本發(fā)明涉及柔性直流輸配電領(lǐng)域，具體涉及一種子模塊混合型換流器的充電方法。

背景技術(shù)：

柔性直流采用電壓源型換流器，可以獨立、快速控制控制有功功率和無功功率，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抑制系統(tǒng)頻率和電壓的波動，提高并網(wǎng)交流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。柔性直流在新能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、城市配網(wǎng)供電等領(lǐng)域具有較大的優(yōu)勢。換流器是柔性直流技術(shù)的核心裝備，模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)因其具有模塊化設(shè)計、開關(guān)頻率低、諧波性能好等優(yōu)點而成為當(dāng)前柔性直流工程的首選方案。

目前已投入運行的基于MMC方案的柔性直流工程均采用基于半橋子模塊的模塊化多電平換流器(half bridge sub-module based modular multilevel converter，HB-MMC)方案，當(dāng)換流器直流側(cè)發(fā)生短路故障，交流電源、半橋子模塊中的反并聯(lián)二極管以及短路故障點將形成短路回路，由于現(xiàn)階段高壓直流斷路器技術(shù)及制造工藝尚不成熟，因此需要通過分斷交流斷路器來切斷故障回路并等待故障電流自然衰減到0后才能重新啟動，該方案恢復(fù)供電的延時較長，降低了供電可靠性。

為了使得換流器具有直流故障清除能力，國內(nèi)外學(xué)者提出了諸多新型拓撲。其中MMC的提出者，德國學(xué)者R.Marquart提出了以子模塊為基本功率單元的廣義MMC概念并提出了全橋子模塊(full bridge sub-module，F(xiàn)BSM)等新型子模塊拓撲。但是基于全橋子模塊的模塊化多電平換流器(full bridge sub-module based modular multilevel converter，F(xiàn)B-MMC)開關(guān)器件較多，開關(guān)器件利用率不高，運行損耗大。為此專利WO2012103936A1提出了基于半橋和全橋子模塊的混合型模塊化多電平換流器(HBFB-MMC)方案，其兼具HB-MMC和FB-MMC的優(yōu)點，在具有直流故障清除能力的同時還比FB-MMC方案減少開關(guān)器件約1/4，因此該方案具有廣闊的應(yīng)用前景。

HBFB-MMC方案中，子模塊混合型換流器如圖1所示，包含至少一個相單元，各相單元包含上橋臂和下橋臂，上、下橋臂包含相互串聯(lián)的至少一個半橋子模塊、至少一個全橋子模塊和至少一個電抗器，換流器交流側(cè)通過充電電阻及其旁路開關(guān)、進線開關(guān)與交流電網(wǎng)相連。半橋子模塊至少包括兩個帶反并聯(lián)二極管的可關(guān)斷器件、一個儲能元件，第一可關(guān)斷器件的負極與第二可關(guān)斷器件的正極相連構(gòu)成一號橋，第一可關(guān)斷器件的正極作為一號橋的正極，第二可關(guān)斷器件的負極作為一號橋的負極，第一可關(guān)斷器件與第二可關(guān)斷器件的連接點作為半橋子模塊的第一端點，一號橋的負極作為半橋子模塊的第二端點，一號橋的正極與儲能元件的正極相連，一號橋的負極與儲能元件的負極相連。全橋子模塊至少包括四個帶反并聯(lián)二極管的可關(guān)斷器件、一個儲能元件，第一可關(guān)斷器件的負極與第二可關(guān)斷器件的正極相連構(gòu)成一號橋，第一可關(guān)斷器件的正極作為一號橋的正極，第二可關(guān)斷器件的負極作為一號橋的負極，第一可關(guān)斷器件與第二可關(guān)斷器件的連接點作為半橋子模塊的第一端點，第三可關(guān)斷器件的負極與第四可關(guān)斷器件的正極相連構(gòu)成二號橋，第三可關(guān)斷器件的正極作為二號橋的正極，第四可關(guān)斷器件的負極作為二號橋的負極，第三可關(guān)斷器件與第四可關(guān)斷器件的連接點作為全橋子模塊的第二端點，一號橋的正極、二號橋的正極與儲能元件的正極相連，一號橋的負極、二號橋的負極與儲能元件的負極相連。

不控充電時所有半橋子模塊閉鎖，所有全橋子模塊閉鎖。半橋子模塊不控充電的示意圖如圖5所示，當(dāng)電流從第一端點流入的時候半橋子模塊的儲能元件串入充電回路，儲能元件充電，當(dāng)電流從第一端點流出的時候半橋子模塊的儲能元件沒有串入充電回路，儲能元件不充電；全橋子模塊不控充電的示意圖如圖6所示，當(dāng)電流從第一端點流入的時候全橋子模塊的儲能元件串入充電回路，儲能元件充電，當(dāng)電流從第一端點流出的時候全橋子模塊的儲能元件也串入充電回路，儲能元件充電。由于全橋子模塊的充電時間大約是半橋子模塊的兩倍，因此不控充電時全橋子模塊的電壓大約是半橋子模塊的兩倍。而在高壓場合子模塊的工作需要依賴于自取能電源，一般情況下自取能電源的啟動電壓不能很低，這樣在交流不控充電階段半橋子模塊不受控，無法執(zhí)行下一步的全控充電過程。因此需要設(shè)計一種子模塊混合型換流器的充電方法來使得在半橋子模塊不受控階段可以抬升半橋子模塊電壓，從而提高子模塊自取能電源的啟動工作點，降低子模塊自取能電源的設(shè)計難度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對基于半橋和全橋子模塊的模塊化多電平換流器交流不控充電的特點，提供一種子模塊混合型換流器的充電方法，實現(xiàn)HBFB-MMC換流器在子模塊自取能電源的啟動電壓不降低的情況下順利充電，完成啟動過程。

為了達成上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種子模塊混合型換流器的充電方法，所述方法的具體充電步驟包括：

步驟(1)、換流器執(zhí)行不控充電過程；

步驟(2)、全橋子模塊自取能電源進行取能，取能成功后按電壓從高到低順次半閉鎖全橋子模塊，逐個或者一次多個地增加全橋子模塊半閉鎖的數(shù)目，過程中，未被旁路的其余全橋子模塊閉鎖，所有半橋子模塊維持閉鎖狀態(tài)；

步驟(3)、當(dāng)所有全橋子模塊半閉鎖后，換流器執(zhí)行全控充電過程。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選方案，所述半橋子模塊至少包括兩個帶反并聯(lián)二極管的可關(guān)斷器件、一個儲能元件，一號可關(guān)斷器件的負極與二號可關(guān)斷器件的正極相連構(gòu)成一號橋，一號可關(guān)斷器件的正極作為一號橋的正極，二號可關(guān)斷器件的負極作為一號橋的負極，一號可關(guān)斷器件與二號可關(guān)斷器件的連接點作為半橋子模塊的第一端點，一號橋的負極作為半橋子模塊的第二端點，一號橋的正極與儲能元件的正極相連，一號橋的負極與儲能元件的負極相連；

所述全橋子模塊至少包括四個帶反并聯(lián)二極管的可關(guān)斷器件、一個儲能元件，第一可關(guān)斷器件的負極與第二可關(guān)斷器件的正極相連構(gòu)成一號橋，第一可關(guān)斷器件的正極作為一號橋的正極，第二可關(guān)斷器件的負極作為一號橋的負極，第一可關(guān)斷器件與第二可關(guān)斷器件的連接點作為半橋子模塊的第一端點，第三可關(guān)斷器件的負極與第四可關(guān)斷器件的正極相連構(gòu)成二號橋，第三可關(guān)斷器件的正極作為二號橋的正極，第四可關(guān)斷器件的負極作為二號橋的負極，第三可關(guān)斷器件與第四可關(guān)斷器件的連接點作為全橋子模塊的第二端點，一號橋的正極、二號橋的正極與儲能元件的正極相連，一號橋的負極、二號橋的負極與儲能元件的負極相連。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選方案，步驟(2)所述全橋子模塊半閉鎖具體為：全橋子模塊的第一可關(guān)斷器件開通，第二、三、四可關(guān)斷器件關(guān)斷或者第一、二、三可關(guān)斷器件關(guān)斷，第四可關(guān)斷器件開通。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選方案，步驟(3)所述全控充電指部分半橋子模塊閉鎖、部分半橋子模塊旁路；部分全橋子模塊半閉鎖、部分全橋子模塊旁路。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選方案，所述半橋子模塊旁路指半橋子模塊的一號可關(guān)斷器件關(guān)斷，二號可關(guān)斷器件開通。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選方案，所述全橋子模塊旁路具體為：全橋子模塊的第一、三可關(guān)斷器件關(guān)斷，第二、四可關(guān)斷器件開通或者第一、三可關(guān)斷器件開通，第二、四可關(guān)斷器件關(guān)斷。

本發(fā)明還公開了一種子模塊混合型換流器的充電方法，所述方法的具體充電步驟包括：

步驟一、換流器執(zhí)行不控充電過程；

步驟二、全橋子模塊自取能電源進行取能，取能成功后按電壓從高到低旁路全橋子模塊，逐個或者一次多個地增加全橋子模塊旁路的數(shù)目，過程中，未被旁路的其余全橋子模塊閉鎖，所有半橋子模塊維持閉鎖狀態(tài)；

步驟三、當(dāng)半橋子模塊平均電壓大于全橋子模塊平均電壓的K倍后，半閉鎖所有全橋子模塊，閉鎖所有半橋子模塊，其中0.6<K<1.4；

步驟四、換流器執(zhí)行全控充電過程。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選方案，步驟四所述全控充電具體為：部分半橋子模塊閉鎖、部分半橋子模塊旁路；部分全橋子模塊半閉鎖、部分全橋子模塊旁路。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選方案，所述半橋子模塊至少包括兩個帶反并聯(lián)二極管的可關(guān)斷器件、一個儲能元件，一號可關(guān)斷器件的負極與二號可關(guān)斷器件的正極相連構(gòu)成一號橋，一號可關(guān)斷器件的正極作為一號橋的正極，二號可關(guān)斷器件的負極作為一號橋的負極，一號可關(guān)斷器件與二號可關(guān)斷器件的連接點作為半橋子模塊的第一端點，一號橋的負極作為半橋子模塊的第二端點，一號橋的正極與儲能元件的正極相連，一號橋的負極與儲能元件的負極相連；

所述全橋子模塊至少包括四個帶反并聯(lián)二極管的可關(guān)斷器件、一個儲能元件，第一可關(guān)斷器件的負極與第二可關(guān)斷器件的正極相連構(gòu)成一號橋，第一可關(guān)斷器件的正極作為一號橋的正極，第二可關(guān)斷器件的負極作為一號橋的負極，第一可關(guān)斷器件與第二可關(guān)斷器件的連接點作為半橋子模塊的第一端點，第三可關(guān)斷器件的負極與第四可關(guān)斷器件的正極相連構(gòu)成二號橋，第三可關(guān)斷器件的正極作為二號橋的正極，第四可關(guān)斷器件的負極作為二號橋的負極，第三可關(guān)斷器件與第四可關(guān)斷器件的連接點作為全橋子模塊的第二端點，一號橋的正極、二號橋的正極與儲能元件的正極相連，一號橋的負極、二號橋的負極與儲能元件的負極相連。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選方案，所述全橋子模塊半閉鎖具體為：全橋子模塊的第一可關(guān)斷器件開通，第二、三、四可關(guān)斷器件關(guān)斷或者第一、二、三可關(guān)斷器件關(guān)斷，第四可關(guān)斷器件開通。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選方案，所述半橋子模塊旁路具體為：半橋子模塊的一號可關(guān)斷器件關(guān)斷，二號可關(guān)斷器件開通。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選方案，所述全橋子模塊旁路具體為：全橋子模塊的第一、三可關(guān)斷器件關(guān)斷，第二、四可關(guān)斷器件開通或者第一、三可關(guān)斷器件開通，第二、四可關(guān)斷器件關(guān)斷。

采用上述方案后，本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明提供的充電方法，在半橋子模塊不受控階段可以抬升半橋子模塊電壓；

(2)本發(fā)明提供的充電方法，可以提高子模塊自取能電源的啟動工作點，降低子模塊自取能電源的設(shè)計難度，實現(xiàn)HBFB-MMC換流器在子模塊自取能電源的啟動電壓不降低的情況下順利充電，完成啟動過程。

附圖說明

圖1是基于半橋和全橋子模塊的混合型模塊化多電平換流器；

圖2是柔性直流換流站單線圖；

圖3是充電流程圖一；

圖4是充電流程圖二；

圖5是半橋子模塊閉鎖示意圖；

圖6是全橋子模塊閉鎖示意圖。

圖7是全橋子模塊半閉鎖示意圖；

圖8是半橋子模塊旁路示意圖；

圖9是全橋子模塊旁路示意圖。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖及具體實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。

以下實施例中提到的子模塊混合型換流器如圖1所示，其中，半橋子模塊的第一可關(guān)斷器件Q1h，第二可關(guān)斷器件Q2h；全橋子模塊的第一可關(guān)斷器件為Q1f，第二可關(guān)斷器件Q2f，第三可關(guān)斷器件Q3f，第四可關(guān)斷器件Q4f。

一種子模塊混合型換流器的充電方法，換流器交流側(cè)通過充電電阻及其旁路開關(guān)、進線開關(guān)與交流電網(wǎng)相連，如圖2所示，充電步驟如圖3所示，具體步驟如下：

(1)合上進線開關(guān)QF，使得換流閥帶充電電阻不控充電，充電電流小于設(shè)定值Iset或直流電壓大于設(shè)定值Uset后合上旁路開關(guān)QA，旁路充電電阻，其中Iset<0.1pu，Uset>0，此時全橋子模塊電壓大約是半橋子模塊電壓的兩倍，并且二者的電壓都較低；

(2)全橋子模塊自取能電源取能成功后選擇電壓最高的N個全橋子模塊半閉鎖，N從0開始逐漸增大，其余全橋子模塊閉鎖，所有半橋子模塊閉鎖，隨著N的逐漸增大，半橋子模塊電壓平均電壓逐漸增大，全橋子模塊平均電壓電壓也逐漸增大，并且二者逐漸接近，所有全橋子模塊電壓均衡；

(3)所有全橋子模塊半閉鎖后，半橋子模塊平均電壓與全橋子模塊平均電壓接近，再執(zhí)行全控充電過程。

全橋子模塊半閉鎖指關(guān)斷Q1f、Q2f、Q3f,開通Q4f或者關(guān)斷Q2f、Q3f、Q4f，開通Q1f，如圖7所示。

半橋子模塊旁路指關(guān)斷Q1h，開通Q2h，如圖8所示，全橋子模塊旁路指關(guān)斷Q1f、Q3f，開通Q2f、Q4f或者或者關(guān)斷Q2f、Q4f，開通Q1f、Q3f，如圖9所示。

全控充電以兩種子模塊的電壓均衡為控制目標(biāo)，如果半橋子模塊和全橋子模塊集中排序，那么根據(jù)現(xiàn)有文獻提供的均壓策略和選通方法工作，如果半橋子模塊和全橋子模塊分組排序，那么根據(jù)現(xiàn)有文獻對每個橋臂總的旁路數(shù)量進行分配，再根據(jù)現(xiàn)有文獻提供的均壓策略和選通方法工作。

一種子模塊混合型換流器的充電方法，換流器交流側(cè)通過充電電阻及其旁路開關(guān)、進線開關(guān)與交流電網(wǎng)相連，如圖2所示，充電步驟如圖4所示，具體步驟如下：

(1)合上進線開關(guān)QF，使得換流閥帶充電電阻不控充電，充電電流小于設(shè)定值Iset或直流電壓大于設(shè)定值Uset后合上旁路開關(guān)QA，旁路充電電阻，其中Iset<0.1pu，Uset>0，此時全橋子模塊電壓大約是半橋子模塊電壓的兩倍，并且二者的電壓都較低；

(2)全橋子模塊自取能電源取能成功后選擇電壓最高的N個全橋子模塊旁路，N從0開始逐漸增大，其余全橋子模塊閉鎖，所有半橋子模塊閉鎖，隨著N的逐漸增大，半橋子模塊電壓平均電壓逐漸增大，所有全橋子模塊電壓均衡；

(3)半橋子模塊平均電壓大于全橋子模塊平均電壓的K倍后所有全橋子模塊半閉鎖，所有半橋子模塊閉鎖，其中0.6<K<1.4；

(4)執(zhí)行全控充電過程。

全橋子模塊半閉鎖指關(guān)斷Q1f、Q2f、Q3f,開通Q4f或者關(guān)斷Q2f、Q3f、Q4f，開通Q1f，如圖7所示。

半橋子模塊旁路指關(guān)斷Q1h，開通Q2h，如圖8所示，全橋子模塊旁路指關(guān)斷Q1f、Q3f，開通Q2f、Q4f或者或者關(guān)斷Q2f、Q4f，開通Q1f、Q3f，如圖9所示。

全控充電以兩種子模塊的電壓均衡為控制目標(biāo)，如果半橋子模塊和全橋子模塊集中排序，那么根據(jù)現(xiàn)有文獻提供的均壓策略和選通方法工作，如果半橋子模塊和全橋子模塊分組排序，那么根據(jù)現(xiàn)有文獻對每個橋臂總的旁路數(shù)量進行分配，再根據(jù)現(xiàn)有文獻提供的均壓策略和選通方法工作。

以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。