[发明专利]一种基于MMC的UPQC充电启动方法

说明书

技术领域

本发明属于电力系统柔性交流输配电和电力电子技术领域，具体涉及一种基于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，简称MMC）的统一电能质量控制器（Unified Power Quality Conditioner，简称UPQC）的充电启动方法。

背景技术

现代工业及高科技技术，如高性能办公设备、精密实验仪器、变频调速设备、可编程逻辑控制器、各种自动生产线以及计算机系统等，给人们的衣食住行带来了居多便利的同时也给电力系统注入了非线性、冲击性、波动性等各种干扰因素。电能的质量问题日益成为人们关注的热点。

作为一种能够同时解决电压、电流质量问题的复合型装置，统一电能质量控制器（Unified Power Quality Conditioner，后称UPQC）一经提出便受到了国内外学者的广泛关注。但由于其需要串、并联两个换流器，导致UPQC成本过高而难以在配电网中得到广泛应用。

近年来，随着模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，后称MMC）在高压直流输电领域中应用的日益成熟，其优点也被人们所注意。MMC能够提高直流输电容量及电压等级的优点可以应用到UPQC中，扩展UPQC在中压领域的使用，使得UPQC具有更加广阔的应用前景。

MMC型UPQC的研究工作尚处于起步阶段。如图1所示，图1为常见的一种MMC型UPQC的拓扑结构图。MMC型UPQC主要由串联部分换流器1和并联部分换流器2组成，串联部分换流器1和并联部分换流器2的结构相同，都是由对应于配电网三相交流线路A、B、C的三个相单元a、b、c组成，各相单元并联在正、负极直流母线3、4之间。每个相单元又包括与正极直流母线3相连的上桥臂和与负极直流母线4相连的下桥臂，每个所述桥臂都是由一个电抗如L1~L12和n（n为大于1的偶数）个子模块串联而成。相单元是由所述上、下桥臂串联组成的对称结构，各相单元内的两电抗处于对称结构的中部，相单元与配电网对应相线路的接点设于两电抗之间。

图2为各子模块的电路原理图，如图2所示，每个子模块由两个开关器件IGBT1、IGBT2和分别与每个开关器件反并联的两个二极管D1、D2组成，所述两开关器件IGBT1、IGBT2与两二极管D1、D2反并联后串接，整体再与一直流电容Csm并联，其中，开关器件IGBT2的两端引出作为该子模块的输入输出端。所述开关器件的状态由其控制器（未画出）控制。

上述UPQC在启动前，需要给其串联及并联部分换流器子模块的直流电容进行充电才能保证该装置的正常工作。UPQC的并联部分换流器2是通过限流电阻R直接并接于配电网与负载之间的三相交流线路上，交流电流可以直接流经并联部分换流器2为其子模块的直流电容进行充电，UPQC的串联部分换流器1是通过耦合变压器5串联在配电网的三相交流线路上，所以加载在变压器5原边上的电压Uc很小，所以交流电流不能直接给串联部分换流器1子模块内的直流电容进行充电。但是由于UPQC串、并联部分换流器1、2之间通过直流母线3、4相连，串联部分换流器1子模块内的直流电容可以通过直流母线充电。如何才能有效的将UPQC串、并联部分换流器1、2的每个子模块的电压充至其额定值，又能尽可能的避免在充电过程中产生严重的过电压及过电流现象成为了亟待解决的关键问题之一。

若移植目前MMC应用于高压直流输电领域中较为成熟的“不控整流→定直流电压控制”的两阶段自励式充电启动方案而不加以改进和创新，由于MMC型UPQC拓扑结构及连接方式的特殊性，采用上述充电启动方案，任意时刻并联部分换流器2内子模块导通的个数为n个，充电结束后并联部分换流器2子模块直流电容的电压可以达到其额定值即Udc/n，Udc为两直流母线之间的额定电压，任意时刻串联部分换流器1子模块可以充电的子模块个数2n个，所以充电结束后，串联部分换流器子1子模块直流电容的电压仅为其额定值的一半即Udc/2n。若采用他励式启动方式，则需要配置额外的直流电源及充电电路，成本高且过程复杂。

上述“不控整流→定直流电压控制” 自励式充电启动方案：其中“不控整流”阶段是指，使所述子模块处于闭锁状态，依靠电流流向和子模块中二极管的导通特性来给子模块中的直流电容充电；所述“定直流电压控制”是指，根据正、负极直流母线之间的设定额定电压和它们之间的实际电压的关系，通过控制器变换子模块中开关器件的状态，直至两母线之间的电压达到其设定额定电压。

发明内容