一种模块化多电平变换器MMC预充电控制方法及其控制装置与流程

本发明涉及电力系统柔性直流输配电和电力电子技术领域，具体涉及一种模块化多电平变换器mmc预充电控制方法及其控制装置。

背景技术：

模块化多电平变换器自其诞生以来就由于其控制灵活、子模块结构易于拓展等优点受到了国内外研究人员的广泛关注。其稳态运行时要求系统具备一定的初始电压，但mmc与传统两电平变换器不同，由于包含大量悬浮的子模块电容，初始时刻，所有子模块电容均无初始电压；在进入稳定运行工作状态以前，需要采取相应的控制策略先对子模块电容进行充电，将子模块电容充电至稳态运行电压。mmc的预充电启动过程是系统稳态运行的基础，进一步提升预充电性能具有十分重要的意义。

目前，针对模块化多电平变换器预充电控制策略中已有下列公开文献：

[1]肖晃庆,徐政,薛英林,等.多端柔性直流输电系统的启动控制策略[j].高电压技术,2014,40(8):2550-2557.

[2]孔明,邱宇峰,贺之渊,等.模块化多电平式柔性直流输电换流器的预充电控制策略[j].电网技术,2011,35(11):67-73.

[3]李探,赵成勇,王朝亮,等.用于电网黑启动的mmc-hvdc系统换流站启动策略[j].电力系统自动化,2013,37(9):117-122.

[4]华文,赵晓明,黄晓明,等.模块化多电平柔性直流输电系统的启动策略[j].电力系统自动化,2015,39(11):51-58.

文献[1]中提到使用他励方式充电，该方法是指利用额外的辅助充电电源对变换器子模块电容进行充电，虽然控制方法简单，但是由于在实际工程应用中子模块的额定电压可能会高达数千伏以上，要实现如此高电压的直流电源并为变换器数十上百个子模块电容完成充电，经济成本较高。文献[2,3]采用将斜率控制引入到mmc的可控预充电控制中，文献[4]则重点分析了变换器不同接地方式对启动过程的影响。上述文献对可控预充电过程的控制均是在旁路充电限流电阻的前提下进行的，限流电阻作为限制mmc启动充电电流的关键部件，是mmc启动过程中必不可少的，在可控预充电阶段旁路限流电阻则限制了其限流能力。

目前，现有模块化多电平变换器预充电控制策略或经济成本较高，或需在可控预充电阶段旁路限流电阻。

技术实现要素：

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种模块化多电平变换器mmc预充电控制方法及其控制装置，该方法在可控预充电阶段保持限流电阻投入到系统充电回路中，充分利用了限流电阻对充电电流的限制能力，将子模块电容电压快速提升至稳态运行值，有效降低变换器从预充电过程转为正常运行时的电容电压波动。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种模块化多电平变换器mmc预充电控制方法，所述模块化多电平变换器mmc由三个变换器相单元构成，每个相单元包括上下两个桥臂，每个桥臂由n个半桥型的子模块、一个桥臂电感larm以及限流电阻rlim串联构成，其改进之处在于，所述控制方法包括下述步骤：

a1)对模块化多电平变换器mmc系统进行不可控充电，将充电回路上子模块电容串联电压ucs充电至交流系统提供的充电电压；

a2)确定每个相单元上下桥臂电流及子模块的电容电压；

a3)判断子模块所在桥臂电流的方向，并判断桥臂电流是否大于0；

a4)当子模块电容电压uci达到稳态运行电压参考电压ucref后，切除子模块，并解锁下一个子模块，重复操作步骤a2)～a4)；

a5)逐个进行到桥臂最后一个子模块充电完成时，返回桥臂充电完成的标志信号；

a6)将所有桥臂的子模块电容依次充电至稳态运行电压ucref，预充电过程完成。

进一步地，所述步骤a1)中，利用电压霍尔传感器分别采集各相桥臂上子模块电容串联电压ucs充电和交流系统线电压ulabc，通过傅里叶分析得到线电压幅值ull，当各相桥臂上子模块电容串联电压ucs等于ull时不可控充电完成，进入可控充电阶段。

进一步地，所述步骤a2)中，旁路所有子模块，利用电流霍尔传感器分别采集各相上桥臂电流ipi和下桥臂电流ini；利用电压霍尔传感器采集子模块电容电压uci，其中，i取1到n，n为桥臂子模块数。

进一步地，所述步骤a3)中，若上桥臂电流ipi>0或下桥臂电流ini>0，若是，则投入第i个子模块，并对第i个子模块的电容进行充电；否则，切除第i个子模块。

进一步地，所述步骤a5中，所述标志信号为：已完成充电的子模块数是否等于变换器桥臂包含的子模块数n；若达到标志信号，则进行步骤a6)；否则返回步骤a2)。

本发明还提供一种模块化多电平变换器mmc预充电控制装置，其改进之处在于，所述控制装置包括：

充电模块：用于对模块化多电平变换器mmc系统进行不可控充电，将充电回路上子模块电容串联电压ucs充电至交流系统提供的充电电压；

确定模块：用于确定每个相单元上下桥臂电流及子模块的电容电压；

判断模块：用于判断子模块所在桥臂电流的方向，并判断桥臂电流是否大于0；

解锁模块：当子模块电容电压uci达到稳态运行电压参考电压ucref后，用于切除子模块，并解锁下一个子模块，重复操作步骤a2)～a4)；

返回模块：逐个进行到桥臂最后一个子模块充电完成时，用于返回桥臂充电完成的标志信号；

完成标志模块：用于确定将所有桥臂的子模块电容依次充电至稳态运行电压ucref，标志预充电过程完成。

进一步地，所述充电模块还用于：利用电压霍尔传感器分别采集各相桥臂上子模块电容串联电压ucs充电和交流系统线电压ulabc，通过傅里叶分析得到线电压幅值ull，当各相桥臂上子模块电容串联电压ucs等于ull时不可控充电完成，进入可控充电阶段。

进一步地，所述确定模块还用于：旁路所有子模块，利用电流霍尔传感器分别采集各相上桥臂电流ipi和下桥臂电流ini；利用电压霍尔传感器采集子模块电容电压uci，其中，i取1到n，n为桥臂子模块数。

进一步地，所述判断模块还用于：若上桥臂电流ipi>0或下桥臂电流ini>0，若是，则投入第i个子模块，并对第i个子模块的电容进行充电；否则，切除第i个子模块。

进一步地，所述完成标志模块的标志信号为：已完成充电的子模块数是否等于变换器桥臂包含的子模块数n。

为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

本发明提供一种简单有效的可控解锁控制策略，该策略在可控预充电阶段保持限流电阻投入到系统充电回路中，充分利用了限流电阻对充电电流的限制能力，将子模块电容电压快速提升至稳态运行值，有效降低变换器从预充电过程转为正常运行时的电容电压波动。

该控制方法简单，能够充分利用限流电阻的限流能力，将子模块电容电压快速提升至变换器稳态运行需要的电容电压，同时无需设计专门的预充电控制器，且能够有效降低变换器由预充电过程转为正常运行过程时子模块电容电压的波动，减小对电容器的冲击，延长电容器的使用寿命。

为了上述以及相关的目的，一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。

附图说明

图1为可控预充电解锁流程图；

图2为mmc背靠背系统结构图；

(图中变换器相单元包括上下两个桥臂，每个桥臂由n个半桥型子模块(sub-modules，sm)和一个桥臂电感larm以及限流电阻rlim串联而成)；

图3为mmc预充电启动过程仿真结果图，其中(a)为预充电时mmc1和mmc2中a相单元上桥臂子模块电容电压波形，(b)为预充电过程中变换器交流侧充电电流波形；

图4为预充电转正常运行对比仿真结果图，(a)为在不可控充电后直接引入双闭环的控制方法的mmc1，(b)为在不可控充电后直接引入双闭环的控制方法的mmc2子模块电容电压波形，(c)为采用本方法的mmc1子模块电容电压波形，(d)为采用本方法的mmc2子模块电容电压波形。

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。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

本发明提供一种模块化多电平变换器mmc预充电控制方法，所述模块化多电平变换器mmc由三个变换器相单元构成，每个相单元包括上下两个桥臂，每个桥臂由n个半桥型的子模块、一个桥臂电感larm以及限流电阻rlim串联构成，控制方法包括下述步骤：

a1)对模块化多电平变换器mmc系统进行不可控充电，将充电回路上子模块电容串联电压ucs充电至交流系统提供的充电电压；

a2)确定每个相单元上下桥臂电流及子模块的电容电压；

a3)判断子模块所在桥臂电流的方向，并判断桥臂电流是否大于0；

a4)当子模块电容电压uci达到稳态运行电压参考电压ucref后，切除子模块，并解锁下一个子模块重复操作步骤a2～a4；

a5)逐个进行到桥臂最后一个子模块充电完成时，返回桥臂充电完成的标志信号[已完成充电的子模块数是否等于变换器桥臂包含的子模块数n]；

a6)将所有桥臂的子模块电容依次充电至稳态运行电压ucref，启动过程完成。

具体的：

步骤a1)中，利用电压霍尔传感器分别采集各相桥臂上子模块电容串联电压ucs充电和交流系统线电压ulabc，通过傅里叶分析得到线电压幅值ull，当ucs等于ull时不可控充电完成，进入可控充电阶段。

步骤a2)中，旁路所有子模块，利用电压霍尔传感器分别采集各相上桥臂电流ipi、下桥臂电流ini和子模块电容电压uci，其中，i取1到n，n为桥臂子模块数。

步骤a3)中，若上桥臂电流ipi>0或小桥臂电流ini>0，若是，则投入第i个子模块，并对第i个子模块的电容进行充电，否则切除第i个子模块；

步骤a5)中，所述标志信号为：已完成充电的子模块数是否等于变换器桥臂包含的子模块数n；若达到标志信号，则进行步骤a6)；否则返回步骤a2)。

本发明还提供一种模块化多电平变换器mmc预充电控制装置，包括：

充电模块：用于对模块化多电平变换器mmc系统进行不可控充电，将充电回路上子模块电容串联电压ucs充电至交流系统提供的充电电压；

确定模块：用于确定每个相单元上下桥臂电流及子模块的电容电压；

判断模块：用于判断子模块所在桥臂电流的方向，并判断桥臂电流是否大于0；

解锁模块：当子模块电容电压uci达到稳态运行电压参考电压ucref后，用于切除子模块，并解锁下一个子模块，重复操作步骤a2)～a4)；

返回模块：逐个进行到桥臂最后一个子模块充电完成时，用于返回桥臂充电完成的标志信号；

完成标志模块：用于确定将所有桥臂的子模块电容依次充电至稳态运行电压ucref，标志预充电过程完成。

优选的，所述充电模块还用于：利用电压霍尔传感器分别采集各相桥臂上子模块电容串联电压ucs充电和交流系统线电压ulabc，通过傅里叶分析得到线电压幅值ull，当各相桥臂上子模块电容串联电压ucs等于ull时不可控充电完成，进入可控充电阶段。

优选的所述确定模块还用于：旁路所有子模块，利用电流霍尔传感器分别采集各相上桥臂电流ipi和下桥臂电流ini；利用电压霍尔传感器采集子模块电容电压uci，其中，i取1到n，n为桥臂子模块数。

优选的，所述判断模块还用于：若上桥臂电流ipi>0或下桥臂电流ini>0，若是，则投入第i个子模块，并对第i个子模块的电容进行充电；否则，切除第i个子模块。

优选的，所述完成标志模块的标志信号为：已完成充电的子模块数是否等于变换器桥臂包含的子模块数n。

实施例

由图1所示解锁流程图可知，改变参数n即可适应不同电平数的变换器的解锁控制，十分便于扩展至不同的电平数，且所提策略无需设计专门的控制器即可将所有子模块电容充电至稳态运行所需的电压，大大简化了mmc的启动控制。

仿真参数设置如下：变换器交流侧相电压幅值upm＝20kv，子模块数n＝10，限流电阻rlim＝20ω，桥臂电感larm＝4mh，子模块电容c＝6000μf，子模块电容参考电压ucref＝4kv，仿真采用图2所示背靠背系统，仿真过程中变换器mmc2交流侧与交流系统2断开连接。

图3(a)为预充电时mmc1和mmc2中a相单元上桥臂子模块电容电压波形。图3(b)为预充电过程中变换器交流侧充电电流波形。图中虚线前后分别表示不可控预充电和可控预充电两个启动阶段。由图3(a)(b)可知，在不可控预充电阶段，子模块电容电压波形从零逐渐上升为稳态值，在限流电阻的作用下，充电初始阶段最大充电电流约为1ka。由图中虚线以后的仿真波形可以看出，在可控预充电阶段，桥臂中子模块电容电压被逐个抬升至其稳态参考值4kv，之后即被旁路，电容电压保持不变。如图3(b)中点划线所示，由于此时系统中所有子模块电容已经具备一定直流电压，充电电流最大值并未超过不可控充电过程开始时刻的电流峰值，因此，采用本发明的解锁控制策略，不会影响限流电阻的配置。

图4(a)(b)表示在不可控充电后直接引入双闭环的控制方法的mm1和mmc2上下桥臂子模块电容电压波形，(c)(d)表示采用本方法的mm1和mmc2上下桥臂子模块电容电压波形。对比两种控制策略的仿真结果可知，若直接采用双闭环控制，在变换器由预充电转正常运行时，子模块电容电压会出现较大波动，过大的电压波动会增加对子模块电容的冲击，缩短电容器使用寿命；而在本发明所述的解锁策略控制下，由于子模块电容电压已经预先被充电至稳态运行电压，变换器由预充电转至正常运行时子模块电容电压波动幅值显著降低，工作状态的切换过程更为平滑，电压波动对电容器造成的冲击明显减小，有利于延长子模块电容器的使用寿命。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。