CN110739839B - 一种特高压柔性直流全桥半桥混合换流器充电方法 - Google Patents

一种特高压柔性直流全桥半桥混合换流器充电方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种特高压柔性直流全桥半桥混合换流器充电方法，所述全桥半桥混合换流器的每一个相单元包括上下两个桥臂单元，每个桥臂单元主要由全桥子模块和半桥子模块串联而成，所述方法包括：直流侧短接充电方式下触发全桥模块内的功率器件T2或T3，直流侧不短接充电方式下不可控充电阶段触发全桥模块内的率器件T1或T4，可控充电阶段通过触发全桥模块内的功率器件T1、T3或T2、T4，以提高全桥和半桥模块电容电压直至所有模块达到额定电压。本方法通过直流侧短接充电方式下触发全桥模块内特定功率器件T2或T3，只需下发模块功率器件触发命令，而无需引入交流电压等测量量，无需增加额外判据，即可实现全桥和半桥模块均能上电正常工作。

Description

一种特高压柔性直流全桥半桥混合换流器充电方法
技术领域
本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种特高压柔性直流全桥半桥混合换流器充电方法。
背景技术
模块化多电平换流器高压直流输电(modular multilevel converter basedHVDC，MMC-HVDC)作为一种新型输电技术，凭借其模块化、低谐波含量、低损耗等优点，在大规模风电场并网、电网互联、直流输电等方面已广泛应用。目前国内外已有多项柔性直流工程投运，如国内的鲁西背靠背直流、南澳三端柔性直流示范工程、美国的Trans Bay Cable工程等，近年来柔性直流输电技术迅猛发展，已迈入特高压大容量柔性直流输电发展阶段。
全桥与半桥模块混合的MMC-HVDC***如附图1所示，每个相单元由上下两个桥臂单元组成，每个桥臂单元由n个子模块串联组成，模块内部结构可以为半桥模块也可以为全桥模块，全桥与半桥模块比例不受限制，该半桥子模块包括T1和T2两个IGBT功率器件，对应并接T1和T2上的D1和D2两个反并联二极管及一电容C，该全桥子模块包括按照逆时针依次连接的T1、T2、T3、T4四个IGBT功率器件，对应并接T1、T2、T3、T4上的D1、D2、D3、D4四个反并联二极管及一电容C,L为桥臂电抗、Udc为直流电压。
为进一步提升柔性直流输电***传输容量和电压等级，特高压柔性直流输电工程采用两个阀组单元串联构成一极的对称双极***主接线方式。为了使得换流器具有直流故障清除能力，并降低功率器件运行损耗，桥臂采用基于半桥和全桥子模块的混合型换流器，具有广阔的应用前景。
子模块的工作依赖于模块内自取能电源，在充电的初始阶段模块内电容电压较低，自取能电源无法启动，模块无法正常工作，因此采取合理的充电策略让所有模块能正常工作是换流阀运行的前提。柔性直流换流器充电模式主要有直流侧短接充电和直流侧不短接充电两种，直流侧短接充电是为特高压柔性直流阀组在线投入做好解锁前准备，在不控充电阶段为使半桥模块能充电需要在全桥模块上电后切除部分全桥模块，现有文献研究需采集各相相电压瞬时值并进行排序找出合适的桥臂切除模块，但阀控装置引入交流电压测量量，增加了设备运行风险。直流侧不短接充电是柔性直流换流器常用的充电方式，有文献提出了三段式充电策略，通过触发模块内特定功率器件切除部分模块，使模块电压可充电至额定值，但在整个充电过程中保持特定功率器件触发一段时间增加了功率器件损耗，影响器件使用寿命。在申请中，切除的定义是指：切除模块使模块电容不串联入充电回路中充电。
因此，有必要对半桥和全桥子模块混合型换流器的充电策略进行深入研究，为实际工程设计提供参考。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种特高压柔性直流全桥半桥混合换流器充电方法，以在直流侧短接或不短接充电方式下，通过触发全桥模块内特定功率器件可使半桥模块上电正常工作，并通过轮换触发全桥模块内特定功率器件，达到降低模块损耗的目的。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种特高压柔性直流全桥半桥混合换流器充电方法，所述全桥半桥混合换流器包括A、B、C三相单元，每一个相单元包括上下两个桥臂单元，每个桥臂单元主要由全桥子模块和半桥子模块串联而成，全桥与半桥模块比例不受限制，所述半桥子模块包括T1和T2两个IGBT功率器件，对应并接T1和T2上的D1和D2两个反并联二极管及一电容C，所述全桥子模块包括按照逆时针依次连接的T1、T2、T3、T4四个IGBT功率器件，对应并接T1、T2、T3、T4上的D1、D2、D3、D4四个反并联二极管及一电容C，所述方法包括：
直流侧短接充电方式下不可控充电和可控充电阶段触发全桥模块内的功率器件T2或T3，直流侧不短接充电方式下不可控充电阶段触发全桥模块内的率器件T1或T4，可控充电阶段通过触发全桥模块内的功率器件T1、T3或T2、T4，以提高全桥和半桥模块电容电压直至所有模块达到额定电压。
进一步地，所述的特高压柔性直流全桥半桥混合换流器充电方法还包括：
直流侧短接充电方式下不可控充电和可控充电阶段前后两周波轮流触发全桥模块内的功率器件T2和T3，直流侧不短接充电方式下不可控充电阶段前后两周波轮流触发全桥模块内的功率器件T1和T4，可控充电阶段前后两周波轮流触发全桥模块内的功率器件T1、T3和T2、T4。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)直流侧短接充电方式下触发全桥模块内特定功率器件T2或T3，只需下发模块功率器件触发命令，而无需引入交流电压等测量量，无需增加额外判据，即可实现全桥和半桥模块均能上电正常工作。
(2)直流侧短接充电方式下前后两周波轮流触发T2和T3，直流侧不短接充电方式下不可控充电阶段前后两周波轮流触发T1和T4，可控充电阶段前后两周波轮流触发T1、T3和T2、T4，通过功率器件前后周波的轮流触发，不会出现某一功率器件长时间保持触发导通状态，可达到降低模块器件损耗的目的。
附图说明
图1为全桥与半桥模块混合的MMC-HVDC***的组成示意图；
图2为直流侧短接方式充电等效回路；
图3为直流侧短接充电方式下被切除模块和充电模块电流回路；
图4为直流侧不短接方式充电等效回路图；
图5为直流侧不短接充电方式下不可控充电被切除模块和充电模块电流回路图；
图6为直流侧不短接充电方式下可控充电被切除模块和充电模块电流回路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
在本实施例中，桥臂全桥与半桥模块混合的MMC-HVDC***如附图1所示，其直流侧短接方式充电等效回路如附图2所示，假设交流侧A相电压最高，B相电压最低，不控充电阶段存在由A相上桥臂通过直流短接线经B相下桥臂返回(1号箭头路径)，及由A相下桥臂通过直流短接线经B相上桥臂返回两条充电回路(2号箭头路径)，其中Usa、Usb、Usc分别表示交流侧ABC三相电压，P、N分别表示直流侧的正极与负极。由于A相下桥臂直流电容上的压降总和大于A相上桥臂的直流压降总和，则A相下桥臂中的反并联二极管因承受反压而关断，充电电流仅从A相上桥臂流过，A相下桥臂支路断开，即仅1号箭头充电路径上的模块电容可被充电，则桥臂中半桥模块电容无法充电模块无法正常工作。三相电压交替变化，当其他相电压最高或最低时充电路径分析方法类似。
为使半桥模块电容也能充电，不控充电阶段通过触发A相下桥臂和B相上桥臂电容电压最高的全桥模块内特定功率器件，切除一定数量的全桥模块可降低A相下桥臂和B相上桥臂中反并联二极管所承受反压，从而使充电回路切换至2号箭头充电路径。如附图3所示，触发被切除全桥模块的T2电流流经模块的T2和D4，触发被切除模块的T3电流流经模块的T3和D1，充电的全桥模块中电流流经D2和D3，半桥模块通过触发T2切除模块，触发T2被切除模块电流流经T2，充电的半桥模块电流流经D1。通过T2和T3前后两周波轮流触发，可保持电流流经A相下桥臂和B相上桥臂的箭头路径，且T2和T3轮流触发可降低模块器件损耗。其他桥臂处理方法类似，三相电压交替变化，充电路径有共同的规律，即充电电流从相电压高的下桥臂流入经相电压低的上桥臂回流交流***。可控充电阶段，根据桥臂中所有模块电容电压由高到低的排序结果，切除更多电压较高的模块，可进一步提高模块电容电压。全桥模块仍通过前后两周波轮流触发T2和T3切除模块；半桥模块通过触发T2切除模块，触发T2电流流经切除模块的T2，充电的半桥模块电流流经D1，直至所有模块达到额定电容电压值。
直流不短接充电方式下不控充电阶段充电等效回路如附图4所示，以AB相充电回路为例，存在A相上桥臂经B相上桥臂返回的1号箭头路径，及由A相下桥臂经B相下桥臂返回的2号箭头路径两条充电回路，其中Usa、Usb、Usc分别表示交流侧ABC三相电压，P、N分别为直流侧的正极与负极。因全桥模块充电时间是半桥模块充电时间的两倍，全桥模块电容电压是半桥模块的两倍。为提高半桥模块电容电压，可触发所有全桥模块的特定功率器件如附图5所示。触发全桥模块T1电流流经切除模块的T1和D3，充电的全桥模块电流流经D1和D4；触发全桥模块T4电流流经切除模块的T4和D2，充电的全桥模块电流流经D1和D4。通过T1和T4前后两周波轮流触发，可使全桥模块和半桥模块充电时间一致提高半桥模块电容电压，且T2和T3轮流触发可降低模块器件损耗。
为进一步提高模块电容电压，根据桥臂中所有模块电容电压由高到低的排序结果，切除更多电压较高的模块，全桥模块通过前后两周波轮流触发T1、T3和T2、T4切除模块，如附图6所示，触发T1、T3被切除模块电流流经T1和D3，触发T2、T4被切除模块电流流经D2和T4，充电模块电流回路与附图5中相同。半桥模块通过触发T2切除模块，触发T2电流流经切除模块的T2，充电的半桥模块电流流经D1，直至所有模块达到额定电容电压值。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种特高压柔性直流全桥半桥混合换流器充电方法，所述全桥半桥混合换流器包括A、B、C三相单元，每一个相单元包括上下两个桥臂单元，每个桥臂单元主要由全桥子模块和半桥子模块串联而成，所述半桥子模块包括T1和T2两个IGBT功率器件，对应并接T1和T2上的D1和D2两个反并联二极管及一电容C，所述全桥子模块包括按照逆时针依次连接的T1、T2、T3、T4四个IGBT功率器件，对应并接T1、T2、T3、T4上的D1、D2、D3、D4四个反并联二极管及一电容C，其特征在于，所述方法包括：
直流侧短接充电方式下可控充电和不可控充电阶段触发全桥模块内的功率器件T2或T3，直流侧不短接充电方式下不可控充电阶段触发全桥模块内的功率器件T1或T4，可控充电阶段通过触发全桥模块内的功率器件T1、T3或T2、T4，以提高全桥和半桥模块电容电压直至所有模块达到额定电压；
所述方法还包括：
直流侧短接充电方式下可控充电和不可控充电阶段前后两周波轮流触发全桥模块内的功率器件T2和T3，直流侧不短接充电方式下不可控充电阶段前后两周波轮流触发全桥模块内的功率器件T1和T4，可控充电阶段前后两周波轮流触发全桥模块内的功率器件T1、T3和T2、T4。
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