[發明專利]一種模塊化多電平換流器的充電方法

有效

• 申請號: 201310014548.7
• 申請日: 2013-01-15
• 公開（公告）號: CN103078539A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 汪楠楠;田杰;董云龍;李鋼;曹冬明
• 申請（專利權）人: 南京南瑞繼保電氣有限公司;南京南瑞繼保工程技術有限公司
• 主分類號: H02M7/483
• 分類號: H02M7/483;H02M1/32
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

技術領域

本發明屬于電力電子領域，特別涉及一種模塊化多電平換流器的充電方法。

背景技術

模塊化多電平換流器采用低電壓器件實現高電壓輸出而不需要開關器件的直接串聯，避免了串聯均壓問題，適用于高壓大容量應用，如適用于柔性直流輸電應用場合。三相模塊化多電平換流器（MMC）主電路拓撲結構示意圖如圖1（a）所示，包含3個相單元，每個相單元包括上下兩個橋臂，每個橋臂由若干個子模塊（SM）和一個換流電抗器串聯組成。子模塊的結構如圖1（b）所示，由一個作為開關元件的IGBT半橋和一個直流儲能電容C并聯組成，直流儲能電容C還并聯放電電阻R。每個子模塊包含三種工作狀態，如圖2所示。在閉鎖狀態時，子模塊可以通過二極管的單相導通性進行充電；在導通狀態時，子模塊可以根據橋臂電流的方向進行充放電；在關斷狀態時子模塊電容被旁路，但由于并聯放電電阻將緩慢放電。為了提高可靠性，每個橋臂中還可包含一定數量的備用子模塊，每個橋臂的工作子模塊數量小于等于橋臂串聯子模塊數量。

模塊化多電平換流器工作前需要將子模塊的電容充電至工作電壓，保證換流器正常解鎖時相單元中導通子模塊疊加產生的電壓與直流側電壓相差較小，否則會引起較大的沖擊電流，嚴重的情況下可能使開關器件損壞。當通過交流側充電時，子模塊電容可充電至工作電壓附近，正常解鎖換流器不會引起沖擊電流。但在某些特殊的情況下，如柔性直流系統的黑啟動情況時，只能通過直流側為模塊化多電平換流器的子模塊電容充電。此時，解鎖前子模塊的電容只能充電至工作電壓的一半左右，不能按照正常方式解鎖，因此有必要采用合適的策略防止沖擊電流的出現。

丁冠軍等人的“新型模塊化多電平VSC子模塊電容參數與均壓策略”（中國電機工程學報，2009，29（30），1～6）提及一種利用輔助電源的充電方法（方法一）。該方法選取與子模塊額定電壓相近的直流電壓源，將其跨接于換流器直流側正負極之間，通過控制子模塊的投入和切除，使得子模塊電容電壓升至額定值附近。

湯廣福，孔明等人的“一種模塊化多電平換流器柔性直流輸電系統的起動方法”（專利申請階段，申請公布號：CN201110100456.1），提及了一端有源系統為兩站換流器充電的柔性直流系統起動過程（方法二）。首先由有源端換流器（站1）不可控充電建立直流電壓，在兩站子模塊電壓趨于穩定后解鎖站2換流器，在站2換流器的子模塊電容電壓趨于穩定后閉合站1的旁路電阻隔刀，隨后解鎖站1換流器，最后通過同期方式實現站2換流器并網。

上述方法一存在的缺點在于：換流器橋臂/相充電過程中，一次只能對一個子模塊進行充電，在限流電阻下需要一定的時間，整個換流器的充電時間較長，在所有子模塊充電完成后，較早充電的子模塊因并聯放電電阻的緩慢放電可能出現電壓偏低；同時分別對每個子模塊的充電過程復雜，需要設置復雜的閥控策略。上述方法二存在的缺點在于：起動過程需要兩站之間的配合，在控制不當時可能產生嚴重的沖擊電流；解鎖站2時交流限流電阻仍串入線路，可以減小站1的過電流，但解鎖瞬間站2的直流電壓跌落為解鎖前的一半，站2換流器會出現短暫的沖擊電流。

針對前述現有技術的不足，本案由此產生。

發明內容

本發明的目的，在于提供一種模塊化多電平換流器的充電方法，其通過直流側充電，使換流器正常運行前子模塊電壓達到工作電壓，通過合適的控制策略避免充電過程產生沖擊電流。

為了達成上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種模塊化多電平換流器的充電方法，所述換流器包括至少一個相單元，各相單元由上、下兩個橋臂組成，各橋臂由數個結構相同的子模塊與一個電抗器串聯而成，所述子模塊由IGBT半橋和電容器并聯而成，包括導通、關斷和閉鎖三種工作狀態，所述充電方法包括如下步驟：

（1）換流器直流側帶電；

（2）待子模塊電壓穩定后，解鎖換流器，導通所有子模塊；

（3）減少相單元中導通子模塊數量；

（4）判斷橋臂電流是否過流，過流則進入步驟（5），否則進入步驟（6）；

（5）增加相單元中導通子模塊數量，返回步驟（4）；

（6）判斷子模塊電壓是否穩定，穩定則進入步驟（7），否則返回步驟（4）；

（7）判斷相單元中導通子模塊數量是否大于一個橋臂的工作子模塊數量，大于則返回步驟（3），否則進入步驟（8）；

（8）保持相單元導通子模塊數量恒定；

充電結束條件為換流器中所有相單元的充電過程均處于步驟（8）。