本發(fā)明屬于模塊化多電平型電壓源換流器控制領(lǐng)域，涉及一種MMC換流閥子模塊直流充電方法，具體涉及一種同時適用于MMC換流閥子模塊交直流充電的方法。

背景技術(shù)：

基于電壓源換流器的輸電技術(shù)是一種新型的直流輸電技術(shù)，相比傳統(tǒng)直流輸電具有很多好處。模塊化多電平換流器是近年來發(fā)展的一種新型電壓源換流器，它具有諧波小，損耗小等非常多的優(yōu)點。

單個子模塊的運行方式有，投入(上IGBT開通，下IGBT關(guān)斷)，切出(上IGBT關(guān)斷，下IGBT開通)，閉鎖(上、下IGBT全關(guān)斷)。其中投入、切出是正常解鎖后的運行狀態(tài)。

換流閥解鎖前，應該對子模塊充電，子模塊充電分為不可控充電和可控充電兩個過程。不可控充電是二極管的整流過程。不可控充電結(jié)束后，模塊上的控制板和驅(qū)動板帶電，進入工作狀態(tài)，可以接收閥控的控制命令。但此時如果直接解鎖，會在電壓電流上產(chǎn)生較大沖擊。因此需要通過可控充電將模塊電壓進一步升高到接近正常工作時的模塊電壓。

根據(jù)提供充電能量的電源不同，充電可分為交流側(cè)充電和直流側(cè)充電兩種模式。以直流充電模式為例。穩(wěn)定時，單個子模塊電壓由其在直流線路上分到的電壓決定。每個模塊參數(shù)大致相同。因此，子模塊電壓大致為直流電壓除以每相的模塊之和。

因此為使子模塊電壓充到1標幺值，每相應有U_dc/V_m(V_m為模塊電壓額定值)個模塊分擔直流電壓。為了保證閥側(cè)電壓為0，需上下橋臂投入相同數(shù)量模塊。因此每橋臂需投入U_dc/(2×V_m)個模塊。

但若每橋臂直接投入U_dc/(2×V_m)個模塊，因為直流線路上電感的存在，會引起子模塊電壓過沖。交流側(cè)充電有類似問題。

為了減小直流側(cè)充電解鎖時電容充電帶來的電壓和電流沖擊，一般的方法是在解鎖時刻將直流電壓參考值設(shè)置為低于額定直流電壓，以保證解鎖后模塊電壓不會突變，解鎖后指令電壓斜坡上升，直至到達額定值。這種情況下，因為模塊電壓不是直接上升到額定電壓，因此電流、電壓沖擊較小。但是這種方法只適用于直流充電的情形。

南瑞繼保(授權(quán)公告號CN 103078539 B)：不可控充電完成后，需要解鎖換流器，導通所有模塊，然后逐步減小導通子模塊數(shù)量。該方法中的模塊工作在上IGBT開通(導通)和下IGBT開通(關(guān)斷)兩種狀態(tài)，在這種方式下，根據(jù)不同的電流方向，模塊可能被充電也可能被放電。

榮信(申請公布號CN 103618333 A)：也需要模塊解鎖，并逐漸減小投入子模塊數(shù)，其與上述專利的方法是相同的。上述兩種方式都需要上IGBT導通。在直流情況下，橋臂電流只能為正，上述兩種方式與本方案效果相同，而在交流情況下模塊中的電流方向可能為正也可能為負，若上IGBT導通，則模塊可能被充電也可能被放電。因此上述兩種方式只適用于直充電，無法適用于交流充電。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明目的在于提供一種同時適用于MMC換流閥子模塊直流和交流充電的方法，不需要導通上IGBT，流過閉鎖模塊中的電流不可能對模塊放電，本方法可同時適用于直流和交流充電。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種同時適用于MMC換流閥子模塊交直流充電的方法，在不可控充電結(jié)束時，將所有模塊的上下IGBT均關(guān)斷，此時沒有模塊電容被切出，設(shè)置切出模塊數(shù)out_n為0，充電過程中每個控制周期，對模塊電壓進行排序，然后通過開通模塊下IGBT，切出電壓最高的out_n個模塊，充電過程中未被切出的模塊即正在充電的模塊保持上、下IGBT同時關(guān)斷的狀態(tài)。

進一步，充電過程中每N個控制周期切出模塊數(shù)out_n加1，取足夠大的N，確保上次的過渡過程完全結(jié)束后才開始下一次過渡過程，減小了模塊電壓的過沖。

進一步，以電壓最高的模塊電壓是否到達目標值為判斷充電是否完成的標志。

進一步，具體步驟如下：

1)在不可控充電結(jié)束時，所有模塊均工作在閉鎖狀態(tài)，即沒有模塊切出，模塊數(shù)out_n為0；

2)可控充電時，每個控制周期內(nèi)進行如下工作：

采集所有模塊電壓，對模塊電壓進行排序；

判斷橋臂中電壓最高的模塊電壓是否大于目標值，若大于目標值，可控充電結(jié)束，out_n停止增加；若小于目標值，則繼續(xù)下述步驟；

發(fā)送觸發(fā)脈沖，將每個橋臂中電壓最高的out_n個模塊切出，同時閉鎖其余模塊；

3)每N個控制周期切出模塊數(shù)加1，然后返回步驟2)；

進一步，子模塊包括串聯(lián)的上下兩個絕緣柵雙極型晶體管IGBT₁和IGBT₂，兩個絕緣柵雙極型晶體管IGBT₁和IGBT₂分別反向并聯(lián)二極管D₁和D₂，上下兩個絕緣柵雙極型晶體管IGBT₁和IGBT₂串聯(lián)后并聯(lián)有電容C_M。

進一步，子模塊上下兩個絕緣柵雙極型晶體管IGBT₁和IGBT₂，均連接有開關(guān)，通過開關(guān)控制IGBT₁和IGBT₂的開通和關(guān)斷。

本發(fā)明同時適用于MMC換流閥子模塊交直流充電的方法，在不可控充電結(jié)束時，將所有模塊的上下IGBT均關(guān)斷，充電過程中每個控制周期，對模塊電壓進行排序，然后通過開通模塊下IGBT，切出電壓最高的out_n個模塊，充電過程中未被切出的模塊即正在充電的模塊保持上、下IGBT同時關(guān)斷的狀態(tài)，不需要開通上IGBT，因此流過橋臂的電流不可能對模塊放電，可做到對直流充電和交流充電不加區(qū)分，同時適用于直流和交流充電。

進一步，每N個控制周期，out_n加1，取足夠大的N，這樣可確保上次的過渡過程完全結(jié)束后才開始下一次過渡過程，更進一步減小了對直流(交流)電壓(電流)的沖擊，減小了模塊電壓的過沖。

進一步，以電壓最高的模塊電壓是否到達目標值為判斷充電是否完成的標志，避免了取平均值作為判斷依據(jù)時因模塊間電壓分散導致最大的模塊電壓可能超出安全范圍。

附圖說明

圖1本發(fā)明的流程圖

圖2 MMC子模塊原理圖

圖3交流充電示意圖

圖4直流側(cè)充電時模塊電壓波形

圖5交流側(cè)充電時模塊電壓波形

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對發(fā)明作進一步的詳細說明。交直流兩種情況。

如圖1所示，本發(fā)明的方法，對于閥控設(shè)備，交流和直流側(cè)充電過程是一樣的，步驟如下：

1)不可控充電結(jié)束時，所有模塊均工作在閉鎖狀態(tài)，即沒有模塊切出(out_n＝0)。

2)可控充電時，每個控制周期內(nèi)進行如下工作：

采集模塊電壓，對模塊電壓排序。

橋臂中電壓最高的模塊電壓是否大于目標值，若大于目標值，可控充電結(jié)束，out_n停止增加。若小于目標值，則繼續(xù)下述步驟。

發(fā)送觸發(fā)脈沖，將每個橋臂中電壓最高的out_n個模塊切出(開通S2)。同時閉鎖其余模塊(S1、S2均關(guān)斷)，見圖2。

3)每N個控制周期切出模塊數(shù)加1(out_n＝out_n+1)，返回步驟2)。

MMC子模塊原理圖見圖2，子模塊包括串聯(lián)的上下兩個絕緣柵雙極型晶體管IGBT₁和IGBT₂，兩個絕緣柵雙極型晶體管IGBT₁和IGBT₂分別反向并聯(lián)二極管D₁和D₂，上下兩個絕緣柵雙極型晶體管IGBT₁和IGBT₂串聯(lián)后并聯(lián)有電容C_M；子模塊上下兩個絕緣柵雙極型晶體管IGBT₁和IGBT₂，均連接有開關(guān)，通過開關(guān)控制IGBT₁和IGBT₂的開通和關(guān)斷。

每次切出模塊數(shù)增加相當于減少了分擔直流(交流)電壓的模塊數(shù)，模塊電壓上升。而每次只增加一個切出模塊數(shù)，使得過度過程引起的沖擊很小。并且若N取值很大，每次過度過程完全結(jié)束后才開始下一次過度過程，更進一步減小了對直流(交流)電壓(電流)的沖擊，減小了模塊電壓的過沖。實現(xiàn)了子模塊平緩充電。

切出模塊數(shù)量的最終值并非事先設(shè)定，而是根據(jù)模塊電壓情況判斷。這就使得該方法可同時適用與直流充電和交流充電。

以下結(jié)合具體實施例進行說明：

1、交流側(cè)充電

交流側(cè)充電適用于直流側(cè)無電源的情況。在多端直流情況下，建立直流電壓的一端需要采用交流側(cè)充電。

如圖3。當閥側(cè)線電壓Uab為正時，A相上橋臂的電流將通過橋臂中每個子模塊的D2二極管，因此A相上橋臂基本不承擔電壓。Uab直接加在B相上橋臂，同理，此時電流也流過B相下橋臂每個子模塊的D2二極管，Uab加在A相下橋臂。在此情況下，假如開通A相上橋臂或者B相下橋臂模塊的S1開關(guān)，則相應模塊會被放電。因此在充電時應當避免開通S1，而使模塊只工作在S1、S2全部關(guān)斷和S1關(guān)斷、S2開通的狀態(tài)。當Uab為負時，Uab直接加在A相上橋臂和B相下橋臂，分析與上面相同。

可控充電具體步驟如下：

1)投入交流側(cè)充電電阻

2)合交流斷路器

3)模塊電壓穩(wěn)定，不可控充電結(jié)束，切出模塊數(shù)out_n＝0

4)切出模塊數(shù)out_n加1.

5)每控制周期對模塊進行均壓，同時切出模塊電壓最大的out_n個模塊

6)模塊電壓最高值大于目標值則進入8，小于則進入7

7)等待N個控制周期，進入4

8)可控充電完成

2、直流側(cè)充電

直流充電適用于兩端或多端直流系統(tǒng)，由一端建立直流電壓(假定該端稱為a端)、其余各端(假定為b、c...端)通過此直流電壓給模塊充電。

圖2為子模塊原理圖。因為電流只能由直流的正極流到負極，因此橋臂電流只能如圖示方向。在此狀態(tài)下，S1的狀態(tài)不影響充電過程。只需考慮S2的影響。不可控充電時，所有模塊的S2均關(guān)斷。若S2開通，則電流直接從S2流過，子模塊電容相當于被切出。當S2關(guān)斷時，電流通過二極管D1，流過電容器C，給模塊充電，然后再進入下一個子模塊。具體步驟如下：

1)斷開所有需要直流充電的換流器的交流側(cè)斷路器

2)a端解鎖，建立直流電壓

3)模塊電壓穩(wěn)定，不可控充電結(jié)束，模塊電壓為Vdc/2M。M為橋臂中所有模塊數(shù)量。此時所有模塊都處于閉鎖狀態(tài)，切出模塊數(shù)out_n為0。

4)切出模塊數(shù)out_n加1.

5)每控制周期對模塊進行均壓，同時切出模塊電壓最大的out_n個模塊

6)模塊電壓最高值小于目標值則進入7，大于則進入8

7)等待N個控制周期，進入4

8)可控充電完成

圖4為RTLAB仿真系統(tǒng)上三端直流輸電系統(tǒng)，201電平換流站直流充電時子模塊電壓?？梢娔K電壓上升十分平穩(wěn)。

圖5為RTLAB仿真系統(tǒng)上201電平換流閥交流充電時子模塊電壓?？梢姡摲椒蛇_到模塊電壓平穩(wěn)上升。