本发明属于电力系统输配电应用技术领域，具体涉及一种箝位双子模块的模块化多电平换流器的预充电方法。
背景技术：
2001年，A.Lesnicar等人提出了模块化多电平结构的电压源换流器(modular multilevel converter，MMC)，MMC除了具有能够实现有功和无功的独立控制，同时具有输出电压谐波含量少，无需滤波器，模块化结构扩展性强，容易实现冗余控制等一系列优势，因而迅速成为换流器领域的研究热点。
MMC由一系列级联的子模块构成，根据子模块类型的不同，MMC的性能也不尽相同。其中半桥子模块由于结构简单而获得了广泛的应用，现有的MMC-HVDC工程基本都是基于半桥子模块。然而基于半桥子模块的MMC无法有效闭锁直流故障电流，因而系统的直流故障穿越能力差，一旦发生直流侧故障，往往需要整个系统停运，降低了系统运行的可靠性。为了解决这一问题，现有的基于半桥子模块的MMC-HVDC工程一般采用直流电缆作为输电线路，以降低直流侧故障的几率，但这无疑会降低系统的经济性同时限制了在架空线输电领域的应用。
为解决上述半桥子模块的缺陷，学术界又提出了很多具有故障阻断能力的子模块类型，以提高系统的直流故障穿越能力，箝位双子模块便是其中一种。基于箝位双子模块的MMC(C-MMC)除了保留了早期MMC的一般性优点外，最大的优势在于可利用换流器快速控制实现直流故障自清除，且额外增加的器件和损耗均不大，因而未来基于C-MMC的柔性直流输电系统具有广阔的应用前景。与其他子模块类型的MMC一样，C-MMC每个子模块都含有一个悬浮电容，在高压场景下，子模块的工作需要依赖于自取能电源，在充电的初始阶段子模块电容不带电，自取能电源无法启动，所以给子模块电容预充电是C-MMC正常运行所必须的阶段。预充电的方式主要分为自励预充电和它励预充电两种，它励预充电由于需要额外的辅助直流充电电源，经济性较差，所以目前主流的预充电方式是利用电网线电压直接充电的自励预充电方式。
由于子模块自身结构特点，C-MMC的预充电方法与其他类型子模块的MMC有所不同，如何有效利用C-MMC自身结构特点，设计安全有效的预充电方法是亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明提供了一种箝位双子模块的模块化多电平换流器的预充电方法，本发明的目的在于提供基于箝位双子模块的模块化多电平换流器的预充电方法，根据C-MMC的拓扑结构特点，设计“不控充电”和“可控充电”的两阶段预充电方法，并且在“不控充电”阶段采取分桥臂充电的方法，预充电过程安全、快速、有效，具有较强的工程实用性。
为达到上述目的，本发明所述一种箝位双子模块的模块化多电平换流器的预充电方法1、一种箝位双子模块的模块化多电平换流器的预充电方法，其特征在于，包括“不控充电”阶段和“可控充电”阶段，在“不控充电”阶段，换流器所有桥臂上的子模块同时进行预充电，直到所有子模块的电容的电压达到电容阈值UCC，“可控充电”阶段以分桥臂充电的方式，将各桥臂电容依次充电至额定电压UCR。
进一步的，包括以下步骤：
步骤1、接通换流器交流侧断路器，换流器在交流侧线电压作用下，所有桥臂同时进行预充电，所有子模块的电容电压达到电容阈值UCC；
步骤2、通过实施分桥臂充电的方式，将各桥臂电容依次充电至额定电压UCR；
步骤3、所有桥臂子模块电容电压均充电至额定电压UCR之后，闭锁所有子模块，预充电过程结束。
进一步的，步骤2中，根据电流方向将所有桥臂分为两组，电流方向相同的桥臂为同一组桥臂，同一组桥臂上的所有子模块的电容同时充电，两组桥臂上的子模块的电容轮流充电。
进一步的，记桥臂电流方向由直流公共点到交流侧出口处为正方向，当桥臂电流为负方向时，使该桥臂所有子模块工作于闭锁模式，给该桥臂所有子模块的电容充电，当桥臂电流为正方向时，旁路整个桥臂所有子模块，当某桥臂所有子模块充电至额定电压后则旁路整个桥臂所有子模块。
进一步的，步骤1中，接通换流器交流侧断路器的同时接入限流电阻，步骤3中，闭锁所有子模块后切除限流电阻。
进一步的，电容电压阈值UCC取额定电压的30％。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，本发明为换流器正常工作前最重要的准备工作预充电过程提供方法依据，本发明基于模块化多电平换流器预充电的一般性特点，将整个预充电过程分为“不控充电”和“可控充电”两个阶段，在“可控充电”阶段结合箝位双子模块的结构特点，采用了分桥臂充电的控制策略，能够快速、准确的将电容充电至额定电压，为换流器预充电提供了一种高效实用的方法。可控充电阶段充分利用了箝位双子模块的结构特点，对桥臂电容进行了分组充电，使得可控充电回路中电容电压构成的反电动势最小，因而充电过程更加快速；同时由于可控充电阶段是直接将电容电压充电至额定值，因而充电结果更加准确。
进一步的，其特征在于，步骤1中，接通换流器交流侧断路器的同时接入限流电阻，以限制充电电流,防止预充电起始阶段由于电容电压较低，充电电流过大而导致IGBT等器件的损坏。
进一步的，电容电压阈值UCC取额定电压的30％，由于子模块的触发电路通常是通过电容分压取能的，研究表明当电容电压不低于30％时子模块触发电路才能正常工作，同时不控充电阶段后期随着子模块电容电压的上升，充电速度逐渐变缓，为提高充电效率应尽早转入可控充电阶段，故选择不控充电阶段结束的电压阈值为额定电压的30％。
附图说明
图1为箝位双子模块拓扑结构图；
图2为本发明流程图；
图3为电流正方向情况下箝位双子模块等效电路图；
图4为图2的等效电路图；
图5为电流反方向情况下箝位双子模块等效电路图；
图6为图4的等效电路图；
图7为预充电电流回路示意图；
图2和图4中粗线表示电流流过的支路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
图1为箝位双子模块的拓扑结构图，5个IGBT(Insulated Gate Bipolar Trans istor，引导绝缘栅双极型晶体管)：T11、T12、T21、T22和T0，2个电容：C1和C2，以及7个二极管：D11、D12、D21、D22、D0、Dc1和Dc2，其中T0为引导IGBT，D 0为T0的反并联二极管，D c1和D c2为箝位二极管，T0、D0、Dc1和Dc2将箝位双子模块分为两组。在第一组中，D 11为T 11的反并联二极管，T 11的发射极连接箝位双子模块的接口A，T11的集电极连接电容C 1和箝位二极管D c1的负极；D12为T 12的反并联二极管，T 12的集电极连接箝位双子模块的接口A，T 12的发射极连接引导IGBT(T0)的发射极、箝位二极管Dc2的负极、D 12的正极和电容C 1。在第二组中，D22为T 22的反并联二极管，T22的发射极连接箝位双子模块的接口B，T 22的集电极连接引导IGBT(T0)的集电极、电容C2和箝位二极管D c1的正极；D 21为T 21的反并联二极管，T 21的集电极连接箝位双子模块的接口B，T21的发射极连接箝位二极管D c2的正极、D 21的正极和电容C 2。
如图1所示其中每个子模块中含有两个电容，箝位双子模块可以近似看做两个半桥子模块的串联，子模块的具体工作模式如表1所示，表1中，1表示有触发脉冲，0表示没有触发脉冲，UAO表示第一个半桥的输出电压，UOB表示第二个半桥的输出电压，USM表示整个箝位双子模块的输出电压，iSM表示子模块的电流，Uc表示每个电容的额定电压值。
表1箝位式双子模块工作模式
子模块的具体工作模式分正常模式和闭锁模式两种，预充电过程主要利用闭锁模式和正常模式下第三种情况。其中闭锁模式下，根据子模块电流方向不同，子模块的等效电路也不完全相同，电流正方向情况下箝位双子模块等效电路图如图3所示，图3的等效电路图如图4所示，电流自直流公共点依次流经二极管D11、电容C1、二极管D0、电容C2和二极管D21，然后流出，电流正方向情况下箝位双子模块等效电路图如图5所示，图5的等效电路图如图6所示，电流流经二极管D22后分流，一路流经二极管Dc1和电容C1，另一路流经Dc2后，两路合并再流经电容C1，然后流出。
箝位双子模块的模块化多电平换流器的预充电过程分为“不控充电”和“可控充电”两个阶段，“不控充电”阶段将电容电压充到相应的阈值后，转入“可控充电”阶段将电容电压充至额定值，在预充电过程中为了限制充电电流，需要外加限流电阻，预充电结束后限流电阻切除。由于模块化多电平换流器的工作原理，在电容电压过低情况下，子模块不可控，所以先进行“不控充电”阶段，在电网线电压作用下，所有桥臂子模块电容同时充电至阈值(此处设为额定电压的百分之三十)，随后转入“可控充电”阶段，“可控充电”以桥臂电流方向为依据，采用分桥臂充电的策略。
参照图2，箝位双子模块的模块化多电平换流器的预充电方法包括以下步骤：
步骤1、接通换流器交流侧断路器，同时接入限流电阻，电容电压过低条件下，子模块无法触发，全部处于闭锁状态，换流器在交流侧线电压作用下，所有桥臂上的子模块同时进行预充电，直到所有子模块的电容电压达到电容阈值UCC，电容电压阈值取额定电压的30％。
步骤2、经过步骤1后，子模块的电容电压达到阈值UCC，此时，子模块IGBT可控，通过实施分桥臂充电的方式，将各桥臂电容依次充电至额定电压。具体为：记换流器桥臂电流方向由直流公共点到交流侧出口处为正方向，根据电流方向将所有桥臂分为两组，电流方向相同的桥臂为同一组。根据图3至图6中箝位双子模块结构特点，当桥臂电流为负方向时，子模块的等效电容电压低，所以整个桥臂的串联电容电压也低，便于交流侧线电压直接将电容充电至额定电压。因此当桥臂电流为负方向时，让该桥臂所有子模块工作于闭锁模式，给该桥臂所有子模块的电容充电，当桥臂电流为正方向时，让该桥臂所有子模块工作于正常模式的第三种情况，旁路整个桥臂所有子模块，即整个桥臂子模块输出电压均为0。当某桥臂所有子模块充电至额定电压后则旁路整个桥臂所有子模块，a,b,c三相交替充电,以a、b相为例，预充电电流回路如图7所示，图7中电容表示,整个桥臂的等效电容,其中被旁路的桥臂用二极管等效。
步骤3、经过步骤2后，所有桥臂子模块电容电压均充电至额定电压之后，闭锁所有子模块，然后切除限流电阻，预充电过程结束，换流器可转入正常的工作模式。