CN102306938B - 变流器的启动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种变流器的启动方法，适用于由DC/DC变换电路和DC/AC变换电路依次连接构成其主电路的变流器，所述DC/DC变换电路的输出端和DC/AC变换电路的输入端中间设有直流母线电容，该方法为先将所述交流电网通过限流电阻与所述主电路的DC端连接，利用交流电网对所述直流母线电容充电，调节所述主电路使其输出电压与交流电网的电压同幅同相以达到并网要求，然后再将所述主电路的AC端接入交流电网。采用该方法进行变流器的启动，既实现了较小的启动电流使得散热设计较为容易，又实现了同步并网使得并网冲击电流较小，特别适用于直流双通道或多通道变流器的启动。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子变换技术领域中变流器的启动方法，特别是针对直-直-交型变流器的软启动方法。
背景技术
现有的变流器交流通道软启动方法主要是在电网侧并网开关上并联软启电阻，如果软启电阻的阻值较大，则软启电流较小，但是并网时由于并网开关两侧的压差较大，冲击电流也较大；如果软启动电阻的阻值较小，由于电网侧交流滤波电容和隔离变压器的存在，则软启电流较大，对软启电阻的散热要求较高，或者选用较大功率的软启电阻，既增加了体积也增加了成本。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种变流器的启动方法，既实现了较小的启动电流使得散热设计较为容易，又实现了同步并网使得并网冲击电流较小，适用于直流双通道或多通道变流器的启动。
本发明所采用的技术方案是：
一种变流器的启动方法，适用于由DC/DC变换电路和DC/AC变换电路依次连接构成其主电路的变流器，所述DC/DC变换电路的输出端设有用于形成其输出端电压的直流母线电容，该方法的主要内容是：先将所述交流电网通过限流电阻与所述主电路的DC端连接，以使所述直流母线电容充电，调节所述主电路的输出电压使其达到并网要求，再将所述主电路的AC端接入交流电网。
所述DC/AC变换电路自DC端到AC端依次设有逆变桥和隔离变压器，所述主电路的AC端通过并网开关连接所述交流电网，调节所述主电路的输出电压使其达到并网要求的方法优选为：调节所述限流电阻值和/或调节所述DC/DC变换电路的工作参数以使所述直流母线电容的电压不小于并网条件下所需的所述隔离变压器内侧线电压的峰值，调节所述逆变桥和/或隔离变压器的工作参数使所述并网开关内侧电压与交流电网电压同幅同相或基本同幅同相。
上述任意一种变流器的启动方法中，至少一条设置了软启电阻的所述软启支路上还可以并联有一条或多条由相互串联的旁路电阻和旁路开关组成的软启旁路，且至少一条所述斩波直流通道所对应的软启支路为设有所述软启旁路的软启支路。
所述隔离变压器优选为升压隔离变压器，对应同一直流通道的所述软启电阻的阻值大于所述旁路电阻的阻值。
本发明的有益效果是：
通过限流电阻将所述主电路的DC端接入所述交流电网，并利用交流电网对所述直流母线电容充电，一方面减小了启动电流，相应降低了散热要求，另一方面，在并网前实现了对直流母线电容的充电，为进一步要解决的减小并网时的冲击电流问题作了必要的技术准备。
通过调节所述主电路先使其输出电压与交流电网的电压同幅同相，然后再将所述主电路的AC端接入交流电网，实现了同步并网，显著降低了并网冲击电流的大小。
由于设置了软启旁路，只要选用合适阻值的旁路电阻就可以实现直流母线电容电压至少应不小于升压隔离变压器内侧线电压的峰值；同时由于隔离变压器是升压变压器，直流母线电容电压可以通过增加并联的旁路开关实现进一步升高，无需进行数字控制，即可使得无冲击软启动实现起来较为容易，提高了工作可靠性。
附图说明
图1为本发明的方法说明示意图；
图2为实现本发明的方法的电路原理图；
图3为软启动电路的第一个实施例的原理图；
图4为与图3对应的电路图；
图5为软启动电路的第二个实施例的原理图；
图6为软启动电路的第三个实施例的原理图；
图7软启动电路的第四个实施例的原理图；
图8为一条直流通道组成boost升压电路的一个实施例的电路图；
图9为两条直流通道组成boost升压电路的一个实施例的电路图；
图10为三条直流通道组成boost升压电路的一个实施例的电路图；
图11为交流接触器接线方式示意图；
图12为设置软启旁路的软启动电路的一个实施例的原理图。
具体实施方式
本发明提供了一种变流器的启动方法，适用于由DC/DC变换电路和DC/AC变换电路依次连接构成其主电路的变流器，如图1、2所示，所述DC/DC变换电路的输出端设有用于形成其输出端电压的直流母线电容，可用于能量缓冲和直流滤波。该方法的主要思路是：先将所述交流电网通过限流电阻与所述主电路的DC端连接，利用交流电网对所述直流母线电容充电，一方面，通过限流电阻的限流作用减小启动电流，相应降低了散热要求，另一方面，在并网前实现了对直流母线电容的充电，为随后要进一步要解决的减小并网时的冲击电流的问题作了必要的准备，然后调节所述主电路的输出电压使其达到并网要求，再将所述主电路的AC端接入交流电网，完成软启动过程。
所述主电路具有如下特点：所述DC/AC变换电路自DC端到AC端依次设有逆变桥和隔离变压器，所述主电路的AC端通过并网开关连接所述交流电网。调节所述主电路的输出电压使其达到并网要求的方法优选为：调节所述限流电阻值和/或调节所述DC/DC变换电路的工作参数以使所述直流母线电容的电压不小于并网条件下所需的所述隔离变压器内侧线电压的峰值，调节所述逆变桥和/或隔离变压器的工作参数使所述并网开关内侧电压与交流电网电压同幅同相或基本同幅同相，以实现同步并网，并显著降低并网冲击电流的大小。所述隔离变压器可以是升压、降压或1:1隔离变压器。所谓基本同幅同相是指两幅值（或两相位）之间的差值在基于并网要求的相应差值容限之内。
闭合所述并网开关后，断开所述主电路的DC端与所述交流电网之间的连接，此时所述限流电阻脱离所述主电路不再起作用。
在具体的电路实现方面，所述DC/DC变换电路可以由一条或多条相互独立的直流通道构成，所述直流通道的输入端为负载连接端，用于连接直流负载，如蓄电池等，至少一条所述直流通道为其上设有直流斩波电路的斩波直流通道，所述限流电阻的具体设置方式可以为：在部分或全部的所述负载连接端与所述并网开关的连接所述交流电网的一端之间各自跨接一条设有软启开关的软启支路，至少一条所述软启支路上设有与所述软启开关串联的软启电阻，且至少一条设置了软启电阻的所述软启支路与所述斩波直流通道相对应，用所述软启电阻充当所述限流电阻。
各个直流通道之间在DC/DC变换上是完全独立的，因此各直流通道可以各自单独工作，即实际应用中允许部分直流通道工作而部分直流通道停止。
优选地，所述直流通道为一条、两条或三条，如前所述，当有一条直流通道时，其为所述斩波直流通道，其电路构成单相半桥boost升压电路（参见图8）；当设有两条直流通道时，全部为所述斩波直流通道，或者一条是所述斩波直流通道，另一条是所述基础直流通道，优选为前者，构成单相全桥（或称H桥）boost升压电路（参见图9），对于设有两条直流通道的情况，至少一条直流通道上应设有带软启电阻的软启支路；当设有三条直流通道时，全部为所述斩波直流通道，或者其中两条是所述斩波直流通道，一条是所述基础直流通道，优选为前者，构成三相半桥boost升压电路（参见图10），相比图9所示电路，其升压速度更快，对于设有三条直流通道的情况，其中至少两条直流通道上应设有带软启电阻的软启支路。
当设有更多条直流通道时，实际应用中只需要选择其中的1-3条直流通道并组成上述的任何一种boost升压电路即可。
如图8所示，所述直流斩波电路优选由直流通道滤波电路FLT和电子开关组件（即图中所示的桥臂）BR构成，所述直流通道滤波电路可以为L、CL、LC或LCL滤波电路，优选为LCL-T型滤波电路，所述电子开关组件由第一功率开关管（如图8中的S1）和第二功率开关管（如图8中的S2）组成，所述第一功率开关管的集电极连接直流母线电容的正极端，发射极连接所述第二功率开关管的集电极和所述直流通道滤波电路的正极输出端（即储能电感的输出端），所述第二功率开关管的发射极连接直流母线电容的负极端，所述功率开关管可以是MOS管、IGBT管、碳化硅SiC功率器件或IGCT等可控型功率开关器件，所构成的所述直流斩波电路为升压式直流斩波电路。所述第一、第二功率开关管的控制端（即门极端）连接控制单元的相应控制线路，由此可通过脉宽调制等方式控制功率开关管的工作状态和方式，调节斩波电路参数，在直流母线电容上形成所需要的输出。
除了所述斩波直流通道之外的其他直流通道上均设有所述电子开关组件，其中第一功率开关管S1和第二功率开关管S2相连接的点构成其所在直流通道的负载连接端，所述电子开关组件的输出端构成其所在直流通道的输出端，为了便于表达，把这种直流通道称为基础直流通道（参见图6的第二条直流通道）。
启动所述变流器时，先闭合所述软启开关MC，交流电网输出的电能经由限流电阻和DC/DC变换电路，给直流母线电容充电，由于并网开关处于断开状态，且所述主电路具有一定的调节输出的能力，使得并网开关内侧电压一定程度上相对独立于并网开关的外侧电压（即交流电网电压），使得调节并网开关内侧电压达到与交流电网电压同幅同相成为可能。
调节所述DC/DC变换电路的工作参数包括调节所述升压式直流斩波电路的直流输出、所述逆变桥的交流输出和所述隔离变压器的变比。调节一条或多条直流通道上所述升压式直流斩波电路的输出，也就改变了所述直流母线电容的电压，对所述直流母线电容的电压的调节目标是使所述直流母线电容的电压不小于并网条件下所需的所述隔离变压器内侧线电压的峰值。所述负载的电压值具有较大的直流输入范围，通常采用升压式直流斩波电路，使得并网开关闭合瞬间并网开关内侧电压与其外侧电压在大小上达到匹配。
对于即定的所述逆变桥，在使用过程中通常不调节所述隔离变压器的变比，而是优选调节所述逆变桥的交流输出，改变其输出的电压幅值和相位，由于所述逆变桥的输出电压与并网开关的内侧电压存在确定的定量关系，因此调节所述逆变桥的输出相当于间接地改变并网开关的内侧电压的幅值和相位，因此可以实现并网开关内外侧电压的同幅同相。
可以采用多种具体的软启动电路实现形式实现本发明所述的方法，以设有两条直流通道的情况为例，软启电阻和软启开关的相对位置可以相互调换（参见图3、4和5），允许部分直流通道上不设置滤波器（即所述基础直流通道，参见图6），允许部分软启支路上不设置软启电阻（参见图7），只要对于变流器整体而言，直流母线电容的电压能够升高到规定值即可。
所述隔离变压器的初级端或次级端还可以连接有滤波电路（为了与前述滤波电路相区别，可称为交流通道滤波电路），用于所述DC/AC变换电路交流侧的滤波。
作为电路启动条件之一，所述DC/AC变换电路的AC端自所述交流电网进行交流取电的方式可以为三相三线制或三相四线制中的任意两相线电压、三相四线制中的任意一相相电压或单独的市电输入电压，取电较为方便。
上述各种所述变流器软启方法包括以下步骤：
（1）闭合软启开关，交流电流经过软启电阻（即限流电阻）对直流母线电容进行充电。
（2）通过数字控制技术对boost升压电路进行控制，使直流母线电容电压进一步升高，直流母线电容电压至少应不小于隔离变压器内侧线电压的峰值。
（3）逆变桥对直流电压进行DC/AC变换，使得并网开关内侧的电压与并网开关外侧的交流电网电压同幅同相。
（4）闭合并网开关，断开软启开关，完成整个软启动过程。
对上述任意一种变流器的启动方法，还可以进行如下改进：即至少一条设置了软启电阻的所述软启支路上还并联有一条或多条由相互串联的旁路电阻和旁路开关组成的软启旁路，且至少有一条所述斩波直流通道所对应的软启支路为设有所述软启旁路的软启支路。当设有两条直流通道时，设置软启旁路的电路结构可参见图12，在这种情况下，可以利用或不利用数字控制技术控制所述斩波电路的输出。
设置了旁路的变流器的启动方法可以包括下列步骤：
（1）闭合软启开关，交流电流经过软启电阻（即限流电阻）对直流母线电容进行充电。
（2）闭合旁路开关，直流母线电容电压进一步升高，使得直流母线电容电压至少不小于隔离变压器内侧线电压的峰值。
（3）控制逆变桥对直流电压进行DC/AC变换，使得并网开关内侧的电压与并网开关外侧的交流电网电压同幅同相。
（4）闭合并网开关，断开软启开关，完成整个软启动过程。
采用该方法所需要的配套硬件设置优选为：所述隔离变压器为升压隔离变压器，且对应同一直流通道的所述软启电阻的阻值大于所述旁路电阻的阻值。所述软启电阻的阻值较大，使得直流母线电容充电时的软启电流（软启动过程中流过直流通道的电流即为相应直流通道的软启电流）较小，所述旁路电阻的阻值较小，使得直流母线电容的电压进一步提高，使得直流母线电压至少不小于升压隔离变压器内侧线电压的理论最小峰值。选用合适阻值的旁路电阻可以实现直流母线电容电压至少不小于升压隔离变压器内侧线电压峰值；同时由于隔离变压器是升压变压器，直流母线电容电压可以通过增加并联的旁路电阻实现进一步升高，无需进行数字控制，即可使得无冲击软启动实现起来较为容易，提高了系统的可靠性。
所述软启开关和/或旁路开关可以是现有技术下的各类可控开关，本发明中优选采用交流接触器。由于通常情况下负载端与交流电网侧压差较大，常规的交流接触器难以承受，因此选用设有相互串联的多对主触点的交流接触器，使处于最远端的两个所述主触点接入相应的软启支路或软启旁路（参见图11所示的含有三对主触点相互串联形成的S型交流接触器），相当于提高了交流接触器的耐压能力。
所述变流器的启动方法还包括：通过数字控制调节所述逆变桥的输出，以使所述并网开关内侧电压与交流电网电压同幅同相，调节或不调节所述直流斩波电路的输出，使所述直流母线电容的电压不小于并网条件下所需的所述隔离变压器内侧线电压的峰值，调节所述直流斩波电路的输出时，优选采用PWM控制方式，通过改变所述第一、第二功率开关管的导通时间，改变所述斩波电路的升压比。
本文针对所述变流器的主电路、软启支路和软启旁路所称的“输入”、“输出”是针对所述变流器处于放电工作状态时所述变流器主电路中的电能流动方向而言的，而实际上电能可以在变流器中双向流动，因此上述表达并不构成对电能实际流动方向的限定。所称的“内侧”是靠近负载的一侧，“外侧”为靠近交流电网的一侧。
Claims (9)
1.一种变流器的启动方法，适用于由DC/DC变换电路和DC/AC变换电路依次连接构成其主电路的变流器，所述DC/DC变换电路的输出端设有用于形成其输出端电压的直流母线电容，其特征在于先将交流电网通过限流电阻与所述主电路的DC端连接，以使所述直流母线电容充电，调节所述主电路的输出电压使其达到并网要求，再将所述主电路的AC端接入交流电网，所述DC/AC变换电路自DC端到AC端依次设有逆变桥和隔离变压器，所述主电路的AC端通过并网开关连接所述交流电网，调节所述主电路的输出电压使其达到并网要求的方法包括：调节所述限流电阻的电阻值和/或调节所述DC/DC变换电路的工作参数以使所述直流母线电容的电压不小于并网条件下所需的所述隔离变压器内侧线电压的峰值，调节所述逆变桥和/或隔离变压器的工作参数使所述并网开关内侧电压与交流电网电压同幅同相，闭合所述并网开关后，断开所述主电路的DC端与所述交流电网之间的连接。
2.根据权利要求1所述的变流器的启动方法，其特征在于所述DC/DC变换电路由一条或多条相互独立的直流通道构成，所述直流通道的输入端为负载连接端，至少一条所述直流通道为其上设有直流斩波电路的斩波直流通道，所述限流电阻的具体设置方式为：在部分或全部的所述负载连接端与所述并网开关的连接所述交流电网的一端之间各自跨接一条设有软启开关的软启支路，至少一条所述软启支路上设有与所述软启开关串联的软启电阻，且至少一条设置了软启电阻的所述软启支路与所述斩波直流通道相对应，用所述软启电阻充当所述限流电阻。
3.根据权利要求2所述的变流器的启动方法，其特征在于所述直流通道为一条、两条或三条，当有两条时，其中至少有一条是所述斩波直流通道，当有三条时，其中至少有两条是所述斩波直流通道。
4.根据权利要求3所述的变流器的启动方法，其特征在于所述直流斩波电路由直流通道滤波电路和电子开关组件构成，所述直流通道滤波电路为L、CL、LC或LCL滤波电路，所述电子开关组件由第一功率开关管和第二功率开关管组成，所述第一功率开关管的集电极连接直流母线电容的正极端，发射极连接所述第二功率开关管的集电极和所述直流通道滤波电路的正极输出端，所述第二功率开关管的发射极连接直流母线电容的负极端。
5.根据权利要求2-4中任一权利要求所述的变流器的启动方法，其特征在于至少一条设置了软启电阻的所述软启支路上还并联有一条或多条由相互串联的旁路电阻和旁路开关组成的软启旁路，且至少一条所述斩波直流通道所对应的软启支路为设有所述软启旁路的软启支路。
6.根据权利要求5所述的变流器的启动方法，其特征在于所述软启开关和/或旁路开关采用交流接触器。
7.根据权利要求6所述的变流器的启动方法，其特征在于所述交流接触器设有相互串联的多对主触点。
8.根据权利要求7所述的变流器的启动方法，其特征在于通过数字控制调节所述逆变桥的输出，以使所述并网开关内侧电压与交流电网电压同幅同相，调节所述直流斩波电路的输出，使所述直流母线电容的电压达到或超过并网条件下所需的所述隔离变压器内侧线电压的峰值，调节所述直流斩波电路的输出时采用PWM控制方式。
9.根据权利要求7所述的变流器的启动方法，其特征在于通过数字控制调节所述逆变桥的输出，以使所述并网开关内侧电压与交流电网电压同幅同相，不调节所述直流斩波电路的输出，而是通过闭合软启开关，使交流电流经过软启电阻对直流母线电容进行充电，再闭合旁路开关，使直流母线电容电压进一步升高，达到或超过并网条件下所需的所述隔离变压器内侧线电压的峰值。
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