全橋與半橋子模塊混聯的模塊化多電平換流器及啟動方法技術

本發明專利技術公開了全橋與半橋子模塊混聯的模塊化多電平換流器及啟動方法，包括分別與對應的三相電源相連接的三相單元，每個單元均包括上橋臂及下橋臂，上橋臂及下橋臂結構相同，均包括相串聯的M個半橋式子模塊、N個全橋式子模塊及電感L0；由于不同子模塊選用不同的電容值，會造成充電速度不一致。常規的充電方式不能滿足該子模塊混聯MMC拓撲的正常充電。本發明專利技術采用自然軟啟階段及軟啟均壓階段，保證不同子模塊電壓相同。

【技術實現步驟摘要】
全橋與半橋子模塊混聯的模塊化多電平換流器及啟動方法
本專利技術涉及新能源與電力系統領域，具體將涉及全橋與半橋子模塊混聯的模塊化多電平換流器及啟動方法。
技術介紹
基于電壓源型換流器的柔性直流輸電技術由于其有功無功解耦獨立控制、能夠接入弱電網、向無源負荷供電、具備電網黑啟動能力、動態響應快、諧波特性優良且占地面積小等諸多優點，在大規模間歇性新能源并網、孤島無源負荷供電、交流電網互聯和城市智能供配電等方面得到了越來越廣泛的應用。德國學者RainerMarquardt介紹了具有穿越嚴重直流故障能力的全橋子模塊MMC拓撲，當發生直流短路故障時，可以通過閉鎖換流器來抑制故障電流，但由于全橋子模塊所需開關器件為半橋子模塊的兩倍，增加了換流器的建造成本。由此，業界提出將全橋子模塊與其他子模塊混聯組成MMC的橋臂，在維持直流故障穿越能力的基礎上，降低了系統成本。但簡單的將相同參數的全橋子模塊和其他子模塊混聯，在系統配置上并非最合理的選擇，亟待提出一種合理的優化配置，并為該優化配置提供相應的控制方法支撐。
技術實現思路
為解決現有技術存在的不足，本專利技術公開了全橋與半橋子模塊混聯的模塊化多電平換流器及啟動方法，全橋與半橋子模塊混聯的模塊化多電平換流器進行了優化配置，并為該優化配置提供相應的控制方法支撐。為實現上述目的，本專利技術的具體方案如下：全橋與半橋子模塊混聯的模塊化多電平換流器，包括分別與對應的三相電源相連接的三相單元，每個單元均包括上橋臂及下橋臂，上橋臂及下橋臂結構相同，均包括相串聯的M個半橋式子模塊、N個全橋式子模塊及電感L0；半橋式子模塊包括電容及與該電容相并聯的開關單元，所述開關單元包括相串聯的兩個IGBT，每個IGBT均與對應的反向二極管相并聯；全橋式子模塊包括電容及與該電容相并聯的兩個開關單元，每個開關單元包括相串聯的兩個IGBT，每個IGBT均與對應的反向二極管相并聯。進一步的，半橋式子模塊與全橋式子模塊的數量相等或全橋式子模塊的數量與半橋式子模塊的數量為2：1。綜合系統成本、損耗、容量以及直流故障穿越能力各方面的要求，當系統不需要提高直流電壓利用率時，建議選用全橋及半橋式子模塊各使用一半的配置方式；當系統需要盡量提高直流電壓利用率以提供傳輸功率時，建議選用2/3的全橋式子模塊和1/3的半橋式子模塊。優選的，半橋式子模塊與全橋式子模塊的額定電容電壓宜相同，由于模塊化多電平換流器主要應用于高壓大功率場合，子模塊的額定電容電壓選擇主要受到器件約束，因此，全橋式子模塊和半橋式子模塊的額定電容電壓宜相同，根據功率器件的額定電壓選取合理值。全橋式子模塊的電容值設置為半橋式子模塊電容值的二倍。由于全橋式子模塊在直流故障穿越過程中的作用，應適當提高全橋子模塊的電容值，但又應避免不同子模塊電容值差別過大對系統啟動及控制帶來的影響，所以將系統中的全橋式子模塊的電容值設置為半橋式子模塊電容值的二倍。全橋與半橋子模塊混聯的模塊化多電平換流器的啟動方法，包括：充電流程開始：投入系統軟啟電阻，閉合交流斷路器，進行自然軟啟階段，當子模塊電壓達到上電電壓后，進入軟啟均壓階段，切除L個子模塊繼續充電，待系統穩定后(即充電電流衰減至接近零)，切除軟啟電阻，解鎖換流器進行定直流電壓控制，繼續充電至穩定，充電完成。進一步的，在自然軟啟階段，正向、負向橋臂電流均為全橋式子模塊進行充電，半橋式子模塊只在橋臂電流為正的時間段內充電，因此在自然軟啟階段結束后，相同橋臂內全橋式子模塊電容充電能量是半橋式子模塊的二倍，全橋式子模塊的電容值設置為半橋式子模塊電容的二倍，因此能夠保證兩種子模塊的電容電壓相同。進一步的，軟啟均壓階段，在同一橋臂內切除一定數量的子模塊，其余子模塊依然閉鎖，達到穩態后切除軟起電阻并解鎖換流器。在橋臂電流正負時刻，均對全橋式子模塊進行充電，通過均壓作用，能夠將全橋式子模塊的充電能量調整為半橋式子模塊的二倍，及保證不同子模塊電壓相同。切除的子模塊需要動態選擇橋臂中電壓最高的L個子模塊，L的個數由下式確定：其中，M為單橋臂內全橋式子模塊個數，N為單橋臂內半橋式子模塊個數，Uline為系統閥側線電壓，UC_rated為子模塊額定電壓值。當檢測到直流雙極短路故障時，立即閉鎖換流器，當上下橋臂的子模塊電容電壓和高于交流線電壓峰值時，子模塊電容提供的反電動勢可將直流電流抑制到零，從而實現直流故障穿越。本專利技術的有益效果：本專利技術所提及的全橋式子模塊的電容值設置為半橋式子模塊電容的二倍，在直流故障發生初期，故障電流會流經全橋式子模塊電容，對全橋式子模塊電容進行充電。從而造成全橋式子模塊電容電壓，超出子模塊額定電壓。若該電容電壓過大，會在系統解鎖瞬間造成較大的沖擊電流，適當提高全橋式子模塊電容值有利于解決該問題。由于不同子模塊選用不同的電容值，會造成充電速度不一致。常規的充電方式不能滿足該子模塊混聯MMC拓撲的正常充電。本專利技術采用自然軟啟階段及軟啟均壓階段，保證不同子模塊電壓相同。附圖說明圖1為全橋子模塊與半橋子模塊混合級聯MMC拓撲；圖2為混合子模塊級聯MMC拓撲在直流故障穿越工況的等效電路；圖3為混合子模塊級聯MMC拓撲的啟動流程圖。具體實施方式：下面結合附圖對本專利技術進行詳細說明：如圖1所示，本專利技術實施例的全橋與半橋子模塊混聯的模塊化多電平換流器，包括分別與對應的三相電源相連接的三相單元，每個單元均包括上橋臂及下橋臂，上橋臂及下橋臂結構相同，均包括相串聯的M個半橋式子模塊、N個全橋式子模塊及電感L0；半橋式子模塊包括電容及與該電容相并聯的開關單元，所述開關單元包括相串聯的兩個IGBT，每個IGBT均與對應的反向二極管相并聯；全橋式子模塊包括電容及與該電容相并聯的兩個開關單元，每個開關單元包括相串聯的兩個IGBT，每個IGBT均與對應的反向二極管相并聯。該專利技術首先需要綜合系統成本、損耗、容量以及直流故障穿越能力各方面的要求，給出系統子模塊的數目配置。然后根據開關器件約束給出不同子模塊的額定電容電壓，并通過全橋子模塊的直流故障穿越的功能分析，設定全橋子模塊電容值為半橋子模塊的二倍。最后給出了新型系統配置下對應的系統啟動方法。該方法中包括自然軟啟和軟啟均壓兩個階段，其中通過對傳統軟啟均壓控制方法的改進，使其能夠滿足不同子模塊電容電壓的均壓問題。1.系統子模塊數目配置為簡化說明，本專利選用全橋與半橋子模塊混聯的模塊化多電平換流器進行新型系統配置及啟動方法的說明。但該方法同樣適用于全橋與其他一種和多種子模塊混聯的換流器拓撲。綜合系統成本、損耗、容量以及直流故障穿越能力各方面的要求，當系統不需要提高直流電壓利用率時，建議選用全橋及半橋子模塊各使用一半的配置方式；當系統需要盡量提高直流電壓利用率以提供傳輸功率時，建議選用2/3的全橋子模塊和1/3的半橋子模塊。2.子模塊參數配置由于模塊化多電平換流器主要應用于高壓大功率場合，子模塊的額定電容電壓選擇主要受到器件約束，因此，全橋子模塊和半橋子模塊的額定電容電壓宜相同，根據功率器件的額定電壓選取合理值。由于全橋子模塊在直流故障穿越過程中的作用(見下文)，應適當提高全橋子模塊的電容值，但又應避免不同子模塊電容值差別過大對系統啟動及控制帶來的影響，本專利推薦將系統中的全橋子模塊的電容值設置為半橋子模塊電容值的二倍。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
全橋與半橋子模塊混聯的模塊化多電平換流器，其特征是，包括分別與對應的三相電源相連接的三相單元，每個單元均包括上橋臂及下橋臂，上橋臂及下橋臂結構相同，均包括相串聯的M個半橋式子模塊、N個全橋式子模塊及電感L0；半橋式子模塊包括電容及與該電容相并聯的開關單元，所述開關單元包括相串聯的兩個IGBT，每個IGBT均與對應的反向二極管相并聯；全橋式子模塊包括電容及與該電容相并聯的兩個開關單元，每個開關單元包括相串聯的兩個IGBT，每個IGBT均與對應的反向二極管相并聯。

【技術特征摘要】
1.全橋與半橋子模塊混聯的模塊化多電平換流器的啟動方法，該全橋與半橋子模塊混聯的模塊化多電平換流器包括分別與對應的三相電源相連接的三相單元，每個單元均包括上橋臂及下橋臂，上橋臂及下橋臂結構相同，均包括相串聯的M個半橋式子模塊、N個全橋式子模塊及電感L0；半橋式子模塊包括電容及與該電容相并聯的開關單元，所述開關單元包括相串聯的兩個IGBT，每個IGBT均與對應的反向二極管相并聯；全橋式子模塊包括電容及與該電容相并聯的兩個開關單元，每個開關單元包括相串聯的兩個IGBT，每個IGBT均與對應的反向二極管相并聯；其特征是，啟動方法包括：充電流程開始：投入系統軟啟電阻，閉合交流斷路器，進行自然軟啟階段，當子模塊電壓達到上電電壓后，進入軟啟均壓階段，切除L個子模塊繼續充電，待系統穩定后，即充電電流衰減至接近零，切除軟啟電阻，解鎖換流器進行定直流電壓控制，繼續充電至穩定，充電完成。2.如權利要求1所述的全橋與半橋子模塊混聯的模塊化多電平換流器的啟動方法，其特征是，半橋式子模塊與全橋式子模塊的數量相等或全橋式子模塊的數量與半橋式子模塊的數量為2：1。3.如權利要求1所述的全橋與半橋子模塊混聯的模塊化多電平換流器的啟動方法，其特征是，半橋式子模塊與全橋式子模塊的電容的額定電壓相同。4.如權利要求1所述的全橋與半橋子模塊混聯的模塊化多電平換流器的啟動方法，其特征是，全橋式子模塊的電容值設置為半橋式子模塊電容值的二倍。5.如權利要求1所述的全橋與半橋子模塊混聯的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：辛征，楊紅娟，張浩，張秀和，張黎，張東，陳峰，高煥兵，
申請(專利權)人：山東建筑大學，山東大學，
類型：發明
國別省市：山東;37