pn2}，将u_{ref_pn2}输入PWM调制器，获得模块化多电平换流器的驱动信号，然后执行步骤九；

步骤九：再次采集位于同一桥臂中所有电容此时的电压并求和获得∑U_sm3，然后执行步骤十；

步骤十：判断∑U_sm3≥2U_dc，是则完成充电，否则返回步骤八。

本发明所述的一种模块化多电平换流器子模块电容的预充电方法，控制模块化多电平换流器直流侧输出电压U_pn始终等于直流电源电压U_dc的一半，使桥臂充电电流始终能够保持稳定，从而避免了充电过程中过流故障的发生，同时保证了模块化多电平换流器能够按最大功率从直流电源吸收能量，加快了充电速度，降低了充电限流电阻上的功耗；模块化多电平换流器利用两个桥臂电感对桥臂电流进行控制；闭合接触器，控制模块化多电平换流器以***允许的最大桥臂电流I_max进行充电，进一步加快充电速度，缩短充电时间；使模块化多电平换流器在每个阶段均达到最快的充电速度，从而缩短模块化多电平换流器的整体起动时间，使充电效率提高了80％；且整个预充电过程中充电电阻的功耗降低到10％，同时使其发热降低了40％，因此能够采用体积更小的电阻型号。本发明适用于为任何模块化多电平换流器进行起动预充电。

附图说明

图1是三相模块化多电平变换器的结构示意图；

图2是单相模块化多电平变换器的结构示意图；

图3是含有一相桥臂电路的模块化多电平换流器与充电装置连接的电路结构示意图；

图4是一种模块化多电平换流器的子模块电容预充电方法的流程图；

图5是具体实施方式六中所述子模块的结构示意图；

图6是具体实施方式一中步骤五所述方法的流程框图；

图7是具体实施方式一中步骤八所述方法的流程框图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图3、图4、图6和图7具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种模块化多电平换流器的子模块电容预充电方法是基于模块化多电平换流器充电装置实现的，该装置包括：直流电源1、电阻2和接触器3；

直流电源1的正极同时连接电阻2的一端和接触器3的常开触点的一端，电阻2的另一端和接触器3的常开触点的另一端同时作为模块化多电平换流器充电装置的直流电压输出端的正极，直流电源1的负极作为模块化多电平换流器充电装置直流电压输出端的负极；

模块化多电平换流器每相电路均包括上下两个桥臂，每个桥臂中包括n个子模块，n为正整数，每个子模块中均包括一个电容；

所述一种模块化多电平换流器的子模块电容预充电方法包括以下步骤：

步骤一：接通模块化多电平换流器充电装置的直流电源1，当模块化多电平换流器每个子模块中的电容的电压U_sm均上升到能够使每个子模块供电时，执行步骤二；

步骤二：采集位于同一桥臂中所有电容的电压，并求和获得∑U_sm1，然后执行步骤三；

步骤三：判断∑U_sm1≥0.5U_dc，是则执行步骤四，否则返回步骤二，其中U_dc为直流电源1的电压；

步骤四：测量直流电压输出端的电压U_pn，将该电压U_pn与0.5U_dc作差，并将获得的差值输入PI调节器，经该PI调节器处理获得每相桥臂电流的给定信号值然后执行步骤五；

步骤五：测量每相桥臂的电流i_cir，将该电流i_cir与步骤四获得的每相桥臂电流的给定信号值作差，将获得的差值输入PI调节器，获得第一直流侧输出电压参考信号值u_{ref_pn1}，将u_{ref_pn1}输入PWM调制器，获得模块化多电平换流器的驱动信号，然后执行步骤六；

步骤六：再次采集位于同一桥臂中所有电容此时的电压并求和获得∑U_sm2，然后执行步骤七；

步骤七：判断∑U_sm2≥U_dc，是则执行步骤八，否则返回步骤四；

步骤八：闭合接触器3，利用模块化多电平换流器每相桥臂所允许的最大电流I_max和每相桥臂电流i_cir作差，将获得的差值输入PI调节器，经该PI调节器处理获得第二直流侧输出电压参考信号值u_{ref_pn2}，将u_{ref_pn2}输入PWM调制器，获得模块化多电平换流器的驱动信号，然后执行步骤九；

步骤九：再次采集位于同一桥臂中所有电容此时的电压并求和获得∑U_sm3，然后执行步骤十；

步骤十：判断∑U_sm3≥2U_dc，是则完成充电，否则返回步骤八。

步骤四中，控制模块化多电平换流器直流侧输出电压U_pn始终等于直流电源1电压U_dc的一半，从而保证模块化多电平换流器能够按最大功率从直流电源1吸收能量，加快充电速度，降低充电限流电阻2上的功耗。

步骤八中，当∑U_sm2≥U_dc时，模块化多电平换流器能够利用两个桥臂电感对桥臂电流进行控制；闭合接触器3，令电阻2旁路，控制模块化多电平换流器以每相桥臂所允许的最大电流I_max进行充电，进一步加快充电速度，缩短充电时间。

模块化多电平换流器在充电时，模块化多电平变换器每相电路的电压输入端均连接模块化多电平换流器充电装置的直流电压输出端的正极，模块化多电平变换器每相电路的电压输出端均连接模块化多电平换流器充电装置的直流电压输出端的负极。

模块化多电平换流器包括三相模块化多电平换流器和单相模块化多电平换流器，三相模块化多电平换流器的拓扑结构，如图1所示；单相模块化多电平换流器的拓扑结构如图2所示；每个子模块的辅助供电电路均从各自的电容上取电。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种模块化多电平换流器的子模块电容预充电方法作进一步说明，本实施方式中，步骤四所述桥臂电流的给定信号值的表达式为：

$I_{cir}^{*}=(K_{p1}+\frac{K_{i1}}{s})(U_{pn}-0.5U_{dc})---\left(1\right)$

其中，K_p1表示PI调节器的第一比例系数，K_i1表示PI调节器的第一积分系数。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种模块化多电平换流器的子模块电容预充电方法作进一步说明，本实施方式中，步骤五所述第一直流侧输出电压参考信号值u_{ref_pn1}的表达式为：

$u_{ref\_pn1}=(K_{p2}+\frac{K_{i2}}{s})(i_{cir}-I_{cir}^{*})---\left(2\right)$

其中，K_p2表示PI调节器的第二比例系数，K_i2表示PI调节器的第二积分系数。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种模块化多电平换流器的子模块电容预充电方法作进一步说明，本实施方式中，步骤八所述第二直流侧输出电压参考信号值u_{ref_pn2}的表达式为：

$u_{ref\_pn2}=(K_{p3}+\frac{K_{i3}}{s})(i_{cir}-I_{\max })---\left(3\right)$

其中，K_p3表示PI调节器的第三比例系数，K_i3表示PI调节器的第三积分系数。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一、二、三或四所述的一种模块化多电平换流器的子模块电容预充电方法作进一步说明，本实施方式中，所述模块化多电平变换器每相电路均包括上桥臂4、下桥臂7、第一电感5和第二电感6，上桥臂4的电压输出端连接第一电感5的一端，第一电感5的另一端连接第二电感6的一端，第二电感6的另一端连接下桥臂7的电压输入端，上桥臂4的电压输入端作为该相电路的电压输入端，下桥臂7的电压输出端作为该相电路的电压输出端；上桥臂4和下桥臂7的结构完全相同；

所述上桥臂4包括n个完全相同的子模块，n个子模块依次串联，第一个子模块的电压输入端作为上桥臂的电压输入端，第n个子模块的电压输出端作为上桥臂的电压输出端。

具体实施方式六：参照图5具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一、二、三或四所述的一种模块化多电平换流器的子模块电容预充电方法作进一步说明，本实施方式中，所述每个子模块均包括：电容8、第一绝缘栅双极型晶体管9和第二绝缘栅双极型晶体管10，电容8的一端连接第一绝缘栅双极型晶体管9的电压输入端，电容8的另一端连接第二绝缘栅双极型晶体管10的电压输出端，第一绝缘栅双极型晶体管9的电压输出端连接第二绝缘栅双极型晶体管10的电压输入端，第二绝缘栅双极型晶体管10的电压输入端作为该子模块的电压输入端，第二绝缘栅双极型晶体管10的电压输出端作为该子模块的电压输出端。

Claims (3)

1.一种模块化多电平换流器的子模块电容预充电方法，该方法是基于模块化多电平换流器充电装置实现的，该装置包括：直流电源（1）、电阻（2）和接触器（3）；

直流电源（1）的正极同时连接电阻（2）的一端和接触器（3）的常开触点的一端，电阻（2）的另一端和接触器（3）的常开触点的另一端同时作为模块化多电平换流器充电装置的直流电压输出端的正极，直流电源（1）的负极作为模块化多电平换流器充电装置直流电压输出端的负极；

模块化多电平换流器每相电路均包括上下两个桥臂，每个桥臂中包括n个子模块，n为正整数，每个子模块中均包括一个电容；

其特征在于，所述一种模块化多电平换流器的子模块电容预充电方法包括以下步骤：

步骤一：接通模块化多电平换流器充电装置的直流电源（1），当模块化多电平换流器每个子模块中的电容的电压U_sm均上升到能够使每个子模块供电时，执行步骤二；

步骤二：采集位于同一桥臂中所有电容的电压，并求和获得∑U_sm1，然后执行步骤三；

步骤三：判断∑U_sm1≥0.5U_dc，是则执行步骤四，否则返回步骤二，其中U_dc为直流电源（1）的电压；

步骤四：测量直流电压输出端的电压U_pn，将该电压U_pn与0.5U_dc作差，并将获得的差值输入PI调节器，经该PI调节器处理获得每相桥臂电流的给定信号值然后执行步骤五；

步骤五：测量每相桥臂的电流i_cir，将该电流i_cir与步骤四获得的每相桥臂电流的给定信号值作差，将获得的差值输入PI调节器，获得第一直流侧输出电压参考信号值u_{ref_pn1}，将u_{ref_pn1}输入PWM调制器，获得模块化多电平换流器的驱动信号，然后执行步骤六；

步骤六：再次采集位于同一桥臂中所有电容此时的电压并求和获得∑U_sm2，然后执行步骤七；

步骤七：判断∑U_sm2≥U_dc，是则执行步骤八，否则返回步骤四；

步骤八：闭合接触器（3），利用模块化多电平换流器每相桥臂所允许的最大电流I_max和每相桥臂电流i_cir作差，将获得的差值输入PI调节器，经该PI调节器处理获得第二直流侧输出电压参考信号值u_{ref_pn2}，将u_{ref_pn2}输入PWM调制器，获得模块化多电平换流器的驱动信号，然后执行步骤九；

步骤九：再次采集位于同一桥臂中所有电容此时的电压并求和获得∑U_sm3，然后执行步骤十；

步骤十：判断∑U_sm3≥2U_dc，是则完成充电，否则返回步骤八。

2.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器的子模块电容预充电方法，其特征在于，所述模块化多电平变换器每相电路均包括上桥臂（4）、下桥臂（7）、第一电感（5）和第二电感（6），上桥臂（4）的电压输出端连接第一电感（5）的一端，第一电感（5）的另一端连接第二电感（6）的一端，第二电感（6）的另一端连接下桥臂（7）的电压输入端，上桥臂（4）的电压输入端作为该相电路的电压输入端，下桥臂（7）的电压输出端作为该相电路的电压输出端；上桥臂（4）和下桥臂（7）的结构完全相同；

所述上桥臂（4）包括n个完全相同的子模块，n个子模块依次串联，第一个子模块的电压输入端作为上桥臂的电压输入端，第n个子模块的电压输出端作为上桥臂的电压输出端。

3.根据权利要求1或2所述的一种模块化多电平换流器的子模块电容预充电方法，其特征在于，所述每个子模块均包括：电容（8）、第一绝缘栅双极型晶体管（9）和第二绝缘栅双极型晶体管（10），电容（8）的一端连接第一绝缘栅双极型晶体管（9）的电压输入端，电容（8）的另一端连接第二绝缘栅双极型晶体管（10）的电压输出端，第一绝缘栅双极型晶体管（9）的电压输出端连接第二绝缘栅双极型晶体管（10）的电压输入端，第二绝缘栅双极型晶体管（10）的电压输入端作为该子模块的电压输入端，第二绝缘栅双极型晶体管（10）的电压输出端作为该子模块的电压输出端。