CN108432108A - 具有三角形配置的模块化多电平转换器中的电压平衡 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种对包括以三角形配置连接的多个相臂（2）的模块化多电平转换器（MMC）（1）进行放电的方法。每个臂包括多个串联连接的子模块（3），每个子模块包括能量存储装置。所述方法包括将MMC从电力电网断开，借助于循环电流对能量存储装置进行放电，并且将MMC重新连接到电力电网。放电包括对于每个相臂：设置电压参考，并且借助于分类算法顺序地选择处于零状态的子模块以用于将每个所选择的子模块切换到加或减状态，直到与相臂中的每个子模块的能量存储装置的所设置电压参考的电压偏差在预定义范围内。

Description

具有三角形配置的模块化多电平转换器中的电压平衡

技术领域

本公开涉及一种对包括以三角形配置连接的多个相臂的模块化多电平转换器（MMC）进行放电的方法。每个相臂包括多个串联连接的子模块，每个子模块包括能量存储装置。

背景技术

也称为链-链路转换器（CLC）的MMC包括转换器分支，每个转换器分支具有串联连接的多个（例如十至四十个）转换器单元或转换器子模块，其中所述转换器分支进而可以Y形/星形、三角形和/或间接转换器拓扑来布置。转换器单元是具有全桥（H桥）电路的双极单元或具有半桥电路的单极单元，并且包括用于存储能量的电容器和用于将电容器连接到具有一个或两个极性的转换器分支的功率半导体开关，诸如绝缘栅极双极晶体管（IGBT）装置、集成栅极换流晶闸管（IGCT）装置、栅极可关断晶闸管（GTO）装置、或MOSFET。每转换器单元电容器的电压可以在1kV和6kV之间，而转换器分支的电压可以在从10kV到几百kV的范围中。具有处理器和对应软件和/或具有现场可编程门阵列（FPGA）的MMC控制器负责借助于专用（脉冲宽度）调制（PWM）方案操作功率半导体开关和控制转换器单元。

MMC可用在电功率传输系统中作为交流（AC）-仅静态VAR补偿器（Statcoms）和/或灵活AC传输系统（FACTS）装置，以用于静态功率因数校正和/或轨道联锁电力网（RailInterties）（频率转换器，例如50Hz到16 2/3Hz）以及用于电压量和稳定性目的。Statcom通过产生或吸收无功功率来提供对电功率传输网络或电网（grid）（Statcom被连接到其）的无功功率支持。

操作MMC要求在将转换器连接到电力电网（electric grid）之前必须提供给转换器的一定量的能量。为了该目的，转换器单元电容器的充电或预充电借助于被动充电或通过恢复到外部充电控制来执行。

被动充电通过经由充电电阻器将未充电转换器连接（通过阻断激发脉冲（blockedfiring pulse））到主电力电网来执行。当主断路器闭合并且单元电容器借助于通过转换器的续流二极管（freewheeling diode）的电网电压整流而被充电到大约标称电压时，充电电阻器限制突入电流。电容器的被动充电被缓慢执行，并且因此花费十秒到几分钟来完成。由于单元直流（DC）电容器的阻抗占主导地位，并且因此电压漂移在此时间范围中是次要的，所以不要求电压平衡。

另一方面，外部充电控制要求附加控制硬件和辅助功率供应。未充电转换器通过阻断激发脉冲而被连接到辅助功率供应，以接收与主电力电网的电网电压相当的充电电压。外部充电优选涉及连接到专用升压充电变压器的低电压辅助功率供应，所述变压器将辅助功率供应的低电压变换为充电电压。在这种情况下不要求充电电阻器，因为充电变压器阻抗限制了突入电流。

发明内容

根据本发明，呈现有一种用于在电网电路断路器打开时平衡MMC的子模块中的电压的方法。如果MMC中三个相臂的每个中的子模块中的电压满足若干标准，则只能将转换器重新连接到电网。存在两种可能的情况。每个子模块（也称为单元）中的电压总和都与电网电压匹配。然后转换器可以立即重新连接到电网。如果这不完全满足，则发起通过循环电流的放电。使用分类算法对每个子模块中的能量存储装置（电容器）中的电压进行平衡。分类算法取决于电流的取向和子模块的状态（过度充电或欠充电）来切换（通常）H桥子模块（'+'，'0'，' - ' –向量）。这将导致子模块能力存储装置的放电或充电。由此，子模块的能量存储装置被放电，使得所有子模块上的平均能量被放电/减少。如果所测量的电压处于特定范围中（子模块与电压参考的小电压偏差），并且没有子模块失去其功率供应（如果子模块中的能量存储装置被放电到最小要求电压电平之下，则该特定子模块的功率供应被切断），则转换器能被重新充电并然后再次重新连接到电网。此方法的优点在于，在短持续时间的放电和平衡之后，转换器可以重新连接到电网。如果不使用此方法，则转换器在能量存储装置通过组件的损耗而被完全放电(这花费大约20分钟)之前都不可用。

为了在没有对能量存储装置完全放电的情况下将转换器重新连接到电网，本发明的方法用于平衡子模块电压并使每个子模块的电压在预定范围内，其中电网电路断路器可以闭合并且转换器重新连接到电网。存在两个主要标准要满足，使得在根据需要进行充足的电阻重新充电之后，可以再次闭合电网断路器：

1.所有子模块需要通电。（如果子模块的能量存储装置的电压低于某个电压电平，则功率供应切断，并不再能够供应子模块）。如果一些单元没有通电，则在闭合电网电路断路器之前必须通过充电电路对它们进行充电。

2.如果相臂中的子模块电压正偏差超过预定义范围，则不可能再次闭合电网电路断路器而不离开半导体（例如IGCT）的安全操作区域。由于充电过程期间的过电压，子模块将被旁路。旁路将在转换器从电网断开时结束。

根据本发明的方面，提供有一种放电MMC的方法，所述MMC包括以三角形配置来连接的多个相臂。每个臂包括多个串联连接的子模块，每个子模块包括能量存储装置。所述方法包括将MMC从电力电网断开，借助于循环电流对能量存储装置进行放电，并将MMC重新连接到电力电网。放电包括对于每个相臂：设置电压参考，并且借助于分类算法顺序地选择处于零状态的子模块以用于将每个时选择的子模块切换到加（plus）或减（minus）状态，直到与相臂中的每个子模块的能量存储装置的所设置电压参考的电压偏差在预定义范围内。

根据本发明的另一方面，提供有一种MMC，包括以三角形配置来连接的多个相臂。每个臂包括多个串联连接的子模块，每个子模块包括能量存储装置。MMC还包括电路断路器，在闭合位置用于将MMC连接到电力电网，并且在打开位置用于将MMC从电力电网断开。MMC还包括控制布置，所述控制布置配置用于当电路断路器处于打开位置时，对于每个相臂来设置电压参考，并且借助于分类算法顺序地选择处于零状态的子模块以用于将每个所选择的子模块切换到加或减状态，直到与相臂中的每个子模块的能量存储装置的所设置电压参考的电压偏差在预定义范围内。

如果转换器没有被主动地放电，即仅通过其损耗而被放电，则放电过程可能花费例如长达20分钟。在此时间中，转换器可能不重新连接到电网，并且必须等待直到完全放电。在正常操作中，可能发生电路断路器由于一些原因打开（由于在相同总线上连接的任何系统中的任何故障）。常见的情景是，断路器只打开几秒上至一分钟，并且然后再次闭合。在此时间期间，转换器必须准备重新连接。如果使用本发明的方法，则通过开始放电序列来主动平衡能量储存装置电压。如果电压仅在小的范围内偏差，并且由于过低电压而尚未切断子模块功率供应，则可以通过对辅助充电单元进行重新充电或直接通过闭合电路断路器来连接转换器。如果成功充电，则转换器可以重新连接到电网。此过程可能仅花费几秒钟。

要注意到，任何方面的任何特征可在任何适当之处应用于任何其它方面。同样地，任何方面的任何优点可应用于任何其它方面。从以下具体实施方式，从所附的从属权利要求以及从附图中，所附实施例的其它目标、特征和优点将显而易见。

通常，权利要求中使用的所有术语要根据它们在技术领域中的普通含义来解译，除非本文以其它方式明确定义。对“一/一个/所述元件、设备、组件、部件、步骤等”的所有引用要被开放地解译为指所述元件、设备、组件、部件、步骤等中的至少一个实例，除非以其它方式明确陈述。除非明确陈述，否则本文公开的任何方法的步骤不必按所公开的确切顺序来执行。对于本公开的不同特征/组件使用“第一”、“第二”等仅意图将所述特征/组件与其它类似特征/组件区分开，并不对所述特征/组件赋予任何顺序或层级。

附图说明

将参考附图借助于示例来描述实施例，在附图中：

图1是根据本发明的三角形连接MMC的实施例的示意图。

图2是根据本发明的MMC的子模块的实施例的示意图。

图3是本公开的方法的实施例的示意流程图。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更充分地描述实施例，在附图中示出了某些实施例。然而，在本公开的范畴内，以许多不同形式的其它实施例是可能的。相反，借助于示例提供以下实施例，使得本公开将是透彻和完整的，并且将把本公开的范畴充分地传达给本领域技术人员。贯穿本说明书，相似的数字指相似的元件。

图1示意性地示出了三相MMC 1的实施例。MMC 1包括以三角形配置连接的三个相臂2（每相一个）。MMC 1经由至少一个电路断路器（未示出）可连接到电功率电网（未示出）。电路断路器可以包括用于每个相的子断路器。如图中所指示的，每个相具有相应的电压（V）和电流（i）。每个相臂2包括多个串联连接的单元3，本文称为子模块3。

图2示意性地示出了双极子模块3的实施例。子模块包括通常是电容器的能量存储装置4和形成全桥子模块的两个并联臂的多个半导体开关S1-S4（例如IGCT）。当本文讨论子模块充电或DC电压等时，它是所打算的能量存储装置4的状态。

每个子模块3基本上可以具有四个状态：脉冲阻断、加、减和零状态。

•脉冲阻断状态意味着独立于标记（流入或流出子模块）的电流将对子模块进行充电（此状态不与本发明一起使用）。

•零状态意味着子模块DC电压不改变，除了通过由于用于控制子模块所花费的能量的电容器的缓慢放电。根据常规方法，此状态用于缓慢放电。

•具有电流流入子模块的加状态意味着子模块DC电压正增加。

•具有电流流出子模块的加状态意味着子模块DC电压正降低。

•具有电流流入子模块的减状态意味着子模块DC电压正降低。

•具有电流流出子模块的减状态意味着子模块DC电压正增加。

根据本发明，通常所有子模块处于加、减或零状态，不处于脉冲阻断状态。处于零状态的单元的数量根据正弦曲线参考电压而改变（在零交叉，所有模块处于零状态。在峰值电压，大多数单元分别处于针对正（positive）半波的加状态和针对负（negative）半波的减状态）。因此，本公开的分类算法选择处于零状态的子模块，其中在子模块DC电压将正增加的情况下最低DC电压要切换到加或减状态（加状态具有电流流入子模块，或减状态具有电流流出子模块）。类似地，在子模块DC电压将正降低的情况下，具有最高DC电压的处于零状态的子模块被选择来切换到加或减状态（加状态具有电流流出子模块，或减状态具有电流流入子模块）。零状态子模块是否切换到加或减状态取决于电压参考处于其正半波还是负半波。

根据本方法，MMC 1以相对快速的方式主动放电。即使个别子模块的DC电压可能增加，相臂中的所有子模块的平均DC电压降低（如上面所讨论的）。

如上面所提到的，如果主电路断路器打开，则每个相臂2的电压必须处于特定的范围内，使得电路断路器可以再次闭合并且转换器能够继续操作。如果至少一个相臂中的能量存储装置4的电压的偏差过高，则单独地执行每个相臂中的每个子模块3的电压的平衡。这通过每个相臂2的电压参考来完成。如果电路断路器闭合，则串联连接的子模块3看到相同的充电电流。已经充电接近其安全操作范围的上限的能量存储装置（电容器）4然后可被充电到高于安全操作范围的电平。如果不采取行动，则电容器4中的过电压可能导致旁路晶闸管的激发。旁路的子模块3不再可用于进一步操作。通过在预定义范围内平衡电压电平来防止电容器的此类过度充电。进行平衡直到子模块的所有所测量的电压具有与参考的小偏差，或者子模块的功率供应由于其能量存储装置4中的过低电压电平而被切断。由于其中子模块功率供应被连接到能量存储装置（电容器）4并具有预定义的电压电平（子模块功率供应在所述电压电平被接通/切断）的拓扑，可以使用子模块功率供应的此切断行为。

此处描述的用以平衡子模块3中的电压的方法将电压参考，例如，用于每个相臂的开环控制（不实现闭环控制）中。用于平衡子模块的分类算法将选择子模块3，以取决于电流的取向来设置正、零或负状态。因此，较高充电的能量储存装置4将被放电并且较低充电的能量储存装置将被充电。如果这通过几个周期完成，则根据电压参考，子模块得以平衡到相同的电压电平（小偏差可接受）。

借助于本文公开的用以平衡每个子模块的电压的方法，电路断路器可以在其被打开（由于例如，周围系统中的故障）之后的短时间内（例如几乎立即）被闭合。用于重新闭合断路器的准则可以是所有子模块电压不扩展高于与电压参考的某个预定义偏差。第二种状况可以是仍然为所有子模块功率供应提供功率。

如果能量存储装置4中的所测量电压足够高，则可以立即闭合电路断路器。否则，可以首先执行对电阻器的预充电，然后转换器1可以开始将能量存储装置4的电压升高直到额定电压。如果获得额定电压，则电路断路器可以闭合，并且转换器在仅几秒钟内返回到操作。如果本文公开的方法未被使用，则转换器会被阻断，直到能量存储装置通过每个子模块中的装置的损耗而被放电。

主动放电通过为每个相臂2设置电压参考和频率来执行。由于三角形拓扑，循环电流将主动地对每个子模块3中的能量存储装置4进行放电。此外，可以在相臂2之间交换功率以用于改进或更快的平衡。同时，本文描述的分类算法可以用于平衡相臂2的每个中的子模块3中的电压。此方法可以在转换器1的控制布置中的应用的控制软件中实现。控制布置可以与相臂2共处或者在外部，例如，在外部控制室。控制布置被配置（例如借助于控制软件）以控制转换器1来执行本发明的方法。通常在其中可以使用此方法的应用包括静态同步补偿器（STATCOM）、中压转换器（MVC）以及可能以稍微调整的方式用于轨道电网耦合转换器或抽水存储电站（pump storage plant）的转换器，例如，轨道联锁电力网（频率转换器，例如50Hz至16 2/3Hz）。

图3示意性地示出了本公开的方法的实施例。所述方法用于对包括以三角形配置连接的多个相臂2的MMC 1进行放电，每个臂包括多个串联连接的子模块3，每个子模块包括能量存储装置4。通常，所述方法通过MMC 1的控制布置来执行。

所述方法包括将MMC 1从电力电网断开S1，例如，通过打开电路断路器。此外，所述方法包括借助于循环电流对能量存储装置4进行放电S2，以及将MMC 1重新连接S3到电力电网，例如，通过闭合电路断路器。

放电S2包括对于每个相臂2：设置S2a电压参考，并且借助于分类算法顺序地选择S2b处于零状态的子模块3以用于将每个所选择的子模块切换到加或减状态直到与相臂中的每个子模块的能量存储装置4的所设置电压参考的电压偏差在预定义范围内。

图4是本发明的方法的示例实施例的更详细示意流程图。

步骤S1：

MMC通过电路断路器打开来从电网断开S1。

步骤41：

是：如果能量存储装置4的所测量电压的总和高于电网电压，则可以直接再次闭合断路器，重新连接S3转换器。

步骤42：

测量子模块电压，并与相同相臂2中的其它子模块电压进行比较。

否：如果一个相的子模块之间存在过高偏差，则开始主动放电。

是：如果所有子模块电压都在安全范围内，则不需要主动放电，并且转换器准备好重新充电47。

步骤43：

是：如果所有子模块3都通电并且激活，则通过循环电流进行放电是可能的。

否：如果不是所有子模块3都激活，则放电通过以功率损耗来常规放电而被完成。

步骤S2：

根据本公开，放电通过运行循环电流并生成更高的损耗来完成。这可以在子模块3由于能量存储装置4的过低电压而不再能够通电或者相臂2中的每个子模块的电压偏差在预定义范围内之前被完成。

步骤44：

继续放电，直到能量存储装置4的所测量电压在预定范围内。

步骤45：

然后立即停止放电，以避免子模块放电过多。现在所有的子模块都放电到大致相同的电压并被平衡。

步骤48&46：

如果通过循环电流进行放电是不可能的，则能量存储装置4通过功率损耗来放电48。然后检查所测量的子模块电压是否在预定范围内。

是：允许充电47。

否：继续常规放电48。

步骤47：

电阻式重新充电。

步骤S3：

电网断路器闭合，将转换器重新连接到电功率电网。

上面主要参照几个实施例描述了本公开。然而，如本领域技术人员容易领会的，除了上面公开的实施例外的其它实施例同等可能在由所附权利要求定义的本公开的范畴内。

Claims (7)

1.一种对模块化多电平转换器MMC（1）进行放电的方法，所述MMC包括以三角形配置连接的多个相臂（2），每个臂包括多个串联连接的子模块（3），每个子模块包括能量存储装置（4），所述方法包括：

将所述MMC（1）从电力电网断开（S1）;

借助于循环电流来对所述能量存储装置（4）进行放电（S2）;以及

将所述MMC（1）重新连接（S3）到所述电力电网;

其中所述放电包括对于每个相臂（2）：

设置（S2a）电压参考;以及

借助于分类算法顺序地选择（S2b）处于零状态的子模块（3），以用于将所选择的子模块中的每个切换到加或减状态，直到与所述相臂中的每个子模块的所述能量存储装置（4）的所设置电压参考的电压偏差在预定义范围内。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电压参考具有预定频率。

3.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述电压参考是正弦曲线。

4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述电压参考用于所述相臂（2）的开环控制中。

5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述放电（S2）包括在所述相臂（2）之间交换功率。

6.一种模块化多电平转换器MMC（1），包括：

以三角形配置连接的多个相臂（2），每个臂包括多个串联连接的子模块（3），每个子模块包括能量存储装置（4）;

电路断路器，在闭合位置中用于将所述MMC连接到电力电网，并且在打开位置中用于将所述MMC从所述电力电网断开;以及

控制布置，配置用于当所述电路断路器处于所述打开位置时，针对每个相臂（2）：

设置电压参考;以及

借助于分类算法顺序地选择处于零状态的子模块（3），以用于将所选择的子模块中的每个切换到加或减状态，直到与所述相臂中的每个子模块的所述能量存储装置（4）的所设置电压参考的电压偏差在预定义范围内。

7.根据权利要求6所述的MMC，其中所述MMC是STATCOM或轨道联锁电力网。