模块化多电平换流器高压直流输电系统子模块触发方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种输电系统子模块触发方法，特别是关于一种柔性直流输电领域中 全桥型的模块化多电平换流器高压直流输电系统子模块触发方法。
【背景技术】
[0002] 随着大功率全控型电力电子器件的发展，模块化多电平换流器高压直流输电技术 受到越来越多的关注。然而，高压大功率的直流断路器的工程应用还不成熟，且由于二极管 的续流作用，半桥型模块化多电平换流器在远距离输电和多端直流领域的发展受限。目前， 已建成的柔性直流输电工程主要为两电平和三电平电压源型拓扑结构，二者的直流母线间 都接有大容量电容器组，一旦直流侧发生短路故障，电容器组放电产生巨大的冲击电流。半 桥型模块化多电平换流器在直流母线短路故障时，交流电源将通过子模块中续流二极管向 短路点馈入电流。如果该电流在短时间内不能得到抑制，换流站设备可能会受到损坏。 [0003]直流故障保护策略对模块化多电平换流器的可靠运行有重要作用，研究具有直流 故障穿越能力的模块化多电平换流器拓扑结构具有重要的应用价值。已投运的模块化多电 平柔性直流输电工程中，直流侧故障时换流器仍无法有效控制交直流两侧的能量交换，只 能通过断开交流侧断路器使换流器退出运行。解决这个问题可以从拓扑结构着手，如果采 用全桥型子模块，该模块化多电平换流器在直流侧故障时能够有效控制交直流两侧的能量 交换，具有较好的直流侧故障穿越能力。
[0004]目前国内外对于全桥型模块化多电平换流器的探讨主要包括：杨兴武、薛花、高 淳等人提出的一种新型MMC拓扑的分析与控制中，公开了一种新型模块化多电平换流器拓 扑，含有全桥子模块的混合型模块化多电平拓扑结构，但其控制策略较为复杂。赵成勇等人 提出的一种柔性直流输电建模和仿真技术中，公开了全桥型模块化多电平的启动控制，阐 述了交流侧自启动过程，但是启动步骤仅分两部分，过程阐述可更详细。许烽、徐政、张哲 任、刘高任、翁华、屠卿瑞提出的一种基于降损调制技术的全桥MMC电容电压无需排序均衡 控制中，分析了全桥型模块化多电平换流器通态损耗、必要的开关损耗和附加开关损耗与 其运行模式及开关动作方式的关联性，给出了 2种全桥型模块化多电平换流器下无需排序 的电容电压均衡控制策略。赵成勇、许建中、李探提出的一种全桥型MMC-MTDC直流故障穿 越能力分析中，给出了全桥型模块化多电平变换器降损运行措施，并理论上证明了其可以 采用电压源换流器的通用解耦控制策略及半桥型模块化多电平变换器相似的调制策略以 构成完整的闭环系统。
【发明内容】
[0005]针对上述问题，本发明的目的是提供一种模块化多电平换流器高压直流输电系统 子模块触发方法，其实现了模块化多电平换流器高压直流输电系统的启动控制、电容电压 均衡控制、调制策略；并保证了在实现电容均压控制、最近电平逼近调制的情况下，开关管 的导通次数最少，即开关管损耗最少。
[0006] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种模块化多电平换流器高压直流 输电系统子模块触发方法，其特征在于包括：启动阶段的触发方法和稳定运行阶段的触发 方法，所述启动阶段的触发方法采用借助辅助电源的他励式启动触发方法：所述借助辅助 电源的他励式启动触发方法如下：在交流电源侧设置有第一辅助接触器，每个电抗器两侧 均并联一第二辅助接触器，并在模块化多电平换流器的两极直流母线之间并联辅助电源， 辅助电源负向端依次串联一限流电阻器和第三辅助接触器；在充电过程中，闭合第一辅助 接触器切除交流电源，通过第二辅助接触器将所有电抗器旁路掉，且只将需要充电的电容 器投入，其余的电容器均处于切除状态；当一个子模块充电完成时，将其切除，并同时将下 一个子模块投入，充电；从上往下依次为各子模块中的电容器充电；所述稳定运行阶段的 触发方法包括以下步骤：（1)各子模块中的直流储能电容电压％经电容电压排序后，得到 电容电压序列及相应的序列电压值；同时，将桥臂电压调制波u"f与直流储能电容电压额 定值u_f的比值进行四舍五入取整后，得任意时刻该桥臂中需要导通的子模块数；（2)采用 现有技术中的基于排序算法的电容电压平衡控制直接法，将电容电压序列及相应的序列电 压值进行电容电压幅值排序，结合桥臂电流的流向，产生需要导通的子模块触发信号；(3) 根据子模块IGBT选通信号模块对子模块中IGBT管T进行选通。
[0007] 为实现上述目的，本发明采取另一种技术方案：一种模块化多电平换流器高压直 流输电系统子模块触发方法，其特征在于包括：启动阶段的触发方法和稳定运行阶段的触 发方法，所述启动阶段的触发方法采用交流自励启动触发方法：所述交流自励启动触发方 法如下：在交流电源侧设置有串联的第一辅助接触器和第二辅助接触器，并在第二辅助接 触器两侧并联一限流电阻器；所述交流自励启动触发方法包括以下三个阶段：电阻限流充 电阶段、直接充电阶段、Boost升压阶段：第一阶段：电阻限流充电阶段，首先，断开第二辅 助接触器，闭合第一辅助接触器，通过与第一辅助接触器串联的限流电阻器，利用交流电源 对子模块电容充电；测量各桥臂的电流值，当桥臂电流为正时，将桥臂内的η个子模块全部 投入电路进行充电；当桥臂电流为负时，将桥臂内η个子模块全部切除；全桥型模块化多电 平换流器各桥臂子模块将进行交替充电，直到此阶段充电最大值；第二阶段：直接充电阶 段，当第一阶段电压达到稳定，闭合第二辅助接触器，将限流电阻器旁路，第一辅助接触器 保持闭合状态不变；此时交流电源开始直接为各桥臂子模块充电；第三阶段：Boost升压阶 段，当第二阶段电压稳定后，采用现有电压控制方法使模块化多电平换流器直流侧电压提 升至额定工作电压；所述稳定运行阶段的触发方法包括以下步骤：（1)各子模块中的直流 储能电容电压Ue经电容电压排序后，得到电容电压序列及相应的序列电压值；同时，将桥臂 电压调制波U"f与直流储能电容电压额定值U的比值进行四舍五入取整后，得任意时刻 该桥臂中需要导通的子模块数；(2)采用现有技术中的基于排序算法的电容电压平衡控制 直接法，将电容电压序列及相应的序列电压值进行电容电压幅值排序，结合桥臂电流的流 向，产生需要导通的子模块触发信号；（3)根据子模块IGBT选通信号模块对子模块中IGBT 管T进行选通。
[0008] 进一步，所述步骤（3)中，子模块中IGBT管T的选通方法如下：假定子模块的正 向端为A，负向端为B，当电流由A流向B时，若需子模块工作在投入状态，则不触发，电流流 经二极管D1、D4 ;若需子模块工作在切除状态，则触发IGBT开关管T3,电流流经二极管D1、 IGBT开关管T3 ;当电流由B流向A时，若需子模块工作在投入状态，则触发IGBT开关管T1、 T4,电流流经IGBT开关管Tl、T4 ;若需子模块SM工作在切除状态，则触发IGBT开关管Tl， 电流流经二极管D3、IGBT开关管T1。
[0009] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明实现了全桥型模块化 多电平换流器柔性直流输电系统器件级控制。所有控制最终都将由开关器件的动作来实 现，通过合理的选通IGBT来实现子模块的投入和切除，与此同时使开关管的导通次数最 少，减少开