CN104734484A - 钳位双子模块模块化多电平换流器的简易启动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钳位双子模块模块化多电平换流器的简易启动方法，本发明启动过程分3个阶段，第一阶段为不控整流充电，第二阶段为导通引导IGBT继续充电，第三阶段为解锁利用直流电压闭环控制器完成充电。该方法相对于现有方法更适合于工程应用，不需长时间使用软启电阻，且消除了模块电容电压过充电的危险。

Description

钳位双子模块模块化多电平换流器的简易启动方法
技术领域
本发明涉及一种钳位双子模块模块化多电平换流器的简易启动方法。
背景技术
随着全控型电力电子器件的发展和电力电子技术在电力***中的应用，基于电压源换流器的柔性直流输电技术日益受到重视。模块化多电平换流器(Modular multilevel converter，MMC)是柔性直流输电***应用中电压源换流器的一种，它由多个子模块按照一定的方式连接而成，通过分别控制各个子模块IGBT组件的投入和切除状态使换流器输出的交流电压逼近正弦波，实现能量的高效传输。
由钳位双子模块(Clamp Double Sub-Module)构成的模块化多电平换流器(C-MMC)被提出，如图1所示，其能通过闭锁所有IGBT器件，利用二极管的反向阻断能力迅速完成闭锁过程，无需交流断路器动作即可实现直流故障自清除。且相对于同样具备直流故障自清除能力的全桥子模块MMC，C-MMC使用更少的功率器件，减小了运行损耗，具有较高的经济效益。
浙江大学《柔性直流输电***》一书中曾提出了C-MMC的启动策略，在不控整流充电至稳定后，利用直流电压控制器结合调制均衡策略继续充电。控制器采用双闭环矢量解耦控制结构，选取合理限幅环节；电压控制采用斜率控制方式；子模块在电容电压均衡策略的作用下，周期性地改变投切状态进行充放电，使所有子模块充电至设定值。该方法需要长时间投入软启电阻，加大了工程成本。
该书中提出的另一方案，根据桥臂电流极性，以桥臂为单元进行充电的方法。当桥臂电流为正，则旁路该桥臂内所有子模块；当桥臂电流为负，则闭锁该桥臂内所有子模块，对其进行充电。重复该步骤至所有子模块充电到设定值。该方法存在模块电容电压过充电的危险。
发明内容
本发明的目的是提供一种钳位双子模块模块化多电平换流器的简易启动方法，该方法相对于现有方法更适合于工程应用，不需长时间使用软启电阻，且消除了模块电容电压过充电的危险。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
一种钳位双子模块模块化多电平换流器的简易启动方法，步骤如下：第一阶段：对换流器进行不控整流充电，直到各双子模块具有可控性；第二阶段：导通引导IGBT，充电稳定状态子模块电压充电至设定倍额定电压；第三阶段：解锁运行，利用直流电压闭环控制器完成充电。
所述充电稳定状态子模块电压充电至0.7倍额定电压。
H-MMC通用启动方法为先进行不控整流充电至稳定(约0.75pu)，后直接解锁利用直流电压闭环控制器继续充电，充电完成后即进入正常运行。
本发明仿照H-MMC启动方法来完成C-MMC的启动，便于将H-MMC的工程经验移植到C-MMC上。
启动过程分为三个阶段，第一阶段为不控整流充电，第二阶段为导通引导IGBT继续充电，第三阶段为解锁后利用直流电压闭环控制器完成充电。
第一阶段进行不控整流充电至稳定。由于钳位双子模块的闭锁特性不同于半桥子模块，导致其不控整流充电率较低，需要辅助充电策略继续进行充电。下文对两种子模块的不控整流充电的充电率进行分析。
定义从直流侧正端到直流侧负端为桥臂电流的正方向(即子模块电流正方向)。处于闭锁状态的子模块等效电路与充电电流方向相关，如图3所示。
钳位双子模块对外等效为电容Csm与二极管串联形式，二极管方向与电流流通方向相同。当桥臂电流为正时，钳位双子模块的端口电压为两个电容电压和；当桥臂电流为负时，钳位双子模块的端口电压为负的单个电容电压。
由上可知，当桥臂电流为正时，桥臂电压为2N倍电容电压(即电容电压总和)；当桥臂电流为负时，桥臂电压为-N倍电容电压。其中N为每桥臂钳位双子模块的个数。
对应半桥子模块当桥臂电流为正时，桥臂电压为2N倍电容电压(即电容电压总和)；当桥臂电流为负时，桥臂电压为零。(为对比，每桥臂取2N个半桥子模块)。
由此可知C-MMC拓扑中，AB相间电压为3N个子模块电容充电。整个A，B两相的充电回路及其简化充电回路如图4所示。而半桥子模块MMC(H-MMC)拓扑中，AB相间电压仅为2N个子模块电容充电。故C-MMC拓扑的充电率较H-MMC拓扑低。
C-MMC拓扑不控整流充电的模块稳态电压为对应H-MMC拓扑值为其中Um阀侧线电压峰值。子模块电容电压额定值均为Uc(rat)＝Udc/2N。由η＝Uc(max)/Uc(rat)，按***调制度0.85可以计算C-MMC拓扑充电率约为0.49，H-MMC拓扑充电率约为0.74。
即单纯依靠二极管不控整流回路对模块电容充电，能充到额定电压的一半。该电压可以为自取电的控制单元提供稳定的电源，便于使用辅助启动控制策略继续进行充电。
第二阶段为导通引导IGBT继续充电，待基本稳定时切除软启电阻，继续充电至稳态。
如图5所示，将引导IGBT导通，两个半桥模块单元均处于闭锁状态后，当桥臂电流为正，则桥臂电压为2N倍电容电压，当桥臂电流为负时，桥臂电压为零。
导通引导IGBT后充电至稳定，能够将子模块电容电压充电至0.74pu。与H-MMC拓扑不控整流充电充电率相同。
第三阶段为解锁后利用直流电压闭环控制器完成充电。
附图说明
图1为钳位双子模块模块化多电平换流器结构图；
图2为钳位双子模块拓扑；
图3a)、b)分别为全闭锁充电电流方向不同时的子模块等效电路；
图4为A、B相间等效充电回路；
图5a)、b)分别为仅导通引导IGBT，充电电流方向不同时的子模块等效电路；
图6为软启过程直流场、交流场仿真波形；
图7为软启过程阀内场仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
钳位双子模块拓扑如图2所示，由两个半桥子模块单元通过两个钳位二极管和一个引导IGBT(To)连接构成。
每个半桥子模块单元有3种开关状态，投入状态(T11通，T12断；T21通，T22断)、切出状态*(T11断，T12通；T21断，T22通)、闭锁状态(两管均断)；引导IGBT分为通断两种状态。前文“切除”指，将子模块或半桥子模块单元的输出电压控制为零，即达到模块电容不参与充电的效果；由于当引导IGBT关断时，桥臂电流为负时，半桥子模块单元处于切出状态并不能产生切除效果，故将T11断，T12通的状态定义为“切出状态”，以作区分。
提高充电率的本质是增大相间回路的等效电容值，即减少同一时刻充电的电容个数。因此本发明仅关注半桥子模块单元的切出状态和闭锁状态，以及引导IGBT的通断状态。本发明下述分析均不包含半桥子模块单元的投入状态，其他对应的工作模式汇总于表1。
表1钳位双子模块的工作模式汇总
*工作模式注释：
工作模式1为两个半桥子模块单元均为切出状态，且引导IGBT导通；
工作模式2为两个半桥子模块单元均为闭锁状态，且引导IGBT导通；
工作模式3为两个半桥子模块单元为一个切出一个闭锁状态，且引导IGBT导通；
工作模式4为两个半桥子模块单元均为切出状态，且引导IGBT关断；
工作模式5为两个半桥子模块单元均为闭锁状态，且引导IGBT关断；
工作模式6为两个半桥子模块单元为一个切出一个闭锁状态，且引导IGBT关断。
如图5所示，当仅导通引导IGBT，闭锁2个半桥模块单元时，当桥臂电流为正时，钳位双子模块的端口电压为两个电容电压和；当桥臂电流为负时，钳位双子模块的端口电压为零。
当桥臂电流为正时，桥臂电压为2N倍电容电压(即电容电压总和)；当桥臂电流为负时，桥臂电压为零。该特性与H-MMC拓扑的不控整流充电效果相同，因此可以仿照H-MMC拓扑的启动方式来完成C-MMC拓扑的启动。
启动过程分为三个阶段，第一阶段为不控整流充电，第二阶段为导通引导IGBT继续充电，第三阶段为解锁后利用直流电压闭环控制器完成充电。
第一阶段进行不控整流充电至稳定。由于钳位双子模块不控整流充电率较低，需要辅助充电策略继续进行充电。
第二阶段将引导IGBT导通，相间充电回路的被充电电容个数由3N减少到2N个，使子模块电容能够继续充电。基本稳定后，切除软启电阻使充电率达到与半桥拓扑一致的0.75pu。
第三阶段为解锁并利用直流电压闭环控制器完成充电。
为了证明方法的可行性，对钳位双子模块***的启动方法进行了仿真验证。
仿真***是采用额定直流电压为400kV，额定有功传输功率为100MW的21电平模型。其中，额定交流阀侧电压为208.2kV，仿真周期为12.5us，控制周期为50us。每个桥臂由10个钳位双子模块构成，每个子模块的电容电压为20000V。软启电阻阻值确定为2600ohm。
如图6和图7可知，在0-0.3s时间段，C-MMC模型进行自然软启充电，子模块电容电压充至约8000V左右(0.4pu)，该电压值已经具备了子模块控制单元自取电的供电需求。
在0.3s时刻，C-MMC模型导通全部模块的引导IGBT。在1.2s时刻，切除软启电阻，子模块继续充电至15000V(0.75pu)，具备了解锁运行的条件。
在1.5s时刻，解锁并利用直流电压闭环控制器完成充电。并于2s时刻进行斜坡提升无功功率至-20MVar。
仿真波形中，整个充电过程启动正常，无过压过流故障的发生。由此验证了该方法的可实现性。与一般方法相比，本发明以下为两点明显区别：区别1：一般启动方法需要进行子模块切除，简易启动方法不需要。区别2：一般启动方法能够在解锁前将子模块充电至额定电压，简易启动方法在解锁前只将子模块充电至0.7倍额定电压，利用闭环控制完成子模块充电。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种钳位双子模块模块化多电平换流器的简易启动方法，其特征在于，步骤如下：
1)第一阶段：对换流器进行不控整流充电，直到各双子模块具有可控性；
2)第二阶段：导通引导IGBT，充电稳定状态子模块电压充电至设定倍额定电压；
3)第三阶段：解锁运行，利用直流电压闭环控制器完成充电。
2.根据权利要求1所述的钳位双子模块模块化多电平换流器的简易启动方法，其特征在于，所述充电稳定状态子模块电压充电至0.7倍额定电压。
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