[发明专利]一种模块化多电平换流器的充电方法

说明书

技术领域

本发明属于电力电子领域，特别涉及一种模块化多电平换流器的充电方法。

背景技术

模块化多电平换流器采用低电压器件实现高电压输出而不需要开关器件的直接串联，避免了串联均压问题，适用于高压大容量应用，如适用于柔性直流输电应用场合。三相模块化多电平换流器（MMC）主电路拓扑结构示意图如图1（a）所示，包含3个相单元，每个相单元包括上下两个桥臂，每个桥臂由若干个子模块（SM）和一个换流电抗器串联组成。子模块的结构如图1（b）所示，由一个作为开关元件的IGBT半桥和一个直流储能电容C并联组成，直流储能电容C还并联放电电阻R。每个子模块包含三种工作状态，如图2所示。在闭锁状态时，子模块可以通过二极管的单相导通性进行充电；在导通状态时，子模块可以根据桥臂电流的方向进行充放电；在关断状态时子模块电容被旁路，但由于并联放电电阻将缓慢放电。为了提高可靠性，每个桥臂中还可包含一定数量的备用子模块，每个桥臂的工作子模块数量小于等于桥臂串联子模块数量。

模块化多电平换流器工作前需要将子模块的电容充电至工作电压，保证换流器正常解锁时相单元中导通子模块叠加产生的电压与直流侧电压相差较小，否则会引起较大的冲击电流，严重的情况下可能使开关器件损坏。当通过交流侧充电时，子模块电容可充电至工作电压附近，正常解锁换流器不会引起冲击电流。但在某些特殊的情况下，如柔性直流系统的黑启动情况时，只能通过直流侧为模块化多电平换流器的子模块电容充电。此时，解锁前子模块的电容只能充电至工作电压的一半左右，不能按照正常方式解锁，因此有必要采用合适的策略防止冲击电流的出现。

丁冠军等人的“新型模块化多电平VSC子模块电容参数与均压策略”（中国电机工程学报，2009，29（30），1～6）提及一种利用辅助电源的充电方法（方法一）。该方法选取与子模块额定电压相近的直流电压源，将其跨接于换流器直流侧正负极之间，通过控制子模块的投入和切除，使得子模块电容电压升至额定值附近。

汤广福，孔明等人的“一种模块化多电平换流器柔性直流输电系统的起动方法”（专利申请阶段，申请公布号：CN201110100456.1），提及了一端有源系统为两站换流器充电的柔性直流系统起动过程（方法二）。首先由有源端换流器（站1）不可控充电建立直流电压，在两站子模块电压趋于稳定后解锁站2换流器，在站2换流器的子模块电容电压趋于稳定后闭合站1的旁路电阻隔刀，随后解锁站1换流器，最后通过同期方式实现站2换流器并网。

上述方法一存在的缺点在于：换流器桥臂/相充电过程中，一次只能对一个子模块进行充电，在限流电阻下需要一定的时间，整个换流器的充电时间较长，在所有子模块充电完成后，较早充电的子模块因并联放电电阻的缓慢放电可能出现电压偏低；同时分别对每个子模块的充电过程复杂，需要设置复杂的阀控策略。上述方法二存在的缺点在于：起动过程需要两站之间的配合，在控制不当时可能产生严重的冲击电流；解锁站2时交流限流电阻仍串入线路，可以减小站1的过电流，但解锁瞬间站2的直流电压跌落为解锁前的一半，站2换流器会出现短暂的冲击电流。

针对前述现有技术的不足，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种模块化多电平换流器的充电方法，其通过直流侧充电，使换流器正常运行前子模块电压达到工作电压，通过合适的控制策略避免充电过程产生冲击电流。

为了达成上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种模块化多电平换流器的充电方法，所述换流器包括至少一个相单元，各相单元由上、下两个桥臂组成，各桥臂由数个结构相同的子模块与一个电抗器串联而成，所述子模块由IGBT半桥和电容器并联而成，包括导通、关断和闭锁三种工作状态，所述充电方法包括如下步骤：

（1）换流器直流侧带电；

（2）待子模块电压稳定后，解锁换流器，导通所有子模块；

（3）减少相单元中导通子模块数量；

（4）判断桥臂电流是否过流，过流则进入步骤（5），否则进入步骤（6）；

（5）增加相单元中导通子模块数量，返回步骤（4）；

（6）判断子模块电压是否稳定，稳定则进入步骤（7），否则返回步骤（4）；

（7）判断相单元中导通子模块数量是否大于一个桥臂的工作子模块数量，大于则返回步骤（3），否则进入步骤（8）；

（8）保持相单元导通子模块数量恒定；

充电结束条件为换流器中所有相单元的充电过程均处于步骤（8）。