[发明专利]一种模块化多电平柔性直流输电换流器的启动方法

说明书

技术领域

本发明属于电力系统柔性输配电、电力电子和用户电力技术领域，涉及一种模块化多电平柔性直流输电换流器的启动方法。

背景技术

柔性直流输电技术以可关断电力电子器件和电压源型换流站（VSC）为基础，多为BtB拓扑结构并以地下电缆及海底电缆为传输媒介实现电能传输。其中电压源型换流器（VSC）是该输电系统的基本组成单元。模块化多电平换流器（Modular multilevel converter, MMC）是近几年备受关注的一种多电平换流器拓扑结构。在模块化多电平换流器中每个桥臂由若干个子模块（submodule, SM）串联而成，通过控制各个子模块的投入和切除状态，进而实现对换流器交流侧输出电压的控制。这种控制方式能够以阶梯波的形式最大限度逼近正弦波，从而降低输出电压畸变，满足电网对于谐波的限制要求。

    模块化多电平柔性直流输电换流器的基本拓扑如图1a所示，由三相六个桥臂组成，每个相单元由两个桥臂组成，每个桥臂由桥臂电抗器及若干个子模块串联而成。子模块是换流器的基本组成单元，子模块的拓扑如图1b所示，其中包括直流电容、与直流电容串联的上管IGBT和其反并联二极管及与直流电容并联的下管IGBT和其反并联二极管。

    当子模块接入换流器桥臂中，上管闭合，下管断开时，子模块电容接入系统，此时如果桥臂电流为向子模块上管IGBT和下管IGBT之间节点流进方向，则会通过上管反并联二极管对电容充电；如果桥臂电流为向子模块上管IGBT和下管IGBT之间节点流出方向，则会通过上管IGBT对电容放电。当子模块接入换流器桥臂中，上管断开，下管闭合时，由于下管与电容并联，此时通过下管对电容进行短路操作，将电容切除，此时无论桥臂电流如何，均不会与该子模块电容形成回路，不会对子模块进行充放电操作。

    在传统直流输电中，开关器件主要采用晶闸管，对于晶闸管控制电路的电源均取自直流母线。在高电压大功率系统中，开关器件控制取电自直流电容，是一个简单实用的方法。同样，对于模块化多电平柔性直流输电系统，子模块控制用电（包括子模块驱动电路以及其他控制电路）取自于子模块直流电容两侧，也是一个简单实用的方法。

    子模块控制电取电于子模块直流电容功能的加入，引入了各控制电流消耗的差异性，再加之子模块电路参数本身有差异性，使得子模块串联入一个直流源系统两端时，子模块电压会存在不小的不均衡度，如果该不均衡度足够大，将导致系统无法正常运行。

    在换流器运行过程中，需要保证各桥臂内子模块电压在一定范围内保持一致。因此系统在启动过程中完成对各子模块的预充电，并保证子模块电压均匀，即平稳的启动是系统稳定运行的第一步。

    申请公布号为CN101795057 A的中国专利申请“无需辅助直流电源的三相模块化多电平换流器启动方法”，公开了一种三相模块化多电平换流器的自励充电方法，该方法用交流系统线电压作为充电电源，通过检测桥臂电流方向和各子模块电容电压来控制各桥臂的开关状态，完成换流器的子模块充电。具体过程为：通过限流电阻将交流电压引至换流器，给所有子模块上下开关器件予以关断信号，检测各桥臂的电流，当电流与充电方向一致时，给待充电子模块下开关器件予以触发信号，该子模块充电；当电流与充电方向相反时，给该子模块下开关器件予关断信号，该子模块电容电压得以保持，如此反复，待子模块电容电压达到额定时，触发开通该子模块下开关器件，该子模块充电完毕，可转而对下一个子模块进行充电，重复上述步骤，直至桥臂所有的子模块电容电压均达到额定值附近，换流器完成充电。

    申请公布号为CN102170140 A的中国专利申请“一种模块化多电平换流器柔性直流输电系统的起动方法”，主要从模块化多电平柔性直流输电BtB系统的角度说明了系统合闸及控制模式启动的时序，首先两端换流站在软启电阻限流作用下自然充电到稳态，然后再对于无源端换流站进行均压控制。