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大功率直流稳压电源全半桥混连拓扑换流阀的交流侧可控充电方法

全半桥混连拓扑换流阀在交流不控充电时全半桥模块电压不一致,通过对全半桥混连拓扑换流阀中全桥和半桥模块工作原理以及交流不控充电过程分析,本文提出了一种基于模块化多电平结构的全半桥混连拓扑换流阀交流侧可控充电方法。

该方法通过可控充电提高模块的平均电压,并保持桥臂内所有模块的电压平衡。搭建了基于全半桥混连拓扑的MMC柔性大功率直流稳压电源输电PSCAD仿真模型,验证了所提出方法的正确性和有效性。

基于电压源型换流器的柔性大功率直流稳压电源输电技术由于其有功无功解耦独立控制、能够接入弱电网、向无源负荷供电、具备电网黑起动能力、动态响应快、谐波特性优良且占地面积小等诸多优点,在大规模间歇性新能源并网、孤岛无源负荷供电、交流电网互联和城市智能供配电等方面得到了越来越广泛的应用[1-5]。

随着柔性大功率直流稳压电源输电工程向超远距离,超高电压架空线输电技术发展,必须要考虑架空线特有的直流侧故障自清除的问题。基于半桥拓扑的模块化多电平换流器在直流侧发生双极短路故障时,由于二极管的续流作用,交流电源、半桥子模块中的反并联二极管及短路故障点将形成无法切断短路电流的回路。

为了使得换流器具有直流故障清除能力,国内外学者开展了诸多新型拓扑的研究[6-11]。其中基于全桥子模块的模块化多电平换流器开关器件较多,开关器件利用率不高,运行损耗大,因而影响了其经济性。

文献[12]提出的基于半桥和全桥子模块的混合型模块化多电平换流器方案兼具全桥和半桥拓扑的优点,能够自清除直流侧故障,具备降压运行能力,同时降低了系统成本,具有广阔的应用前景。

目前对基于模块化多电平换流器的直流输电系统起动控制已有深入研究[13-14],且主要是针对半桥拓扑结构换流阀的起动充电控制研究,而对于全半桥混连拓扑结构换流阀交流起动充电研究涉及较少。

全半桥混连拓扑在交流侧不控充电时,由于存在大量全桥模块,整体不可控充电电压过低,同时全半桥充电方式不同,半桥模块是全桥模块充电电压的一半。

半桥不可控充电电压如果低于子模块取能电源最低工作电压,自取能电源无法起动,系统将无法正常起动。因此需要研发基于全半桥混连拓扑的交流可控充电策略。

文献[15]根据半桥子模块的三种工作状态,提出了闭锁充电过程和半闭锁充电过程,能将子模块的电容电压充到稳态运行时的电压值,在解闭锁后交流侧电流没有过冲和畸变。但是这种方法只适用于纯半桥或纯全桥子模块换流阀的起动充电控制。

对于全半桥混连拓扑换流阀而言,在系统起动不控充电时,正向、负向桥臂电流均为全桥子模块进行充电,而半桥式子模块只在桥臂电流为正的时间段内充电,因此在不控充电阶段结束后,相同桥臂内全桥子模块电容充电能量是半桥子模块的2倍,因此在两种子模块的电容值相同情况下,全桥子模块的电容电压为半桥子模块电容电压的2倍,造成桥臂内全半桥模块电压的不平衡,半桥可能永久性无法工作。

为解决全半桥混连拓扑换流阀交流侧充电时全半桥模块电压的不一致问题,根据全半桥混连拓扑换流阀结构以及全半桥子模块工作原理,分析了其交流不控充电过程,并提出一种基于模块化多电平结构的全半桥混连拓扑换流阀交流侧可控充电方法,将交流可控充电分为3个阶段并进行了详细分析,通过可控充电提高模块的平均电压,并保持桥臂内所有模块的电压平衡。最后通过仿真验证了所提交流可控充电方法的正确性和有效性。

图6  双端直流输电系统结构图
大功率直流稳压电源全半桥混连拓扑换流阀的交流侧可控充电方法

结论
本文简要介绍了全半桥混连拓扑换流阀结构和原理,分析了全半桥混连拓扑换流阀的交流不控充电过程及其全半桥模块充电电压的不平衡问题,并提出了一种基于模块化多电平结构的全半桥混连拓扑换流阀的交流侧可控充电方法。

将交流可控充电分为3个阶段进行了详细分析,通过触发全桥模块的T4 IGBT使其以半桥模式充电,然后通过预设斜率控制投入相应模块数,通过可控充电控制可消除全半桥混连阀组交流侧不可控充电全半桥模块电压严重不平衡,使得全半桥的模块电压高度一致,所提出方法原理简单、思路清晰,便于工程实现。

本文搭建了基于全半桥混连拓扑换流阀的PSCAD仿真模型,仿真结果验证了所提出交流可控充电方法的正确性和有效性。
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