專利名稱：一種基于mmc的upqc充電啟動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)柔性交流輸配電和電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter,簡(jiǎn)稱MMC)的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(Unified Power Quality Conditioner,簡(jiǎn)稱 UPQC)的充電啟動(dòng)方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代工業(yè)及高科技技術(shù)，如高性能辦公設(shè)備、精密實(shí)驗(yàn)儀器、變頻調(diào)速設(shè)備、可編程邏輯控制器、各種自動(dòng)生產(chǎn)線以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等，給人們的衣食住行帶來了居多便利的同時(shí)也給電力系統(tǒng)注入了非線性、沖擊性、波動(dòng)性等各種干擾因素。電能的質(zhì)量問題日益成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。作為一種能夠同時(shí)解決電壓、電流質(zhì)量問題的復(fù)合型裝置，統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(Unified Power Quality Conditioner,后稱UPQC)—經(jīng)提出便受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。但由于其需要串、并聯(lián)兩個(gè)換流器，導(dǎo)致UPQC成本過高而難以在配電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。近年來，隨著模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter,后稱MMC)在高壓直流輸電領(lǐng)域中應(yīng)用的日益成熟，其優(yōu)點(diǎn)也被人們所注意。MMC能夠提高直流輸電容量及電壓等級(jí)的優(yōu)點(diǎn)可以應(yīng)用到UPQC中，擴(kuò)展UPQC在中壓領(lǐng)域的使用，使得UPQC具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

MMC型UPQC的研究工作尚處于起步階段。如圖1所示，圖1為常見的一種MMC型UPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。MMC型UPQC主要由串聯(lián)部分換流器I和并聯(lián)部分換流器2組成，串聯(lián)部分換流器I和并聯(lián)部分換流器2的結(jié)構(gòu)相同，都是由對(duì)應(yīng)于配電網(wǎng)三相交流線路A、B、C的三個(gè)相單元a、b、c組成，各相單元并聯(lián)在正、負(fù)極直流母線3、4之間。每個(gè)相單元又包括與正極直流母線3相連的上橋臂和與負(fù)極直流母線4相連的下橋臂，每個(gè)所述橋臂都是由一個(gè)電抗如Lf L12和η (η為大于I的偶數(shù))個(gè)子模塊串聯(lián)而成。相單元是由所述上、下橋臂串聯(lián)組成的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，各相單元內(nèi)的兩電抗處于對(duì)稱結(jié)構(gòu)的中部，相單元與配電網(wǎng)對(duì)應(yīng)相線路的接點(diǎn)設(shè)于兩電抗之間。圖2為各子模塊的電路原理圖，如圖2所示，每個(gè)子模塊由兩個(gè)開關(guān)器件IGBT1、IGBT2和分別與每個(gè)開關(guān)器件反并聯(lián)的兩個(gè)二極管Dl、D2組成，所述兩開關(guān)器件IGBT1、IGBT2與兩二極管Dl、D2反并聯(lián)后串接，整體再與一直流電容Csm并聯(lián)，其中，開關(guān)器件IGBT2的兩端引出作為該子模塊的輸入輸出端。所述開關(guān)器件的狀態(tài)由其控制器(未畫出)控制。上述UPQC在啟動(dòng)前，需要給其串聯(lián)及并聯(lián)部分換流器子模塊的直流電容進(jìn)行充電才能保證該裝置的正常工作。UPQC的并聯(lián)部分換流器2是通過限流電阻R直接并接于配電網(wǎng)與負(fù)載之間的三相交流線路上，交流電流可以直接流經(jīng)并聯(lián)部分換流器2為其子模塊的直流電容進(jìn)行充電，UPQC的串聯(lián)部分換流器I是通過耦合變壓器5串聯(lián)在配電網(wǎng)的三相交流線路上，所以加載在變壓器5原邊上的電壓Uc很小，所以交流電流不能直接給串聯(lián)部分換流器I子模塊內(nèi)的直流電容進(jìn)行充電。但是由于UPQC串、并聯(lián)部分換流器1、2之間通過直流母線3、4相連，串聯(lián)部分換流器I子模塊內(nèi)的直流電容可以通過直流母線充電。如何才能有效的將UPQC串、并聯(lián)部分換流器1、2的每個(gè)子模塊的電壓充至其額定值，又能盡可能的避免在充電過程中產(chǎn)生嚴(yán)重的過電壓及過電流現(xiàn)象成為了亟待解決的關(guān)鍵問題之一。
若移植目前MMC應(yīng)用于高壓直流輸電領(lǐng)域中較為成熟的“不控整流一定直流電壓控制”的兩階段自勵(lì)式充電啟動(dòng)方案而不加以改進(jìn)和創(chuàng)新，由于MMC型UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及連接方式的特殊性，采用上述充電啟動(dòng)方案，任意時(shí)刻并聯(lián)部分換流器2內(nèi)子模塊導(dǎo)通的個(gè)數(shù)為η個(gè)，充電結(jié)束后并聯(lián)部分換流器2子模塊直流電容的電壓可以達(dá)到其額定值即Udc/ n，Udc為兩直流母線之間的額定電壓，任意時(shí)刻串聯(lián)部分換流器I子模塊可以充電的子模塊個(gè)數(shù)2η個(gè)，所以充電結(jié)束后，串聯(lián)部分換流器子I子模塊直流電容的電壓僅為其額定值的一半即Udc/2n。若采用他勵(lì)式啟動(dòng)方式，則需要配置額外的直流電源及充電電路，成本高且過程復(fù)雜。
上述“不控整流一定直流電壓控制”自勵(lì)式充電啟動(dòng)方案其中“不控整流”階段是指，使所述子模塊處于閉鎖狀態(tài)，依靠電流流向和子模塊中二極管的導(dǎo)通特性來給子模塊中的直流電容充電；所述“定直流電壓控制”是指，根據(jù)正、負(fù)極直流母線之間的設(shè)定額定電壓和它們之間的實(shí)際電壓的關(guān)系，通過控制器變換子模塊中開關(guān)器件的狀態(tài)，直至兩母線之間的電壓達(dá)到其設(shè)定額定電壓。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于MMC的UPQC充電啟動(dòng)方法，采用本方法可以使UPQC串、并聯(lián)換流器子模塊直流電容的電壓都達(dá)到其額定值。
解決上述技術(shù)問題本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種基于MMC的UPQC充電啟動(dòng)方法，包括如下步驟I)不控整流充電給UPQC串、并聯(lián)部分換流器的所有子模塊進(jìn)行不控整流充電，待正、 負(fù)直流母線之間的電壓升至不控整流充電所能達(dá)到的最大電壓時(shí)，不控整流充電過程結(jié)束。此處所述最大電壓一般為一定值，與配電網(wǎng)系統(tǒng)電壓和UPQC內(nèi)的電抗有關(guān)。
2)定直流電壓控制充電階段對(duì)并聯(lián)部分換流器子模塊的觸發(fā)脈沖解鎖，讓并聯(lián)部分換流器子模塊按定直流電壓控制方式進(jìn)行充電，使正、負(fù)直流母線之間的電壓升至額定電壓Udc，此時(shí)，并聯(lián)部分換流器所有子模塊直流電容的電壓達(dá)到其額定值即Udc/n，串聯(lián)部分換流器所有子模塊直流電容的電壓為其額定值的一半即Udc/2n。
3)輪換充電階段將UPQC串聯(lián)部分換流器各相上橋臂中的子模塊逐個(gè)切換至旁路狀態(tài)，至最終僅有串聯(lián)部分換流器各相下橋臂的子模塊處于閉鎖狀態(tài)，使串聯(lián)部分換流器各相下橋臂所有子模塊的直流電容的電壓充至其額定值即Udc/n，再將UPQC串聯(lián)部分換流器各相上橋臂的子模塊逐個(gè)切換至閉鎖狀態(tài)，并相應(yīng)地把UPQC串聯(lián)部分換流器各相下橋臂中已充滿的子模塊逐個(gè)切換至旁路狀態(tài)，使 串聯(lián)部分換流器各相上橋臂所有子模塊的直流電容的電壓充至其額定值即Udc/n，充電啟動(dòng)過程結(jié)束。
作為對(duì)本發(fā)明的一種改進(jìn)，上述步驟2)可作如下改進(jìn)，在對(duì)并聯(lián)部分換流器子模塊的觸發(fā)脈沖解鎖后，短接并聯(lián)部分換流器與配電網(wǎng)輸電線路之間的限流電阻，讓并聯(lián)部分換流器子模塊按定直流電壓控制方式進(jìn)行充電，使正、負(fù)直流母線之間的電壓升至額定電壓Udc。此處短接限流電阻的目的是，加快并聯(lián)部分換流器子模塊的充電速度，S卩加快正、 負(fù)直流母線之間的電壓升至其額定電壓Udc的速度。
本發(fā)明具有如下有益效果采樣本發(fā)明的方法進(jìn)行基于MMC的UPQC的充電啟動(dòng)， 可以使UPQC串、并聯(lián)部分換流器子模塊的直流電容電壓都充至其額定值。


圖1是常見的一種MMC型UPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖2是UPQC子模塊的電路原理圖；圖3是UPQC子模塊處于旁路狀態(tài)下電流流經(jīng)子模塊的通路示意圖；圖4是UPQC子模塊處于閉鎖狀態(tài)下電流流經(jīng)子模塊的通路示意圖；圖5為圖1中串聯(lián)部分換流器的具體實(shí)施例。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明較佳實(shí)施例的一種基于MMC的UPQC充電啟動(dòng)方法，包括如下步驟O不控整流充電給UPQC串、并聯(lián)部分換流器1、2的所有子模塊進(jìn)行不控整流充電， 即通過控制器觸發(fā)脈沖使所有子模塊處于閉鎖狀態(tài)，依靠電流流向和子模塊中二極管D1、 D2的導(dǎo)通特性來給子模塊中的直流電容Csm充電，待正、負(fù)直流母線3、4之間的電壓升至不控整流充電所能達(dá)到的最大電壓時(shí)，不控整流充電過程結(jié)束。這個(gè)最大電壓與配電網(wǎng)系統(tǒng)電壓Us和UPQC內(nèi)的電抗Lf L12有關(guān)，一般為配電網(wǎng)系統(tǒng)的線電壓Uload有效值的1. 414 倍，這個(gè)線電壓Uload與配電網(wǎng)的電壓等級(jí)相關(guān)。
2)定直流電壓控制充電階段對(duì)并聯(lián)部分換流器子模塊的觸發(fā)脈沖解鎖(控制器發(fā)送觸發(fā)脈沖，在子模塊處于閉鎖狀態(tài)時(shí)，子模塊內(nèi)的開關(guān)器件的狀態(tài)不隨觸發(fā)脈沖而變化，即觸發(fā)脈沖被鎖定；觸發(fā)脈沖解鎖是指，使子模塊內(nèi)的開關(guān)器件的狀態(tài)可以隨觸發(fā)脈沖而變化)，使并聯(lián)部分換流器2子模塊的狀態(tài)可以隨控制器輸出的觸發(fā)脈沖信號(hào)而變化，讓并聯(lián)部分換流器2子模塊按定直流電壓控制方式進(jìn)行充電，即根據(jù)正、負(fù)極直流母線3、4之間的額定電壓Udc和正、負(fù)極直流母線3、4之間的實(shí)際電壓的關(guān)系，通過控制器不斷改變各子模塊中開關(guān)器件IGBTl和IGBT2的狀態(tài)，直至兩直流母線3、4之間的電壓升至額定電壓 Udc0額定電壓Udc為一預(yù)設(shè)的目標(biāo)值，它與配電網(wǎng)的電壓等級(jí)有關(guān)。當(dāng)兩直流母線3、4之間的電壓升至額定電壓Udc時(shí)，并聯(lián)部分換流器2所有子模塊直流電容的電壓達(dá)到其額定值即Udc/n，串聯(lián)部分換流器I所有子模塊直流電容的電壓為其額定值的一半即Udc/2n。此步驟中，在對(duì)并聯(lián)部分換流器2子模塊的觸發(fā)脈沖解鎖后，可以通過短接并聯(lián)部分換流器2 與配電網(wǎng)輸電線路之間的限流電阻R，以加快并聯(lián)部分換流器2子模塊在定直流電壓控制充電階段的充電速度。在不控整流充電階段，限流電阻R是必需的，這是因?yàn)?，在并?lián)部分換流器2剛開始充電時(shí)，其內(nèi)電容相當(dāng)于短路，電流很大，此時(shí)限流電阻可以保護(hù)電路；在不控整流充電過程結(jié)束后，并聯(lián)部分換流器2子模塊內(nèi)的電容具有一定的電壓，此時(shí)短接掉所述限流電阻R，并聯(lián)部分換流器2內(nèi)的電流也不會(huì)過大，所以可以通過此種方式以加快充電速度。這是因?yàn)椋⒙?lián)部分換流器2是直接并聯(lián)在交流輸電線路的，可以通過交流直接充電 ，根據(jù)交流電流的特性，交流系統(tǒng)為并聯(lián)部分換流器2充電時(shí)，任一時(shí)刻只有η個(gè)子模塊進(jìn)行充電。由于串聯(lián)部分換流器I是通過變壓器5耦合串聯(lián)在交流輸電線路上的，它不能直接被充電，只能通過正、負(fù)極直流母線3、4充電。如是，串聯(lián)部分換流器I任一時(shí)刻都有2η個(gè)子模塊進(jìn)行充電。所以，此過程結(jié)束后，并聯(lián)部分換流器2所有子模塊直流電容Csm的電壓達(dá)到其額定值即Udc/n，而串聯(lián)部分換流器I所有子模塊直流電容的電壓只能達(dá)到其額定值的一半即Udc/2n。理論上講，省去步驟1)，直接進(jìn)行步驟2)及后續(xù)步驟也可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，但由于IGBT開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路需從子模塊的電容中取電，剛開始子模塊電容沒有電壓，無法驅(qū)動(dòng)IGBT。3)輪換充電階段將UPQC串聯(lián)部分換流器I各相上橋臂中的子模塊逐個(gè)切換至旁路狀態(tài)，至最終僅有串聯(lián)部分換流器各相下橋臂的子模塊處于閉鎖狀態(tài)，使串聯(lián)部分換流器各相下橋臂所有子模塊的直流電容的電壓充至其額定值即Udc/n，再將UPQC串聯(lián)部分換流器各相上橋臂的子模塊逐個(gè)切換至閉鎖狀態(tài)，并相應(yīng)地把UPQC串聯(lián)部分換流器各相下橋臂中已充滿的子模塊逐個(gè)切換至旁路狀態(tài)，使串聯(lián)部分換流器各相上橋臂所有子模塊的直流電容的電壓充至其額定值即Udc/n，充電啟動(dòng)過程結(jié)束。上述步驟3)中，逐個(gè)切換的原因是，如果全部切換或每次切換兩、三個(gè)子模塊而不是一個(gè)一個(gè)切換的，會(huì)產(chǎn)生較大的過電壓、過電流，逐個(gè)切換是為了使過電壓、過電流最小。下面結(jié)合圖5中串聯(lián)部分換流器I的具體實(shí)施例進(jìn)一步講述下上述步驟3)的過程，以a相為例，按從上到下的順序?qū)相上橋臂子模塊1、2、3、4由閉鎖狀態(tài)切換到旁路狀態(tài)，實(shí)際上，并不一定需要遵循某種特定的方向，上述順序的設(shè)定，只是為了控制方便而已。隨著a相中處于閉鎖狀態(tài)的子模塊個(gè)數(shù)的遞減，a相下橋臂的子模塊5、6、7、8的電壓逐漸達(dá)到其額定值即Udc/n。然后輪換子模塊I與子模塊5的狀態(tài)(這里也是為了方便控制)，即將a相中子模塊I從旁路狀態(tài)轉(zhuǎn)換 為閉鎖狀態(tài)，同時(shí)將a相中子模塊5從閉鎖狀態(tài)轉(zhuǎn)換成旁路狀態(tài)，將子模塊I的電壓充至其額定值，再依次輪換子模塊2與子模塊6、子模塊3與子模塊7、子模塊4與子模塊8的狀態(tài)，最終將a相上橋臂中的四個(gè)子模塊的電壓充至其額定值。至此，整個(gè)UPQC啟動(dòng)充電過程結(jié)束。本方法中主要涉及子模塊閉鎖及旁路兩種工作狀態(tài)。如圖3所示，當(dāng)子模塊中IGBTl關(guān)斷、IGBT2導(dǎo)通時(shí)，電流通過IGBT2流經(jīng)子模塊，此時(shí)子模塊對(duì)外的輸出電壓為零，子模塊處于旁路狀態(tài)。如圖5中，令I(lǐng)GBTl及IGBT2均關(guān)斷，只能根據(jù)電流的流向和二極管的導(dǎo)通特性決定子模塊對(duì)外的輸出電壓為零或者電容電壓，此時(shí)子模塊處于閉鎖狀態(tài)。其實(shí)，上述子模塊的旁路和閉鎖狀態(tài)，都為行業(yè)中常用的術(shù)語。
權(quán)利要求
1.一種基于MMC的UPQC充電啟動(dòng)方法，其特征在于，包括如下步驟 1)不控整流充電給UPQC串、并聯(lián)部分換流器的所有子模塊進(jìn)行不控整流充電，待正、負(fù)直流母線之間的電壓升至不控整流充電所能達(dá)到的最大電壓時(shí)，不控整流充電過程結(jié)束； 2)定直流電壓控制充電階段對(duì)并聯(lián)部分換流器子模塊的觸發(fā)脈沖解鎖，讓并聯(lián)部分換流器子模塊按定直流電壓控制方式進(jìn)行充電，使正、負(fù)直流母線之間的電壓升至額定電壓Udc，此時(shí)，并聯(lián)部分換流器所有子模塊直流電容的電壓達(dá)到其額定值即Udc/n，串聯(lián)部分換流器所有子模塊直流電容的電壓為其額定值的一半即Udc/2n ； 3)輪換充電階段將UPQC串聯(lián)部分換流器各相上橋臂中的子模塊逐個(gè)切換至旁路狀態(tài)，至最終僅有串聯(lián)部分換流器各相下橋臂的子模塊處于閉鎖狀態(tài)，使串聯(lián)部分換流器各相下橋臂所有子模塊的直流電容的電壓充至其額定值即Udc/n，再將UPQC串聯(lián)部分換流器各相上橋臂的子模塊逐個(gè)切換至閉鎖狀態(tài)，并相應(yīng)地把UPQC串聯(lián)部分換流器各相下橋臂中已充滿的子模塊逐個(gè)切換至旁路狀態(tài)，使串聯(lián)部分換流器各相上橋臂所有子模塊的直流電容的電壓充至其額定值即Udc/n，充電啟動(dòng)過程結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MMC的UPQC充電啟動(dòng)方法，其特征在于，上述步驟2)中，在對(duì)并聯(lián)部分換流器子模塊的觸發(fā)脈沖解鎖后，短接并聯(lián)部分換流器與配電網(wǎng)輸電線路之間的限流電阻，讓并聯(lián)部分換流器子模塊按定直流電壓控制方式進(jìn)行充電，使正、負(fù)直流母線之間的電壓升至額定電壓Udc。
全文摘要
一種基于MMC的UPQC充電啟動(dòng)方法，包括如下步驟1)不控整流充電；2)定直流電壓控制充電階段；3)輪換充電階段將UPQC串聯(lián)部分換流器各相上橋臂中的子模塊逐個(gè)切換至旁路狀態(tài)，至最終僅有串聯(lián)部分換流器各相下橋臂的子模塊處于閉鎖狀態(tài)，使串聯(lián)部分換流器各相下橋臂所有子模塊的直流電容的電壓充至其額定值即Udc/n，再將UPQC串聯(lián)部分換流器各相上橋臂的子模塊逐個(gè)切換至閉鎖狀態(tài)，并相應(yīng)地把UPQC串聯(lián)部分換流器各相下橋臂中已充滿的子模塊逐個(gè)切換至旁路狀態(tài)，使串聯(lián)部分換流器各相上橋臂所有子模塊的直流電容的電壓充至其額定值即Udc/n，充電啟動(dòng)過程結(jié)束。采用本發(fā)明方法可以使UPQC串、并聯(lián)換流器子模塊直流電容的電壓都達(dá)到其額定值。
文檔編號(hào)H02M1/36GK103051167SQ201210535849
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者盛超, 徐柏榆, 馬明, 劉正富, 陸晶晶, 楊用春, 袁敞, 肖湘寧 申請(qǐng)人:廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院, 華北電力大學(xué)