混合式MMC排序均压充电方法、启动方法及装置与流程

本发明属于直流输电技术领域，具体涉及混合式MMC排序均压充电方法、启动方法及装置。

背景技术：

随着全控型电力电子器件的发展和电力电子技术在电力系统中的应用，基于电压源换流器的柔性直流输电技术日益受到重视。模块化多电平换流器(Modular multilevel converter，MMC)是柔性直流输电系统应用中电压源换流器的一种，它由多个子模块按照一定的方式连接而成，通过控制各个子模块IGBT组的投入和切除状态使换流器输出的交流电压逼近正弦波，实现能量的高效传输。

传统的模块化多电平换流器中，通常采用图1所示的半桥式子模块作为基础单元，以降低换流器建设成本。传统的半桥式子模块MMC在直流短路故障发生时无法通过自身特性迅速抑制故障电流，必须依靠交流断路器或直流断路器才能清除故障电流。一方面由于交流断路器的响应时间较长，有可能导致保护不及时而造成换流器过流损坏；一方面配置直流断路器提高了对设备的技术要求，增加了系统成本。

为了解决这一问题，有学者提出采用半桥加全桥子模块混合式MMC拓扑来解决这一问题。通过故障后迅速闭锁换流器，利用全桥子模块中二极管的反向阻断能力迅速抑制故障电流，实现直流故障的自清除。此外，如果桥臂中全桥子模块个数满足一定条件，还可以利用全桥子模块生成负电平的能力，在维持交流侧并网的情况下将直流电压降低至0，从而抑制故障电流，实现在不闭锁状态下的直流故障穿越。

申请公开号为CN 105119508A的中国专利公开了一种全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器及启动方法，该方法首先投入系统软启电阻，闭合交流断路器，进行自然软启阶段，当子模块电压达到上电电压后，进入软启均压阶段，切除L个子模块继续充电，待系统稳定后，即充电电流衰减至接近零，切除软启电阻，解锁换流器进行定直流电压控制，继续充电至稳定，充电完成。该方法在不控整流充电结束后，采用简单的排序均压策略，将导致系统的子模块电压在一个较大的范围内来回波动，无法达到需要的稳态值。

另外，有学者提出通过判断电流方向，在电流方向为负时切除所有全桥子模块，保证了充电完成后子模块电压的一致性。但考虑到充电后半段中充电电流较小，电流方向判断将非常困难，发生误判后将出现较大电流冲击，因此不适合工程应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种混合式MMC排序均压充电方法、启动方法及装置，用以解决半桥与全桥混合式模块化多电平换流器充电启动时因判断电流方向错误而导致较大电流冲击的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

本发明提供一种混合式MMC排序均压充电方法，将全桥子模块与半桥子模块一起进行排序，切除电压较高的设定值个数的子模块来进行主动均压充电，直至子模块电压接近额定值，解锁换流器；其中，当全桥子模块接收到闭锁指令进行充电时，导通其中一个全控器件，关断其余三个全控器件。

本发明还提供一种混合式MMC启动方法，包括如下方法方案：

方法方案一，包括如下步骤：

1)预充电步骤；

2)排序均压充电步骤：将全桥子模块与半桥子模块一起进行排序，切除电压较高的设定值个数的子模块来进行主动均压充电，直至子模块电压接近额定值，解锁换流器；其中，当全桥子模块接收到闭锁指令进行充电时，导通其中一个全控器件，关断其余三个全控器件。

方法方案二，在方法方案一的基础上，所述预充电步骤包括：经交流侧软起电阻对换流器进行不控整流充电直至子模块电压稳定。

方法方案三，在方法方案二的基础上，对所有全桥子模块，导通其中一个全控器件，关断其余三个全控器件，继续充电，电压再次稳定后旁路软起电阻。

本发明还提供一种混合式MMC排序均压充电装置，包括用于将全桥子模块与半桥子模块一起进行排序，切除电压较高的设定值个数的子模块来进行主动均压充电，直至子模块电压接近额定值，解锁换流器的模块；其中，当全桥子模块接收到闭锁指令进行充电时，导通其中一个全控器件，关断其余三个全控器件。

本发明还提供一种混合式MMC启动装置，包括如下装置方案：

装置方案一，包括如下模块：

预充电模块；

排序均压充电模块：用于将全桥子模块与半桥子模块一起进行排序，切除电压较高的设定值个数的子模块来进行主动均压充电，直至子模块电压接近额定值，解锁换流器；其中，当全桥子模块接收到闭锁指令进行充电时，导通其中一个全控器件，关断其余三个全控器件。

装置方案二，在装置方案一的基础上，所述预充电模块包括：用于经交流侧软起电阻对换流器进行不控整流充电直至子模块电压稳定。

装置方案三，在装置方案二的基础上，还包括用于对所有全桥子模块，导通其中一个全控器件，关断其余三个全控器件，继续充电，电压再次稳定后旁路软起电阻的模块。

本发明的有益效果：

本发明提出一种混合式MMC排序均压充电方法及装置，在将全桥子模块与半桥子模块一起进行排序，切除电压较高的若干个子模块来进行主动均压充电，直至子模块电压接近额定值，解锁换流器时，对于全桥子模块，当接收到闭锁指令进行充电时，导通任一全控器件，关断其余三个全控器件。由于此排序均压的作用，电压较高的全桥子模块将被切除，半桥子模块不断充电，两类子模块电压将迅速接近。由于全桥子模块触发规则的改变，使得全桥子模块模拟半桥子模块，两类子模块充电时间接近，将一起充电至额定值附近。该方法及装置在无需判断电流方向的情况下，帮助半桥与全桥混合式MMC启动方法及装置完成启动充电。

另外，本发明还提出一种混合式MMC启动方法及装置，其核心在于使用上述混合式MMC排序均压充电方法及装置，在排序均压充电阶段对全桥子模块触发规则进行改变，使得全桥子模块模拟半桥子模块，最终使半桥子模块与全桥子模块一起充电至额定值附近。在无需判断电流方法情况下即可完成半桥与全桥混合式MMC的启动充电，有效的避免了由于半桥与全桥拓扑不一致导致的充电阶段末尾子模块电压波动问题。

附图说明

图1是子模块混合式MMC的拓扑结构示意图；

图2-a是所有IGBT关断且电流为正时半桥子模块电流通路示意图；

图2-b是所有IGBT关断且电流为负时半桥子模块电流通路示意图；

图3-a是所有IGBT关断且电流为正时全桥子模块电流通路示意图；

图3-b是所有IGBT关断且电流为负时全桥子模块电流通路示意图；

图4-a是仅T4号IGBT开通且电流为正时全桥子模块电流通路示意图；

图4-b是仅T4号IGBT开通且电流为负时全桥子模块电流通路示意图；

图5-a是仅T2和T4号IGBT导通且电流为正时全桥子模块切除状态电流通路示意图；

图5-b是仅T2和T4号IGBT导通且电流为负时全桥子模块切除状态电流通路示意图；

图6是本发明描述的子模块混合式MMC启动方法流程图；

图7-a是仅T3号IGBT开通且电流为正时全桥子模块电流通路示意图；

图7-b是仅T3号IGBT开通且电流为负时全桥子模块电流通路示意图；

图8-a是仅T1和T3号IGBT导通且电流为正时全桥子模块切除状态电流通路示意图；

图8-b是仅T1和T3号IGBT导通且电流为负时全桥子模块切除状态电流通路示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明的混合式MMC启动方法实施例：

如图1所示为适用于本发明的混合MMC的拓扑结构示意图，每个桥臂包含n个半桥式子模块HBSM和(N-n)个全桥式子模块FBSM。启动流程图如图6所示。

具体的：

1)带软起电阻，进行不控整流充电。此时所有半桥和全桥子模块均处于闭锁状态，即所有的IGBT均处于关断状态。

该过程中，对于半桥子模块，当电流为正时，电流通路如图2-a所示，对电容进行充电；当电流为负时，电流通路如图2-b所示，不对电容进行充电。即：在子模块电压到达稳态的过程中，半桥子模块在闭锁状态下，仅在电流为正时对电容进行充电。

该过程中，对于全桥子模块，当电流为正时，电流通路如图3-a所示，对电容进行充电；当电流为负时，电流通路如图3-b所示，同样对电容进行充电。即：在子模块电压到达稳态的过程中，全桥子模块在闭锁状态下，无论电流为正或者负，均对电容进行充电。

因此，该阶段结束时，全桥子模块电压将高于半桥子模块电压。

2)半桥子模块维持闭锁状态不变，触发全桥子模块T4导通，T1、T2、T3仍旧关断。电压稳定后，切除软起电阻。

该过程中，对于半桥子模块，不同电流下的半桥子模块充电情况同上，如图2-a和图2-b所示。

该过程中，对于全桥子模块，当电流为正时，电路流通图如图4-a所示，对电容进行充电；当电流为负时，电流流通图如图4-b所示，不对电容进行充电。此时，与半桥子模块具有类似特性。

因此，该阶段过程中，全桥子模块电压与半桥子模块中流过的充电电压完全一样，电压共同上升，两者间的差距仍然存在，但不再变大。

3)将全桥子模块与半桥子模块一起进行排序均压。其中，半桥子模块的闭锁和切除状态不变。全桥子模块在接收到闭锁命令后，令T1、T2、T3关断，T4导通；在接收到切除命令后，关断T1、T3，导通T2、T4。

该过程中，对于半桥子模块，在接收到闭锁命令后，关断T01和T02；在接收到切除命令时，关断T01，导通T02，电容被旁路。

该过程中，对全桥子模块，在接收到闭锁命令后，关断T1、T2、T3，导通T4，电路流通图如图4-a和图4-b所示；在接收到切除命令后，关断T1、T3，导通T2、T4。当电流为正时，电路流通图如图5-a所示，对电容进行充电；当电流为负时，电路流通图如图5-b所示，不对电容进行充电，电流均经导通IGBT或二极管续流，与半桥子模块充电效果相同。

该过程开始时，由于排序均压的作用，电压较高的全桥子模块将被切除，半桥子模块不断充电，两类子模块电压将迅速接近。之后，由于全桥子模块触发规则的改变，两类子模块充电时间接近，将一起充电至额定值附近，不再有电压不均，可以直接解锁。

该方法不需要判断电流方向即可完成子模块混合式MMC的启动充电过程，有效的避免了由于半桥与全桥拓扑不一致导致的充电阶段末尾子模块电压波动问题。

该方法的核心在于第3)步，即提供了一种混合式MMC排序均压充电方法，在该过程中，对于全桥子模块，当接收到闭锁指令进行充电时，导通任一全控器件，关断其余三个全控器件，使得全桥子模块相当于一个半桥子模块，两类子模块的充电效果相同，从而达到两类子模块电压迅速接近的目的。

同时，为了提高在预充电阶段的电压的均匀性，在对子模块进行不控整流充电后，也采用上述触发控制策略来对全桥子模块进行充电，也即步骤2)。在该实施例中，在步骤2)和步骤3)中，通过导通T4，关断T1、T2、T3来使全桥子模块在电流为正时对电容进行充电，在电流为负时不对电容进行充电，从而达到与半桥子模块具有类似特性的目的。作为其他实施方式，可导通T1、T2、T3中任一IGBT，关断其余三个IGBT，同样能够使全桥子模块模拟半桥子模块，达到相同的效果。

其中，若导通T3，关断T1、T2、T4，则电流流通如图7-a和图7-b所示，在这种情况下，电流为负时对电容进行充电，在电流为正时不对电容进行充电。

在本实施例中，在步骤3)中，对于全桥子模块，在接收到切除命令后，关断T1、T3，导通T2、T4，以达到旁路电容的作用。作为其他实施方式，可关断T2、T4，导通T1、T3，电路流通图如图8-a和图8-b所示，同样可以达到旁路电容的作用。

另外，本发明还提供一种混合式MMC排序均压充电装置，包括用于将全桥子模块与半桥子模块一起进行排序，切除电压较高的设定值个数子模块来进行主动均压充电，直至子模块电压接近额定值，解锁换流器的模块；其中，当全桥子模块接收到闭锁指令进行充电时，导通任其中一个全控器件，关断其余三个全控器件。

本发明还提供一种混合式MMC启动装置，包括如下模块：

预充电模块；

排序均压充电模块：用于将全桥子模块与半桥子模块一起进行排序，切除电压较高的设定值个数的子模块来进行主动均压充电，直至子模块电压接近额定值，解锁换流器；其中，当全桥子模块接收到闭锁指令进行充电时，导通其中一个全控器件，关断其余三个全控器件。

上述混合式MMC排序均压充电装置及混合式MMC启动装置，实际上是基于本发明上述对应方法流程的一种计算机解决方案，上述各种模块即为与方法流程相对应的各处理进程或程序。由于对上述方法的介绍已经足够清楚完整，故不再对混合式MMC排序均压充电装置及混合式MMC启动装置进行详细描述。