具有黑启动功能的直流配网直供用户侧MMC系统的制作方法

具有黑启动功能的直流配网直供用户侧mmc系统
技术领域
1.本实用新型涉及柔性直流输电技术领域，尤其涉及一种具有黑启动功能的直流配网直供用户侧mmc(modular multilevel converter，模块化多电平换流器)系统。


背景技术：

2.当前新能源在电力系统中所占的比重日益增大，而随着新能源的不断接入，输电方式也面临着巨大的挑战。传统长距离大容量交流输电由于损耗极大等缺点，渐渐被直流输电方式所替代。柔性直流输电即是一种新型的高压直流输电技术，与传统的高压直流输电不同，柔性直流输电采用了igbt(绝缘栅双极晶体管)以及电压源换流器，具有良好的可控性和兼容性。直流配网通常是从交流电网接入，然后利用换流器整流为直流。传统的换流器分为电压型与电流型换流器，但是传统换流器由于结构性原因易于产生谐波等问题。mmc系统即是一种采用模块化多电平直流输电方式的电压型换流器，不仅可以减少谐波等问题产生的影响，还可以满足对于电能以及电压等级的更高要求，因此更适用于直流配网。
3.mmc系统中由多个子模块构成三相桥臂，子模块中电容作为电能充放电结构。现有技术中，mmc系统通常在使用前需要从直流电网侧吸收电能对电容进行充电，使其达到额定电压，进而才能完成整流工作，也即为预充电过程。但是，当mmc系统应用至直流配网中时，由于无法从直流电网中吸收能量，会导致整流输出的电压不能满足额定直流电压等级要求，而影响用户侧。因此，亟需提供一种能够适用于直流配网直供用户侧的mmc系统，以是的配电网直供用户侧mmc系统具备黑启动功能。


技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种结构简单紧凑、成本低、稳定性高的具有黑启动功能的直流配网直供用户侧mmc系统。
5.为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：
6.一种具有黑启动功能的直流配网直供用户侧mmc系统，包括换流变压器以及分别与所述换流变压器连接的三相桥臂，每相所述桥臂包括多个串联连接的mmc子模块，其特征在于，还包括分别与各所述桥臂连接的充电装置，以用于向各所述mmc子模块中电容进行充电，当开始黑启动充电时，断开所述换流变压器以及断开各所述桥臂与直流侧配电网的连接，启动所述充电装置对各所述桥臂进行充电。
7.进一步的，所述充电装置通过第一开关s1分别与各所述桥臂连接，所述换流变压器通过第二开关s2分别与各所述桥臂连接，各所述桥臂通过第三开关s3与直流侧配电网连接。
8.进一步的，当闭合所述第一开关s1、断开所述第二开关s2以及断开所述第三开关s3时，开始黑启动充电，当断开所述第一开关s1、闭合所述第二开关s2以及闭合所述第三开关s3时，所述mmc系统向配电网提供正常输出电压。
9.进一步的，还包括与所述充电装置并联连接的换流器，以用于对所述充电装置进行充电。
10.进一步的，所述换流器通过第四开关s4与所述充电装置连接，当mmc系统正常工作时，闭合所述第四开关s4以控制换流器向所述充电装置充电。
11.进一步的，所述换流变压器采用星型接地方式以及三角型联结的连接方式。
12.进一步的，每相所述桥臂的各所述mmc子模块中，上臂的第一个mmc子模块、下臂的最后一个mmc子模块采用全桥结构，其余mmc子模块采用半桥结构。
13.进一步的，所述mmc子模块为第一mmc子模块，所述第一mmc子模块包括第一igbt、第二igbt、续流二极管d1、第三igbt、第四igbt、第五igbt、第六igbt、第七igbt、第一电容以及第二电容，所述第一igbt的发射极与所述第二igbt的集电极连接，所述第一igbt的发射极与所述第二igbt的集电极之间连接电压输出第一端a，所述第二igbt的发射极连接电压输出第二端b，所述续流二极管d1反向并联在所述第一igbt的两端，所述第三igbt的发射极与电压输出第二端b连接，所述第四igbt的集电极与所述第七igbt的发射极连接，所述第四igbt的发射极通过所述第一电容与所述第五igbt的集电极连接，所述第五igbt的集电极还通过所述第二电容分别与第七igbt的集电极、第六igbt的集电极连接，所述第五igbt的发射极以及所述第六igbt的发射极与电压输出第二端b连接。
14.进一步的，所述mmc子模块为第二mmc子模块，所述第二mmc子模块包括第一igbt、第二igbt、续流二极管d1、第三igbt、第四igbt、第五igbt、第六igbt、第七igbt、以及电容，所述第一igbt的发射极与所述第二igbt的集电极连接，所述第一igbt的发射极与所述第二igbt的集电极之间连接电压输出第一端a，所述第二igbt的发射极连接电压输出第二端b，所述续流二极管d1反向并联在所述第一igbt的两端，所述第三igbt的集电极分别与所述第一igbt的集电极、所述第六igbt的发射极连接，所述第三igbt的发射极以及所述第四igbt的发射极分别与所述电容的一端连接，所述第五igbt的集电极与所述第六igbt的集电极分别与所述电容的另一端连接，所述第四igbt的集电极与所述第五igbt的发射极连接，所述第七igbt的发射极与电压输出第二端b连接。
15.进一步的，所述充电装置为储能电池或者电容。
16.与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本实用新型通过在mmc系统的三相桥臂连接一个充电装置，当断开换流变压器以及断开各桥臂与直流侧配电网的连接，启动充电装置对各桥臂中电容进行充电，可以实现配网以及电容零电压时直供用户侧黑启动充电，使得当mmc系统向配电网供电时，可以在配电网无电压的环境下进行黑启动，实现直流电压的稳定输送，且无需其他额外的辅助设备，整个mmc系统的结构简单、实现成本低。
附图说明
17.图1是本实用新型实施例1具有黑启动功能的直流配网直供用户侧mmc系统的结构示意图。
18.图2是本实用新型实施例1中采用的mmc子模块的结构示意图。
19.图3是本实用新型实施例2中采用的mmc子模块的结构示意图。
20.图4是本实用新型谁例3中采用的mmc子模块的结构示意图。
21.图例说明：1、换流变压器；2、桥臂；3、充电装置；4、换流器。
具体实施方式
22.以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本实用新型作进一步描述，但并不因此而限制本实用新型的保护范围。
23.实施例1:
24.如图1所示，本实施例具有黑启动功能的直流配网直供用户侧mmc系统，包括换流变压器1以及分别与换流变压器1连接的三相桥臂2，每相桥臂2包括多个串联连接的mmc子模块(sm1～smn)，还包括分别与各桥臂2连接的充电装置3，以用于向各mmc子模块中电容进行充电，当开始黑启动充电时，断开换流变压器1以及断开各桥臂2与直流侧配电网的连接，启动充电装置3对各桥臂2进行充电。
25.本实施例通过在mmc系统的三相桥臂2连接一个充电装置3，当断开换流变压器1以及断开各桥臂2与直流侧配电网的连接，启动充电装置3对各桥臂2中电容进行充电，即可以实现黑启动充电，无需在发电装置输出直达用户侧时从网侧吸收高压电能给三相桥臂2的电容充电，从而使得mmc系统具备在配网以及电容零电压时直供用户侧黑启动能力，即当mmc系统向配电网供电时，可以在配电网无电压的环境下进行黑启动，实现直流电压的稳定输送，且无需其他额外的辅助设备，成本低且易于实现。
26.本实施例中，充电装置3通过第一开关s1分别与各桥臂2连接，换流变压器1通过第二开关s2分别与各桥臂2连接，各桥臂2通过第三开关s3与直流侧配电网连接，通过控制上述各开关的通断即可控制各设备的接入。当闭合第一开关s1、断开所述第二开关s2以及断开第三开关s3时，开始黑启动充电，当断开第一开关s1、闭合第二开关s2以及闭合第三开关s3时，mmc系统向配电网提供正常输出电压。
27.本实施例中，还包括与充电装置3并联连接的换流器4，以用于对充电装置3进行充电。充电装置3可以采用储能电池以及电容等，充电装置3的电压大小根据子模块中的电容额定电压大小确定。换流器4则可以根据实际需求采用现有技术中各类型的换流设备。通过设置换流器4，可以在充电装置3电量不足时对充电装置3进行充电，防止由于充电装置3电量不足而无法启动黑启动功能。
28.本实施例中，换流器4具体通过第四开关s4与充电装置3连接，则通过控制第四开关s4的通断即可以控制接入或断开换流器4。当mmc系统正常工作时，闭合第四开关s4以控制换流器4向充电装置3充电，完成充电后断开第四开关s4即可断开换流器4的充电。
29.本实施例中，换流变压器1具体采用星型接地方式以及三角型联结的连接方式，通过星型接地方式可以消除交流测故障对直流配网影响。各相桥臂2中还设置有电感以及电阻，由桥臂电感可以消除直流配网的谐波。
30.本实施例中，部分mmc子模块为半桥结构，部分mmc子模块为全桥结构，即桥臂子模块存在两种简单结构，一部分为全桥子模块、另一部分为半桥子模块，其中具体上臂的第一个mmc子模块(上臂中与直流配网侧连接的子模块)、下臂的最后一个mmc子模块(与直流配网侧连接的子模块)采用全桥结构，以由全桥子模块实现直流侧故障隔离，其余mmc子模块采用半桥结构。
31.本实施例中子模块sm结构如图2所示，其中上桥臂的sm1和下桥臂的smn采用全桥结构，如图2中(b)所示，其余子模块采用半桥结构，如图2中(a)所示。每个子模块通过a、b接口与mmc系统相连，电容c通过d、e与电源正负极相连，当进行黑启动向配电侧进行输电时，将
s1闭合，s2、s3断开，此时开始黑启动充电，而当各个电容c电能达到额定电压时，将s1断开，s2、s3闭合，开始正常整流输电。为了防止电池电量不足，当mmc子模块开始正常运行时将s4闭合给电池充电，以便后续使用。
32.实施例2:
33.本实施例与实施例1相同，不同之处在于mmc子模块为第一mmc子模块，如图3所示，第一mmc子模块包括第一igbt(igbt1)、第二igbt(igbt2)、续流二极管d1、第三igbt(igbt3)、第四igbt(igbt4)、第五igbt(igbt5)、第六igbt(igbt6)、第七igbt(igbt7)、第一电容(左侧电容c)以及第二电容(右侧电容c)，第一igbt的发射极与第二igbt的集电极连接，第一igbt的发射极与第二igbt的集电极之间连接电压输出第一端a，第二igbt的发射极连接电压输出第二端b，续流二极管d1反向并联在第一igbt的两端，第三igbt的发射极与电压输出第二端b连接，第四igbt的集电极与第七igbt的发射极连接，第四igbt的发射极通过所述第一电容与第五igbt的集电极连接，第五igbt的集电极还通过第二电容分别与第七igbt的集电极、第六igbt的集电极连接，第五igbt的发射极以及第六igbt的发射极与电压输出第二端b连接。
34.本实施例通过由7个igbt(igbt1～igbt7)与两个电容c构成mmc子模块，在正常工作时子模块输出为单电平，而当需要将电压等级提升时，子模块还可以输出双电平而无需增加额外的子模块，通过电路中的两个电容来改变输出电平，可以有效降低子模块需要输出高等级电压时的实现成本，同时在直流侧发生单极接地故障的时候，还可以利用第一电容以及第二电容的放电减少接地电流从而达到故障清除的目的，使得具备故障自动清除功能，且无需改变mmc系统的整体布局。
35.本实施例具体每相桥臂中上臂的第一个mmc子模块(上臂中与直流配网侧连接的子模块)、下臂的最后一个mmc子模块(与直流配网侧连接的子模块)采用全桥结构，其余采用上述第一mmc子模块，可以大大提高mmc系统整体的故障隔离与清除能力，同时还可以提高电平输出等级。
36.本实施例中，通过控制第一igbt、第二igbt、第三igbt、第四igbt、第五igbt、第六igbt、第七igbt(igbt1～igbt7)的各开关状态，控制子模块的模式、电流方向、各模式下的工作状态以及第二电容的状态，当电压输出第一端a与电压输出第二端b之间为单电平u时，进入单电平模式，当电压输出第一端a与电压输出第二端b之间为双电平2u时，进入双电平模式，当发生故障时进入故障清除模式，工作状态包括闭锁、投入、切除中任意一种，其中在故障清除模式时投入工作状态下且第二电容进行充电时，通过第二电容c释放电流以实现故障清除。
37.即本实施例mmc子模块在运行时分为三种电压模式：单电平模式、双电平模式以及故障清除模式，其中单电平模式为正常使用的方式，而在mmc需要提升电压等级时采用双电平模式，在故障发生时采用故障清除模式，在上述三种电压模式中，根据对各igbt的开关控制进入闭锁、投入、切除的工作状态，在故障清除模式的电容充电时的投入模式具有故障清除功能。故障清除时的电流流向具体电流从第二电容c依次经第七igbt(igbt7)、第一igbt(igbt1)到电压输出第一端a，再由电压输出第二端b向第五igbt(igbt5)、第二电容c，可以减少故障电流，实现故障自清除。
38.假设igbtn(n＝1、2...7)的开关信号为vtn(n＝1、2...7)，且当信号为1时闭合、当
信号为0时断开。令电容的电压为u，子模块的各模式的工作状态、电流方向以及电容状态具体如表1所示。
39.表1:子模块的工作模式
[0040][0041]
实施例3:
[0042]
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于mmc子模块为第二mmc子模块，如图4所示，第二mmc子模块包括第一igbt(igbt1)、第二igbt(igbt2)、续流二极管d1、第三igbt(igbt3)、第四igbt(igbt4)、第五igbt(igbt5)、第六igbt(igbt6)、第七igbt(igbt7)、以及电容c，第一igbt的发射极与第二igbt的集电极连接，第一igbt的发射极与第二igbt的集电极之间连接电压输出第一端a，第二igbt的发射极连接电压输出第二端b，续流二极管d1反向并联在所述第一igbt的两端，第三igbt的集电极分别与所述第一igbt的集电极、第六
igbt的发射极连接，第三igbt的发射极以及第四igbt的发射极分别与电容的一端连接，第五igbt的集电极与第六igbt的集电极分别与电容的另一端连接，第四igbt的集电极与第五igbt的发射极连接，第七igbt的发射极与电压输出第二端b连接。
[0043]
本实施例以半桥子模块结构为基础，通过由7个igbt(igbt1～igbt7)与一个电容c构成mmc子模块，在正常工作时子模块输出正电压，还可以输出负电压，当单极故障发生时，将电容c两级反转，利用电容释放电流减少短路电流，达到故障自清除目的，而当故障线路切除时，利用反极性可以提供正常运行的反向电压，满足单边运行需求，从而实现将双极反转进行单边运行，基于mmc单极故障后的单极运行方式可以减少故障对于两端系统的影响，即不仅具有故障清除功能，还具备双极可转换的功能，从而使得mmc系统整体具备故障清除以及双极转换功能。
[0044]
本实施例mmc子模块实现故障清除时的电流流向具体由电压输出第二端b依次经电容c依次经过第四igbt(igbt4)、电容c、第六igbt(igbt6)、第一igbt(igbt1)再到电压输出第一端a，可以减少接地电流，实现故障清除。
[0045]
假设各igbtn(n＝1、2...7)的开关信号为vtn(n＝1、2...7)，当信号为1时闭合，当信号为0时断开。令电容的电压为u，本实施例中mmc子模块在各电压模式下工作状态、电流方向以及电容c状态如表1所示。
[0046]
表2:mmc子模块工作模式
[0047]
[0048][0049]
上述只是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。