具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的MMC系統及工作方法與流程

(一)技術領域：

本發明涉及電力電子直流輸電技術領域，特別是一種具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc(modularmultilevelconverter,mmc——模塊化多電平換流器)的啟動及其工作方法。

(二)

背景技術：
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隨著新能源發電技術的發展及應用，其規模日趨大型化。因此如何實現大容量電力的遠距離輸送是一個極具現實意義而又十分迫切的課題。柔性直流輸電技術實現大容量、遠距離的電力輸送方面具有明顯的優勢。

模塊化多電平換流器，具有有功功率和無功功率獨立控制、輸出電壓電平數多諧波含量低、輸出電壓波形好、開關頻率低、高度模塊化、易于擴展、冗余控制、可作為黑啟動電源等技術優勢,是近年來國內外學術界與工業界研究的熱點。已經在風電并網、遠距離大功率送電等場合得到成功的應用,未來將在可再生能源并網、高壓直流輸電,、多端直流輸電等領域得到更為廣泛的應用。

近年來，采用基于電壓源換流器的高壓直流輸電系統的研究受到廣泛關注。柔性直流換流器的啟動作為系統正常運行的前提和基礎，其啟動有2個主要目標：換流器交流出口電壓的建立和額定直流電壓的建立。額定直流電壓的建立是換流器預充電過程的中心環節，其實質是電容器額定電壓的建立。因此，合適的拓撲結構和啟動控制對基于模塊化多電平器的高壓直流輸電系統(mmc-hvdc)正常投入運行和保障設備安全是十分必要的。

mmc-hvdc系統換流站啟動的實質是子模塊內電容的預充電策略。mmc的電容分散于各子模塊中,與兩電平變流器相比,其電容充電的動態過程更為復雜。對單個換流站啟動時，在電流不可控階段，主要通過串接限流電阻來限制啟動階段的過電流，限流電阻的整定和投切時間對系統的順利啟動有著關鍵性的影響。

(三)

技術實現要素：
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本發明的目的在于針對現有技術中的缺陷，提供一種具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc系統及工作方法，其結構簡單；工作方法容易實現，對電力電子器件的要求較低，具有良好的可擴展性。

本發明的技術方案：一種具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc系統，其特征在于它包括主控制器、閥基控制器vbc和三相六橋臂的電路拓撲結構；其中，所述三相中的每一相分別包括兩個橋臂，且每個橋臂由子模塊sm和橋臂電抗串聯連接構成；所述主控制器的功能與兩電平電壓源換流器vsc相同，是通過器件的開關導通狀態對電流進行逆變和整流；所述閥基控制器vbc則是將mmc系統的輸出電壓指令值轉化為各橋臂導通模塊數并決定導通哪些子模塊，以對mmc系統的各橋臂分別施以觸發脈沖。

所述子模塊sm的數量不少于一個，所述橋臂電抗的數量不少于一個。

所述子模塊sm是由端口i、端口ii、5個igbt、3個二極管、電容c1和電容c2構成；其中，所述子模塊sm的端口i連接另一個子模塊sm的端口ii，子模塊sm端口ii則連接下一個子模塊sm的端口i，所有的子模塊sm依次串聯連接；所述5個igbt中的3個igbt分別與3個二極管反向并聯連接，構成三組續流單元，對電路起到保護和續流的作用，分別記作續流單元i、續流單元ii和續流單元iii，其余2個igbt則呈反向并聯連接，構成雙向可控單元，用于控制子模塊電平輸出狀態；所述續流單元i和續流單元ii串聯，續流單元iii和雙向可控單元串聯，兩組串聯的組合又相互并聯連接；所述端口i連接在呈并聯連接的續流單元i和續流單元ii之間；所述端口ii則與續流單元ii、雙向可控單元以及電容c2相連；所述電容c1的一端與續流單元i的一端連接，其另一端連接在相互串聯的續流單元iii和雙向可控單元的連接點上；所述電容c2則并聯連接在相互串聯的續流單元iii和雙向可控單元的兩端。

所述電容c1和電容c2的容值可以相等。

所述子模塊sm有0、uc、2uc三種輸出電壓狀態，其中uc是電容c1和電容c2的每個電容兩端的電壓；并且用“1”表示igbt管導通，“0”表示igbt管關斷。

所述子模塊sm的工作狀態有以下幾種，規定以由端口i流入端口ii流出為正，反之為負，則有：

(1)子模塊sm工作在閉鎖狀態下：當電流方向為正時，子模塊sm的輸出電壓為2uc；當電流方向為負時，子模塊sm的輸出電壓為0；在閉鎖狀態下時，所有igbt均處于關斷狀態，此時子模塊sm中的5個igbt管分別記作igbt管t1、igbt管t2、igbt管t3、igbt管t4、igbt管t5，各自對應的開關狀態依次為00000；

(2)子模塊sm工作在i工作狀態：當電流方向為正時，子模塊sm的輸出電壓為0；當電流方向為負時，子模塊sm的輸出電壓為0；此時，igbt管t1、igbt管t2、igbt管t3、igbt管t4、igbt管t5，各自對應的開關狀態依次為01000；

(3)子模塊sm工作在ii工作狀態：當電流方向為正時，子模塊sm的輸出電壓為uc；當電流方向為負時，子模塊sm的輸出電壓為uc；此時，igbt管t1、igbt管t2、igbt管t3、igbt管t4、igbt管t5對應的開關狀態依次為10011；

(4)子模塊sm工作在iii工作狀態：當電流方向為正時，子模塊sm的輸出電壓為2uc；當電流方向為負時，子模塊sm的輸出電壓為2uc；此時，igbt管t1、igbt管t2、igbt管t3、igbt管t4、igbt管t5對應的開關狀態依次為10100。

所述具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc系統應用于高壓直流柔性輸電系統中，其特征在于它是由不少于2個的具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc系統構成的mmc-hvdc(highvoltagedirectcurrenttransmissionbasedonmodularmultilevelconverter，mmc-hvdc——基于模塊化多電平換流器的高壓直流輸電)輸電系統；其中一個具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc系統連接主電網，其余的具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc系統分別連接一個無源網絡或有源網絡，mmc之間用直流線路連接。

所述具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc系統與主電網之間線路連接依靠斷路器實現；所述具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc系統與無源網絡或有源網絡的線路連接是依靠斷路器實現。

一種具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc系統應用于mmc-hvdc系統的啟動方法，其特征在于它包括以下步驟：

(1)在啟動階段時，連接主電網側的具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc系統定義為mmc1子系統，連接無源網絡或有源網絡的mmc定義為mmc2子系統；同時，定義“解鎖閥基控制器vbc”，表示mmc1子系統和mmc2子系統具備對igbt施加觸發脈沖的能力，定義“解鎖主控制器”，表示mmc1子系統和mmc2子系統開始正常工作；

(2)閉合主電網與mmc1子系統之間的斷路器，交流電網通過子模塊sm中的二極管的不控整流對mmc1子系統和mmc2子系統的子模塊進行充電；此時，所有的igbt處于閉鎖狀態；當達到穩態時，則公式(1)成立；

式中：vpn-1為不控整流階段的直流極線電壓；um為交流側相電壓有效值；uc-mmc1-1和uc-mmc2-1分別為不控整流階段的mmc1子系統和mmc2子系統的子模塊電容電壓；

(3)定義mmc2子系統“解鎖閥基控制器vbc”后為半控整流階段；此時，當直流電壓穩定后，mmc-hvdc輸電系統將進入半控整流啟動階段；

(4)半控整流階段結束后，mmc-hvdc系統進入高頻整流階段；當直流電壓穩定且滿足公式(2)時，即：

式中：vpn-2為半控整流階段的直流極線電壓；um為交流側相電壓有效值；uc-mmc1-2和uc-mmc2-2分別為半控整流階段的mmc1子系統和mmc2子系統中子模塊sm的電容電壓；

(5)mmc1子系統“解鎖主控制器”，通過定直流電壓控制繼續對mmc1子系統和mmc2子系統的子模塊電容充電，同時維持mmc2子系統運行狀態不變，確保直流電壓同步上升至額定值；當直流電壓上升至額定值后，啟動mmc2子系統的無源逆變控制以建立穩定空載輸出電壓，當mmc2子系統的交流輸出電壓穩定后，閉合mmc2子系統側連接的斷路器，此時啟動過程結束；在此階段對子模塊電容電壓進行調制時，根據mmc系統所需電壓，每個子模塊sm輸出所需要的電壓，此時每個子模塊sm根據情況輸出0，uc，2uc中的一個狀態；也就是說，在此階段每個子模塊sm可能工作在i，ii，iii中的任一狀態。

所述步驟(3)的具體操作由以下步驟構成：

1)對mmc2子系統的每一個橋臂的子模塊根據子模塊輸出電壓從大到小進行排序；

2)排序后，對每一個橋臂，使子模塊輸出電壓最高的1個子模塊處于i工作狀態，即此時子模塊sm中的5個igbt管分別記作igbt管t1、igbt管t2、igbt管t3、igbt管t4、igbt管t5，各自對應的開關狀態依次01000，此時，子模塊輸出電壓為0；其它所有子模塊sm依然工作在閉鎖狀態，通過直流線路進行充電，并等待直流電壓穩定；

3)當直流電壓穩定后，再進行步驟1)所述的子模塊sm排序，使此時子模塊輸出電壓最高的2個子模塊工作在i工作狀態，其它子模塊依然工作在閉鎖狀態，通過直流線路進行充電，等待直流電壓穩定；

4)同理，每一步均是等待直流電壓穩定后，對所有子模塊sm輸出電壓進行排序，使得電壓最高的n+1個子模塊工作在i工作狀態，其中，n為步驟3)中工作在i工作狀態的子模塊個數，其它子模塊sm依然工作在閉鎖狀態，通過直流線路進行充電；

5)當工作在i工作狀態的子模塊sm的數量為子模塊sm總數量的一半且直流電壓穩定時，公式(2)成立。

本發明的優越性：能有效地抑制在啟動過程中直流電壓的跌落；能夠實現mmc的快速啟動；子模塊在閉鎖狀態下，根據電流的方向不同，可輸出0和2uc兩種電壓狀態；子模塊在正常運行時可輸出0，uc，2uc三種電壓狀態；對電力電子器件的要求較低，具有良好的可擴展性；可應用于架空線柔性直流輸電、多端柔性直流輸電等場合。

(四)附圖說明：

圖1為本發明所涉一種具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc系統的拓撲結構示意圖。

圖2為本發明所涉一種具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc系統中子模塊sm的結構圖。

圖3為本發明所涉一種具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc系統中子模塊處于閉鎖狀態下電流流通示意圖(其中，圖3(a)為電流方向為正時的示意圖；圖3(b)為電流方向為負時的示意圖)。

圖4為本發明所涉一種具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc中子模塊處于工作在狀態i下電流流通示意圖(其中，圖4(a)為電流方向為正時的示意圖；圖4(b)為電流方向為負時的示意圖)。

圖5為本發明所涉一種具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc中子模塊處于工作在狀態ii下電流流通示意圖(其中，圖5(a)為電流方向為正時的示意圖；圖5(b)為電流方向為負時的示意圖)。

圖6為本發明所涉一種具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc中子模塊處于工作在狀態iii下電流流通示意圖(其中，圖6(a)為電流方向為正時的示意圖；圖6(b)為電流方向為負時的示意圖)。

圖7為本發明所涉一種具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc所組成的高壓直流柔性輸電系統(mmc-hvdc)。

圖8為本發明所涉一種具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc在高壓直流柔性輸電系統(mmc-hvdc)中的啟動控制流程圖。

其中，由端口1流入端口2流出為正，反之為負，其中虛線為子模塊充電電流路徑。

(五)具體的實施方式：

實施例：一種具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc系統(見圖1)，其特征在于它包括主控制器、閥基控制器vbc和三相六橋臂的電路拓撲結構；其中，所述三相中的每一相分別包括兩個橋臂，且每個橋臂由子模塊sm和橋臂電抗串聯連接構成；所述主控制器的功能與兩電平電壓源換流器vsc相同，是通過器件的開關導通狀態對電流進行逆變和整流；所述閥基控制器vbc則是將mmc系統的輸出電壓指令值轉化為各橋臂導通模塊數并決定導通哪些子模塊，以對mmc系統的各橋臂分別施以觸發脈沖。

所述每個橋臂由不少于1個子模塊sm和1個橋臂電抗串聯連接構成(見圖1)。

所述子模塊sm是由端口i、端口ii、5個igbt、3個二極管、電容c1和電容c2構成；其中，所述子模塊sm的端口i連接另一個子模塊sm的端口ii，子模塊sm端口ii則連接下一個子模塊sm的端口i，所有的子模塊sm依次串聯連接(見圖1)；所述5個igbt中的3個igbt分別與3個二極管反向并聯連接，構成三組續流單元，對電路起到保護和續流的作用，分別記作續流單元i、續流單元ii和續流單元iii，其余2個igbt則呈反向并聯連接，構成雙向可控單元，用于控制子模塊電平輸出狀態；所述續流單元i和續流單元ii串聯，續流單元iii和雙向可控單元串聯，兩組串聯的組合又相互并聯連接；所述端口i連接在呈并聯連接的續流單元i和續流單元ii之間；所述端口ii則與續流單元ii、雙向可控單元以及電容c2相連；所述電容c1的一端與續流單元i的一端連接，其另一端連接在相互串聯的續流單元iii和雙向可控單元的連接點上；所述電容c2則并聯連接在相互串聯的續流單元iii和雙向可控單元的兩端(見圖2)。

所述電容c1和電容c2的容值相等。

所述子模塊sm有0、uc、2uc三種輸出電壓狀態，其中uc是電容c1和電容c2的每個電容兩端的電壓；并且用“1”表示igbt管導通，“0”表示igbt管關斷。

所述子模塊sm的工作狀態有以下幾種，規定以由端口i流入端口ii流出為正，反之為負，則有：

(1)子模塊sm工作在閉鎖狀態下：當電流方向為正時，子模塊sm的輸出電壓為2uc；當電流方向為負時，子模塊sm的輸出電壓為0；在閉鎖狀態下時，所有igbt均處于關斷狀態，此時子模塊sm中的5個igbt管分別記作igbt管t1、igbt管t2、igbt管t3、igbt管t4、igbt管t5，各自對應的開關狀態依次為00000(見圖3(a)、圖3(b))；

(2)子模塊sm工作在i工作狀態：當電流方向為正時，子模塊sm的輸出電壓為0；當電流方向為負時，子模塊sm的輸出電壓為0；此時，igbt管t1、igbt管t2、igbt管t3、igbt管t4、igbt管t5，各自對應的開關狀態依次為01000(見圖4(a)、圖4(b))；

(3)子模塊sm工作在ii工作狀態：當電流方向為正時，子模塊sm的輸出電壓為uc；當電流方向為負時，子模塊sm的輸出電壓為uc；此時，igbt管t1、igbt管t2、igbt管t3、igbt管t4、igbt管t5對應的開關狀態依次為10011(見圖5(a)、圖5(b))；

(4)子模塊sm工作在iii工作狀態：當電流方向為正時，子模塊sm的輸出電壓為2uc；當電流方向為負時，子模塊sm的輸出電壓為2uc；此時，igbt管t1、igbt管t2、igbt管t3、igbt管t4、igbt管t5對應的開關狀態依次為10100(見圖6(a)、圖6(b))。

所述具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc系統應用于高壓直流柔性輸電系統中，其特征在于它是由不少于2個的具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc系統構成的mmc-hvdc輸電系統；其中一個具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc系統連接主電網，其余的具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc系統分別連接一個無源網絡或有源網絡，mmc之間用直流線路連接(見圖7)。

所述具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc系統與主電網之間線路連接依靠斷路器實現；所述具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc系統與無源網絡或有源網絡的線路連接是依靠斷路器實現。

一種具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc系統應用于mmc-hvdc系統的啟動方法，其特征在于它包括以下步驟：

(1)在啟動階段時，連接主電網側的具有快速啟動和抑制直流電壓跌落能力的mmc系統定義為mmc1子系統，連接無源網絡或有源網絡的mmc定義為mmc2子系統；同時，定義“解鎖閥基控制器vbc”，表示mmc1子系統和mmc2子系統具備對igbt施加觸發脈沖的能力，定義“解鎖主控制器”，表示mmc1子系統和mmc2子系統開始正常工作；

(2)閉合主電網與mmc1子系統之間的斷路器，交流電網通過子模塊sm中的二極管的不控整流對mmc1子系統和mmc2子系統的子模塊進行充電；此時，所有的igbt處于閉鎖狀態；當達到穩態時，則公式(1)成立；

式中：vpn-1為不控整流階段的直流極線電壓；um為交流側相電壓有效值；uc-mmc1-1和uc-mmc2-1分別為不控整流階段的mmc1子系統和mmc2子系統的子模塊電容電壓；

(3)定義mmc2子系統“解鎖閥基控制器vbc”后為半控整流階段；此時，當直流電壓穩定后，mmc-hvdc輸電系統將進入半控整流啟動階段；

(4)半控整流階段結束后，mmc-hvdc系統進入高頻整流階段；當直流電壓穩定且滿足公式(2)時，即：

式中：vpn-2為半控整流階段的直流極線電壓；um為交流側相電壓有效值；uc-mmc1-2和uc-mmc2-2分別為半控整流階段的mmc1子系統和mmc2子系統中子模塊sm的電容電壓；

(5)mmc1子系統“解鎖主控制器”，通過定直流電壓控制繼續對mmc1子系統和mmc2子系統的子模塊電容充電，同時維持mmc2子系統運行狀態不變，確保直流電壓同步上升至額定值；當直流電壓上升至額定值后，啟動mmc2子系統的無源逆變控制以建立穩定空載輸出電壓，當mmc2子系統的交流輸出電壓穩定后，閉合mmc2子系統側連接的斷路器，此時啟動過程結束；在此階段對子模塊電容電壓進行調制時，根據mmc系統所需電壓，每個子模塊sm輸出所需要的電壓，此時每個子模塊sm根據情況輸出0，uc，2uc中的一個狀態；也就是說，在此階段每個子模塊sm可能工作在i，ii，iii中的任一狀態。

所述步驟(3)的具體操作由以下步驟構成：

1)對mmc2子系統的每一個橋臂的子模塊根據子模塊輸出電壓從大到小進行排序；

2)排序后，對每一個橋臂，使子模塊輸出電壓最高的1個子模塊處于i工作狀態，即此時子模塊sm中的5個igbt管分別記作igbt管t1、igbt管t2、igbt管t3、igbt管t4、igbt管t5，各自對應的開關狀態依次01000，此時，子模塊輸出電壓為0；其它所有子模塊sm依然工作在閉鎖狀態，通過直流線路進行充電，并等待直流電壓穩定；

3)當直流電壓穩定后，再進行步驟1)所述的子模塊sm排序，使此時子模塊輸出電壓最高的2個子模塊工作在i工作狀態，其它子模塊依然工作在閉鎖狀態，通過直流線路進行充電，等待直流電壓穩定；

4)同理，每一步均是等待直流電壓穩定后，對所有子模塊sm輸出電壓進行排序，使得電壓最高的n+1個子模塊工作在i工作狀態(n為步驟3)中工作在i工作狀態的個數)，其它子模塊sm依然工作在閉鎖狀態，通過直流線路進行充電；

5)當工作在i工作狀態的子模塊sm的數量為子模塊sm總數量的一半且直流電壓穩定時，公式(2)成立。

圖8是基于mmc的mmc-hvdc系統啟動控制流程圖，其中，左側虛框為mmc1在啟動過程中的控制方式，右側虛框為mmc2在啟動過程中的控制方式。不控整流啟動階段、半控整流階段、高頻整流階段分別用虛線框標出。

最后應當說明的是所描述的實施例僅是本申請一部分實施例,而不是全部的實施例。基于本申請中的實施例,本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例,都屬于本申請保護的范圍。