阅读说明：本技术 一种适应于混合mmc不同工况下的交流充电控制策略 (alternating current charging control strategy suitable for hybrid MMC under different working conditions ) 是由 郑星星 徐攀腾 宋述波 包威 李金安 杨学广 周登波 朱博 李建勋 严海健 焦石 于 2019-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适应于混合MMC不同工况下的交流充电控制策略,包括：交流断路器合闸,全、半桥子模块进行不可控充电；待全桥子模块进入可控状态、且全桥子模块平均电压大于一定值后,导通所有全桥子模块T2开关管；当全、半桥子模块平均电压达到设定值时,投入子模块均压控制策略,对全、半桥子模块进行统一的排序,逐步切除一定个数的全、半桥子模块,将全、半桥子模块电压充电至接近额定值,充电启动完成。本发明的充电控制策略,无需MMC控制系统额外判断MMC运行方式,无需判定MMC接入状态,能够简化控制器程序设计,提高混合型MMC充电启动成功的可靠性。(The invention discloses alternating current charging control strategies suitable for different working conditions of a mixed MMC, which comprise an alternating current breaker, a full-bridge submodule and a half-bridge submodule are subjected to uncontrollable charging, after the full-bridge submodule enters a controllable state and the average voltage of the full-bridge submodule is greater than fixed value, all full-bridge submodule T2 switch tubes are conducted, when the average voltage of the full-bridge submodule and the half-bridge submodule reaches a set value, a submodule voltage-sharing control strategy is put into, the full-bridge submodule and the half-bridge submodule are subjected to systematic sequencing of , fixed number of the full-bridge submodule and half-bridge submodule are cut off step by step, the voltage of the full-bridge submodule and the half-bridge submodule is charged to be close to a rated value, and charging starting is completed.)

一种适应于混合MMC不同工况下的交流充电控制策略

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术，具体涉及一种适应于混合MMC不同工况下的交流充电控制策略。

背景技术

柔性直流输电技术相比于常规直流输电技术因其不需无功补偿，没有换相失败问题，有功无功调节便捷，谐波水平低，适合构成多端直流系统等优点，使柔性直流输电相关技术得到了迅速发展，其中以基于MMC(模块化多电平换流器)拓扑结构的柔性直流输电系统最具代表性和技术优势。混合型MMC因具有直流侧故障清除能力，降压运行能力，成本、损耗相对较低等突出优点，在柔性直流输电领域具有广阔的应用前景，十分适合用于特高压柔性直流输电换流阀组单元的拓扑结构。目前基于混合型MMC两阀组串联的特高压柔性直流输电系统在交流充电启动方面主要面临两方面的问题：

(1)交流充电，阀组直流侧不短接情况下全、半桥子模块充电速率不一致问题：

混合型MMC由三个对称的相单元构成，每个相单元分上、下2个桥臂，桥臂完全对称，每个桥臂由N个子模块(含有x个半桥子模块，y个全桥子模块)级联和一个串联电抗器构成，每个桥臂拓扑结构图如图1所示，图中标示的电流即为规定的正方向。

子模块所有开关管(图1中编号为T1，T2，T3，T4的可控功率器件)闭锁状态下，不同桥臂电流方向下全、半桥子模块充电情况如图2所示。

交流断路器合闸后初期，子模块取能电源尚未得电，所有开关管均处于关断状态，电流只能经其反并联二极管流过，该阶段称为不可控充电阶段。半桥子模块仅在桥臂电流为正方向时才能进行充电，桥臂电流为负时半桥子模块将处于旁路状态，无法进行充电；全桥子模块论在正向还是负向桥臂电流下电容均可被充电。

结合图1和图2可以绘出混合型MMC在交流侧合闸充电下的等效电路图如图3所示。不可控充电状态下，桥臂电流的方向取决于当前时刻MMC交流侧三相电压U_va、U_vb、U_vc瞬时值的大小：对于相电压最高的一相，该相上桥臂流过负向电流，下桥臂流过正向电流；对于相电压最低的一相，该相上桥臂流过正向电流，下桥臂流过负向电流。MMC交流侧三相电压为相位相差120°并且均为0轴对称的规则三相正弦波，桥臂电流也随着MMC交流侧电压在正负半周做周期性变化，且6个桥臂的充电机会是相等的，但由于全桥子模块在桥臂电流的正负半周均能充电，半桥子模块仅能在正半周内充电，由此造成全桥子模块的充电速率远远高于半桥子模块，造成全、半桥子模块间电压严重失衡。

目前针对此问题，申请公开号为CN106787087A的中国专利公开了一种启动充电方法，待全桥子模块充电至取能电源工作后，立即触发导通全桥子模块的T4开关管，示意图如图4所示。T4开关管开通后，在桥臂电流为负的情况下，全桥子模块将被旁路不被充电，由此强迫全桥子模块只能在桥臂电流正半周内充电，以缩小在充电过程中全桥和半桥子模块电压之间的差距。但该方法仅能解决阀组直流侧不短接情况下全、半桥子模块交流充电速率不一致问题。

(2)交流充电，阀组直流侧短接情况下半桥子模块无法取电工作问题：

与常规的高压柔性单阀组直流输电系统相比，特高压柔性串联两阀组直流输电系统还需满足一项基本要求：阀组的“阀组在线投入”，即要求柔性换流阀组除满足常规柔性阀组所具备的充电启动和解锁运行能力外，还需具备直流侧短接情况下的充电启动和解锁运行的能力。以MMC交流侧U_va最高、U_vb最低为例(即a相上桥臂电流为负，下桥臂电流为正；b相上桥臂电流为正，下桥臂电流为负)说明直流侧短接情况下子模块充电情况，等效电路示意图如图5所示。

充电初始阶段a相上下桥臂均进行充电，上桥臂电流为负，只有全桥子模块充电，下桥臂电流为正，全、半桥子模块均进行充电，随着充电进行，下桥臂直流电压(全桥子模块电压+半桥子模块电压)高于上桥臂(仅全桥子模块电压)，下桥臂二极管将因承受反向电压而关断；b相上下桥臂同理，由此将造成仅全桥子模块充电，半桥子模块无法正常充电启动。

针对此问题，文献“特高压柔性直流阀组投入过程中混合型MMC启动充电策略[J],电力系统自动化,2018,42(24)”的研究内容公布了一种启动方法，通过测量MMC桥臂的电流和三相阀侧瞬时电压值，在桥臂电流为正时，切除本桥臂内部分全桥子模块，以此来强迫桥臂电流流过含半桥子模块的桥臂，对半桥子模块进行充电，但该方法也仅适用于交流阀组直流侧短接情况下混合型MMC的充电启动。

综上所述，目前针对混合型MMC交流充电方法仅针对特定的运行工况下才能有效，为实现混合型MMC在直流侧短接和不短接两种工况下的正常充电启动必须将两种及以上方法结合起来才能实现，同时这些方法的实施必须依靠控制系统预先判定当前阀组所处的接线方式(直流侧短接启动或直流侧不短接启动)，并根据当前的运行方式选择不同的充电启动控制策略，由此需要控制系统接入用于判断MMC状态的开关位置信号(例如阀组旁路开关位置信号等)，设计程序阀组状态判定逻辑和充电模式选择逻辑，增加了控制程序的复杂度和设计难度，且存在因误判充电启动方式而导致MMC充电启动失败的风险。

发明内容

鉴于以上原因，本发明提供一种适应于混合MMC不同工况下的交流充电控制策略，用于混合型MMC在直流侧短接和不短接两种工况下的充电，无需判定MMC接入状态，能够简化控制器程序设计，减少外部开关位置信号接入控制器，提高混合型MMC充电启动成功的可靠性。

为实现以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种适应于混合MMC不同工况下的交流充电控制策略，包括：

交流断路器合闸，全、半桥子模块进行不可控充电；

待全桥子模块进入可控状态、且全桥子模块平均电压大于一定值后，导通所有全桥子模块T2开关管；

当全、半桥子模块平均电压达到设定值时，投入子模块均压控制策略，对全、半桥子模块进行统一的排序，逐步切除一定个数的全、半桥子模块，将全、半桥子模块电压充电至接近额定值，充电启动完成。

进一步地，所述的设定值为0.6U_cn，所述的接近额定值为0.95～1Ucn，其中，U_cn为子模块的额定电压。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的充电控制策略，无需MMC控制系统额外判断MMC运行方式，无需判定MMC接入状态，能够简化控制器程序设计，减少外部开关位置信号接入控制器，消除了因外接开关位置信号错误、消失、抖动等原因造成的误判充电启动方式而导致MMC充电启动失败的风险，提高混合型MMC充电启动成功的可靠性。

附图说明

图1为混合型MMC拓扑及全、半桥子模块示意图；

图2为不同桥臂电流方向下全、半桥子模块充电示意图；；

图3为混合型MMC直流侧不短接情况下交流充电等效电路图；

图4为现有技术的T4开关管触发后桥臂电流为负的路径示意图；

图5为混合型MMC直流侧短接情况下交流充电等效电路图；

图6为本发明的充电控制策略的充电流程示意图；

图7为本发明的可控充电阶段子模块个数变化示意图；

图8为本发明的全桥子模块T2开通后电流路径示意图；

图9为本发明的全桥子模块T2开通后直流侧不短接充电路径示意图；

图10为本发明的全桥子模块T2开通后直流侧短接充电路径示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图6和图7所示，本发明的一种适应于混合MMC不同工况下的交流充电控制策略，包括：

(1)MMC控制系统接收到充电指令，交流断路器合闸后全、半桥子模块进行不可控充电(全桥充电速度快，电压约为半桥的2倍)；

(2)全桥子模块先充电至最小工作电压，全桥子模块与MMC控制系统建立通信，进入可控状态(此时半桥子模块仍未充电至最小工作电压，处于不可控状态)，待全桥子模块平均电压大于一定值U_y1(根据系统参数整定)后，MMC控制系统下发所有全桥子模块T2开关管开通触发信号，控制六个桥臂内的所有全桥子模块T2开关管均处于开通状态；

(3)随着充电的进行，半桥子模块也充电至最小工作电压并与MMC控制系统建立通信，进入可控状态；当全、半桥子模块平均电压达0.6Ucn或者根据系统实际情况计算整定(Ucn为子模块的额定电压)时，投入子模块均压控制策略，对全、半桥子模块进行统一的排序，初始阶段投入固定个数N_k个电压较低的子模块，以快速的均衡模块间电压，随后按照一定的斜率减少子模块投入个数，逐步将子模块平均电压值控制在0.90～1Ucn，最终固定个数N_s(该固定数目可根据MMC系统情况计算得出，保证可控充电完成后子模块平均电压在0.90～1Ucn)，充电启动完成，等待MMC解锁运行信号。

下面对本发明的充电控制策略可同时适用于混合型MMC在直流侧短接和不短接情况下的交流充电原理进行阐述：

一、适用于直流侧不短接情况下的原理分析

全桥子模块在充电至最小工作电压进入可控状态后，触发T2开关管，在桥臂电流正、负周期内的电流流通情况如图8所示。由图可知，当全桥子模块T2开关管开通后，全桥子模块退化为仅在桥臂电流为负的周期内才能被充电，由MMC运行特性可知，在充电状态下，桥臂电流是为0轴对称周期性变化的规则正弦波，即正、负半周的充电效果相同。因此在全桥子模块T2开关管开通后，全、半桥子模块的充电机会相等，有效解决了直流侧不短接情况下全、半桥子模块充电速率不一致问题。

直流侧不短接情况下，全桥子模块T2开通后充电效果的分析：仍然以a相电压最高，b相最低为例说明，MMC等效电路图如图9所示，电流同时流过a，b相上下桥臂，其中一路电流流过a相上桥臂所有全桥子模块+b相上桥臂所有半桥子模块；另一路电流流过a相下桥臂所有半桥子模块+b相下桥臂所有全桥子模块，电流路径参数完全相同，具有天然的充电电流均衡特性，全、半桥子模充电速率完全一致。待全、半桥子模块平均电压达0.6Ucn即可投入均压策略，将全、半桥子模块电压均充电至额定值附近，充电启动完成，等待MMC解锁运行信号。

二、适用于直流侧短接情况下的原理分析

同样的，在交流断路器合闸后，所有全桥子模块先充电至最小工作电压，进入可控状态后，触发T2开关管。根据前面的分析并结合图8可知，此时桥臂电流为正的全桥子模块均处于切除状态，仅在桥臂电流为负时可被进行充电，仍然以a相电压最高，b相最低为例说明，等效示意图如图10所示。

由图10可知，此时a相上桥臂所有全桥子模块(数目为y个)充电，下桥臂所有半桥子模块(数目为x个)充电，工程中为充分发挥混合型MMC的优点要求y＞x，这样a相上桥臂直流电压(所有全桥子模块电压之和)高于下桥臂(仅半桥子模块电压)，上桥臂二极管将因承受反向电压而关断；b相上、下桥臂同理，由此可强迫充电电流流过半桥子模块，对半桥子模块进行充电，随着充电的进行，半桥子模块也充电至最小工作电压并与MMC控制系统建立通信，进入可控状态后，待全、半桥子模块平均电压达0.6Ucn即可投入均压策略，将全、半桥子模块电压均充电至额定值附近，充电启动完成，等待MMC解锁运行信号。

由此可见，本发明的充电控制策略，无需MMC控制系统额外判断MMC运行方式，无需判定MMC接入状态，能够简化控制器程序设计，减少外部开关位置信号接入控制器，消除了因外接开关位置信号错误、消失、抖动等原因造成的误判充电启动方式而导致MMC充电启动失败的风险，提高混合型MMC充电启动成功的可靠性。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。