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(dú)立、快速控制控制有功功率和無(wú)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(dòng)，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(shì)。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(jì)、開關(guān)頻率低、諧波性能好等優(yōu)點(diǎn)而成為當(dāng)前柔性直流工程的首選方案。

目前已投入運(yùn)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(diǎn)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(guò)分?jǐn)嘟涣鲾嗦菲鱽?lái)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(dòng)，該方案恢復(fù)供電的延時(shí)較長(zhǎng)，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(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了諸多新型拓?fù)?。其中MMC的提出者，德國(guó)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?fù)洹５腔谌珮蜃幽K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(yùn)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(diǎn)，在具有直流故障清除能力的同時(shí)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(gè)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(gè)半橋子模塊、至少一個(gè)全橋子模塊和至少一個(gè)電抗器，換流器交流側(cè)通過(guò)充電電阻及其旁路開關(guān)、進(jìn)線開關(guān)與交流電網(wǎng)相連。半橋子模塊至少包括兩個(gè)帶反并聯(lián)二極管的可關(guān)斷器件、一個(gè)儲(chǔ)能元件，第一可關(guān)斷器件的負(fù)極與第二可關(guān)斷器件的正極相連構(gòu)成一號(hào)橋，第一可關(guān)斷器件的正極作為一號(hào)橋的正極，第二可關(guān)斷器件的負(fù)極作為一號(hào)橋的負(fù)極，第一可關(guān)斷器件與第二可關(guān)斷器件的連接點(diǎn)作為半橋子模塊的第一端點(diǎn)，一號(hào)橋的負(fù)極作為半橋子模塊的第二端點(diǎn)，一號(hào)橋的正極與儲(chǔ)能元件的正極相連，一號(hào)橋的負(fù)極與儲(chǔ)能元件的負(fù)極相連。全橋子模塊至少包括四個(gè)帶反并聯(lián)二極管的可關(guān)斷器件、一個(gè)儲(chǔ)能元件，第一可關(guān)斷器件的負(fù)極與第二可關(guān)斷器件的正極相連構(gòu)成一號(hào)橋，第一可關(guān)斷器件的正極作為一號(hào)橋的正極，第二可關(guān)斷器件的負(fù)極作為一號(hào)橋的負(fù)極，第一可關(guān)斷器件與第二可關(guān)斷器件的連接點(diǎn)作為半橋子模塊的第一端點(diǎn)，第三可關(guān)斷器件的負(fù)極與第四可關(guān)斷器件的正極相連構(gòu)成二號(hào)橋，第三可關(guān)斷器件的正極作為二號(hào)橋的正極，第四可關(guān)斷器件的負(fù)極作為二號(hào)橋的負(fù)極，第三可關(guān)斷器件與第四可關(guān)斷器件的連接點(diǎn)作為全橋子模塊的第二端點(diǎn)，一號(hào)橋的正極、二號(hào)橋的正極與儲(chǔ)能元件的正極相連，一號(hào)橋的負(fù)極、二號(hào)橋的負(fù)極與儲(chǔ)能元件的負(fù)極相連。

不控充電時(shí)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(diǎn)流入的時(shí)候半橋子模塊的儲(chǔ)能元件串入充電回路，儲(chǔ)能元件充電，當(dāng)電流從第一端點(diǎn)流出的時(shí)候半橋子模塊的儲(chǔ)能元件沒(méi)有串入充電回路，儲(chǔ)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(diǎn)流入的時(shí)候全橋子模塊的儲(chǔ)能元件串入充電回路，儲(chǔ)能元件充電，當(dāng)電流從第一端點(diǎn)流出的時(shí)候全橋子模塊的儲(chǔ)能元件也串入充電回路，儲(chǔ)能元件充電。由于全橋子模塊的充電時(shí)間大約是半橋子模塊的兩倍，因此不控充電時(shí)全橋子模塊的電壓大約是半橋子模塊的兩倍。而在高壓場(chǎng)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(dòng)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(wú)法執(zhí)行下一步的全控充電過(guò)程。因此需要設(shè)計(jì)一種子模塊混合型換流器的充電方法來(lái)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(dòng)工作點(diǎn)，降低子模塊自取能電源的設(shè)計(jì)難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)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(diǎn)，提供一種子模塊混合型換流器的充電方法，實(shí)現(xiàn)HBFB-MMC換流器在子模塊自取能電源的啟動(dòng)電壓不降低的情況下順利充電，完成啟動(dòng)過(guò)程。

為了達(dá)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，所述充電方法的具體步驟包括：

步驟(1)、換流器執(zhí)行不控充電過(guò)程；

步驟(2)、全橋子模塊自取能電源進(jìn)行取能，取能成功后全橋子模塊半閉鎖,半橋子模塊閉鎖；

步驟(3)、換流器執(zhí)行半控充電，半控充電完成后閉合充電電阻旁路開關(guān)；

步驟(4)、換流器執(zhí)行全控充電過(guò)程。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，步驟(4)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(jìn)一步優(yōu)選方案，所述半橋子模塊至少包括兩個(gè)帶反并聯(lián)二極管的可關(guān)斷器件、一個(gè)儲(chǔ)能元件，一號(hào)可關(guān)斷器件的負(fù)極與二號(hào)可關(guān)斷器件的正極相連構(gòu)成一號(hào)橋，一號(hào)可關(guān)斷器件的正極作為一號(hào)橋的正極，二號(hào)可關(guān)斷器件的負(fù)極作為一號(hào)橋的負(fù)極，一號(hào)可關(guān)斷器件與二號(hào)可關(guān)斷器件的連接點(diǎn)作為半橋子模塊的第一端點(diǎn)，一號(hào)橋的負(fù)極作為半橋子模塊的第二端點(diǎn)，一號(hào)橋的正極與儲(chǔ)能元件的正極相連，一號(hào)橋的負(fù)極與儲(chǔ)能元件的負(fù)極相連；

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

作為本發(fā)明的進(jìn)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(jìn)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(hào)可關(guān)斷器件關(guān)斷，二號(hào)可關(guān)斷器件開通。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述全橋子模塊旁路指全橋子模塊的第一、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。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，步驟(3)中所述半控充電完成的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：充電電流小于設(shè)定值Iset或直流電壓大于設(shè)定值Uset，其中Iset<0.1pu，Uset>0.5pu。

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

步驟一、換流器執(zhí)行不控充電過(guò)程；

步驟二、全橋子模塊自取能電源進(jìn)行取能，取能成功后所有全橋子模塊旁路，所有半橋子模塊閉鎖；

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)行半控充電，半控充電完成后閉合充電電阻旁路開關(guān)；

步驟五、換流器執(zhí)行全控充電過(guò)程。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，步驟五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(jìn)一步優(yōu)選方案，所述半橋子模塊至少包括兩個(gè)帶反并聯(lián)二極管的可關(guān)斷器件、一個(gè)儲(chǔ)能元件，一號(hào)可關(guān)斷器件的負(fù)極與二號(hào)可關(guān)斷器件的正極相連構(gòu)成一號(hào)橋，一號(hào)可關(guān)斷器件的正極作為一號(hào)橋的正極，二號(hào)可關(guān)斷器件的負(fù)極作為一號(hào)橋的負(fù)極，一號(hào)可關(guān)斷器件與二號(hào)可關(guān)斷器件的連接點(diǎn)作為半橋子模塊的第一端點(diǎn)，一號(hào)橋的負(fù)極作為半橋子模塊的第二端點(diǎn)，一號(hào)橋的正極與儲(chǔ)能元件的正極相連，一號(hào)橋的負(fù)極與儲(chǔ)能元件的負(fù)極相連；

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

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，步驟三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(jìn)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(hào)可關(guān)斷器件關(guān)斷，二號(hào)可關(guān)斷器件開通。

作為本發(fā)明的進(jìn)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。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，步驟四所述半控充電完成的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：充電電流小于設(shè)定值Iset或直流電壓大于設(shè)定值Uset，Iset<0.1pu，Uset>0.5pu。

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(dòng)工作點(diǎn)，降低子模塊自取能電源的設(shè)計(jì)難度，實(shí)現(xiàn)HBFB-MMC換流器在子模塊自取能電源的啟動(dòng)電壓不降低的情況下順利充電，完成啟動(dòng)過(guò)程。

附圖說(shuō)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(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

以下實(shí)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(guò)充電電阻及其旁路開關(guān)、進(jìn)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(jìn)線開關(guān)QF，使得換流閥帶充電電阻不控充電，穩(wěn)態(tài)時(shí)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所有全橋子模塊半閉鎖，所有半橋子模塊閉鎖，交流電網(wǎng)通過(guò)充電電阻給半橋子模塊和全橋子模塊進(jìn)一步充電使得半橋子模塊取能成功；

(3)充電電流小于設(shè)定值Iset或直流電壓大于設(shè)定值Uset后半控充電完成，合上旁路開關(guān)QA，旁路充電電阻,其中Iset<0.1pu，Uset>0.5pu；

(4)執(zhí)行全控充電過(guò)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、Qf4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(xiàn)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(xiàn)對(duì)每個(gè)橋臂總的旁路數(shù)量進(jìn)行分配，再根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)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(guò)充電電阻及其旁路開關(guān)、進(jìn)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(jìn)線開關(guān)QF，使得換流閥帶充電電阻不控充電，穩(wěn)態(tài)時(shí)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所有全橋子模塊旁路，所有半橋子模塊閉鎖，交流電網(wǎng)通過(guò)充電電阻給半橋子模塊進(jìn)一步充電使得半橋子模塊取能成功；

(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)充電電流小于設(shè)定值Iset或直流電壓大于設(shè)定值Uset后半控充電完成，合上旁路開關(guān)QA，旁路充電電阻,其中Iset<0.1pu，Uset>0.5pu；

(5)執(zhí)行全控充電過(guò)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(xiàn)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(xiàn)對(duì)每個(gè)橋臂總的旁路數(shù)量進(jìn)行分配，再根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)提供的均壓策略和選通方法工作。

以上實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)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(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。