半橋和全橋子模塊混合型換流器的充電策略

丁久東, 盧　宇, 董云龍, 李海英, 田　杰

(南京南瑞繼保電氣有限公司, 江蘇省南京市 211102)

0　引言

柔性直流輸電是基于電壓源型換流器和脈寬調(diào)制技術(shù)進(jìn)行的直流輸電[1-7],很適合應(yīng)用于可再生能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、城市電網(wǎng)供電、異步交流電網(wǎng)互聯(lián)等領(lǐng)域[8-14]。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[15-17]。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)二極管及短路故障點將形成短路回路[18],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?jǐn)嘟涣鲾嗦菲鱽砬袛喙收匣芈凡⒌却收想娏髯匀凰p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?fù)洹Ｆ渲谢谌珮蜃幽K的模塊化多電平換流器(full bridge sub-module based modular multilevel converter,FB-MMC)開關(guān)器件較多,開關(guān)器件利用率不高,運行損耗大。文獻(xiàn)[19]提出的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)方案兼具HB-MMC和FB-MMC的優(yōu)點,具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前針對HBFB-MMC的研究主要集中在直流故障穿越控制策略和穩(wěn)態(tài)控制策略[20-21],關(guān)于其子模塊電容充電過程的研究較為少見。由于充電過程是系統(tǒng)正常運行的前提和基礎(chǔ),因此有必要對 HBFB-MMC的充電策略進(jìn)行研究。

在高壓場景下,子模塊的工作需要依賴于自取能電源,在充電的初始階段子模塊電容電壓等于0或者較低,自取能電源無法啟動,全控型器件閉鎖,因此任何換流閥都需要經(jīng)歷不控充電這個階段,采取合理的充電策略使得所有子模塊自取能的成功是換流閥運行的前提。在常規(guī)的HB-MMC和FB-MMC中,同一個換流器的所有子模塊類型一致,不控充電電壓大致相等,HB-MMC中子模塊不控充電的電壓大約為額定電壓的70%[21],FB-MMC中子模塊不控充電電壓大約為額定電壓的35%。在設(shè)計子模塊自取能電源時,其啟動電壓必定小于子模塊的不控充電電壓,考慮一定的安全裕度,子模塊自取能電源的啟動電壓一般取額定電壓的25%。HBFB-MMC包含兩種子模塊類型,其不控充電階段的充電模態(tài)與常規(guī)的HB-MMC和FB-MMC差別較大,目前尚未發(fā)現(xiàn)關(guān)于其不控充電過程的報導(dǎo)。本文從理論上對HBFB-MMC方案的不控充電階段的充電模態(tài)和充電電壓進(jìn)行了分析,證明了不控充電階段半橋子模塊充電電壓較低,其自取能電源無法取能成功,提出了三段式充電策略并理論分析其可行性,最后通過仿真驗證了三段式充電策略的可行性。

1　不控充電模式分析

子模塊混合型換流器如圖1所示,每個換流器包含6個橋臂,每個橋臂包含相互串聯(lián)的Nh個半橋子模塊(HB-SM)、Nf個全橋子模塊(FB-SM)和一個電抗器[19]。換流器交流側(cè)通過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,如附錄A圖A1所示。為保證該換流器具有直流故障清除能力,要求半橋子模塊的數(shù)量小于全橋子模塊的數(shù)量[20]。

圖1　子模塊混合型換流器Fig.1　Hybrid sub-module converter

不控充電時所有半橋子模塊和全橋子模塊閉鎖,6個橋臂輪流充電,這里以A相上橋臂和B相上橋臂的充電過程為例進(jìn)行分析,其充電回路如附錄A圖A2所示。

交流線電壓對A相上橋臂的Nf個全橋子模塊、B相上橋臂的Nh個半橋子模塊和Nf個全橋子模塊進(jìn)行充電,穩(wěn)態(tài)時半橋子模塊平均電壓Uh_avg_uc、全橋子模塊平均電壓Uf_avg_uc與交流線電壓峰值Ulp的關(guān)系如下:

(1)

以此類推,可以得到三相上橋臂電流、半橋子模塊和全橋子模塊的充電電流,如附錄A圖A3所示,圖中：iAU為A相上橋臂電流;iBU為B相上橋臂電流;iCU為C相上橋臂電流;iAUH為A相上橋臂半橋子模塊充電電流;iAUF為A相上橋臂全橋子模塊充電電流。

子模塊的電壓為:

(2)

式中:U為子模塊電壓;U0為子模塊初始電壓;C為子模塊電容值;i為子模塊充電電流。

從附錄A圖A3可以看出,全橋子模塊的充電時間長,是半橋子模塊的2倍,短時間的不控充電過程可以不考慮子模塊內(nèi)部放電電阻和自取能電源的放電效應(yīng),假設(shè)所有子模塊初始電壓等于0,半橋子模塊的電容值等于全橋子模塊的電容值,因此不控充電時全橋子模塊的平均電壓理論上是半橋子模塊平均電壓的2倍。即

Uf_avg_uc=2Uh_avg_uc

(3)

額定電壓運行時,柔性直流換流器交流輸出電壓由子模塊電壓逆變而來,交流相電壓峰值Upp的2倍與直流額定電壓Udc之間的比值等于額定調(diào)制比M,M的典型值取0.85。

(4)

額定直流電壓Udc等于Nh個半橋子模塊和Nf個全橋子模塊額定電壓之和,半橋子模塊的額定電壓等于全橋子模塊的額定電壓,記為Uc_rate。

Udc=(Nh+Nf)Uc_rate

(5)

綜上，當(dāng)不控充電時,半橋子模塊平均電壓、全橋子模塊平均電壓、子模塊額定電壓與半橋子模塊數(shù)量、全橋子模塊數(shù)量之間的關(guān)系。即

(6)

記x=Nh/Nf,yuc=Uh_avg_uc/Uc_rate,zuc=Uf_avg_uc/Uc_rate,可得到y(tǒng)uc,zuc與x的二維圖,如圖2所示。當(dāng)x較小,即半橋子模塊數(shù)量較少時,半橋子模塊的平均電壓較低。

圖2　不控充電模式電壓與子模塊數(shù)量比關(guān)系曲線Fig.2　Relationship curve of voltage and number ratio of sub-modules on uncontrolled charging mode

而在高壓場景下,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過低,一般不低于額定電壓的25%,這樣在交流不控充電階段半橋子模塊自取能不成功,半橋子模塊不受控,無法直接解鎖運行。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半橋子模塊在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。

2　充電策略

2.1　充電流程

定義半橋子模塊開通Q2且關(guān)斷Q1的狀態(tài)為半橋子模塊旁路狀態(tài);全橋子模塊開通Q2,Q4且關(guān)斷Q1,Q3或者開通Q1,Q3且關(guān)斷Q2,Q4為全橋子模塊旁路狀態(tài);全橋子模塊開通Q4且關(guān)斷Q1,Q2和Q3為全橋子模塊半閉鎖狀態(tài)。

充電流程如附錄A圖A4所示,具體可以分解為以下5步。

步驟1:執(zhí)行不控充電過程。

步驟2:全橋子模塊自取能電源可靠取能后執(zhí)行半控充電模式1。

步驟3:當(dāng)半橋子模塊平均電壓大于等于全橋子模塊平均電壓的K倍時,執(zhí)行半控充電模式2。

步驟4:充電電流小于設(shè)定值后閉合充電電阻旁路開關(guān)。

步驟5:執(zhí)行全控充電過程或者解鎖運行。

在半控充電模式1時,所有全橋子模塊旁路,所有半橋子模塊閉鎖;在半控充電模式2時,所有全橋子模塊半閉鎖,所有半橋子模塊閉鎖。

上述步驟2中全橋子模塊自取能電源可靠取能的標(biāo)志為全橋子模塊電壓大于等于自取能電源啟動電壓并保留一定的安全裕度,該安全裕度要大于半控充電模式1階段因取能電源工作和子模塊放電電阻導(dǎo)致的全橋子模塊電壓降落;步驟3中的K一般取為1。

2.2　半控充電模式1

在半控充電模式1時,所有全橋子模塊旁路,所有半橋子模塊閉鎖。6個橋臂輪流充電。這里以A相上橋臂和B相上橋臂的充電過程為例進(jìn)行分析,其充電回路如附錄A圖A5所示。

交流線電壓對B相上橋臂的Nh個半橋子模塊進(jìn)行充電,穩(wěn)態(tài)時半橋子模塊平均電壓Uh_avg_hc1與Ulp的關(guān)系如下:

(7)

可以得到:

(8)

短時間的半控充電模式1可以不考慮子模塊內(nèi)部放電電阻和自取能電源的放電效應(yīng),在半控充電模式1時,全橋子模塊平均電壓Uf_avg_hc1等于不控充電模式時全橋子模塊平均電壓Uf_avg_uc。

記yhc1=Uh_avg_hc1/Uc_rate,zhc1=Uf_avg_hc1/Uc_rate,可得到y(tǒng)hc1,zhc1與x的二維圖,如圖3所示。

圖3　半控充電模式1電壓與子模塊數(shù)量比關(guān)系曲線Fig.3　Relationship curve of voltage and number ratio of submodules on half controlled charging mode 1

對比Uh_avg_hc1和Uf_avg_hc1,可知,當(dāng)x小于4時,Uh_avg_hc1大于Uf_avg_hc1,即半控充電模式1可以將半橋子模塊電壓抬高到與全橋子模塊平均電壓相等;當(dāng)二者相等時,半控充電模式1完成,立即進(jìn)入半控充電模式2,防止半橋子模塊過壓。

2.3　半控充電模式2

在半控充電模式2時,所有全橋子模塊半閉鎖,所有半橋子模塊閉鎖。當(dāng)x小于4時,半控充電模式2的初始電壓狀態(tài)為半橋子模塊平均電壓等于全橋子模塊平均電壓。

6個橋臂輪流充電,這里以A相上橋臂和B相上橋臂的充電過程為例進(jìn)行分析,其充電回路如附錄A圖A6所示。

交流線電壓對B相上橋臂的Nh個半橋子模塊和Nf個全橋子模塊進(jìn)行充電,半橋子模塊的充電回路與全橋子模塊一致,因此穩(wěn)態(tài)時半橋子模塊平均電壓Uh_avg_hc2、全橋子模塊平均電壓Uf_avg_hc2相等,二者與Ulp的關(guān)系如下:

(9)

可以得到:

(10)

記zhc2=Uf_avg_hc2/Uc_rate,可得到zhc1,zhc2與x的二維曲線,如圖4所示。

圖4　半控充電模式2電壓與子模塊數(shù)量比關(guān)系曲線Fig.4　Relationship curve of voltage and number ratio of submodules on half controlled charging mode 2

3　仿真系統(tǒng)建立與驗證

3.1　仿真系統(tǒng)建立

基于EMTDC軟件建立了仿真系統(tǒng),每個橋臂半橋子模塊數(shù)目和全橋子模塊數(shù)目都等于12,額定調(diào)制比等于0.85,額定交流電壓(線電壓有效值)等于10 kV,額定直流電壓等于19.2 kV,子模塊額定電壓等于800 V,換流器容量等于10 MVA,充電電阻阻值等于25 Ω,子模塊電容值等于7 mF,橋臂電感值等于10 mH。

3.2　仿真結(jié)果與分析

基于上述仿真系統(tǒng),開展子模塊混合型換流器的充電策略仿真,得到充電波形如圖5所示。

圖5　子模塊混合型換流器充電波形Fig.5　Simulating charging waves of sub-module hybrid converter

0.1 s時閉合交流進(jìn)線開關(guān),開始不控充電,兩種子模塊的平均電壓緩慢上升,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后半橋子模塊平均電壓大約等于221 V(標(biāo)幺值為0.276),全橋子模塊平均電壓大約等于475 V(標(biāo)幺值為0.594),圖2中當(dāng)x等于1即半橋子模塊數(shù)量等于全橋子模塊數(shù)量時,半橋子模塊的平均電壓大約等于0.294(標(biāo)幺值),全橋子模塊的平均電壓大約等于0.589(標(biāo)幺值),不控充電階段的仿真結(jié)果與理論分析吻合。

0.4 s時開始半控充電模式1,所有全橋子模塊旁路,半橋子模塊的平均電壓快速上升,全橋子模塊的平均電壓不變,半橋子模塊平均電壓上升至全橋子?？炱骄妷簳r半控充電模式1完成,開始半控充電模式2。在半控充電模式2時,所有全橋子模塊半閉鎖,兩種子模塊的平均電壓再次緩慢上升,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后兩種子模塊平均電壓相等,大約等于581 V(標(biāo)幺值為0.733)。圖4中當(dāng)x等于1即半橋子模塊數(shù)量等于全橋子模塊數(shù)量時,兩者的平均電壓相等,大約等于0.736(標(biāo)幺值),半控充電階段的仿真結(jié)果與理論分析吻合。

0.8 s時合充電電阻旁路開關(guān),兩種子模塊電壓幾乎沒有變化,都可靠取能,可以開展下一步的全控充電或者解鎖。

4　結(jié)語

本文介紹了半橋和全橋子模塊混合型模塊化多電平換流器在不控充電階段的充電模態(tài)和充電電壓,不控充電階段半橋子模塊電壓大約等于全橋子模塊電壓的一半,半橋子模塊存在自取能不成功的問題。為了解決該問題,提出了三段式充電策略,將充電過程分為不控充電、半控充電模式1和半控充電模式2這三個階段。分析了半控充電模式1和模式2的充電模態(tài)和充電電壓,通過半控充電模式1可以迅速將半橋子模塊電壓抬升至全橋子模塊電壓,使得半橋子模塊和全橋子模塊自取能成功。通過半控充電模式2可以防止半橋子模塊發(fā)生過壓故障并且進(jìn)一步抬升半橋和全橋子模塊電壓,為下一步的全控充電或者解鎖運行做好了準(zhǔn)備工作。本文提出的充電策略在半控充電完成后所有子模塊都沒有采取均壓措施,也沒有進(jìn)一步地將子模塊電壓抬升至額定,后續(xù)可以在半控充電后增加全控充電過程,使得所有子模塊電壓均衡同時將子模塊電壓抬升至額定,避免解鎖運行前子模塊電壓發(fā)散,也可以降低解鎖沖擊。另外，本文提出的充電策略只是在離線仿真平臺上得到了驗證,后續(xù)可以在實際換流閥和閥控系統(tǒng)上進(jìn)行更全面的驗證。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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丁久東(1985—),男,通信作者,碩士,工程師,主要研究方向:超高壓直流輸電及柔性直流輸電。E-mail： dingjd@nrec.com

盧宇(1979—),男,碩士,高級工程師,主要研究方向:超高壓直流輸電及柔性直流輸電。

董云龍(1977—),男,碩士,高級工程師,主要研究方向:超高壓直流輸電及柔性直流輸電。