CN112366745A - 一种集中式模块化DC Chopper拓扑及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种集中式模块化DC Chopper拓扑及控制方法，所述拓扑为半桥、全桥混合型集中式模块化DC Chopper拓扑，该拓扑中每个桥臂由N个含平衡电阻的半桥子模块、M个全桥子模块与耗能电阻组成。相较于仅由半桥或全桥组成的集中式模块化DC Chopper，具有良好的经济性。该拓扑能够保证主网侧发生短路故障时，柔性直流输电***在MMC不闭锁的情况下安全稳定运行，有利于故障切除后，***快速恢复，同时利用含平衡电阻的半桥子模块能够实现子模块之间的电压均衡。该拓扑尤其适用于处理大容量、高电压等级的柔性直流输电***发生的较严重短路故障，能够有效应用于风电并网的柔性直流输电***，安装于主网侧。

Description

一种集中式模块化DC Chopper拓扑及控制方法

技术领域

本发明属于电力电子***技术领域，更具体地，涉及一种应用于风电并网的柔性直流输电***主网侧故障穿越的半桥/全桥混合的集中式模块化DC Chopper的拓扑，所述DC Chopper是指直流斩波电路。

背景技术

风电场经过柔性直流输电***并入电网，当主网侧发生电压跌落故障时，由于柔性直流输电***具有一定的隔离作用，可以避免风电场侧受故障影响而造成风机脱网影响。但电网侧模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)输出功率受阻，而风电场侧MMC仍不断向直流线路注入有功功率，这时，就会在直流线路上产生盈余功率，并导致直流输电线路电压不断上升，从而触发直流线路过电压保护动作。若直流线路过电压保护动作，柔性直流输电***需要长时间才能恢复运行。为解决上述问题，需要在直流线路上并联DC Chopper来耗散故障期间的盈余功率，来避免直流电压不断上升，从而提高柔性直流输电***面对电网侧短路故障的故障穿越能力。基于经济性的考量，DC Chopper通常装设在电网侧MMC直流出口处。

目前DC Chopper分为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)直串式、分布式模块化拓扑和集中式模块化拓扑三种。其中，由于IGBT直串式存在器件之间存在动静态均压问题，同时，还会造成直流***较大的功率波动，影响故障穿越性能；而分布式模块化拓扑采用模块化结构降低了直流***的功率波动，但其冷却装置是分布式的，极大地增加了设备的造价；集中式模块化拓扑综合了两者的优点，一方面，该拓扑采用模块化结构，降低了直流***功率波动，同时也避免了开关管IGBT的直接串联，另一方面，该拓扑仅需要采用集中式水冷装置，成本较低，但该拓扑的缺点是需要采用大量的IGBT器件，又增加了成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于风电并网的柔性直流输电***主网侧故障穿越的半桥、全桥混合的集中式模块化DC Chopper的拓扑及其控制策略。相较于仅由半桥或全桥组成的集中式模块化DC Chopper，该拓扑具有良好的经济性，同时能够保证主网侧发生短路故障时，柔性直流输电***在MMC不闭锁的情况下安全稳定运行，有利于故障切除后，***快速恢复。该拓扑尤其适用于处理大容量、高电压等级的柔性直流输电***发生的较严重短路故障。

为此，根据本发明的一个方面，本发明采用以下技术方案：

一种集中式模块化DC Chopper拓扑，安装于柔性直流输电***主网侧，其特征在于：它是半桥、全桥混合的集中式模块化DC Chopper拓扑，具有以下电路结构：

每个桥臂一端连接至直流线路，另一端接地，直流线路、限流电抗器、N个含平衡电阻的半桥子模块、M个全桥子模块、耗能电阻、地依次连接，其中N和M为自然数，且N≥1，M＞1；全桥子模块和半桥子模块电容的正极端方向一致，均靠近直流线路和地之间电压高的一侧，且全桥子模块和半桥子模块的电容值相同；半桥子模块的电容两端并联了开关器件T3和平衡电阻串联支路；

其中，半桥子模块中电容正极侧的开关器件为T11，负极侧的开关器件为T12；全桥子模块中电流输入端的电容正极侧的开关器件为T21，负极侧的开关器件为T22，电流输出端的电容正极侧开关器件为T23，电容负极侧开关器件为T24。

所述全桥子模块和半桥子模块中，由于桥臂电流的单向性，每个全桥子模块省略掉开关管T21和T24，每个半桥子模块省略掉开关管T11，仅保留其反并联二极管即可。

根据本发明的第二个方面，本发明采用以下技术方案：

一种前述集中式模块化DC Chopper拓扑的控制方法，包括启动充电、正常运行、故障穿越以及故障恢复四个过程，其特征在于，启动充电、故障穿越和故障恢复包括以下步骤：

(一)启动充电包括以下步骤：

步骤1-1：在***启动过程中，所有全桥子模块和所有半桥子模块均闭锁，为所有全桥子模块和半桥子模块的电容充电；

步骤1-2：待直流线路电压充至额定值时，所有全桥子模块由闭锁状态转至正向投入状态，所有半桥子模块由闭锁状态转至投入状态；

步骤1-3：检测各个半桥子模块电容电压是否超过额定值，若超过额定值，则将半桥子模块由投入状态转至电容平衡状态，直至半桥子模块电容电压恢复额定值，再将半桥子模块恢复至投入状态；

(二)故障穿越和故障恢复包括以下步骤：

步骤2-1：检测直流电压是否超过上限值V_dcmax或者是否检测到交流侧继电保护发出故障信号，若未检测到故障，则该装置运行在正常运行状态，并循环执行步骤2-1；若检测到故障，转至步骤2-2；

步骤2-2：切除所有的半桥子模块；

步骤2-3：根据需要耗散的功率以及桥臂子模块电容总能量，生成故障穿越期间的桥臂PWM波进行控制；

步骤2-4：分别计算需要正向投入和反向投入的全桥子模块的个数，将全桥子模块按电容电压进行排序，自电容电压小至电容电压大的顺序投入需要正向投入数量的全桥子模块，自电容电压大至电容电压小的顺序投入需要反向投入数量的全桥子模块；

步骤2-5：检测直流电压是否低于下限值V_dcmin或者是否检测到交流侧继电保护发出的故障恢复信号，若未检测到故障恢复，转至步骤2-3；若检测到故障恢复，则进入步骤2-6；

步骤2-6：投入所有的半桥子模块，并检测半桥子模块中电容电压是否超过了额定值，若超过额定值，则使电容电压超过额定值的半桥子模块进入电容平衡模式，直至电容电压降至额定值附近；当电容电压在额定值附近时，转至步骤2-1。

进一步地，故障穿越期间的桥臂电压采用脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，PWM)进行控制，其中PWM的负半波幅值为-0.2V_dc，正半波幅值大于零；利用PWM波的占空比来调节桥臂在一个周期内的充放电平衡，利用正半波的幅值来调节DC Chopper耗散的功率。

全桥子模块与半桥子模块的数量关系满足：

式中，M为全桥子模块的个数，N为半桥子模块的个数，V_{armp_pumax}为需要的最大PWM正半波幅值的标幺值。

与现有技术相比，本发明从成本出发，对集中式模块化DC Chopper进行改进，在保证柔性直流***故障穿越能力的前提下，提出了一种半桥、全桥混合的集中式模块化DCChopper的拓扑，并提出该拓扑的控制策略。本发明的半桥、全桥混合型DC Chopper拓扑及其控制方法能够有效应用于风电并网的柔性直流输电***，安装于主网侧，并具有益技术效果如下：

(1)本发明的DC Chopper拓扑与仅由全桥子模块与耗能电阻组成的集中式模块化DC Chopper相比，需要使用较少的IGBT和二极管器件；与仅由半桥子模块与耗能电阻组成的集中式模块化DC Chopper或分布式模块化DC Chopper相比，虽然其需要较多的IGBT和二极管，但其在冷却装置上的费用较低，其在冷却装置上节约的费用将超过IGBT和二极管增加的费用；

(2)本发明提出的桥臂电压控制方法，即利用PWM占空比调节桥臂能量充放电平衡、利用PWM正半波幅值调节耗散的功率，相比于利用占空比来调节耗散的功率、利用修正电压实现桥臂充放电能量平衡，具有单值的函数关系，可以一一对应地进行调节，控制***简单；

(3)本发明为半桥子模块设计了放电回路，有利于维持半桥子模块和全桥子模块之间电容电压的平衡。

附图说明

图1(a)为含平衡电阻的半桥子模块在切除状态下的工作状态图。

图1(b)为含平衡电阻的半桥子模块在投入状态下的工作状态图。

图1(c)为含平衡电阻的半桥子模块在电容平衡状态下的工作状态图。

图2(a)为半桥、全桥混合型集中式模块化DC Chopper拓扑图。

图2(b)为简化后的半桥、全桥混合型集中式模块化DC Chopper拓扑图。

图3(a)为DC Chopper在***正常运行时的桥臂电压图。

图3(b)为DC Chopper在***故障期间的桥臂电压图。

图4(a)为该DC Chopper拓扑的控制流程图。

图4(b)为该DC Chopper拓扑的控制框图。

图5(a)为该DC Chopper桥臂电压PWM波图。

图5(b)为占空比D与正半波桥臂电压幅值V_{armp_pu}的关系图。

图5(c)为一个周期内平均耗散功率P_{diss_pu}与V_{armp_pu}的关系图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。

全桥子模块和半桥子模块拓扑如图2(a)所示，全桥子模块拓扑为经典的全桥式结构，半桥子模块在经典的半桥式结构的基础上在电容两端并联了开关器件T3和平衡电阻串联支路；开关器件T3与平衡电阻串联。

半桥子模块中电容正极侧的开关器件为T11，负极侧的开关器件为T12；全桥子模块中电流输入端的电容正极侧的开关器件为T21，负极侧的开关器件为T22，电流输出端的电容正极侧开关器件为T23，电容负极侧开关器件为T24。

全桥子模块中的开关器件T21、T22、T23和T24以及半桥子模块中的开关器件T11、T12和T3均采用IGBT。

半桥子模块中的开关器件T11、T12和T3分别反并联二极管D11、D12和D3。全桥子模块中的开关器件T21、T22、T23和T24分别反并联二极管D21、D22、D23和D24。

含平衡电阻的半桥子模块的工作状态有三种，分别为切除、投入和电容平衡状态，如表1所示。三种工作状态分别如图1(a)、1(b)和1(c)所示，图中虚线为工作回路。当半桥子模块处于切除状态时，端口电压为0，相当于子模块短路；当半桥子模块处于投入状态时，端口电压等于电容电压U_c；而当半桥子模块处于电容平衡状态时，开关管T3导通，电容中多余的能量通过平衡电阻耗散掉，由于桥臂中所有子模块分摊直流电压，半桥子模块电容电压越来越低，全桥子模块电容电压越来越高，直到半桥子模块电压降至额定值附近，这时，全桥子模块电压也将升至在额定值附近，从而实现了子模块电容电压平衡。

表1：含平衡电阻的半桥子模块的工作原理

如图2(a)所示，本发明所述的半桥、全桥混合型集中式模块化DC Chopper的拓扑，其特征在于：

每个桥臂一端连接至直流线路，另一端接地，直流线路、限流电抗器、N个含平衡电阻的半桥子模块(HBSMn，1≤n≤N)、M个全桥子模块(FBSMm，1≤m≤M)、耗能电阻、地依次连接，其中N和M为自然数，且N≥1，M＞1；全桥子模块和半桥子模块电容的正极端方向一致，均靠近直流线路和地之间电压高的一侧，且全桥子模块和半桥子模块的电容值相同；半桥子模块的电容两端并联了开关器件T3和平衡电阻串联支路；上述HBSM是Half-Bridge SM的缩写，FBSM是Full-Bridge SM的缩写。

由于桥臂电流的单向性，每个全桥子模块可以省略掉T21和T24，每个半桥子模块可以省略掉T11，仅保留其反并联二极管即可，如图2(b)所示。

本发明所述半桥、全桥混合型集中式模块化DC Chopper拓扑的控制方法，包括启动充电、正常运行、故障穿越和故障恢复四个过程，控制框图如图4(a)所示，具体工作过程如下：

(一)启动充电包括以下步骤：

步骤1-1：在***启动过程中，所有全桥子模块和所有半桥子模块均闭锁，为所有子模块的电容充电；

步骤1-2：待直流线路电压充至额定值时，所有全桥子模块由闭锁状态转至正向投入状态，所有半桥子模块由闭锁状态转至投入状态；

步骤1-3：检测各个半桥子模块电容电压是否超过额定值，若超过额定值，则将半桥子模块由投入状态转至电容平衡状态，直至半桥子模块电容电压恢复额定值，再将半桥子模块恢复至投入状态；

(二)正常运行状态如图3(a)所示，桥臂中所有半桥子模块处于投入状态，所有全桥子模块处于正向投入状态，所有子模块分摊整个直流电压，此时耗能电阻上电压为0，不耗散功率。

(三)故障穿越和故障恢复包括以下步骤：

步骤2-1：检测直流电压是否超过上限值V_dcmax或者是否检测到交流侧继电保护发出故障信号，若未检测到故障，则该装置运行在正常运行状态，并循环执行步骤2-1；若检测到故障，转至步骤2-2；

步骤2-2：切除所有的半桥子模块，仅保留全桥子模块，如图3(b)所示；

步骤2-3：根据需要耗散的功率以及桥臂中全桥子模块电容总能量，生成故障穿越期间的桥臂PWM波进行控制；

步骤2-4：分别计算需要正向投入和反向投入的全桥子模块的个数，将全桥子模块按电容电压进行排序，自电容电压小至电容电压大的顺序投入需要正向投入数量的全桥子模块，自电容电压大至电容电压小的顺序投入需要反向投入数量的全桥子模块；

步骤2-5：检测直流电压是否低于下限值V_dcmin或者是否检测到交流侧继电保护发出故障恢复信号，若未检测到故障恢复，转至步骤2-3；若检测到故障恢复，则进入步骤2-6；

步骤2-6：投入所有的半桥子模块，并检测半桥子模块中电容电压是否超过了额定值，若超过额定值，则使电容电压超过额定值的半桥子模块进入电容平衡模式，直至电容电压降至额定值附近；当电容电压在额定值附近时，转至步骤2-1。

故障期间，将半桥子模块切除后，仅含全桥子模块的桥臂电压采用PWM波控制，其中PWM波的负半波幅值为-0.2V_dc，正半波幅值大于零。利用PWM波的占空比来调节桥臂在一个周期内的充放电平衡，利用PWM正半波的幅值来调节DC Chopper耗散的功率，控制框图如图4(b)所示。设桥臂PWM波的周期为T，占空比为D，所以桥臂负半波的时间为T·D，正半波时间为T·(1-D)，桥臂PWM波如图5(a)所示。

直流电压、桥臂电压与耗能电阻电压之间的关系为

V_arm+V_Rdiss＝V_dc (1)

式中，V_arm为桥臂电压，V_dc为直流线路电压，V_Rdiss为耗能电阻电压(下同)。

正半波时的桥臂充电功率P_c为

式中，V_armp为桥臂电压正半波幅值，R_diss为耗能电阻阻值。桥臂的充电功率P_c随桥臂电压V_armp变化是关于V_dc/2对称的抛物线。

负半波时的桥臂放电功率P_d为

为保证一个周期内桥臂充放电能量平衡，需要满足式(4)。

计算得占空比D与桥臂电压正半波V_armp的关系为

式中，V_{armp_pu}为桥臂电压正半波的标幺值，即V_{armp_pu}＝V_armp/V_dc(下同)。如图5(b)所示，当PWM正半波幅值在0-1pu之间变化时，调节占空比可以实现一个周期内桥臂充放电能量平衡。

耗能电阻在一个周期内平均耗散功率P_diss计算公式为

在维持桥臂能量平衡的情况下，即将式(5)代入式(6)中，得一个周期内平均耗散功率P_diss与PWM正半波幅值V_{armp_pu}的关系为

定义额定耗散功率P_s＝V_dc ²/R_diss，所以一个周期内平均耗散功率的标幺值P_{diss_pu}与V_{armp_pu}的关系为

一个周期内平均耗散功率的标幺值P_{diss_pu}与V_{armp_pu}的关系如图5(c)所示。所以，可以结合MMC自身故障穿越能力以及故障穿越要求，计算需要的最大桥臂电压V_{armp_pumax}，进而求出全桥子模块与半桥子模块的比值，其关系为

式中，M为全桥子模块的个数，N为半桥子模块的个数。

上述的对实施例的描述是为便于技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域的技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种集中式模块化DC Chopper拓扑，安装于柔性直流输电***主网侧，其特征在于：它是半桥、全桥混合的集中式模块化DC Chopper拓扑，具有以下电路结构：

每个桥臂一端连接至直流线路，另一端接地，直流线路、限流电抗器、N个含平衡电阻的半桥子模块、M个全桥子模块、耗能电阻、地依次连接，其中N和M为自然数，且N≥1，M＞1；全桥子模块和半桥子模块电容的正极端方向一致，均靠近直流线路和地之间电压高的一侧，且全桥子模块和半桥子模块的电容值相同；半桥子模块的电容两端并联了开关器件T3和平衡电阻串联支路；

其中，半桥子模块中电容正极侧的开关器件为T11，负极侧的开关器件为T12；全桥子模块中电流输入端的电容正极侧的开关器件为T21，负极侧的开关器件为T22，电流输出端的电容正极侧开关器件为T23，电容负极侧开关器件为T24。

2.根据权利要求1所述的一种集中式模块化DC Chopper拓扑，其特征在于，所述全桥子模块和半桥子模块中，由于桥臂电流的单向性，每个全桥子模块省略掉开关器件T21和T24，每个半桥子模块省略掉开关器件T11，但保留其反并联的二极管。

3.一种如权利要求1或2所述的集中式模块化DC Chopper拓扑的控制方法，包括启动充电、正常运行、故障穿越以及故障恢复四个过程，其特征在于，启动充电、故障穿越和故障恢复分别包括以下步骤：

(一)启动充电包括以下步骤：

步骤1-1：在***启动过程中，全桥子模块和半桥子模块均闭锁，为所有全桥子模块和半桥子模块的电容充电；

步骤1-2：待直流线路电压充至额定值时，全桥子模块由闭锁状态转至正向投入状态，半桥子模块由闭锁状态转至投入状态；

步骤1-3：检测各个半桥子模块电容电压是否超过额定值，若超过额定值，则将半桥子模块由投入状态转至电容平衡状态，直至半桥子模块电容电压恢复额定值，再将半桥子模块恢复至投入状态；

(二)故障穿越和故障恢复包括以下步骤：

步骤2-1：检测直流电压是否超过上限值V_dcmax或者是否检测到交流侧继电保护发出故障信号，若未检测到故障，则该装置运行在正常运行状态，并循环执行步骤2-1；若检测到故障，转至步骤2-2；

步骤2-2：切除所有的半桥子模块；

步骤2-3：根据需要耗散的功率以及桥臂子模块电容总能量，生成故障穿越期间的桥臂PWM波进行控制；

步骤2-4：分别计算需要正向投入和反向投入的全桥子模块的个数，将全桥子模块按电容电压进行排序，自电容电压小至电容电压大的顺序投入需要正向投入数量的全桥子模块，自电容电压大至电容电压小的顺序投入需要反向投入数量的全桥子模块；

步骤2-5：检测直流电压是否低于下限值V_dcmin或者是否检测到交流侧继电保护发出的故障恢复信号，若未检测到故障恢复，转至步骤2-3；若检测到故障恢复，则进入步骤2-6；

步骤2-6：投入所有的半桥子模块，并检测各个半桥子模块中电容电压是否超过了额定值，若超过额定值，半桥子模块进入电容平衡模式，直至电容电压降至额定值附近；当电容电压在额定值附近时，转至步骤2-1。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，其中故障穿越期间的桥臂电压采用PWM进行控制，其中PWM的负半波幅值为-0.2V_dc，正半波幅值大于零；利用PWM波的占空比来调节桥臂在一个周期内的充放电平衡，利用正半波的幅值来调节DC Chopper耗散的功率。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，全桥子模块与半桥子模块的数量关系满足：

式中，M为全桥子模块的个数，N为半桥子模块的个数，V_{armp_pumax}为需要的最大PWM正半波幅值的标幺值。

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