CN103248254A - 一种模块化多电平逆变器的预充电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化多电平逆变器的预充电系统及方法，所述的模块化多电平逆变器的公共直流母线依次通过限流电阻R₁，预充电开始接触器KM2与模块化多电平变换器各相桥臂相连，预充电结束接触器KM1与限流电阻R₁并联，通过对接触器与模块化多电平逆变器中子模块的开关管的控制来达到预充电的目的，该方法在预充电过程中，无需检测桥臂中电流方向与子模块电容电压值，降低了控制器的工作负担，预充电结束后可使子模块电容电压值达到系统正常运行时的额定值，避免了系统正常运行初始时刻输出波形质量下降，同时使用接触器来接通、关断电路，可以实现全自动预充电，提高系统的安全系数。

Description

一种模块化多电平逆变器的预充电系统及方法

技术领域

本发明涉及悬浮电容预充电系统及方法，具体涉及一种模块化多电平逆变器的子模块中的悬浮电容的预充电系统及方法。

背景技术

模块化多电平逆变器(Modular Multilevel Converter,MMC)作为一种新型的电压源型逆变器，MMC采用严格的模块化设计，通过子模块的串联，来达到高压大功率的目的，避免了传统的两电平通过大量开关器件的直接串并联而存在的动态均压的问题，可以达到很高的电平数目，其输出波形十分接近正弦波，简化了输出滤波器的设计，在高压大功率传动等需要从公共直流母线向交流测输出能量的逆变场合备受关注。

MMC拓扑结构如图1所示，三相MMC由六个桥臂组成，每个桥臂由N个子模块和一个电抗器L串联构成，各桥臂直接与公共直流母线相连。子模块的结构如图2所示，每个子模块由两个开关管VT1、VT2和一个电容构成，其中，开关管反并联二极管，电容并联在串联的开关管两端。

因MMC的子模块中的悬浮电容在其正常工作前的电容电压为零，而MMC正常工作的前提是子模块的电容电压值在额定值U_dc/N附近波动，因此，为保证MMC正常工作，需要预先给子模块电容进行预充电，使其达到额定值，称该过程为MMC的预充电过程。

目前国内外研究的MMC预充电方法，主要是针对MMC应用于高压直流输电的场合，其两端都为交流系统，预充电时，能量一般都直接从交流系统获得，而当MMC应用于逆变场合时，因其具有公共直流母线，利用这一特点，本发明提出了一种适用于模块化多电平逆变器的预充电系统及方法。

“新型模块化多电平VSC子模块电容参数与均压策略”(中国电机工程学报，2009，29(30),1～6)提出了一种采用外部辅助电源依次给单个子模块进行充电的预充电方法，具体实施方法是：将大约为子模块额定电容电压的外部辅助电源跨接在MMC的母线两侧，首先给各相2N个子模块的VT1发送关断信号，除待充电子模块外，给其余2N-1个子模块的VT2发送开通信号，等到该子模块电容电压等于额定电压时，其充电完毕，此时给该子模块的VT2发送开通信号，给下一个待充电子模块的VT2发送关断信号，开始下一个子模块的预充电过程，依次类推，2N次预充电后，MMC预充电完成。该预充电方法需要专门的辅助电源，在高压大功率场合不宜实现，并且每次只给一个子模块充电，充电时间较长，存在前期进行充电的子模块电容放电比较严重的现象。

“无需辅助直流电源的三相模块化多电平换流器启动方法”(专利申请阶段，公开号：CN101795057A)，提出了一种无需辅助直流电源的情况下，三相模块化多电平换流器的自励充电方法，该方法用交流系统线电压代替上文中的直流电源，通过检测桥臂电流流向和子模块电容电压控制子模块的开关状态，完成换流器的子模块的充电。具体实施过程为：通过限流电阻将交流电压引至变换器，给所有子模块上开关器件VT1给予关断信号，给所有子模块下开关器件VT2给予触发信号，检测各桥臂的电流，当电流与充电方向一致时，给待充电子模块下开关器件VT2予关断信号，该子模块充电。当电流与充电方向相反时，保持该子模块下开关器件处于关断状态，该子模块电容电压得以保持，如此反复，待子模块电容电压达到额定时，触发导通该子模块下开关器件VT2，该子模块的充电完毕，可转而对下一个子模块进行充电，重复上述步骤，直至桥臂所有的子模块电容电压均达到额定值附近，变换器子模块电容完成充电。但该方法在变换器各桥臂充电过程中，每次仅单个模块投入充电，变换器的充电时间增倍，并且在电容充电过程中需要检测电容电压值与桥臂电流方向，控制比较复杂。

“一种模块化多电平换流器柔性直流输电系统的起动方法”(专利申请阶段，公开号：CN102170140A)提出了一种用于柔性直流输电的MMC起动方法，该方法采用了两电平变换器常用的起动方法，即，首先通过限流电阻，对电容进行不控整流充电，待电容电压稳定后，解锁开关管，旁路掉限流电阻，系统直接投入电容电压闭环控制。具体过程分为三个阶段:第一阶段，首先闭锁所有开关管，打开限流电阻旁路开关，对两个换流站MMC子模块电容进行不控整流充电，待电容电压稳定后，进入第二阶段，解锁换流站MMC2的开关信号，并使其进入电容电压闭环控制，待MMC2子模块电容电压稳定后，进入第三阶段，闭合限流电阻旁路开关，解锁换流站MMCl的开关信号，并使其进入电容电压闭环控制，待两个换流站子模块电容电压稳定后，充电结束。但是该方法仍然需要不断检测电容电压值，且在第三阶段开始时，每相桥臂的所有子模块电容电压之和等于交流侧电压峰值，小于MMC正常工作时的额定电压U_dc，旁路掉限流电阻后，系统直接进行闭环电容电压控制会导致很大的冲击电流，产生安全隐患。

“一种模块化多电平变换器电容分组预充电的系统及方法”(专利申请阶段,公开号CN102832801A)，提出一种MMC分组预充电方法，该方法通过给MMC换流站的子模块进行分组，将MMC1分为两组，MMC2分为四组，通过交流侧断路器，引入交流电压，分组对MMC子模块进行预充电。具体实施过程为：闭合交流侧断路器，对MMC进行不控整流，保证子模块控制电源能够正常工作后，进行分组预充电，首先给MMC1的第一组子模块的VT2发送关断脉冲，给MMC2的第二组子模块的VT2发送开通脉冲，对MMC1的第一组子模块进行预充电，检测电容电压达到额定值时，进行第二组的预充电过程，第二组充电完毕后，MMC1充电完成，给其所有子模块的VT2发送关断脉冲，进行MMC2的预充电，按照MMC1的预充电方法，对MMC2的四组子模块进行预充电，直至充电完毕。但是该方法仍然不断检测子模块电容电压，增加了控制的复杂度，且其分组也比较复杂，预充电完成后每相桥臂的所有子模块电容电压之和等于交流侧电压峰值，小于MMC正常工作时的额定电压U_dc。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提出了一种适用于模块化多电平逆变器的子模块预充电系统及方法。它可以极大的缩短子模块的预充电时间，并且预充电时无需检测桥臂电流方向与子模块电容电压值，控制简单，预充电完成后各相桥臂的子模块电容电压之和等于直流母线电压，并且可以实现全自动控制，无需人为操作，提高了系统的安全系数。

为了实现上述目的，本方案通过下述技术来实现：

一种模块化多电平逆变器预充电系统，它包括一个模块化多电平变换器MMC，且具有公共的直流母线，所述的公共直流母线电压为U_dc，可以通过交流侧不控整流或者PWM整流等方式得到，母线电压经过限流电阻R₁、预充电开始接触器KM2，与MMC相连，所述的的限流电阻与预充电结束接触器KM1并联，所述的MMC由三相六桥臂组成，所述的每个桥臂由N个子模块与一个桥臂电抗L串联而成，所述的子模块由两个开关管VT1、VT2和一个电容构成，其中，开光管反并联二极管，电容并联在串联的开关管两端。

基于一种模块化多电平逆变器预充电系统的一种模块化多电平逆变器预充电方法，具体步骤为：

(1)MMC控制器给预充电开始接触器KM2发送关断信号，给预充电结束接触器KM1发送关断信号，为预充电开始做准备。

(2)给MMC各相中上桥臂中所有子模块的上开关管VT1发送开通脉冲，下开关管VT2发送关断脉冲，给MMC各相中下桥臂中所有子模块的上开关管VT1发送关断脉冲，下开关管VT2发送开通脉冲，将计算得到的预充电时间t作为控制器的预充电时间给定，给预充电开始接触器KM2发送开通信号进行上桥臂子模块预充电。

其中，计算的预充电时间t是由预充电时MMC的等效电路得到的，MMC进行预充电时，其等效电路为限流电阻R₁与桥臂串并联后的等效电容C_eq组成的典型一阶电路。

(3)上桥臂预充电时间到达t后，其预充电完成，给各相上桥臂所有子模块中的上开关管VT1发送关断脉冲，下开关管VT2发送开通脉冲，然后给下桥臂所有子模块的上开关管VT1发送开通脉冲，给其下开关管VT2发送关断脉冲，待下桥臂预充电时间到达t后，下桥臂所有子模块完成预充电。

(4)待上、下桥臂中所有子模块电容完成预充电后，给预充电结束接触器KM1发送开通信号，旁路掉预充电电阻，此时系统直接转入正常运行状态。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

(1)同时给各相的上桥臂或者下桥臂的子模块进行预充电，大大缩减了预充电时间；

(2)可以结合特定的MMC系统来确定预充电时间，合理限制预充电冲击电流，且预充电时，限流电阻压降远小于子模块电容电压额定值，大大的降低了限流电阻的功率损耗；

(3)预充电时，无需检测电容电压与桥臂电流，控制简单；

(4)预充电后，子模块电容电压值可以达到其额定值U_dc/N，当MMC转入正常运行时，基本不会产生冲击电流。

(5)预充电全程无需手动去闭合、断开开关，全部由控制器自动控制完成，提高了系统安全系数。

附图说明

图1是三相模块化多电平逆变器拓扑结构图；

图2是单个子模块结构图；

图3是预充电时系统等效电路图；

图4是具有模块化多电平逆变器的预充电系统接线图；

图5是本发明的三相子模块电容预充电Matlab/Simulink仿真曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

如图1所示，三相MMC由六个桥臂组成，每个桥臂由N个子模块和一个电抗器L串联构成。

子模块的结构如图2所示，每个子模块由两个开关管VT1、VT2和一个电容构成，其中，开关管反并联二极管，电容并联在串联的开关管两端。

预充电时，预充电等效电路如图3所示，其为限流电阻R₁与桥臂串并联后的等效电容C_eq组成的的典型一阶电路，因桥臂中的串联电抗的阻抗与桥臂串联的等效电容的阻抗相比很小，故在此处将其忽略。

如图4所示，具有模块化多电平逆变器的预充电系统接线图，逆变器的公共直流母线经过限流电阻R₁、预充电开始接触器KM2，与MMC相连，其中限流电阻R₁与预充电结束接触器KM1并联。

对于图4的模块化多电平逆变器预充电步骤具体实施如下：

(1)MMC控制器给预充电开始接触器KM2发送关断信号，给预充电结束接触器KM1发送关断信号，为预充电开始做准备。

(2)给MMC各相中上桥臂中所有子模块的上开关管VT1发送开通脉冲，下开关管VT2发送关断脉冲，给下桥臂所有子模块的上开关管VT1发送关断脉冲，给其下开关管VT2发送开通脉冲，将计算得到的预充电时间t作为控制器的预充电时间给定，给预充电开始接触器KM2发送开通信号进行预充电。

其中，计算的预充电时间t是由预充电时MMC的等效电路得到的，MMC进行预充电时，其等效电路如图3所示，其为限流电阻R₁与桥臂串并联后的等效电容C_eq组成的的典型一阶电路，因桥臂中的串联电抗的阻抗与桥臂串联的等效电容的阻抗相比很小，故在此处将其忽略，等效电路的时间常数为τ，可由一阶电路的零状态响应来确定子模块电容电压值，则等效子模块电容电压U_Ceq的大小：

$U_{\mathrm{Ceq}}=U_{\mathrm{dc}}(1-e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}})$

其中，当预充电时间t=4τ时，U_Ceq=98.2%U_dc，故可选取充电时间为t=4τ=4R₁C_eq，即认为t=4τ时电容充电完毕。结合MMC系统的电气参数，来确定预充电时间，以确保MMC系统在预充电时工作在安全范围内，若充电时间为t，可得到预充电电阻R₁的大小，将预充电时的冲击电流限制在合理范围内，其中预充电电阻的大小为：

$R_1=\frac{t}{4C_{\mathrm{eq}}}$

(3)当控制器对各相上桥臂子模块预充电时间到达t后，上桥臂子模块充电完成，因MMC的子模块采用模块化生产，其电气参数相同，故上桥臂中各个子模块电容电压相同且达到额定值，此时转入各相下桥臂子模块的预充电步骤，给各相上桥臂所有子模块中的上开关管VT1发送关断脉冲，下开关管VT2发送开通脉冲，然后给下桥臂所有子模块的上开关管VT1发送开通脉冲，给其下开关管VT2发送关断脉冲，待下桥臂预充电时间到达t后，下桥臂所有子模块完成预充电。

(4)待上、下桥臂中所有子模块电容完成预充电后，给预充电结束接触器KM1发送开通信号，旁路掉预充电电阻，此时系统直接转入正常运行状态。

Claims (3)

1.一种模块化多电平逆变器的预充电系统，其特征是，其逆变器的公共直流母线经限流电阻R₁，预充电开始接触器KM2与模块化多电平变换器相连，限流电阻R₁与预充电结束接触器KM1并联，所述的模块化多电平变换器由三相六个桥臂组成，每个桥臂由N个子模块和一个电抗器L串联构成，每个子模块由两个开关管VT1、VT2和一个电容构成，其中，开关管反并联二极管，电容并联在串联的开关管两端。

2.基于权力要求1所述的一种模块化多电平逆变器预充电系统的一种模块化多电平逆变器的预充电方法，具体步骤为：

步骤一：给预充电结束接触KM1、预充电开始接触器KM2发送关断信号，对预充电做准备。

步骤二：给模块化多电平逆变器的各相上桥臂子模块中的上开关管VT1发送开通脉冲，下开关管VT2发送关断脉冲，给各相下桥臂子模块中的上开关管VT1发送关断脉冲，下开关管VT2发送开通脉冲，给预充电开始接触器KM2发送开通信号，对各相上桥臂子模块电容进行充电；

步骤三：上桥臂子模块定时充电完成后，给各相上桥臂子模块上开关管VT1发送关断脉冲，下开关管VT2发送开通脉冲，给各相下桥臂子模块上开关管VT1发送开通脉冲，下开关管VT2发送关断脉冲，对各相下桥臂子模块电容进行充电；

步骤四：当下桥臂子模块定时充电完成后，给预充电结束接触器KM1发送开通信号，旁路限流电阻，预充电结束。

3.基于权力要求2所述的一种模块化多电平逆变器预充电方法，其特征是，步骤三、步骤四所述的预充电定时的时间是由预充电时由限流电阻R₁和桥臂等效电容C_eq组成的等效一阶电路确定的。

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