CN103973094A - 一种模块化多电平变流器的快速预充电电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模块化多电平变流器的快速预充电电路，其包含三个部分：主限流充电部分、加速充电部分、正常运行部分。主限流充电部分为一个限流电阻；加速充电部分为一个接触器串联一个限流电阻；正常运行部分为一个接触器。三个部分为并联结构，并联后的一端公共端连接至充电电源，另一端公共端连接至模块化多电平变流器，其中充电电源可为直流电源或交流电源，若使用交流电源充电，预充电电路需使用三相交流结构。该模块化多电平变流器的快速预充电电路不仅能实现传统模块化多电平变流器预充电电路的充电功能，而且电路结构简洁、控制方式简单、能大幅减少充电时间并能有效降低充电损耗，特别适合应用于高压大功率或所需预充电时间较长的场合。

Description

一种模块化多电平变流器的快速预充电电路

技术领域

本发明属于电力电子应用的技术领域，具体涉及一种给模块化多电平变流器预充电的快速预充电电路及其工作方式。

背景技术

随着经济的快速发展、社会生产规模的逐步扩大，对于能源的需求和消耗也越来越大，各种形式的电力需求不断增长，对电力电子设备节能降耗等方面的要求也越来越高，电力电子技术随之飞速发展，其中多电平变流器因具有输出电压高、谐波含量低、电压变化率小、功率开关器件电压应力小、开关频率低等优点正逐渐成为高压大功率电力应用领域的研究热点。经过几十年的深入研究和不断发展，适用于高压大功率场合的理论研究和拓扑结构出现了多个分支，其中模块化多电平变流器（modular multilevel converter，MMC）因为具有高度模块化结构而易于扩容，具有公共直流母线可以提高系统可靠性且有利于降低成本，对系统主回路的杂散参数不敏感而易于实现，不平衡运行能力、故障穿越和恢复能力强，输出波形好等优点，所以是近期国内外的研究焦点。模块化多电平变流器不仅继承了传统高压大功率多电平变流器的优点，而且以其独特的优势在高压电力系统的电能传输和电能质量问题等方面都具有很大潜力。目前国内外有关模块化多电平变流器的推广应用主要集中在高压直流输电领域，例如2010年底完成项目测试的西门子公司开发的连接美国匹兹堡和旧金山的高压直流输电系统，以及2011年完成工程验收的我国首条正式投入商用的南汇风电场的高压直流输电工程都是基于模块化多电平变流器建立的。因此对模块化多电平变流器在HVDC（High Voltage Direct Current Transmission，HVDC）及输配电系统中的关键技术研究，将会对我国坚强智能电网建设提供有力的技术支撑。模块化多电平变流器中的电压控制即保持各悬浮直流电容电压稳定是其主要研究方向，分为两个阶段，第一是预充电阶段,即将所有直流电容电压预充至额定工作电压，第二是电压控制阶段，即正常工作时将直流电容电压稳定在参考值附近。预充电阶段研究的必要性是因为模块化多电平变流器启动前,各功率单元的直流侧电压很低或者没有电压，此时合上交流断路

器，模块化多电平变流器将面临极大的浪涌电流和电磁应力的考验，且公共直流母线电压控制不当会产生较严重的过电压。引入合理有效的预充电策略对于推广模块化多电平变流器技术具有重大的现实意义。根据供电方式的不同，给模块化多电平变流器子模块预充电方式分为交流和直流两种。交流预充电方式即直接采用电网电压，而直流预充电方式又分为两种，一种是外加辅助直流电源预充电方法, 另一种是直接利用模块化多电平变流器公共直流母线电压，无需外加辅助直流电源。

现有的模块化多电平变流器预充电方式的研究和应用，无论使用何种方式的预充电电路，都要在预充电电路中串联一个限流电阻，如图1所示，以防止充电电流过大，当电容电压上升到额定值时将限流电阻短路，但是都只有一个充电支路，一个限流电阻，在充电过程中随着电容电压逐渐上升，充电电流将逐渐下降，充电速度也将越来越慢。如果在高压大功率场合应用中，比如在高压直流输电领域，电压等级很高，所需充电的电容数量也很多，预充电所需的时间一般都很长，不仅不利于在工程实践中的应用，而且加大了在限流电阻上的电能损耗，对设备的安全和可靠性也有较大影响。因此以高效节能为目的，对快速和低损耗充电电路的研究具有重要的理论价值和现实指导意义。

因此，本发明提出的快速预充电电路在模块化多电平变流器预充电阶段的使用，虽然增加了一个接触器和限流电阻，但是在高压大功率场合，特别是充电时间较长或有严格要求时，可以明显减少充电时间和降低损耗，节能效果明显，而且电路结构简洁，控制方式简单，对于交流和直流电源充电都适用，必然能使其在模块化多电平变流器预充电阶段得到广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提出一种模块化多电平变流器的快速预充电电路，不仅能实现传统模块化多电平变流器预充电电路的功能，而且可以大幅减少充电时间和降低充电损耗。

本发明提出的一种模块化多电平变流器的快速预充电电路由三部分构成，即主限流充电部分、加速充电部分、正常运行部分。主限流充电部分由一个限流电阻构成；加速充电部分由一个接触器和一个限流电阻构成；正常运行部分由一个接触器构成。

该模块化多电平变流器的快速预充电电路的连接方式如下：

加速充电部分的接触器和限流电阻串联。

主限流充电部分、加速充电部分和正常运行部分并联构成模块化多电平变流器的快速预充电电路，如图2所示。

快速预充电电路中两个接触器有公共端的一端与充电电源相连，另一公共端与模块化多电平变流器相连，其中充电电源可以是直流电源，也可以是交流电源，如图3（直流充电）、图4（交流充电）所示。使用直流电源充电时，快速预充电电路分别与直流电源的正极和模块化多电平变流器的上桥臂公共端相连接。使用交流电源充电时，快速预充电电路使用三相交流结构，并分别与交流电源和模块化多电平变流器的每相桥臂的公共端相连接。

相对于现有技术，本发明的用于模块化多电平变流器的快速预充电电路，除了具备传统预充电电路的功能和优点外，相对于目前国内外所提出的设计方案，还具有如下的功能和特点：

1. 本模块化多电平变流器的快速预充电电路与传统模块化多电平变流器的预充电电路相比只增加一个接触器和一个限流电阻，且两个限流电阻阻值可以根据实际需要进行设定，阻值可相同可不同。当阻值相同时，如在充电时间为RC时投入加速充电部分，其中R为充电电路总阻值，C为充电电路的电容值，就可实现充电时间减少40%以上，特别在高压大功率应用场合可以显著提高工作效率，同时大幅降低充电过程中在限流电阻上的损耗，提高了电能利用率，节约了能源，降低了生产成本。

2. 本模块化多电平变流器的快速预充电电路可以通过改变加速充电部分中的电阻值和与其串联的接触器的闭合时刻，在保证充电电流不超过要求的情况下来控制充电时间的长短和充电损耗的多少，具有很大的灵活性和实用性，可以适应不同应用场合的需要。

3. 本模块化多电平变流器的快速预充电电路也可以通过增加并联一个或多个加速充电部分，如图5所示，在保证任何时刻充电电流不超过要求和考虑系统复杂程度的情况下，同样可以通过改变各并联电阻值和与其串联的接触器的闭合时刻，来控制充电时间的长短和充电损耗的多少，具有很大的灵活性和实用性，可以适应不同应用场合。

4. 本模块化多电平变流器的快速预充电电路的充电电源可以使用直流电源或交流电源，并且本发明所提出的模块化多电平变流器的快速预充电电路与现有的多数模块化多电平变流器预充电方法均可配合使用，适用性强。

附图说明

图1 表示模块化多电平变流器的传统预充电电路的整体原理框图。

图2 表示快速预充电电路的原理框图。

图3 表示模块化多电平变流器的快速预充电电路直流侧充电的整体原理框图。

图4 表示模块化多电平变流器的快速预充电电路交流侧充电的整体原理框图。

图5 表示并联多个加速充电部分的快速预充电电路的原理框图。

以上的图中有：主限流充电部分1、加速充电部分2、正常运行部分3、正常运行部分的接触器K1、主限流充电部分限流电阻R1、加速充电部分的接触器K2、加速充电部分限流电阻R2、快速预充电电路与电源连接的公共端S、快速预充电电路与模块化多电平变流器连接的公共端T、模块化多电平变流器交流侧接口a、模块化多电平变流器交流侧接口b、模块化多电平变流器交流侧接口c、模块化多电平变流器4。

具体实施方式

本模块化多电平变流器的快速预充电电路由三部分构成，包含主限流充电部分、加速充电部分和正常运行部分。

本模块化多电平变流器的快速预充电电路的充电电源可以是直流电源或交流电源充电。使用直流电源充电时，如图3，快速预充电电路的公共端S和T分别与直流电源的正极和模块化多电平变流器的上桥臂的公共端P相连接。使用交流电源充电时，如图4，快速预充电电路使用三相交流结构，并分别与交流电源和模块化多电平变流器的每相桥臂的公共端a、b、c相连接。本发明所提出的模块化多电平变流器的快速预充电电路与现有的多数模块化多电平变流器预充电方法均可配合使用。

本模块化多电平变流器的快速预充电电路中三个部分按照主限流充电部分、加速充电部分和正常工作部分的顺序依次进入工作状态。

本模块化多电平变流器的快速预充电电路的主限流充电部分在模块化多电平变流器整个预充电阶段处于工作状态，预充电开始后有电流流过并为模块化多电平变流器各子模块的直流电容充电，工作状态持续到预充电结束。

本模块化多电平变流器的快速预充电电路加速充电的前提是要保证充电电流要符合要求，不能过大。加速充电部分的接触器导通时刻和该部分限流电阻的阻值根据实际需要进行确定。加速充电部分的接触器导通后，该部分进入运行状态，充电电路总电阻减小，充电电流增大，充电的速度加快。当电容电压达到额定值时，闭合正常运行部分中的接触器，将主限流充电部分和加速充电部分短路。

本模块化多电平变流器的快速预充电电路的正常运行部分投入后，系统开始正常运行，模块化多电平变流器的预充电过程结束。

Claims (5)

1.一种模块化多电平变流器的快速预充电电路，其特征在于：该电路由三部分构成，即主限流充电部分（1）、加速充电部分（2）、正常运行部分（3）；其中，主限流充电部分（1）由一个限流电阻（R1）构成；加速充电部分（2）由一个接触器（K2）和一个限流电阻（R2）构成；正常运行部分（3）由一个接触器（K1）构成；加速充电部分（2）的接触器（K2）和限流电阻（R2）串联；主限流充电部分（1）、加速充电部分（2）和正常运行部分（3）三个部分并联构成模块化多电平变流器的快速预充电电路，并联后的两个公共端S和T分别与充电电源和模块化多电平变流器（4）相连接，公共端S连接至充电电源，公共端T连接至模块化多电平变流器（4），其中充电电源可为直流电源或交流电源，若使用交流电源充电，预充电电路需使用三相交流结构；加速充电部分（2）中的接触器（K2）一端与限流电阻（R2）相连接，另一端与快速预充电电路公共端S相连接，即接触器（K2）与充电电源相连接；加速充电部分（2）中的限流电阻（R2）一端与接触器（K2）相连接，另一端与快速预充电电路公共端T相连接，即限流电阻（R2）与模块化多电平变流器（4）相连接。

2.如权利要求1所述的一种模块化多电平变流器的快速预充电电路,其特征在于，所述的加速充电部分（2）中的接触器（K2）和正常运行部分（3）中的接触器（K1）在使用直流电源充电时要使用直流接触器，在使用交流电源充电时要使用交流接触器。

3.如权利要求1所述的一种模块化多电平变流器的快速预充电电路,其特征在于，所述的主限流充电部分（1）中的限流电阻（R1）和加速充电部分（2）中的限流电阻（R2）阻值大小可以根据实际需要选取，可相同可不同。

4.如权利要求1所述的一种模块化多电平变流器的快速预充电电路，其特征在于，所述的加速充电部分（2）根据实际需要可以并联多个，但至少为一个。

5.如权利要求1所述的一种模块化多电平变流器的快速预充电电路，其特征在于，所述的快速预充电电路，当使用直流电源充电时，公共端S和T分别连接至直流电源正极和模块化多电平变流器（4）的上桥臂公共端P，当使用交流电源充电时，公共端S和T分别连接至交流电源和模块化多电平变流器（4）的每相桥臂公共端（a，b，c）。