CN116937999B - 换流桥臂电路、换流装置和预充电控制方法 - Google Patents

换流桥臂电路、换流装置和预充电控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种换流桥臂电路、换流装置和预充电控制方法，包括：多个级联的子换流模块，每一子换流模块包括并联设置的储能单元、第一全桥单元以及第二全桥单元，第一全桥单元被配置有第一连接端和第二连接端，第二全桥单元被配置有第三连接端和第四连接端；开关控制模块用于在预充电需求的情况下，导通每一子换流模块的第一连接端与第三连接端的连接，以及导通每一子换流模块的第二连接端与第四连接端的连接，使多个子换流模块对应的多个储能单元并联且均处于预充电状态。多个子换流模块的储能单元并联以等效成容值更大的等效储能单元，大大提升限流效果，在不使用大限流电阻器的情况下，实现对多个子换流模块的储能单元进行预充电。

Description

换流桥臂电路、换流装置和预充电控制方法
技术领域
本申请涉及电力技术领域，特别是涉及一种换流桥臂电路、换流装置和预充电控制方法。
背景技术
模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）是高压直流输电***的核心装置，具有高电压、高功率、低谐波和模块化等特点，通过调整子模块的串联个数可以实现电压及功率等级的灵活变化。在换流器进行稳定运行状态前，需要对子换流模块的电容进行预充电以避免直接解锁换流器造成的电流冲击，在预充电过程中，通常通过投入大阻抗的电阻器来限制电容在充电时的电流，然而所述大阻抗的电阻器不仅体积和重量较大，而且在预充电过程之外的工况都会被旁路，器件利用效率较低。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术中子换流模块电容在预充电过程中设置用于过流保护的大阻抗电阻器的体积和重量较大的问题提供一种换流桥臂电路、换流装置和预充电控制方法。
为了实现上述目的，本申请提供了一种换流桥臂电路，包括：
多个级联的子换流模块，每一所述子换流模块包括并联设置的储能单元、第一全桥单元以及第二全桥单元，所述第一全桥单元被配置有第一连接端和第二连接端，所述第二全桥单元被配置有第三连接端和第四连接端，在相邻的两级所述子换流模块中，下一级子换流模块的第一连接端与上一级子换流模块的第三连接端连接，下一级子换流模块的第二连接端与上一级子换流模块的第四连接端连接，第一级所述子换流模块的第一连接端和第二连接端均用于接收供电电压；
开关控制模块，用于在预充电需求的情况下，导通每一所述子换流模块的第一连接端与第三连接端之间的连接，以及导通每一所述子换流模块的第二连接端与第四连接端之间的连接，使得多个所述子换流模块对应的多个所述储能单元并联且均处于预充电状态。
在其中一个实施例中，所述第一全桥单元包括：第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元以及第四开关单元，所述第一开关单元与所述第二开关单元串联形成第一支路，所述第三开关单元与所述第四开关单元串联形成第二支路，所述第一支路与所述第二支路分别与所述储能单元并联；
其中，所述第一开关单元与所述第二开关单元之间的连接点作为所述第一连接端，所述第三开关单元与所述第四开关单元的连接点作为所述第二连接端。
在其中一个实施例中，所述第二全桥单元包括：第五开关单元、第六开关单元、第七开关单元以及第八开关单元，所述第五开关单元与所述第六开关单元串联形成第三支路，所述第七开关单元与所述第八开关单元串联形成第四支路，所述第三支路与所述第四支路分别与所述储能单元并联；
其中，所述第五开关单元与所述第六开关单元的连接点作为所述第四连接端，所述第七开关单元与所述第八开关单元的连接点作为所述第三连接端。
在其中一个实施例中，各开关单元包括开关管、与所述开关管反并联的二极管；
其中，在所述多个级联的子换流模块的预充电过程中，各所述开关管均处于断开状态。
在其中一个实施例中，所述开关控制模块包括：
多个第一旁路开关单元，与多个所述子换流模块一一对应，所述第一旁路开关单元的一端连接于所述第一连接端，所述第一旁路开关单元的另一端连接于所述第三连接端；
多个第二旁路开关单元，与多个所述子换流模块一一对应，所述第二旁路开关单元的一端连接于所述第二连接端，所述第二旁路开关单元的另一端连接于所述第四连接端。
在其中一个实施例中，提供一种换流装置，包括：如上所述的换流桥臂电路。
在其中一个实施例中，还包括：
充电模块，用于向所述多个级联的子换流模块提供处于预设范围内的所述供电电压；
充电开关模块，设于所述充电模块与第一级所述子换流模块之间，用于在预充电需求的情况下，导通所述充电模块与第一级所述子换流模块之间的连接。
在其中一个实施例中，所述充电模块包括：
直流电源单元，用于提供直流输入电压；
电压转换单元，与所述直流电源单元连接，所述电压转换单元的正电源供电端与第一级所述子换流模块的第一连接端连接，所述电压转换单元的负电源供电端与第一级所述子换流模块的第二连接端连接，所述电压转换单元用于根据所述直流输入电压向所述多个级联的子换流模块提供预充电电压。
在其中一个实施例中，还包括：
控制模块，用于根据所述电压转换单元上一周期输出的预充电电压、预充电电流以及储能单元的电压，获取所述预充电电压的预测值，以根据预测值控制电压转换单元下一周期输出的预充电电压。
在其中一个实施例中，还包括：
隔离开关模块，与第一级所述子换流模块的第一连接端、第二连接端连接，以及与最后一级所述子换流模块的第三连接端、第四连接端连接，所述隔离开关模块用于在所述多个级联的子换流模块进行预充电的情况下，使所述充电模块与外部电路隔离。
在其中一个实施例中，提供一种预充电控制方法，应用于如上所述的换流装置，所述预充电控制方法包括：
在预充电需求的情况下，控制开关控制模块导通多个级联的子换流模块中各子换流模块的第一连接端与第三连接端之间的连接，以及第二连接端与第四连接端之间的连接，以使多个所述子换流模块对应的多个所述储能单元并联且均处于预充电状态。
在其中一个实施例中，在所述换流装置还包括充电模块和充电开关模块的情况下，所述预充电控制方法还包括：
在预充电需求的情况下，控制充电开关模块导通所述充电模块与第一级所述子换流模块的第一连接端之间的连接，以及导通所述充电模块与第一级所述子换流模块的第二连接端之间的连接。
在其中一个实施例中，在充电模块包括直流电源单元和电压转换单元的情况下，所述预充电控制方法还包括：
根据所述电压转换单元上一周期输出的预充电电压、预充电电流以及储能单元的电压，获取所述预充电电压的预测值；
根据预测值控制所述电压转换单元下一周期输出的预充电电压。
在其中一个实施例中，所述根据所述电压转换单元上一周期输出的预充电电压、预充电电流以及储能单元的电压，获取所述预充电电压的预测值，包括：
根据所述电压转换单元上一周期输出的预充电电压、预充电电流以及储能单元的电压，构建换流桥臂电路的状态空间方程；
将所述状态空间方程离散化，获取预充电预测模型；
基于约束条件，对目标函数进行最优化求解，以获取所述预充电电压的预测值；
其中，所述目标函数根据预设电压值和预测时刻的预充电电压设置，所述约束条件包括所述预充电电流小于或等于预设电流值。
上述换流桥臂电路、换流装置和预充电控制方法，包括多个级联的子换流模块和开关控制模块，每一子换流模块的第一全桥单元和第二全桥单元均配置有双连接端，使得相邻两级子换流模块的储能单元能够形成并联结构，在预充电需求的情况下，开关控制模块导通每一子换流模块的第一连接端与第三连接端的连接以及第二连接端与第四连接端之间的连接，使所有子换流模块被旁路，且所有子换流模块的储能单元形成并联结构以等效成容值更大的等效储能单元，大大提升限流效果，由此在不使用大体积、大重量的限流电阻器的情况下，实现对多个子换流模块的储能单元进行预充电。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一实施例中提供的换流桥臂电路的结构示意图；
图2为一实施例中提供的子换流模块的结构示意图；
图3为一实施例中提供的换流装置的结构示意图；
图4为一实施例中提供的换流桥臂电路在预充电状态下的等效电路图；
图5为一实施例中提供的控制模块的工作控制逻辑示意图；
图6为一实施例中提供的换流装置的工作仿真图之一；
图7为一实施例中提供的换流装置的工作仿真图之二。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
在一个实施例中，请参阅图1（图1以三个级联的子换流模块为例进行示意），提供一种换流桥臂电路，包括多个级联的子换流模块100和开关控制模块200，每一子换流模块100包括并联设置的储能单元130、第一全桥单元110以及第二全桥单元120，第一全桥单元110被配置有第一连接端IN1和第二连接端IN2，第二全桥单元120被配置有第三连接端OUT1和第四连接端OUT2，在相邻的两级子换流模块100中，下一级子换流模块100的第一连接端IN1与上一级子换流模块100的第三连接端OUT1连接，下一级子换流模块100的第二连接端IN2与上一级子换流模块100的第四连接端OUT2连接，第一级子换流模块100的第一连接端IN1和第二连接端IN2均用于接收供电电压。开关控制模块200用于在预充电需求的情况下，导通每一子换流模块100的第一连接端IN1与第三连接端OUT1之间的连接，以及导通每一子换流模块100的第二连接端IN2与第四连接端OUT2之间的连接，使得多个子换流模块100对应的多个储能单元130并联且均处于预充电状态。
其中，换流桥臂电路可以应用于模块化多电平换流器MMC，该拓扑结构可由多个相单元组成，每一相单元包括上下连接的两组桥臂，且上桥臂与下桥臂的组成结构相同，每一个桥臂则由本实施例提供的换流桥臂电路和电抗器串联构成。
其中，换流桥臂电路包括级联的多个子换流模块100，每一子换流模块100均包括功率开关元件和储能单元130，每个子换流模块100的输出电压可以通过改变功率开关元件的导通时间和储能单元130的充放电时间来控制，由于各子换流模块100的储能单元130电压可以合成桥臂电路的电压，故基于各子换流模块100的各个功率开关元件的开关状态，使每相单元能够产生接近于正弦波的多电平的交流输出或产生相对稳定的直流电压输出，并能实现极低的开关频率和谐波失真。也即，换流桥臂电路可通过子换流模块100的投切以控制桥臂电路输出电压，由此使换流装置的电压等级发生灵活变化。需要说明的是，储能单元130包括具有存储功能的元件，例如储能电容器。
由于桥臂电路中包含大量储能单元130，在换流装置正常运行期间，储能单元130的电压在额定值附近波动，但储能单元130均无初始电压，在进入稳定运行工况前若不能将储能单元130顺利充电到额定值，则会产生极大的浪涌电流，引起过流现象，威胁换流装置和整个高压直流输电***的状况，因此，为了保证换流装置的正常工作，需要对子换流模块100的储能单元130进行预充电，使其达到额定值。在预充电过程，为了限制启动阶段的过电流，通常串接限流电阻以起过流保护作用，这些大阻抗的电阻器体积、重量极大，在启动过程之外都会被旁路。基于此，本实施例提供一种换流桥臂电路以克服上述缺陷。
进一步地，对于单个子换流模块100而言，其包括并联设置的储能单元130、第一全桥单元110以及第二全桥单元120，而第一全桥单元110和第二全桥单元120作为结构相同的全桥电路，第一全桥单元110并联于储能单元130的一侧，第二全桥单元120并联于储能单元130的另一侧，使得子换流模块100形成由单个全桥单元对称翻转而得的拓扑结构。其中，每一全桥单元均包括四组功率半导体器件，功率半导体器件可以理解为由功率开关器件和反并联的单向导通器件构成，则两两串接的功率半导体器件形成一串联支路，且串接形成的连接点引出作为一连接端。也即，第一全桥单元110的两个串联支路上的连接点分别引出作为第一连接端IN1和第二连接端IN2，第二全桥单元120的两个串联支路上的连接点分别引出作为第三连接端OUT1和第四连接端OUT2，使得子换流模块100的整个拓扑结构呈轴对称形式。
对于级联的多个子换流模块100而言，第N级子换流模块100的第一连接端IN1、第二连接端IN2分别与第N-1级子换流模块100的第三连接端OUT1、第四连接端OUT2对应连接，第N级子换流模块100的第三连接端OUT1、第四连接端OUT2分别与第N+1级子换流模块100的第一连接端IN1、第二连接端IN2对应连接，基于子换流模块100的对称式双端口结构，相邻的两个子换流模块100之间的储能单元130能够形成并联的连接方式。
进一步地，开关控制模块200可以控制每一子换流模块100的第一连接端IN1与第三连接端OUT1之间的通断状态，以及控制每一子换流模块100的第二连接端IN2与第四连接端OUT2之间的通断状态，在子换流模块100需要进行预充电或发生故障时，开关控制模块200导通第一连接端IN1与第三连接端OUT1的连接以及第二连接端IN2与第四连接端OUT2的连接，使该子换流模块100被旁路。在子换流模块100的储能单元130的电压被充电至额定值后，即完成预充电工作，开关控制模块200断开第一连接端IN1与第三连接端OUT1的连接以及断开第二连接端IN2与第四连接端OUT2的连接，以使由子换流模块100构成的换流装置正常运行。
基于此，在预充电需求的情况下，开关控制模块200导通所有子换流模块100的第一连接端IN1与第三连接端OUT1之间的连接以及第二连接端IN2与第四连接端OUT2之间的连接，使各子换流模块100进入预充电状态，并导通每一子换流模块100中第一全桥单元110和第二全桥单元120的部分功率半导体器件中的单向导通器件（例如续流二极管），以使所有子换流模块100中的储能单元130并联在一起，等效成电容值更大但额定电压值不变的等效电容器，不仅能产生更好的限流效果，还可以避免使用大体积、重量的限流电阻器，节省器件的布局空间和成本。
上述换流桥臂电路，包括多个级联的子换流模块100和开关控制模块200，每一子换流模块100的第一全桥单元110和第二全桥单元120均配置有双连接端，使得相邻两级子换流模块100的储能单元130能够形成并联结构，在预充电需求的情况下，开关控制模块200导通每一子换流模块100的第一连接端IN1与第三连接端OUT1的连接以及第二连接端IN2与第四连接端OUT2之间的连接，使所有子换流模块100被旁路，且所有子换流模块100的储能单元130形成并联结构以等效成容值更大的等效储能单元130，大大提升限流效果，由此在不使用大体积、大重量的限流电阻器的情况下，实现对多个子换流模块100的储能单元130进行预充电。
在一个实施例中，如图2所示，第一全桥单元110包括：第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元以及第四开关单元，第一开关单元与第二开关单元串联形成第一支路，第三开关单元与第四开关单元串联形成第二支路，第一支路与第二支路分别与储能单元C并联。其中，第一开关单元与第二开关单元之间的连接点作为第一连接端IN1，第三开关单元与第四开关单元的连接点作为第二连接端IN2。
其中，第一全桥单元110的四个开关单元为上文所述的功率半导体器件，每一开关单元包括开关管、与开关管反并联的二极管，开关管可以理解为上文所述的功率开关器件，二极管可以理解为上文所述的单向导通器件，其中二极管作为续流二极管，可避免开关管因突然关断产生的高压而击穿，开关管可包括IGBT和MOSFET等具有开关功能的元件。
也即，第一开关单元包括第一开关管Q1和第一二极管D1，第二开关单元包括第二开关管Q2和第二二极管D2，第三开关单元包括第三开关管Q3和第三二极管D3，第四开关单元包括第四开关管Q4和第四二极管D4。其中，第一开关管Q1的集电极分别与第三开关管Q3的集电极、储能单元C的一端、第一二极管D1的负极相连，第一开关管Q1的发射极分别与第二开关管Q2的集电极以及第一二极管D1的正极相连，第一开关管Q1的发射极与第二开关管Q2的集电极之间的连接点引出作为第一连接端IN1，第二开关管Q2的发射极分别与第四开关管Q4的发射极、第二二极管D2的正极、储能单元C的另一端相连，第三开关管Q3的发射极分别与第三二极管D3的正极、第四开关管Q4的集电极相连，且第三开关管Q3的发射极与第四开关管Q4的集电极之间的连接点引出作为第二连接端IN2，第三开关管Q3的集电极与第三二极管D3的负极相连。
在一个实施例中，继续参考图2，第二全桥单元120包括：第五开关单元、第六开关单元、第七开关单元以及第八开关单元，第五开关单元与第六开关单元串联形成第三支路，第七开关单元与第八开关单元串联形成第四支路，第三支路与第四支路分别与储能单元C并联。其中，第五开关单元与第六开关单元的连接点作为第四连接端OUT2，第七开关单元与第八开关单元的连接点作为第三连接端OUT1。
其中，第五开关单元包括第五开关管Q5和第五二极管D5，第六开关单元包括第六开关管Q6和第六二极管D6，第七开关单元包括第七开关管Q7和第七二极管D7，第八开关单元包括第八开关管Q8和第八二极管D8。第五开关管Q5的集电极分别与第三开关管Q3的集电极、储能单元C的一端、第五二极管D5的负极相连，第五开关管Q5的发射极分别与第六开关管Q6的集电极以及第五二极管D5的正极相连，第五开关管Q5的发射极与第六开关管Q6的集电极之间的连接点引出作为第四连接端OUT2，第六开关管Q6的发射极分别与第四开关管Q4的发射极、第六二极管D6的正极、第八开关管Q8的发射极、储能单元C的另一端相连，第七开关管Q7的发射极分别与第七二极管D7的正极、第八开关管Q8的集电极相连，且第七开关管Q7的发射极与第八开关管Q8的集电极之间的连接点引出作为第三连接端OUT1，第八开关管Q8的集电极与第八二极管D8的负极相连。
进一步地，第一开关管Q1~第八开关管Q8的基极均可接入控制信号，控制信号用于控制各开关管的通断时长，进而控制储能单元C两端的电压以实现储能单元C的充放电。其中，在预充电阶段，各开关管受控均处于断开状态，而各子换流模块的第一二极管D1、第七二极管D7、第四二极管D4和第六二极管D6导通，若第一级子换流模块的第一连接端IN1接入供电电压的正极、第一级子换流模块的第二连接端IN2接入供电电压的负极，则对于第一级子换流模块而言，电流从第一连接端IN1流入，依次经过第一二极管D1、储能单元C的正极、储能单元C的负极、第四二极管D4、第二连接端IN2，由此实现对第一级子换流模块的储能单元C进行充电。
对于第一级子换流模块和下一级子换流模块，电流从第一级子换流模块的第一连接端IN1流入，依次经过第一级子换流模块的第一二极管D1、第七二极管D7、第三连接端OUT1，接着流入第二级子换流模块的第一连接端IN1、第一二极管D1、储能单元C的正极、储能单元C的负极、第四二极管D4、第二连接端IN2，电流继续从第二级子换流模块的第二连接端IN2流进第一级子换流模块的第四连接端OUT2，进而途径第一级子换流模块的第六二极管D6、第四二极管D4、第二连接端IN2，基于每一子换流模块的两条电流回路，使得各子换流模块的储能单元C能够并联在一起以进行预充电。
在一个实施例中，如图2所示，开关控制模块包括：多个第一旁路开关单元210和多个第二旁路开关单元220，多个第一旁路开关单元210与多个子换流模块一一对应，第一旁路开关单元210的一端连接于第一连接端IN1，第一旁路开关单元210的另一端连接于第三连接端OUT1。多个第二旁路开关单元220与多个子换流模块一一对应，第二旁路开关单元220的一端连接于第二连接端IN2，第二旁路开关单元220的另一端连接于第四连接端OUT2。
其中，在各子换流模块均设置第一旁路开关单元210和第二旁路开关单元220，第一旁路开关单元210和第二旁路开关单元220均为常闭旁路开关，第一旁路开关单元210的一端接入第一开关管Q1的发射极与第二开关管Q2的集电极之间，第一旁路开关单元210的另一端接入第七开关管Q7的发射极与第八开关管Q8的集电极之间，第二旁路开关单元220的一端接入第三开关管Q3的发射极与第四开关管Q4的集电极之间，第二旁路开关单元220的另一端接入第五开关管Q5的发射极与第六开关管Q6的集电极之间。基于此，在预充电阶段，各子换流模块的两旁路开关单元不受控以保持常闭状态，使得子换流模块被旁路以进入充电状态，并且在子换流模块出现故障时，使该子换流模块的两旁路开关单元闭合以移除该故障子换流模块，避免对桥臂电路的其余子换流模块的正常运行造成影响，以简单的旁路开关结构不仅能使子换流模块进入预充电状态，还能将故障的子换流模块隔离开。
在一个实施例中，提供一种换流装置，包括如上所述的换流桥臂电路。
其中，换流装置可为模块化多电平换流器MMC，换流装置可以包括多个相单元，每相单元均由上下两组换流桥臂电路构成，且每个换流桥臂电路上可以串联一个具有小电感的电抗器，电抗器用于限制相间环流以及在换流装置发生短路故障时阻碍电流的上升，对换流装置的电子器件起保护作用。通过对桥臂电路中子换流模块的串联数量进行调整，可以实现换流装置输出电压及功率等级的灵活变化，以及实现极低的开关频率和较少的谐波含量。
在一个实施例中，如图3所示，换流装置还包括：充电模块300和充电开关模块400，充电模块300用于向多个级联的子换流模块100提供处于预设范围内的供电电压。充电开关模块400设于充电模块300与第一级子换流模块100之间，用于在预充电需求的情况下，导通充电模块300与第一级子换流模块100之间的连接。
可以理解的是，传统的换流装置在启动时通常从交流或直流侧高压电网取电，在达稳态过程前存在极大的安全风险。基于此，本实施例通过设置充电模块300以向换流桥臂电路提供低压电源，进而保证换流装置在预充电启动过程的安全性。其中，可以在每一换流桥臂电路设置一对应的充电模块300，对于单个换流桥臂电路而言，充电模块300与第一级子换流模块100之间设有充电开关模块400，以控制第一级子换流模块100的第一连接端、第二连接端至充电模块300的通断状态。由此，在预充电阶段，充电开关模块400导通第一级子换流模块100的两个连接端口与充电模块300之间的连接，以使充电模块300向换流桥臂电路提供处于预设范围的低压供电电压，可以在不使用高压电压源的情况下对各储能单元进行低压预充电，进而保证电路运行的安全性。
在一个实施例中，充电模块300包括：直流电源单元310和电压转换单元320，直流电源单元310用于提供直流输入电压，电压转换单元320与直流电源单元310连接，电压转换单元320的正电源供电端与第一级子换流模块100的第一连接端连接，电压转换单元320的负电源供电端与第一级子换流模块100的第二连接端连接，电压转换单元320用于根据直流输入电压向多个级联的子换流模块100提供预充电电压。
其中，充电开关模块400可以包括两个充电开关，第一充电开关的一端连接在电压转换单元320的正电源供电端，第一充电开关的另一端连接在第一级子换流模块100的第一连接端，第二充电开关的一端连接在电压转换单元320的负电源供电端，第二充电开关的另一端连接在第一级子换流模块100的第二连接端。电压转换单元320可以包括DC/DC变换器，其用于将直流电源单元310输出的大小固定的直流电压变换为可调的预充电电压，以输出至后级的多个级联的子换流模块100中，DC/DC变换器同时还具备稳压、稳流、控制功率和保护直流线路的特点。
进一步地，请结合参考图3和图4，图4示出换流桥臂电路在预充电状态下的等效电路图。由于子换流模块中的第一旁路开关单元和第二旁路开关单元在闭合时的阻抗足够小，故多个级联的子换流模块100的预充电等效电路可以忽略旁路开关单元的阻抗。因此，在充电开关模块400中的两个充电开关同时闭合，且各子换流模块100的第一和第二旁路开关单元保持闭合状态时，所有子换流模块100中的第一连接端和第三连接端等效为均与电压转换单元320的正电源供电端直接相连，所有子换流模块100中的第二连接端和第四连接端等效为均与电压转换单元320的负电源供电端直接相连，因此电流从电压转换单元320的正电源供电端流出，会经过每个子换流模块100的第一二极管和第七二极管、第四二极管和第六二极管、以及储能单元的正极、负极。
示例性地，以对第二级子换流模块100中的储能单元进行充电为例，电流从电压转换单元320的正电源供电端流出，经过第一级子换流模块100中的第一二极管和第七二极管，并从第一级子换流模块100的第三连接端流入至第二级子换流模块100的第一连接端，进而经过第二级子换流模块100中的第一二极管、储能单元的正极和负极、第四二极管，接着从第二级子换流模块100的第四二极管流回至第一级子换流模块100的第四连接端，进而依次经过第一级子换流模块100的第六二极管、第四二极管，最终从第一级子换流模块100的第二连接端流入电压转换单元的负电源供电端，与此同时，第一级子换流模块100的储能单元获取从第一二极管流入的电流以进行充电，电流从储能单元流出经过第四二极管，继而也流入负电源供电端。基于上述电流流向，各子换流模块100的储能单元在预充电阶段形成并联结构，以形成容值更大的等效储能器件，由此大大提升换流桥臂电路的限流效果。需要说明的是，二极管导通时的电压降相比储能单元的额定电压可以忽略不计，因此在等效充电电路可以不体现。
在一个实施例中，如图3所示，换流装置还包括隔离开关模块500，隔离开关模块500与第一级子换流模块100的第一连接端、第二连接端连接，以及与最后一级子换流模块100的第三连接端、第四连接端连接，隔离开关模块500用于在多个级联的子换流模块100进行预充电的情况下，使充电模块300与外部电路隔离。
可选地，隔离开关模块500可以包括两组隔离开关，以保证在换流装置进行预充电时，可以隔离换流桥臂电路与外部的主功率电路。其中，一组隔离开关分别连接于第一级子换流模块100的第一连接端和第二连接端，另一组隔离开关分别连接于最后一级子换流模块100的第三连接端和第四连接端。在预充电阶段，隔离开关模块500的两组隔离开关均保持断开，使充电模块300与外部功率电路隔离。
在一个实施例中，换流装置还包括控制模块，如图5所示，控制模块用于根据电压转换单元上一周期输出的预充电电压、预充电电流以及多个级联子换流模块的等效电容，获取预充电电压的预测值，以根据预测值控制电压转换单元下一周期输出的预充电电压，等效电容为多个子换流模块的储能单元的容值总和。
其中，控制模块为基于模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）的控制器，MPC是一种基于数学模型的高级控制方法，其将控制问题转化为优化问题，通过使用***的数学模型来预测***在未来一段时间内的行为，并根据预测结果进行优化。其中，图5示出的为状态量，y为输出，u为输入，通过比较***输出y和参考值r来计算预测误差，使用预测误差来校正预测模型。
进一步地，控制模块的预测控制包括预测模型、反馈校正和滚动优化三部分，其中，在预充模型的推导中，请结合参考图4示出的预充电等效电路图，需要考虑电压转换单元的输出电压u B （预充电电压）、预充电电流i L 和储能单元的电压u C ，假设待充电的换流桥臂电路中包括N个子换流模块，且储能单元的额定电容值记为C 0 ，则所有子换流模块的储能单元并联的等效容值为：Ceq=N*C 0 ，故等效电路表示的微分方程分别为：u B =L*+u C ，i L = Ceq* ，将两个微分方程代入至图5示出的线性时不变***的状态空间方程中，进而得到公式（1）所示的状态空间方程，换流桥臂电路的预充电控制问题则被简化为电压转换单元控制电压输出的问题。公式（1）的/>代表u C 的导数，/>代表i L 的导数。
- - -（1）
进一步地，在上述状态空间方程的基础上，应用前向欧拉法近似微分元素dx=[x(k+1)-x(k)]/TS，推导出直接用于MPC求解的离散状态空间模型，将公式（1）离散化处理后的结果如公式（2）所示，其中TS为采样周期，预测模型变为：
- - -（2）
需要说明的是，公式（2）中的L表示电感值，u C (k)和i L (k)表示当前采样时间的测量值，下一个采样时间的对应值u C (k+1)和i L (k+1)通过选择u B (k)的不同值来预测得出。
进一步地，u B (k)的选择需要使目标函数最小化，由于整个预充电过程的控制目标是将子换流模块的储能单元平滑地充电到其额定值，同时避免预充电电流大于预设电流值。假设子换流模块的储能单元的额定电压为u Crated ，在设计目标函数时考虑控制模块的跟踪性能，将目标函数J y 定义为公式（3）：
- - -（3）
其中，p表示预测长度，k表示当前时间点，w i 表示第i个预测步骤的权重，u C (k+i|k)表示第i个预测步骤的预测的储能单元的电压。将电压转换单元控制电压输出的问题改写为优化问题的典型形式：将Jy最小化，且使得 i L < I max ，表达如下：
min Jy
使得 i L < I max
其中I max 为最大充电电流门限值（即前文所述的预设电流值），最终获得的u B (k)作为控制器的输出，控制模块的输出为PWM的调制信号，与三角载波比较后直接生成电压转换单元的开关信号。
由此，控制模块通过预测模型的方式，选择电压转换单元输出的不同预充电电压来预测未来一个采样时间的预充电电流和储能单元的电压，通过不断选择电压转换单元输出的预充电电压，使得目标函数最小化，也即，使得预充电电流小于或等于预设电流值，并控制储能单元能够平滑地充电到额定电压值，由此实现平稳地黑启动预充电，相较于传统的子模块预充电策略利用复杂的电流控制来调节充电电流，本实施例基于模型预测控制的黑启动预充电方法的控制逻辑更简易有效。
示例性地，将仿真预测长度和控制长度分别设为10和2，示例中将储能单元记为电容，预充电控制目标是将电容电压充电至2000V，同时将充电电流限制在1500A以下，通过使用simulink模型预测控制工具箱来求解最优控制器，仿真结果请参考图6，图6示出预充电过程中电容电压和充电电流的动态变化，启动程序从t=0.01s开始，电容器的电压稳定上升，达到目标值2000V后没有过冲。此外，充电电流在最大值附近有轻微波动，然后在启动完成后降至零，说明以预测模型的方式进行黑启动预充电，能够有效将子换流模块的储能单元平滑地充电至额定电压，同时能避免在充电过程中预充电电流大于预设电流值。
进一步地，请参考图7，图7示出换流装置从预充电状态到正常运行状态切换时瞬态过程的电容电压的变化情况，在t=1s时进入正常运行状态，证明了在基于预测模型的方式进行预充电时，电容电压能够实现平稳过渡。
在一个实施例中，提供一种预充电控制方法，应用于如上所述的换流装置，预充电控制方法包括以下步骤：在预充电需求的情况下，控制开关控制模块导通多个级联的子换流模块中各子换流模块的第一连接端与第三连接端之间的连接，以及第二连接端与第四连接端之间的连接，以使多个子换流模块对应的多个储能单元并联且均处于预充电状态。
在一个实施例中，在换流装置还包括充电模块和充电开关模块的情况下，预充电控制方法还包括以下步骤：在预充电需求的情况下，控制充电开关模块导通充电模块与第一级子换流模块的第一连接端之间的连接，以及导通充电模块与第一级子换流模块的第二连接端之间的连接。
在一个实施例中，在充电模块包括直流电源单元和电压转换单元的情况下，预充电控制方法还包括步骤S102~步骤S104。
步骤S102：根据电压转换单元上一周期输出的预充电电压、预充电电流以及储能单元的电压，获取预充电电压的预测值。
步骤S104：根据预测值控制电压转换单元下一周期输出的预充电电压。
在一个实施例中，步骤S102根据电压转换单元上一周期输出的预充电电压、预充电电流以及储能单元的电压，获取预充电电压的预测值，包括步骤S202~步骤S206。
步骤S202：根据电压转换单元上一周期输出的预充电电压、预充电电流以及储能单元的电压，构建换流桥臂电路的状态空间方程。
步骤S204：将状态空间方程离散化，获取预充电预测模型。
步骤S206：基于约束条件，对目标函数进行最优化求解，以获取预充电电压的预测值。其中，目标函数根据预设电压值和预测时刻的预充电电压设置，约束条件包括预充电电流小于或等于预设电流值。
其中，上述提供的预充电控制方法的各实施例中的各步骤请参考上述实施例中的相关描述，在此不再赘述。
由此，预充电控制方法第一方面，基于在预充电需求的情况下，控制开关控制模块导通每一子换流模块的第一连接端与第三连接端的连接以及第二连接端与第四连接端之间的连接，使所有子换流模块被旁路，且所有子换流模块的储能单元形成并联结构以等效成容值更大的等效储能单元，大大提升限流效果，由此在不使用大体积、大重量的限流电阻器的情况下，实现对多个子换流模块的储能单元进行预充电。第二方面，在预充电阶段，控制充电开关模块导通第一级子换流模块的两个连接端口与充电模块之间的连接，以使充电模块向换流桥臂电路提供处于预设范围的低压供电电压，可以在不使用高压电压源的情况下对各储能单元进行低压预充电，进而保证电路运行的安全性。第三方面，可以使换流装置不使用复杂的电流控制方法来调节充电电流，基于预测模型的方式，将子换流模块的储能单元平滑地充电到额定电压，同时还能控制预充电电流小于或等于预设电流值，由此实现平稳地黑启动预充电。
在一个实施例中，提供一种预充电控制装置，应用于如上所述的换流装置，预充电控制方法装置用于：在预充电需求的情况下，控制开关控制模块导通多个级联的子换流模块中各子换流模块的第一连接端与第三连接端之间的连接，以及第二连接端与第四连接端之间的连接，以使多个子换流模块对应的多个储能单元并联且均处于预充电状态。
在一个实施例中，在换流装置还包括充电模块和充电开关模块的情况下，预充电控制装置还用于：在预充电需求的情况下，控制充电开关模块导通充电模块与第一级子换流模块的第一连接端之间的连接，以及导通充电模块与第一级子换流模块的第二连接端之间的连接。
在一个实施例中，在充电模块包括直流电源单元和电压转换单元的情况下，预充电控制装置用于：根据电压转换单元上一周期输出的预充电电压、预充电电流以及储能单元的电压，获取预充电电压的预测值。根据预测值控制电压转换单元下一周期输出的预充电电压。
其中，上述提供的预充电控制装置的各实施例请参考上述实施例中的相关描述，在此不再赘述。
在一个实施例中，提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述实施例所述方法的步骤。
在一个实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例所述方法的步骤。
本申请所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用可包括非易失性和/或易失性存储器。合适的非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RM)，它用作外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RM以多种形式可得，诸如静态 RM (SRM)、动态 RM (DRM)、同步 DRM (SDRM)、双数据率 SDRM (DDR SDRM)、增强型SDRM(ESDRM)、同步链路(Synchlink)DRM(SLDRM)、存储器总线(Rmbus)直接RM(RDRM)、直接存储器总线动态RM(DRDRM)、以及存储器总线动态RM(RDRM)。
在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种换流装置，其特征在于，包括：
换流桥臂电路，包括多个级联的子换流模块和开关控制模块，每一所述子换流模块包括并联设置的储能单元、第一全桥单元以及第二全桥单元，所述第一全桥单元被配置有第一连接端和第二连接端，所述第二全桥单元被配置有第三连接端和第四连接端，在相邻的两级所述子换流模块中，下一级子换流模块的第一连接端与上一级子换流模块的第三连接端连接，下一级子换流模块的第二连接端与上一级子换流模块的第四连接端连接，第一级所述子换流模块的第一连接端和第二连接端均用于接收供电电压；
所述开关控制模块用于在预充电需求的情况下，导通每一所述子换流模块的第一连接端与第三连接端之间的连接，以及导通每一所述子换流模块的第二连接端与第四连接端之间的连接，使得多个所述子换流模块对应的多个所述储能单元并联且均处于预充电状态；
充电模块，用于向所述多个级联的子换流模块提供处于预设范围内的所述供电电压，所述供电电压作为预充电电压；
充电开关模块，设于所述充电模块与第一级所述子换流模块之间，用于在预充电需求的情况下，导通所述充电模块与第一级所述子换流模块之间的连接；
控制模块，用于根据所述充电模块上一周期输出的预充电电压、预充电电流以及储能单元的电压，获取所述预充电电压的预测值，以根据预测值控制电压转换单元下一周期输出的预充电电压；
其中，第一全桥单元包括第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元和第四开关单元，第二全桥单元包括第五开关单元、第六开关单元、第七开关单元和第八开关单元，各开关单元包括开关管、与所述开关管反并联的二极管；
第一开关单元的开关管的集电极分别与第三开关单元的开关管的集电极、储能单元的一端、第一开关单元的二极管的负极相连，第一开关单元的开关管的发射极分别与第二开关单元的开关管的集电极、第一开关单元的二极管的正极相连，第一开关单元的开关管的发射极与第二开关单元的开关管的集电极之间的连接点作为第一连接端以分别连接至正供电端、开关控制模块；第二开关单元的开关管的发射极分别与第四开关单元的开关管的发射极、第二开关单元的二极管的正极、储能单元的另一端相连，第三开关单元的开关管的发射极分别与第三开关单元的二极管的正极、第四开关单元的开关管的集电极相连，第三开关单元的开关管的发射极与第四开关单元的开关管的集电极之间的连接点作为第二连接端以分别连接至负供电端、开关控制模块，第三开关单元的开关管的集电极与第三开关单元的二极管的负极相连；
第五开关单元的开关管的集电极分别与第三开关单元的开关管的集电极、储能单元的一端、第五开关单元的二极管的负极相连，第五开关单元的开关管的发射极分别与第六开关单元的开关管的集电极、第五开关单元的二极管的正极相连，第五开关单元的开关管的发射极与第六开关单元的开关管的集电极之间的连接点作为第四连接端以连接至开关控制模块；
第六开关单元的开关管的发射极分别与第四开关单元的开关管的发射极、第六开关单元的二极管的正极、第八开关单元的开关管的发射极、储能单元的另一端相连，第七开关单元的开关管的发射极分别与第七开关单元的二极管的正极、第八开关单元的开关管的集电极相连，第七开关单元的开关管的发射极与第八开关单元的开关管的集电极之间的连接点作为第三连接端以连接至开关控制模块，第八开关单元的开关管的集电极与第八开关单元的二极管的负极相连；
在所述多个级联的子换流模块的预充电过程中，各所述开关管均处于断开状态，第一级子换流模块的第一连接端接入正供电端，第一级子换流模块的第二连接端接入负供电端，在每一子换流模块中，第一开关单元的二极管、第四开关单元的二极管、第七开关单元的二极管以及第六开关单元的二极管均处于导通状态，并且开关控制模块导通第一连接端与第三连接端之间的连接、第二连接端与第四连接端之间的连接，以在单个子模块中形成两条并联的充电通路。
2.根据权利要求1所述的换流装置，其特征在于，所述第一全桥单元包括：第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元以及第四开关单元，所述第一开关单元与所述第二开关单元串联形成第一支路，所述第三开关单元与所述第四开关单元串联形成第二支路，所述第一支路与所述第二支路分别与所述储能单元并联；
其中，所述第一开关单元与所述第二开关单元之间的连接点作为所述第一连接端，所述第三开关单元与所述第四开关单元的连接点作为所述第二连接端。
3.根据权利要求2所述的换流装置，其特征在于，所述第二全桥单元包括：第五开关单元、第六开关单元、第七开关单元以及第八开关单元，所述第五开关单元与所述第六开关单元串联形成第三支路，所述第七开关单元与所述第八开关单元串联形成第四支路，所述第三支路与所述第四支路分别与所述储能单元并联；
其中，所述第五开关单元与所述第六开关单元的连接点作为所述第四连接端，所述第七开关单元与所述第八开关单元的连接点作为所述第三连接端。
4.根据权利要求1所述的换流装置，其特征在于，所述开关控制模块包括：
多个第一旁路开关单元，与多个所述子换流模块一一对应，所述第一旁路开关单元的一端连接于所述第一连接端，所述第一旁路开关单元的另一端连接于所述第三连接端；
多个第二旁路开关单元，与多个所述子换流模块一一对应，所述第二旁路开关单元的一端连接于所述第二连接端，所述第二旁路开关单元的另一端连接于所述第四连接端。
5.根据权利要求1所述的换流装置，其特征在于，所述充电模块包括：
直流电源单元，用于提供直流输入电压；
电压转换单元，与所述直流电源单元连接，所述电压转换单元的正电源供电端与第一级所述子换流模块的第一连接端连接，所述电压转换单元的负电源供电端与第一级所述子换流模块的第二连接端连接，所述电压转换单元用于根据所述直流输入电压向所述多个级联的子换流模块提供预充电电压。
6.根据权利要求1所述的换流装置，其特征在于，还包括：
隔离开关模块，与第一级所述子换流模块的第一连接端、第二连接端连接，以及与最后一级所述子换流模块的第三连接端、第四连接端连接，所述隔离开关模块用于在所述多个级联的子换流模块进行预充电的情况下，使所述充电模块与外部电路隔离。
7.一种预充电控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1至6任一项所述的换流装置，所述预充电控制方法包括：
在预充电需求的情况下，控制开关控制模块导通多个级联的子换流模块中各子换流模块的第一连接端与第三连接端之间的连接，以及第二连接端与第四连接端之间的连接，以使多个所述子换流模块对应的多个所述储能单元并联且均处于预充电状态。
8.根据权利要求7所述的预充电控制方法，其特征在于，在所述换流装置还包括充电模块和充电开关模块的情况下，所述预充电控制方法还包括：
在预充电需求的情况下，控制充电开关模块导通所述充电模块与第一级所述子换流模块的第一连接端之间的连接，以及导通所述充电模块与第一级所述子换流模块的第二连接端之间的连接。
9.根据权利要求7所述的预充电控制方法，其特征在于，在充电模块包括直流电源单元和电压转换单元的情况下，所述预充电控制方法还包括：
根据所述电压转换单元上一周期输出的预充电电压、预充电电流以及储能单元的电压，获取所述预充电电压的预测值；
根据预测值控制所述电压转换单元下一周期输出的预充电电压。
10.根据权利要求9所述的预充电控制方法，其特征在于，所述根据所述电压转换单元上一周期输出的预充电电压、预充电电流以及储能单元的电压，获取所述预充电电压的预测值，包括：
根据所述电压转换单元上一周期输出的预充电电压、预充电电流以及储能单元的电压，构建换流桥臂电路的状态空间方程；
将所述状态空间方程离散化，获取预充电预测模型；
基于约束条件，对目标函数进行最优化求解，以获取所述预充电电压的预测值；
其中，所述目标函数根据预设电压值和预测时刻的预充电电压设置，所述约束条件包括所述预充电电流小于或等于预设电流值。
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