一种子模块混合型换流器的充电方法与流程

本发明涉及柔性直流输配电领域，具体涉及一种子模块混合型换流器的充电方法。

背景技术：

柔性直流采用电压源型换流器，可以独立、快速控制控制有功功率和无功功率，从而提高系统的稳定性，抑制系统频率和电压的波动，提高并网交流系统的稳态性能。柔性直流在新能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市配网供电等领域具有较大的优势。换流器是柔性直流技术的核心装备，模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)因其具有模块化设计、开关频率低、谐波性能好等优点而成为当前柔性直流工程的首选方案。

目前已投入运行的基于MMC方案的柔性直流工程均采用基于半桥子模块的模块化多电平换流器(half bridge sub-module based modular multilevel converter，HB-MMC)方案，当换流器直流侧发生短路故障，交流电源、半桥子模块中的反并联二极管以及短路故障点将形成短路回路，由于现阶段高压直流断路器技术及制造工艺尚不成熟，因此需要通过分断交流断路器来切断故障回路并等待故障电流自然衰减到0后才能重新启动，该方案恢复供电的延时较长，降低了供电可靠性。

为了使得换流器具有直流故障清除能力，国内外学者提出了诸多新型拓扑。其中MMC的提出者，德国学者R.Marquart提出了以子模块为基本功率单元的广义MMC概念并提出了全桥子模块(full bridge sub-module，FBSM)等新型子模块拓扑。但是基于全桥子模块的模块化多电平换流器(full bridge sub-module based modular multilevel converter，FB-MMC)开关器件较多，开关器件利用率不高，运行损耗大。为此专利WO2012103936A1提出了基于半桥和全桥子模块的混合型模块化多电平换流器(HBFB-MMC)方案，其兼具HB-MMC和FB-MMC的优点，在具有直流故障清除能力的同时还比FB-MMC方案减少开关器件约1/4，因此该方案具有广阔的应用前景。

HBFB-MMC方案中，子模块混合型换流器如图1所示，包含至少一个相单元，各相单元包含上桥臂和下桥臂，上、下桥臂包含相互串联的至少一个半桥子模块、至少一个全桥子模块和至少一个电抗器，换流器交流侧通过充电电阻及其旁路开关、进线开关与交流电网相连。半桥子模块至少包括两个带反并联二极管的可关断器件、一个储能元件，第一可关断器件的负极与第二可关断器件的正极相连构成一号桥，第一可关断器件的正极作为一号桥的正极，第二可关断器件的负极作为一号桥的负极，第一可关断器件与第二可关断器件的连接点作为半桥子模块的第一端点，一号桥的负极作为半桥子模块的第二端点，一号桥的正极与储能元件的正极相连，一号桥的负极与储能元件的负极相连。全桥子模块至少包括四个带反并联二极管的可关断器件、一个储能元件，第一可关断器件的负极与第二可关断器件的正极相连构成一号桥，第一可关断器件的正极作为一号桥的正极，第二可关断器件的负极作为一号桥的负极，第一可关断器件与第二可关断器件的连接点作为半桥子模块的第一端点，第三可关断器件的负极与第四可关断器件的正极相连构成二号桥，第三可关断器件的正极作为二号桥的正极，第四可关断器件的负极作为二号桥的负极，第三可关断器件与第四可关断器件的连接点作为全桥子模块的第二端点，一号桥的正极、二号桥的正极与储能元件的正极相连，一号桥的负极、二号桥的负极与储能元件的负极相连。

不控充电时所有半桥子模块闭锁，所有全桥子模块闭锁。半桥子模块不控充电的示意图如图5所示，当电流从第一端点流入的时候半桥子模块的储能元件串入充电回路，储能元件充电，当电流从第一端点流出的时候半桥子模块的储能元件没有串入充电回路，储能元件不充电；全桥子模块不控充电的示意图如图6所示，当电流从第一端点流入的时候全桥子模块的储能元件串入充电回路，储能元件充电，当电流从第一端点流出的时候全桥子模块的储能元件也串入充电回路，储能元件充电。由于全桥子模块的充电时间大约是半桥子模块的两倍，因此不控充电时全桥子模块的电压大约是半桥子模块的两倍。而在高压场合子模块的工作需要依赖于自取能电源，一般情况下自取能电源的启动电压不能很低，这样在交流不控充电阶段半桥子模块不受控，无法执行下一步的全控充电过程。因此需要设计一种子模块混合型换流器的充电方法来使得在半桥子模块不受控阶段可以抬升半桥子模块电压，从而提高子模块自取能电源的启动工作点，降低子模块自取能电源的设计难度。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对基于半桥和全桥子模块的模块化多电平换流器交流不控充电的特点，提供一种子模块混合型换流器的充电方法，实现HBFB-MMC换流器在子模块自取能电源的启动电压不降低的情况下顺利充电，完成启动过程。

为了达成上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种子模块混合型换流器的充电方法，所述方法的具体充电步骤包括：

步骤(1)、换流器执行不控充电过程；

步骤(2)、全桥子模块自取能电源进行取能，取能成功后按电压从高到低顺次半闭锁全桥子模块，逐个或者一次多个地增加全桥子模块半闭锁的数目，过程中，未被旁路的其余全桥子模块闭锁，所有半桥子模块维持闭锁状态；

步骤(3)、当所有全桥子模块半闭锁后，换流器执行全控充电过程。

作为本发明的进一步优选方案，所述半桥子模块至少包括两个带反并联二极管的可关断器件、一个储能元件，一号可关断器件的负极与二号可关断器件的正极相连构成一号桥，一号可关断器件的正极作为一号桥的正极，二号可关断器件的负极作为一号桥的负极，一号可关断器件与二号可关断器件的连接点作为半桥子模块的第一端点，一号桥的负极作为半桥子模块的第二端点，一号桥的正极与储能元件的正极相连，一号桥的负极与储能元件的负极相连；

所述全桥子模块至少包括四个带反并联二极管的可关断器件、一个储能元件，第一可关断器件的负极与第二可关断器件的正极相连构成一号桥，第一可关断器件的正极作为一号桥的正极，第二可关断器件的负极作为一号桥的负极，第一可关断器件与第二可关断器件的连接点作为半桥子模块的第一端点，第三可关断器件的负极与第四可关断器件的正极相连构成二号桥，第三可关断器件的正极作为二号桥的正极，第四可关断器件的负极作为二号桥的负极，第三可关断器件与第四可关断器件的连接点作为全桥子模块的第二端点，一号桥的正极、二号桥的正极与储能元件的正极相连，一号桥的负极、二号桥的负极与储能元件的负极相连。

作为本发明的进一步优选方案，步骤(2)所述全桥子模块半闭锁具体为：全桥子模块的第一可关断器件开通，第二、三、四可关断器件关断或者第一、二、三可关断器件关断，第四可关断器件开通。

作为本发明的进一步优选方案，步骤(3)所述全控充电指部分半桥子模块闭锁、部分半桥子模块旁路；部分全桥子模块半闭锁、部分全桥子模块旁路。

作为本发明的进一步优选方案，所述半桥子模块旁路指半桥子模块的一号可关断器件关断，二号可关断器件开通。

作为本发明的进一步优选方案，所述全桥子模块旁路具体为：全桥子模块的第一、三可关断器件关断，第二、四可关断器件开通或者第一、三可关断器件开通，第二、四可关断器件关断。

本发明还公开了一种子模块混合型换流器的充电方法，所述方法的具体充电步骤包括：

步骤一、换流器执行不控充电过程；

步骤二、全桥子模块自取能电源进行取能，取能成功后按电压从高到低旁路全桥子模块，逐个或者一次多个地增加全桥子模块旁路的数目，过程中，未被旁路的其余全桥子模块闭锁，所有半桥子模块维持闭锁状态；

步骤三、当半桥子模块平均电压大于全桥子模块平均电压的K倍后，半闭锁所有全桥子模块，闭锁所有半桥子模块，其中0.6<K<1.4；

步骤四、换流器执行全控充电过程。

作为本发明的进一步优选方案，步骤四所述全控充电具体为：部分半桥子模块闭锁、部分半桥子模块旁路；部分全桥子模块半闭锁、部分全桥子模块旁路。

作为本发明的进一步优选方案，所述半桥子模块至少包括两个带反并联二极管的可关断器件、一个储能元件，一号可关断器件的负极与二号可关断器件的正极相连构成一号桥，一号可关断器件的正极作为一号桥的正极，二号可关断器件的负极作为一号桥的负极，一号可关断器件与二号可关断器件的连接点作为半桥子模块的第一端点，一号桥的负极作为半桥子模块的第二端点，一号桥的正极与储能元件的正极相连，一号桥的负极与储能元件的负极相连；

所述全桥子模块至少包括四个带反并联二极管的可关断器件、一个储能元件，第一可关断器件的负极与第二可关断器件的正极相连构成一号桥，第一可关断器件的正极作为一号桥的正极，第二可关断器件的负极作为一号桥的负极，第一可关断器件与第二可关断器件的连接点作为半桥子模块的第一端点，第三可关断器件的负极与第四可关断器件的正极相连构成二号桥，第三可关断器件的正极作为二号桥的正极，第四可关断器件的负极作为二号桥的负极，第三可关断器件与第四可关断器件的连接点作为全桥子模块的第二端点，一号桥的正极、二号桥的正极与储能元件的正极相连，一号桥的负极、二号桥的负极与储能元件的负极相连。

作为本发明的进一步优选方案，所述全桥子模块半闭锁具体为：全桥子模块的第一可关断器件开通，第二、三、四可关断器件关断或者第一、二、三可关断器件关断，第四可关断器件开通。

作为本发明的进一步优选方案，所述半桥子模块旁路具体为：半桥子模块的一号可关断器件关断，二号可关断器件开通。

作为本发明的进一步优选方案，所述全桥子模块旁路具体为：全桥子模块的第一、三可关断器件关断，第二、四可关断器件开通或者第一、三可关断器件开通，第二、四可关断器件关断。

采用上述方案后，本发明的有益效果为：

(1)本发明提供的充电方法，在半桥子模块不受控阶段可以抬升半桥子模块电压；

(2)本发明提供的充电方法，可以提高子模块自取能电源的启动工作点，降低子模块自取能电源的设计难度，实现HBFB-MMC换流器在子模块自取能电源的启动电压不降低的情况下顺利充电，完成启动过程。

附图说明

图1是基于半桥和全桥子模块的混合型模块化多电平换流器；

图2是柔性直流换流站单线图；

图3是充电流程图一；

图4是充电流程图二；

图5是半桥子模块闭锁示意图；

图6是全桥子模块闭锁示意图。

图7是全桥子模块半闭锁示意图；

图8是半桥子模块旁路示意图；

图9是全桥子模块旁路示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。

以下实施例中提到的子模块混合型换流器如图1所示，其中，半桥子模块的第一可关断器件Q1h，第二可关断器件Q2h；全桥子模块的第一可关断器件为Q1f，第二可关断器件Q2f，第三可关断器件Q3f，第四可关断器件Q4f。

一种子模块混合型换流器的充电方法，换流器交流侧通过充电电阻及其旁路开关、进线开关与交流电网相连，如图2所示，充电步骤如图3所示，具体步骤如下：

(1)合上进线开关QF，使得换流阀带充电电阻不控充电，充电电流小于设定值Iset或直流电压大于设定值Uset后合上旁路开关QA，旁路充电电阻，其中Iset<0.1pu，Uset>0，此时全桥子模块电压大约是半桥子模块电压的两倍，并且二者的电压都较低；

(2)全桥子模块自取能电源取能成功后选择电压最高的N个全桥子模块半闭锁，N从0开始逐渐增大，其余全桥子模块闭锁，所有半桥子模块闭锁，随着N的逐渐增大，半桥子模块电压平均电压逐渐增大，全桥子模块平均电压电压也逐渐增大，并且二者逐渐接近，所有全桥子模块电压均衡；

(3)所有全桥子模块半闭锁后，半桥子模块平均电压与全桥子模块平均电压接近，再执行全控充电过程。

全桥子模块半闭锁指关断Q1f、Q2f、Q3f,开通Q4f或者关断Q2f、Q3f、Q4f，开通Q1f，如图7所示。

半桥子模块旁路指关断Q1h，开通Q2h，如图8所示，全桥子模块旁路指关断Q1f、Q3f，开通Q2f、Q4f或者或者关断Q2f、Q4f，开通Q1f、Q3f，如图9所示。

全控充电以两种子模块的电压均衡为控制目标，如果半桥子模块和全桥子模块集中排序，那么根据现有文献提供的均压策略和选通方法工作，如果半桥子模块和全桥子模块分组排序，那么根据现有文献对每个桥臂总的旁路数量进行分配，再根据现有文献提供的均压策略和选通方法工作。

一种子模块混合型换流器的充电方法，换流器交流侧通过充电电阻及其旁路开关、进线开关与交流电网相连，如图2所示，充电步骤如图4所示，具体步骤如下：

(1)合上进线开关QF，使得换流阀带充电电阻不控充电，充电电流小于设定值Iset或直流电压大于设定值Uset后合上旁路开关QA，旁路充电电阻，其中Iset<0.1pu，Uset>0，此时全桥子模块电压大约是半桥子模块电压的两倍，并且二者的电压都较低；

(2)全桥子模块自取能电源取能成功后选择电压最高的N个全桥子模块旁路，N从0开始逐渐增大，其余全桥子模块闭锁，所有半桥子模块闭锁，随着N的逐渐增大，半桥子模块电压平均电压逐渐增大，所有全桥子模块电压均衡；

(3)半桥子模块平均电压大于全桥子模块平均电压的K倍后所有全桥子模块半闭锁，所有半桥子模块闭锁，其中0.6<K<1.4；

(4)执行全控充电过程。

全桥子模块半闭锁指关断Q1f、Q2f、Q3f,开通Q4f或者关断Q2f、Q3f、Q4f，开通Q1f，如图7所示。

半桥子模块旁路指关断Q1h，开通Q2h，如图8所示，全桥子模块旁路指关断Q1f、Q3f，开通Q2f、Q4f或者或者关断Q2f、Q4f，开通Q1f、Q3f，如图9所示。

全控充电以两种子模块的电压均衡为控制目标，如果半桥子模块和全桥子模块集中排序，那么根据现有文献提供的均压策略和选通方法工作，如果半桥子模块和全桥子模块分组排序，那么根据现有文献对每个桥臂总的旁路数量进行分配，再根据现有文献提供的均压策略和选通方法工作。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。