專利名稱：基于mmc的三相upqc拓?fù)潆娐芳捌漕A(yù)充電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電カ系統(tǒng)柔性交流輸配電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于MMC的三相UPQC拓?fù)潆娐芳捌漕A(yù)充電方法。
背景技術(shù)：
統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(Unified Power Quality Conditioner, UPQC)作為功能強(qiáng)大的電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償裝置，可同時(shí)解決壓暫升、電壓暫降、三相不平衡電壓、諧波電壓、無功電流、諧波電流、不平衡電流等電能質(zhì)量問題，其串聯(lián)、并聯(lián)単元可解耦后獨(dú)立運(yùn)行實(shí)現(xiàn)各自功能，也可聯(lián)合運(yùn)行實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的綜合功能。模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter, MMC)作為一種應(yīng)用在輕型直流輸電中的多電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其采用多個(gè)子模塊級聯(lián)的方式，無需變壓器便可方便的直掛于中高壓配電系統(tǒng)的配電線路中，且換流器輸出電壓采用多電平方式，可較好的逼近正弦波并具有較低的諧波含量。當(dāng)所有功率模塊的直流電容C兩端電壓上升至穩(wěn)態(tài)工作電壓時(shí)，三相MMC-UPQC才能投入運(yùn)行；因此在三相MMC-UPQC投入正常運(yùn)行前，需要對所有功率模塊的直流電容C充電，使直流電容C兩端電壓由零上升到穩(wěn)態(tài)工作電壓，即完成MMC-UPQC的預(yù)充電過程。所有功率模塊由并聯(lián)模塊的所有功率模塊和串聯(lián)模塊的所有功率模塊組成；并聯(lián)模塊的所有功率模塊指并聯(lián)模塊中的第I上橋臂A相MMC功率模塊至第N上橋臂A相MMC功率模塊、第I上橋臂B相MMC功率模塊至第N上橋臂B相MMC功率模塊、第I上橋臂C相MMC功率模塊至第N上橋臂C相MMC功率模塊、第I下橋臂A相MMC功率模塊至第N下橋臂A相MMC功率模塊、第I下橋臂B相MMC功率模塊至第N下橋臂B相MMC功率模塊和第I下橋臂C相MMC功率模塊至第N下橋臂C相MMC功率模塊；串聯(lián)模塊的所有功率模塊指串聯(lián)模塊中的第I上橋臂A相MMC功率模塊至第N上橋臂A相MMC功率模塊、第I上橋臂B相MMC功率模塊至第N上橋臂B相MMC功率模塊、第I上橋臂C相MMC功率模塊至第N上橋臂C相MMC功率模塊、第I下橋臂A相MMC功率模塊至第N下橋臂A相MMC功率模塊、第I下橋臂B相MMC功率模塊至第N下橋臂B相MMC功率模塊和第I下橋臂C相MMC功率模塊至第N下橋臂C相MMC功率模塊；由于三相MMC-UPQC的串聯(lián)模塊和并聯(lián)模塊均接在同一電源，且兩部分直流側(cè)是由直流母線直接相連，所以三相MMC-UPQC僅能利用并聯(lián)模塊通過交流電源進(jìn)行充電，串聯(lián)模塊則通過直流母線對其進(jìn)行充電。當(dāng)交流電源通過第一續(xù)流ニ極管Dl和第二續(xù)流ニ極管D2對并聯(lián)模塊的每個(gè)功率模塊進(jìn)行充電吋，由于MMC電路的特殊結(jié)構(gòu)，交流電源在ー個(gè)エ頻周期內(nèi)，分時(shí)段分別對并聯(lián)模塊各相(A相、B相和C相)的上、下橋臂上的每個(gè)功率模塊進(jìn)行充電；且從并聯(lián)模塊直流側(cè)看，每個(gè)時(shí)刻并聯(lián)模塊每相(A相、B相和C相)均只會有上橋臂或者下橋臂的N個(gè)功率模塊串聯(lián)進(jìn)電路中。對于串聯(lián)模塊來說，各相(A相、B相和C相)上、下橋臂的每個(gè)功率模塊通過與并聯(lián)模塊相連的直流母線對其充電，從串聯(lián)模塊直流側(cè)看，每個(gè)時(shí)刻串聯(lián)模塊每相(A相、B相和C相)均有2N個(gè)功率模塊串進(jìn)電路中。因此，MMC-UPQC就會出現(xiàn)由并聯(lián)模塊上橋臂或者下橋臂N個(gè)功率模塊提供的直流電壓對串聯(lián)模塊上橋臂和下橋臂2N個(gè)功率模塊進(jìn)行充電的情況，此時(shí)，串聯(lián)模塊每個(gè)功率模塊的直流電壓僅能充到并聯(lián)模塊每個(gè)功率模塊直流電壓的一半。對于應(yīng)用于高電壓(6kV及以上)場合的MMC來說,功率模塊控制系統(tǒng)的電源主要通過MMC主回路取能，一般均設(shè)計(jì)在功率模塊進(jìn)入設(shè)定的工作電壓吋，才能正常工作，所以對于應(yīng)用在高電壓場合的功率模塊來說，在未達(dá)到額定工作電壓時(shí)，功率模塊的控制系統(tǒng)不工作，功率模塊的開關(guān)器件均在關(guān)斷狀態(tài)，主回路電流僅能通過與第一續(xù)流ニ極管Dl和第二續(xù)流ニ極管D2對直流電容進(jìn)行充電。由于串聯(lián)模塊電壓在啟動過程中的特殊性，因此必須設(shè)計(jì)串聯(lián)模塊中每個(gè)功率模塊的取能電路能在二分之一到全額額定工作電壓范圍內(nèi)，均能為功率模塊控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電源， 而并聯(lián)模塊功率模塊取能電路應(yīng)能在功率模塊額定工作電壓范圍內(nèi)向控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電源。當(dāng)并聯(lián)模塊的每個(gè)功率模塊達(dá)到工作電壓，而串聯(lián)模塊每個(gè)功率模塊到達(dá)工作電壓的二分之ー時(shí)，串聯(lián)模塊和并聯(lián)模塊的功率模塊控制系統(tǒng)開始正常工作，若此時(shí)對串聯(lián)模塊和并聯(lián)模塊的功率模塊解鎖，使串聯(lián)模塊和并聯(lián)模塊的三相每個(gè)橋臂都只投入N個(gè)功率模塊，會使串聯(lián)模塊ー側(cè)直流電壓變?yōu)榻怄i前直流電壓的一半，而并聯(lián)模塊ー側(cè)直流電壓不變，從而引起直流母線電壓和電流沖擊，進(jìn)而引起并聯(lián)模塊交流電源的電流沖擊。若不對此沖擊進(jìn)彳丁合通控制，就可能對MMC中的器件造成損壞，并引起系統(tǒng)電壓波動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述缺陷公開了ー種三相MMC-UPQC無沖擊自勵預(yù)充電方法。本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)對直流母線電壓、電流以及交流電源電流小沖擊的同時(shí)，使串聯(lián)模塊每個(gè)功率模塊在迅速達(dá)到額定工作電壓。利用本發(fā)明進(jìn)行MMC-UPQC預(yù)充電，在無需外部輔助設(shè)備的情況下，實(shí)現(xiàn)MMC-UPQC的快速、小沖擊啟動，簡單易實(shí)現(xiàn)，非常適合應(yīng)用于高電壓大容量的實(shí)際工程中。基于MMC的三相UPQC拓?fù)潆娐返慕Y(jié)構(gòu)如下并聯(lián)模塊連接串聯(lián)模塊，第一隔離變壓器、第二隔離變壓器和第三隔離變壓器的原邊繞組分別安裝在輸電線路A相線路、輸電線路B相線路和輸電線路C相線路上，第一隔離變壓器的副邊繞組的一端通過第三三相斷路器連接串聯(lián)模塊中的第一電抗器和第二電抗器的公共節(jié)點(diǎn)，第二隔離變壓器的副邊繞組的一端通過第三三相斷路器連接串聯(lián)模塊中的第三電抗器和第四電抗器的公共節(jié)點(diǎn)，第三隔離變壓器的副邊繞組的一端通過第三三相斷路器連接串聯(lián)模塊中的第五電抗器和第六電抗器的公共節(jié)點(diǎn)，第一隔離變壓器的副邊繞組的另一端、第二隔離變壓器的副邊繞組的另一端和第三隔離變壓器的副邊繞組的另一端連接在一起；第一限流電阻的一端連接第一三相斷路器，另一端連接并聯(lián)模塊中的第一電抗器和第二電抗器的公共節(jié)點(diǎn)；第二限流電阻的一端連接第一三相斷路器，另一端連接并聯(lián)模塊中的第三電抗器和第四電抗器的公共節(jié)點(diǎn)；第三限流電阻的一端連接第一三相斷路器，另一端連接并聯(lián)模塊中的第五電抗器和第六電抗器的公共節(jié)點(diǎn)；第一限流電阻、第二限流電阻和第三限流電阻均與第二三相斷路器并聯(lián)；第一三相斷路器KMl分別連接輸電線路A相線路、輸電線路B相線路和輸電線路C相線路；輸電線路A相線路、輸電線路B相線路和輸電線路C相線路是指三相高壓交流電網(wǎng)的三相交流線路。
所述并聯(lián)模塊與串聯(lián)模塊的結(jié)構(gòu)均為第I上橋臂A相MMC功率模塊至第N上橋臂A相MMC功率模塊依次串聯(lián)連接構(gòu)成上橋臂A相電路，第I上橋臂B相MMC功率模塊至第N上橋臂B相MMC功率模塊依次串聯(lián)連接構(gòu)成上橋臂B相電路；第I上橋臂C相MMC功率模塊至第N上橋臂C相MMC功率模塊依次串聯(lián)連接構(gòu)成上橋臂C相電路，第I下橋臂A相MMC功率模塊至第N下橋臂A相MMC功率模塊依次串聯(lián)連接構(gòu)成下橋臂A相電路，第I下橋臂B相MMC功率模塊至第N下橋臂B相MMC功率模塊依次串聯(lián)連接構(gòu)成下橋臂B相電路，第I下橋臂C相MMC功率模塊至第N下橋臂C相MMC功率模塊依次串聯(lián)連接構(gòu)成下橋臂C相電路；第一電抗器連接第N上橋臂A相MMC功率模塊的第二公共端，第二電抗器連接第I下橋臂A相MMC功率模塊的第一公共端，第三電抗器連接第N上橋臂B相MMC功率模塊的第二公共端，第四電抗器連接第I下橋臂B相MMC功率模 塊的第一公共端，第五電抗器連接第N上橋臂C相MMC功率模塊的第二公共端，第六電抗器連接第I下橋臂C相MMC功率模塊的第一公共端，N為大于I的偶數(shù)。所述并聯(lián)模塊的第I上橋臂A相MMC功率模塊、并聯(lián)模塊的第I上橋臂B相匪C功率模塊、并聯(lián)模塊的第I上橋臂C相MMC功率模塊、串聯(lián)模塊的第I上橋臂A相MMC功率模塊、串聯(lián)模塊的第I上橋臂B相MMC功率模塊和串聯(lián)模塊的第I上橋臂C相MMC功率模塊以上六者的第一公共端連接在一起；并聯(lián)模塊的第N下橋臂A相MMC功率模塊、并聯(lián)模塊的第N下橋臂B相MMC功率模塊、并聯(lián)模塊的第N下橋臂C相MMC功率模塊、串聯(lián)模塊的第N下橋臂A相MMC功率模塊、串聯(lián)模塊的第N下橋臂B相MMC功率模塊和串聯(lián)模塊的第N下橋臂C相MMC功率模塊以上六者的第二公共端連接在一起。所述第I上橋臂A相MMC功率模塊至第N上橋臂A相MMC功率模塊、第I上橋臂B相MMC功率模塊至第N上橋臂B相MMC功率模塊、第I上橋臂C相MMC功率模塊至第N上橋臂C相MMC功率模塊、第I下橋臂A相MMC功率模塊至第N下橋臂A相MMC功率模塊、第I下橋臂B相MMC功率模塊至第N下橋臂B相MMC功率模塊以及第I下橋臂C相MMC功率模塊至第N下橋臂C相MMC功率模塊具有相同的結(jié)構(gòu)，它們的結(jié)構(gòu)均為反并聯(lián)第一續(xù)流ニ極管的第一 IGBT器件與反并聯(lián)第二續(xù)流ニ極管的第二 IGBT器件串聯(lián)，然后與直流電容并聯(lián)，第一晶閘管和第二晶閘管反并聯(lián)構(gòu)成晶閘管模塊，第一公共端連接第一 IGBT器件和第ニ IGBT器件的公共節(jié)點(diǎn)，第二公共端連接第二 IGBT器件和直流電容的公共節(jié)點(diǎn)，在第一公共端和第二公共端之間并聯(lián)晶閘管模塊?；贛MC的三相UPQC拓?fù)潆娐返念A(yù)充電方法包括以下步驟I)使第一三相斷路器、第二三相斷路器和第三三相斷路器處于斷開狀態(tài)，并使所有功率模塊的直流電容兩端電壓為零；2)閉合第一三相斷路器，此時(shí)，在并聯(lián)模塊的所有功率模塊中，第一 IGBT器件和第二 IGBT器件均處于關(guān)斷狀態(tài)，三相高壓交流電網(wǎng)分別經(jīng)過第一限流電阻、第二限流電阻和第三限流電阻，然后通過第一續(xù)流ニ極管和第二續(xù)流ニ極管對直流電容充電，并聯(lián)模塊開始不控整流；3)等待三相MMC-UPQC直流母線電壓上升至三相高壓交流電網(wǎng)線電壓有效值的0. 8-1. 2倍時(shí)，此時(shí)三相MMC-UPQC控制系統(tǒng)開始工作，能夠?qū)λ泄β誓K內(nèi)的第一 IGBT器件和第二 IGBT器件進(jìn)行控制，令n=l ；
4)在串聯(lián)模塊的第I上橋臂A相MMC功率模塊至第N上橋臂A相MMC功率模塊中，選取這N個(gè)功率模塊的直流電容兩端電壓最高的n個(gè)功率模塊，將這n個(gè)功率模塊的第二 IGBT器件導(dǎo)通；在串聯(lián)模塊的第I下橋臂A相MMC功率模塊至第N下橋臂A相MMC功率模塊中，選取這N個(gè)功率模塊的直流電容兩端電壓最高的n個(gè)功率模塊，將這n個(gè)功率模塊的第二IGBT器件導(dǎo)通；在串聯(lián)模塊的第I上橋臂B相MMC功率模塊至第N上橋臂B相MMC功率模塊中，選取這N個(gè)功率模塊的直流電容兩端電壓最高的n個(gè)功率 模塊，將這n個(gè)功率模塊的第二IGBT器件導(dǎo)通；在串聯(lián)模塊的第I下橋臂B相MMC功率模塊至第N下橋臂B相MMC功率模塊中，選取這N個(gè)功率模塊的直流電容兩端電壓最高的n個(gè)功率模塊，將這n個(gè)功率模塊的第二IGBT器件導(dǎo)通；在串聯(lián)模塊的第I上橋臂C相MMC功率模塊至第N上橋臂C相MMC功率模塊中，選取這N個(gè)功率模塊的直流電容兩端電壓最高的n個(gè)功率模塊，將這n個(gè)功率模塊的第二IGBT器件導(dǎo)通；在串聯(lián)模塊的第I下橋臂C相MMC功率模塊至第N下橋臂C相MMC功率模塊中，選取這N個(gè)功率模塊的直流電容兩端電壓最高的n個(gè)功率模塊，將這n個(gè)功率模塊的第二IGBT器件導(dǎo)通；步驟4)中的第二 IGBT器件導(dǎo)通過程應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。5)如果串聯(lián)模塊的所有功率模塊的直流電容兩端電壓均大于上、，則執(zhí)行步
2{N -//)
驟6);否則，返回執(zhí)行步驟4) ；Udc為三相MMC-UPQC直流母線電壓；6)如果n=N/2，則執(zhí)行步驟7);否則，將n+1賦值給n，返回執(zhí)行步驟4)；7)閉合第二三相斷路器，將第一限流電阻、第二限流電阻和第三限流電阻旁路，并聯(lián)模塊直接與三相高壓交流電網(wǎng)連接；8)向并聯(lián)模塊的所有功率模塊的第一 IGBT器件和第二 IGBT器件發(fā)送觸發(fā)脈沖，并聯(lián)模塊開始可控整流，待所有功率模塊的直流電容兩端電壓上升至穩(wěn)態(tài)工作電壓時(shí)，預(yù)充電過程結(jié)束。本發(fā)明的有益效果為通過對MMC-UPQC串聯(lián)模塊和并聯(lián)模塊的功率模塊的簡單、合理控制，在保證對高壓交流電網(wǎng)無電流沖擊以及功率模塊內(nèi)開關(guān)器件僅受最小應(yīng)力的條件下，利用高壓交流電網(wǎng)三相電壓將MMC-UPQC串聯(lián)模塊和并聯(lián)模塊功率模塊的直流電壓從零電壓值充到穩(wěn)定工作設(shè)定值，從而在不增加外部輔助設(shè)備、減小投資成本、不添加復(fù)雜控制方法的情況下實(shí)現(xiàn)了對三相高壓交流電網(wǎng)無沖擊的MMC-UPQC預(yù)充電過程。


圖I為三相MMC-UPQC主拓?fù)浼芭c高壓交流電網(wǎng)連接示意圖；圖2為三相MMC-UPQC所有功率模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明所提無沖擊預(yù)充電控制方法的控制流程示意圖。圖4a為三相MMC-UPQC直流母線電壓的波形示意圖4b為三相MMC-UPQC直流母線電流的波形示意圖；圖4c為并聯(lián)模塊A相輸出電流的波形示意圖；圖5a為串聯(lián)模塊A相上橋臂每個(gè)功率模塊直流電容C兩端電壓的波形示意圖；圖5b為并聯(lián)模塊A相上橋臂每個(gè)功率模塊直流電容C兩端電壓的波形示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明 。如圖I所示，基于MMC的三相UPQC拓?fù)潆娐返慕Y(jié)構(gòu)如下并聯(lián)模塊連接串聯(lián)模塊，第一隔離變壓器Ta、第二隔離變壓器Tb和第三隔離變壓器Tc的原邊繞組分別安裝(原邊繞組的兩端分別串聯(lián)接入輸電線路A相線路Ua、輸電線路B相線路Ub或輸電線路C相線路Uc，即第一隔離變壓器Ta的原邊繞組一端接入輸電線路A相線路電源側(cè)，另一端接入輸電線路A相線路負(fù)載側(cè)，第二隔離變壓器Tb的原邊繞組一端接入輸電線路B相線路電源側(cè)，另一端接入輸電線路B相線路負(fù)載側(cè)，第三隔離變壓器Tc的原邊繞組一端接入輸電線路C相線路電源側(cè)，另一端接入輸電線路C相線路負(fù)載側(cè))在輸電線路A相線路Ua、輸電線路B相線路Ub和輸電線路C相線路Uc上，第一隔離變壓器Ta的副邊繞組的一端通過第三三相斷路器KM3連接串聯(lián)模塊中的第一電抗器La和第二電抗器La’的公共節(jié)點(diǎn)，第二隔離變壓器Tb的副邊繞組的一端通過第三三相斷路器KM3連接串聯(lián)模塊中的第三電抗器Lb和第四電抗器Lb’的公共節(jié)點(diǎn)，第三隔離變壓器Tc的副邊繞組的一端通過第三三相斷路器KM3連接串聯(lián)模塊中的第五電抗器Lc和第六電抗器Lc’的公共節(jié)點(diǎn)，第一隔離變壓器Ta的副邊繞組的另一端、第二隔離變壓器Tb的副邊繞組的另一端和第三隔離變壓器Tc的副邊繞組的另一端連接在一起，并聯(lián)模塊和串聯(lián)模塊是根據(jù)與輸電線路的連接方式而劃分的；第一限流電阻Ra的一端連接第一三相斷路器KM1，另一端連接并聯(lián)模塊中的第一電抗器La和第二電抗器La’的公共節(jié)點(diǎn)；第二限流電阻Rb的一端連接第一三相斷路器KM1，另一端連接并聯(lián)模塊中的第三電抗器Lb和第四電抗器Lb’的公共節(jié)點(diǎn)；第三限流電阻Re的一端連接第一三相斷路器KM1，另一端連接并聯(lián)模塊中的第五電抗器Lc和第六電抗器Lc’的公共節(jié)點(diǎn)；第一限流電阻Ra、第二限流電阻Rb和第三限流電阻Re均與第二三相斷路器KM2并聯(lián)；第一三相斷路器KMl分別連接輸電線路A相線路Ua、輸電線路B相線路Ub和輸電線路C相線路Uc ;輸電線路A相線路Ua、輸電線路B相線路Ub和輸電線路C相線路Uc是指三相高壓交流電網(wǎng)的三相交流線路。并聯(lián)模塊與串聯(lián)模塊的結(jié)構(gòu)均為第I上橋臂A相MMC功率模塊至第N上橋臂A相MMC功率模塊依次串聯(lián)(指第K上橋臂A相MMC功率模塊的第二公共端b連接第K+1上橋臂A相MMC功率模塊的第一公共端a，K為I至N-I)連接構(gòu)成上橋臂A相電路，第I上橋臂B相MMC功率模塊至第N上橋臂B相MMC功率模塊依次串聯(lián)連接構(gòu)成上橋臂B相電路；第I上橋臂C相MMC功率模塊至第N上橋臂C相MMC功率模塊依次串聯(lián)連接構(gòu)成上橋臂C相電路，第I下橋臂A相MMC功率模塊至第N下橋臂A相MMC功率模塊依次串聯(lián)連接構(gòu)成下橋臂A相電路，第I下橋臂B相MMC功率模塊至第N下橋臂B相MMC功率模塊依次串聯(lián)連接構(gòu)成下橋臂B相電路，第I下橋臂C相MMC功率模塊至第N下橋臂C相MMC功率模塊依次串聯(lián)連接構(gòu)成下橋臂C相電路；第一電抗器La連接第N上橋臂A相MMC功率模塊的第二公共端b，第二電抗器La’連接第I下橋臂A相MMC功率模塊的第一公共端a，第三電抗器Lb連接第N上橋臂B相MMC功率模塊的第二公共端b，第四電抗器Lb’連接第I下橋臂B相MMC功率模塊的第一公共端a，第五電抗器Lc連接第N上橋臂C相MMC功率模塊的第二公共端b,第六電抗器Lc’連接第I下橋臂C相MMC功率模塊的第一公共端a,N為大于I的偶數(shù)，并聯(lián)模塊和串聯(lián)模塊構(gòu)成變流器。此時(shí)，三相MMC-UPQC為N+1電平。并聯(lián)模塊的第I上橋臂A相MMC功率模塊、并聯(lián)模塊的第I上橋臂B相MMC功率模塊、并聯(lián)模塊的第I上橋臂C相MMC功率模塊、串聯(lián)模塊的第I上橋臂A相MMC功率模塊、串聯(lián)模塊的第I上橋臂B相MMC功率模塊和串聯(lián)模塊的第I上橋臂C相MMC功率模塊以上六者的第一公共端a連接在一起；(構(gòu)成并聯(lián)模塊和串聯(lián)模塊的正極母線)；并聯(lián)模塊的第N下橋臂A相MMC功率模塊、并聯(lián)模塊 的第N下橋臂B相MMC功率模塊、并聯(lián)模塊的第N下橋臂C相MMC功率模塊、串聯(lián)模塊的第N下橋臂A相MMC功率模塊、串聯(lián)模塊的第N下橋臂B相MMC功率模塊和串聯(lián)模塊的第N下橋臂C相MMC功率模塊以上六者的第二公共端b連接在一起；(構(gòu)成并聯(lián)模塊和串聯(lián)模塊的負(fù)極母線)；并聯(lián)模塊和串聯(lián)模塊的直流側(cè)相連并聯(lián)模塊和串聯(lián)模塊的正極母線連接在一起，構(gòu)成三相MMC-UPQC直流母線的正極；并聯(lián)模塊和串聯(lián)模塊的負(fù)極母線連接在一起，構(gòu)成三相MMC-UPQC直流母線的負(fù)極；從而可實(shí)現(xiàn)串、并部分逆變能量的相互支撐。三相MMC-UPQC直流母線電壓即為三相MMC-UPQC直流母線的正極與三相MMC-UPQC直流母線的負(fù)極之間的電壓；如圖2所示，第I上橋臂A相MMC功率模塊至第N上橋臂A相MMC功率模塊、第I上橋臂B相MMC功率模塊至第N上橋臂B相MMC功率模塊、第I上橋臂C相MMC功率模塊至第N上橋臂C相MMC功率模塊、第I下橋臂A相MMC功率模塊至第N下橋臂A相MMC功率模塊、第I下橋臂B相MMC功率模塊至第N下橋臂B相MMC功率模塊以及第I下橋臂C相MMC功率模塊至第N下橋臂C相MMC功率模塊具有相同的結(jié)構(gòu)，它們的結(jié)構(gòu)均為反并聯(lián)第一續(xù)流二極管Dl的第一 IGBT器件Il與反并聯(lián)第二續(xù)流二極管D2的第二 IGBT器件12串聯(lián)，然后與直流電容C并聯(lián)，第一晶閘管SI和第二晶閘管S2反并聯(lián)構(gòu)成晶閘管模塊SCR，第一公共端a連接第一 IGBT器件Il和第二 IGBT器件12的公共節(jié)點(diǎn)，第二公共端b連接第二 IGBT器件12和直流電容C的公共節(jié)點(diǎn)，在第一公共端a和第二公共端b之間并聯(lián)晶閘管模塊SCR，用來在功率模塊內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)旁路該功率模塊。如圖3所示，基于MMC的三相UPQC拓?fù)潆娐返念A(yù)充電方法包括以下步驟I)使第一三相斷路器KMl、第二三相斷路器KM2和第三三相斷路器KM3處于斷開狀態(tài)，并使所有功率模塊的直流電容C兩端電壓為零；2)閉合第一三相斷路器KM1，此時(shí)，在并聯(lián)模塊的所有功率模塊中，第一 IGBT器件Il和第二 IGBT器件12均處于關(guān)斷狀態(tài)，三相高壓交流電網(wǎng)分別經(jīng)過第一限流電阻、第二限流電阻和第三限流電阻，然后通過第一續(xù)流二極管Dl和第二續(xù)流二極管D2對直流電容C充電，并聯(lián)模塊開始不控整流；3)等待三相MMC-UPQC直流母線電壓上升至三相高壓交流電網(wǎng)線電壓有效值的0. 8-1. 2倍時(shí)，此時(shí)三相MMC-UPQC控制系統(tǒng)開始工作，能夠?qū)λ泄β誓K內(nèi)的第一IGBT器件Il和第二 IGBT器件12進(jìn)行控制，令n=l ;三相MMC-UPQC控制系統(tǒng)通過對三相MMC-UPQC及電壓、電流、斷路器開關(guān)狀態(tài)等信號的采集，根據(jù)設(shè)定的補(bǔ)償及保護(hù)算法，采用分層控制的思想，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)三相MMC-UPQC中的斷路器、所有功率模塊和，串聯(lián)和并聯(lián)部分所有子模塊中開關(guān)器件及晶閘管模塊SCR的控制，從而使三相MMC-UPQC按照預(yù)期的工作狀態(tài)運(yùn)行。4)在串聯(lián)模塊的第I上橋臂A相MMC功率模塊至第N上橋臂A相MMC功率模塊中，選取這N個(gè)功率模塊(指串聯(lián)模塊的第I上橋臂A相MMC功率模塊至第N上橋臂A相MMC功率模塊)的直流電容C兩端電壓最高的n個(gè)功率模塊，將這n個(gè)功率模塊的第二 IGBT器件12導(dǎo)通；在串聯(lián)模塊的第I下橋臂A相MMC功率模塊至第N下橋臂A相MMC功率模塊中，選取這N個(gè)功率模塊(指串聯(lián)模塊的第I下橋臂A相MMC功率模塊 至第N下橋臂A相MMC功率模塊)的直流電容C兩端電壓最高的n個(gè)功率模塊，將這n個(gè)功率模塊的第二 IGBT器件12導(dǎo)通；在串聯(lián)模塊的第I上橋臂B相MMC功率模塊至第N上橋臂B相MMC功率模塊中，選取這N個(gè)功率模塊(指串聯(lián)模塊的第I上橋臂B相MMC功率模塊至第N上橋臂B相MMC功率模塊)的直流電容C兩端電壓最高的n個(gè)功率模塊，將這n個(gè)功率模塊的第二 IGBT器件12導(dǎo)通；在串聯(lián)模塊的第I下橋臂B相MMC功率模塊至第N下橋臂B相MMC功率模塊中，選取這N個(gè)功率模塊(指串聯(lián)模塊的第I下橋臂B相MMC功率模塊至第N下橋臂B相MMC功率模塊)的直流電容C兩端電壓最高的n個(gè)功率模塊，將這n個(gè)功率模塊的第二 IGBT器件12導(dǎo)通；在串聯(lián)模塊的第I上橋臂C相MMC功率模塊至第N上橋臂C相MMC功率模塊中，選取這N個(gè)功率模塊(指串聯(lián)模塊的第I上橋臂C相MMC功率模塊至第N上橋臂C相MMC功率模塊)的直流電容C兩端電壓最高的n個(gè)功率模塊，將這n個(gè)功率模塊的第二 IGBT器件12導(dǎo)通；在串聯(lián)模塊的第I下橋臂C相MMC功率模塊至第N下橋臂C相MMC功率模塊中，選取這N個(gè)功率模塊(指串聯(lián)模塊的第I下橋臂C相MMC功率模塊至第N下橋臂C相MMC功率模塊)的直流電容C兩端電壓最高的n個(gè)功率模塊，將這n個(gè)功率模塊的第二 IGBT器件12導(dǎo)通；步驟4)中的第二 IGBT器件導(dǎo)通過程應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。5)如果串聯(lián)模塊的所有功率模塊的直流電容C兩端電壓均大于。、，則執(zhí)行
2{N -n)
步驟6);否則，返回執(zhí)行步驟4) ;Ud。為三相MMC-UPQC直流母線電壓，其單位是V ;6)如果n=N/2，此時(shí)所有功率模塊的直流電容C兩端電壓已相等，則執(zhí)行步驟7)；否則，將n+1賦值給n，返回執(zhí)行步驟4)；7)閉合第二三相斷路器KM2，將第一限流電阻Ra、第二限流電阻Rb和第三限流電阻Re旁路，并聯(lián)模塊直接與三相高壓交流電網(wǎng)連接；8)向并聯(lián)模塊的所有功率模塊的第一 IGBT器件Il和第二 IGBT器件12發(fā)送觸發(fā)脈沖，并聯(lián)模塊開始可控整流，待所有功率模塊的直流電容C兩端電壓上升至穩(wěn)態(tài)工作電壓時(shí)，預(yù)充電過程結(jié)束。在完成預(yù)充電過程后，串聯(lián)模塊便可接入三相高壓交流電網(wǎng)，開始按預(yù)先設(shè)定的控制策略開始工作，整個(gè)三相MMC-UPQC進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。
采用本發(fā)明的預(yù)充電方法對13電平三相MMC-UPQC進(jìn)行預(yù)充電，在三相交流系統(tǒng)電壓為1000V的情況下，三相MMC-UPQC直流母線電壓從OV上升到預(yù)設(shè)值1700V ;圖4a為三相MMC-UPQC直流母線電壓的波形示意圖，圖4b為三相MMC-UPQC直流母線電流(指三相MMC-UPQC直流母線的正極的電流)的波形示意圖；圖4c為并聯(lián)模塊A相輸出電流(指第一限流電阻Ra的電流)的波形示意圖；采用本發(fā)明方法對13電三相平MMC-UPQC進(jìn)行預(yù)充電，在三相交流系統(tǒng)電壓為1000V的情況下，MMC-UPQC直流母線電壓從OV上升到預(yù)設(shè)值1700V ;圖5a為串聯(lián)模塊A相上橋臂每個(gè)功率模塊(指串聯(lián)模塊的第I上橋臂A相MMC功率模塊指第12上橋臂A相MMC功率模塊)直流電容C兩端電壓的波形示意圖；圖5b為并聯(lián)模塊A相上橋臂每個(gè)功率模塊(指并聯(lián)模塊的第I上橋臂A相MMC功率模塊指第12上橋臂A 相MMC功率模塊)直流電容C兩端電壓的波形示意圖。從圖4和圖5可以看出，采用本發(fā)明方法進(jìn)行三相MMC-UPQC預(yù)充電，三相MMC-UPQC直流母線電壓沒有出現(xiàn)直接掉落一半的情況，且在總共6次切換工程中均沒有對直流母線電壓、直流母線電流以及各個(gè)子模塊的直流電流造成較大沖擊，電壓和電流的變化均比較平緩，大大減小了所有功率模塊內(nèi)第一 IGBT器件Il和第二 IGBT器件12在啟動過程中所承受的電壓和電流應(yīng)力。以上列舉的方法僅是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施實(shí)例，本發(fā)明不限于以上實(shí)例，還可以有許多變形，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想得到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。利用本發(fā)明所提方法，在保證對高壓交流電網(wǎng)無電流沖擊以及子模塊內(nèi)開關(guān)器件僅受最小應(yīng)力的條件下，利用高壓交流電網(wǎng)三相電壓將三相MMC-UPQC所有功率模塊的直流電壓從零電壓值充到穩(wěn)態(tài)工作電壓，從而在不增加外部輔助設(shè)備、減小投資成本、不添加復(fù)雜控制方法的情況下，保證了三相MMC-UPQC所有功率在充電過程中不會由于所承受應(yīng)力過大而損壞，也方便靈活的實(shí)現(xiàn)了對三相高壓交流電網(wǎng)無沖擊的三相MMC-UPQC預(yù)充電過程。本發(fā)明所提出的方法，對于各種采用MMC直流側(cè)背靠背連接的各種裝置的預(yù)充電過程也同樣適用。
權(quán)利要求
1.基于MMC的三相UPQC拓?fù)潆娐?，其特征在于，它的結(jié)構(gòu)如下并聯(lián)模塊連接串聯(lián)模塊，第一隔離變壓器(Ta)、第二隔離變壓器(Tb)和第三隔離變壓器(Tc)的原邊繞組分別安裝在輸電線路A相線路(Ua)、輸電線路B相線路(Ub)和輸電線路C相線路(Uc)上，第一隔離變壓器(Ta)的副邊繞組的一端通過第三三相斷路器(KM3)連接串聯(lián)模塊中的第一電抗器(La)和第二電抗器(La’ )的公共節(jié)點(diǎn)，第二隔離變壓器(Tb)的副邊繞組的一端通過第三三相斷路器(KM3)連接串聯(lián)模塊中的第三電抗器(Lb)和第四電抗器(Lb’)的公共節(jié)點(diǎn)，第三隔離變壓器(Tc)的副邊繞組的一端通過第三三相斷路器(KM3)連接串聯(lián)模塊中的第五電抗器(Lc)和第六電抗器(Lc’)的公共節(jié)點(diǎn)，第一隔離變壓器(Ta)的副邊繞組的另一端、第二隔離變壓器(Tb)的副邊繞組的另一端和第三隔離變壓器(Tc)的副邊繞組的另一端連接在一起; 第一限流電阻(Ra)的一端連接第一三相斷路器(KM1)，另一端連接并聯(lián)模塊中的第一電抗器(La)和第二電抗器(La’)的公共節(jié)點(diǎn)；第二限流電阻(Rb)的一端連接第一三相斷路器(KM1)，另一端連接并聯(lián)模塊中的第三電抗器(Lb)和第四電抗器(Lb’)的公共節(jié)點(diǎn)；第三限流電阻(Re)的一端連接第一三相斷路器(KM1)，另一端連接并聯(lián)模塊中的第五電抗器(Lc)和第六電抗器(Lc’)的公共節(jié)點(diǎn)；第一限流電阻(Ra)、第二限流電阻(Rb)和第三限流電阻(Re)均與第二三相斷路器(KM2)并聯(lián)；第一三相斷路器KMl分別連接輸電線路A相線路(Ua)、輸電線路B相線路(Ub)和輸電線路C相線路(Uc);輸電線路A相線路(Ua)、輸電線路B相線路(Ub)和輸電線路C相線路(Uc)是指三相高壓交流電網(wǎng)的三相交流線路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于MMC的三相UPQC拓?fù)潆娐?，其特征在于，所述并?lián)模塊與串聯(lián)模塊的結(jié)構(gòu)均為第I上橋臂A相MMC功率模塊至第N上橋臂A相MMC功率模塊依次串聯(lián)連接構(gòu)成上橋臂A相電路，第I上橋臂B相MMC功率模塊至第N上橋臂B相MMC功率模塊依次串聯(lián)連接構(gòu)成上橋臂B相電路；第I上橋臂C相MMC功率模塊至第N上橋臂C相MMC功率模塊依次串聯(lián)連接構(gòu)成上橋臂C相電路，第I下橋臂A相MMC功率模塊至第N下橋臂A相MMC功率模塊依次串聯(lián)連接構(gòu)成下橋臂A相電路，第I下橋臂B相MMC功率模塊至第N下橋臂B相MMC功率模塊依次串聯(lián)連接構(gòu)成下橋臂B相電路，第I下橋臂C相MMC功率模塊至第N下橋臂C相MMC功率模塊依次串聯(lián)連接構(gòu)成下橋臂C相電路；第一電抗器(La)連接第N上橋臂A相MMC功率模塊的第二公共端(b)，第二電抗器(La’ )連接第I下橋臂A相MMC功率模塊的第一公共端(a)，第三電抗器(Lb)連接第N上橋臂B相MMC功率模塊的第二公共端(b)，第四電抗器(Lb’)連接第I下橋臂B相MMC功率模塊的第一公共端(a)，第五電抗器(Lc)連接第N上橋臂C相MMC功率模塊的第二公共端(b)，第六電抗器(Lc’)連接第I下橋臂C相MMC功率模塊的第一公共端(a)，N為大于I的偶數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于MMC的三相UPQC拓?fù)潆娐?，其特征在于，所述并?lián)模塊的第I上橋臂A相MMC功率模塊、并聯(lián)模塊的第I上橋臂B相MMC功率模塊、并聯(lián)模塊的第I上橋臂C相MMC功率模塊、串聯(lián)模塊的第I上橋臂A相MMC功率模塊、串聯(lián)模塊的第I上橋臂B相MMC功率模塊和串聯(lián)模塊的第I上橋臂C相MMC功率模塊以上六者的第一公共端(a)連接在一起； 并聯(lián)模塊的第N下橋臂A相MMC功率模塊、并聯(lián)模塊的第N下橋臂B相MMC功率模塊、并聯(lián)模塊的第N下橋臂C相MMC功率模塊、串聯(lián)模塊的第N下橋臂A相MMC功率模塊、串聯(lián)模塊的第N下橋臂B相MMC功率模塊和串聯(lián)模塊的第N下橋臂C相MMC功率模塊以上六者的第二公共端(b)連接在一起。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于MMC的三相UPQC拓?fù)潆娐?，其特征在于，所述第I上橋臂A相MMC功率模塊至第N上橋臂A相MMC功率模塊、第I上橋臂B相MMC功率模塊至第N上橋臂B相MMC功率模塊、第I上橋臂C相MMC功率模塊至第N上橋臂C相MMC功率模塊、第I下橋臂A相MMC功率模塊至第N下橋臂A相MMC功率模塊、第I下橋臂B相MMC功率模塊至第N下橋臂B相MMC功率模塊以及第I下橋臂C相MMC功率模塊至第N下橋臂C相MMC功率模塊具有相同的結(jié)構(gòu)，它們的結(jié)構(gòu)均為反并聯(lián)第一續(xù)流二極管(Dl)的第一 IGBT器件(Il)與反并聯(lián)第二續(xù)流二極管(D2)的第二 IGBT器件(12)串聯(lián)，然后與直流電容(C)并聯(lián)，第一晶閘管(SI)和第二晶閘管(S2)反并聯(lián)構(gòu)成晶閘管模塊(SCR)，第一公共端(a)連接第一 IGBT器件(Il)和第二 IGBT器件(12)的公共節(jié)點(diǎn)，第二公共端(b)連接第二 IGBT器件(12)和直流電容(C)的公共節(jié)點(diǎn)，在第一公共端(a)和第二公共端(b)之間并聯(lián)晶閘管模塊(SCR)。
5.基于MMC的三相UPQC拓?fù)潆娐返念A(yù)充電方法，其特征在于，包括以下步驟 1)使第一三相斷路器(KM1)、第二三相斷路器(KM2)和第三三相斷路器(KM3)處于斷開狀態(tài)，并使所有功率模塊的直流電容(C)兩端電壓為零； 2)閉合第一三相斷路器(KMl)，此時(shí)，在并聯(lián)模塊的所有功率模塊中，第一IGBT器件(Il)和第二 IGBT器件(12)均處于關(guān)斷狀態(tài)，三相高壓交流電網(wǎng)分別經(jīng)過第一限流電阻、第二限流電阻和第三限流電阻，然后通過第一續(xù)流二極管(Dl)和第二續(xù)流二極管(D2)對直流電容(C)充電，并聯(lián)模塊開始不控整流； 3)等待三相MMC-UPQC直流母線電壓上升至三相高壓交流電網(wǎng)線電壓有效值的O.8-1. 2倍時(shí)，此時(shí)三相MMC-UPQC控制系統(tǒng)開始工作，能夠?qū)λ泄β誓K內(nèi)的第一 IGBT器件(Il)和第二 IGBT器件(12)進(jìn)行控制，令n=l ； 4)在串聯(lián)模塊的第I上橋臂A相MMC功率模塊至第N上橋臂A相MMC功率模塊中，選取這N個(gè)功率模塊的直流電容(C)兩端電壓最高的η個(gè)功率模塊，將這η個(gè)功率模塊的第二 IGBT器件(12)導(dǎo)通； 在串聯(lián)模塊的第I下橋臂A相MMC功率模塊至第N下橋臂A相MMC功率模塊中，選取這N個(gè)功率模塊的直流電容(C)兩端電壓最高的η個(gè)功率模塊，將這η個(gè)功率模塊的第二IGBT器件(12)導(dǎo)通； 在串聯(lián)模塊的第I上橋臂B相MMC功率模塊至第N上橋臂B相MMC功率模塊中，選取這N個(gè)功率模塊的直流電容(C)兩端電壓最高的η個(gè)功率模塊，將這η個(gè)功率模塊的第二IGBT器件(12)導(dǎo)通； 在串聯(lián)模塊的第I下橋臂B相MMC功率模塊至第N下橋臂B相MMC功率模塊中，選取這N個(gè)功率模塊的直流電容(C)兩端電壓最高的η個(gè)功率模塊，將這η個(gè)功率模塊的第二IGBT器件(12)導(dǎo)通； 在串聯(lián)模塊的第I上橋臂C相MMC功率模塊至第N上橋臂C相MMC功率模塊中，選取這N個(gè)功率模塊的直流電容(C)兩端電壓最高的η個(gè)功率模塊，將這η個(gè)功率模塊的第二IGBT器件(12)導(dǎo)通； 在串聯(lián)模塊的第I下橋臂C相麗C功率模塊至第N下橋臂C相MMC功率模塊中，選取這N個(gè)功率模塊的直流電容(C)兩端電壓最高的η個(gè)功率模塊，將這η個(gè)功率模塊的第二IGBT器件(12)導(dǎo)通； 5)如果串聯(lián)模塊的所有功率模塊的直流電容(C)兩端電壓均大于^^，則執(zhí)行步 2(N — η)驟6);否則，返回執(zhí)行步驟4) ；Udc為三相MMC-UPQC直流母線電壓； 6)如果n=N/2，則執(zhí)行步驟7);否則，將n+1賦值給n，返回執(zhí)行步驟4)； 7)閉合第二三相斷路器(KM2)，將第一限流電阻(Ra)、第二限流電阻(Rb)和第三限流電阻(Re)旁路，并聯(lián)模塊直接與三相高壓交流電網(wǎng)連接； 8)向并聯(lián)模塊的所有功率模塊的第一IGBT器件(Il)和第二 IGBT器件(12)發(fā)送觸發(fā)脈沖，并聯(lián)模塊開始可控整流，待所有功率模塊的直流電容(C)兩端電壓上升至穩(wěn)態(tài)工作電壓時(shí)，預(yù)充電過程結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于電力系統(tǒng)柔性交流輸配電技術(shù)領(lǐng)域的基于MMC的三相UPQC拓?fù)潆娐芳捌漕A(yù)充電方法。該方法首先利用并聯(lián)部分交流側(cè)三相交流電網(wǎng)電壓通過不控整流對三相MMC-UPQC所有子模塊進(jìn)行充電，再利用對串聯(lián)側(cè)子模塊的合理控制，在保證對高壓交流電網(wǎng)無電流沖擊以及子模塊內(nèi)開關(guān)器件僅受最小應(yīng)力的條件下，將三相MMC-UPQC所有功率模塊的直流電壓從零電壓值充到穩(wěn)定工作設(shè)定值。本發(fā)明的有益效果為在不增加外部輔助設(shè)備、減小投資成本、不添加復(fù)雜控制方法的情況下實(shí)現(xiàn)了對三相高壓交流電網(wǎng)無沖擊的三相MMC-UPQC自勵預(yù)充電。
文檔編號H02J3/00GK102769289SQ20121024776
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月17日
發(fā)明者于寶來, 徐云飛, 徐永海, 肖湘寧, 郝君偉, 龍?jiān)撇?申請人:華北電力大學(xué)