CN108933543A - 一种背靠背mmc结构中逆变器的预充电控制方法 - Google Patents

Abstract

一种背靠背MMC结构中逆变器的预充电控制方法，首先进行第一充电阶段，控制充电电流对MMC逆变器所有子模块电容充电，并计算出充电电流作用的时间。然后进行第二充电阶段，根据第一充电阶段结束时刻，控制IGBT的关断与开通，对首先投入的子模块电容充电，切除剩余子模块。最后以首先投入充电的子模块电容充电结束时刻控制IGBT的通断，投入剩余子模块上文同时切除首先投入充电的子模块，可计算出整个预充电所需时间。从而实现通过控制充电电流对MMC逆变器预充电，并保证安全充电的同时使得充电时间最短，以时间节点控制子模块的充电状态，节省了子模块电容电压检测装置。

Description

一种背靠背MMC结构中逆变器的预充电控制方法

技术领域

本发明涉及MMC(模块化多电平变换器)技术领域，具体涉及一种背靠背MMC结构中逆变器的预充电控制方法。

背景技术

MMC与传统的多电平变流器相比，MMC具有开关损耗小，输出波形质量高，故障处理能力强，易于扩容，可四象限运行等特点。MMC系统中包含大量悬浮的子模块电容，在启动前所有子模块电容均无电压。启动MMC时，首先要采取相应的控制方法对子模块电容充电，将子模块电容充电至稳定运行时的电压要求。背靠背MMC由MMC整流器和MMC逆变器构成，已经有许多公开文献详细介绍了通过交流侧对MMC整流器的预充电控制方法，而对MMC逆变器预充电控制策略的研究比较少。背靠背MMC结构中可以通过MMC整流器对MMC逆变器充电，在充电过程中必须抑制充电电流的冲击，因此发明了一种背靠背MMC结构中逆变器的预充电控制方法。

发明内容

本发明的目的是通过控制充电电流只对背靠背MMC结构中的逆变器预充电，解决充电电流的冲击问题，并实现在安全充电的同时使得充电时间最短。

本发明是一种背靠背MMC结构中逆变器的预充电控制方法，其步骤为：

预充电控制方法分为两个阶段；在第一充电阶段，对MMC逆变器所有子模块电容充电；在第二充电阶段，首先投入每相n个子模块充电，切除剩余子模块；计算出首先投入子模块充电时间，根据时间节点将首先投入的子模块切除，对剩余子模块充电；MMC逆变器各相结构相同，以a相为例，流过a相桥臂电流为i_a＝I_d/3；在充电过程中，MMC逆变器桥臂存在杂散电感L_s，包括桥臂电感，充电电流的突变会产生过电压；在部分充电时间段内，充电电流变化产生的过电压ΔU＝L_s di_a/dt，为保证充电系统的安全，将ΔU控制在10％U_dc以内，U_dc为背靠背MMC稳定运行时直流母线电压；在安全充电的同时使得充电时间最短，充电电流变化速率k＝10％U_dc/L_s；在第一充电阶段分为三个步骤：

步骤一：在0-t₁时间段内，控制充电电流：

I_d＝kt(0≤t≤t₁) (公式一)

式中t₁为第一充电阶段I_d上升至I_m时刻，I_m为功率器件所能承受的最大电流；计算得：

步骤二：在t₁-t₂时间段内，以最大电流I_m对电容充电，t₂为第一充电阶段I_d从I_m开始下降时刻；

步骤三：在t₂-t₃时间段内，I_d为：

I_d＝-k(t₃-t)(t₂≤t≤t₃) (公式三)

式中t₃为第一充电阶段结束时刻；第一充电阶段结束时，子模块电容电压为u₁＝U_dc/2n；

在第一充电阶段，子模块电容电压为：

计算得：

在t₃时刻进入第二充电阶段，第二充电阶段分为以下步骤：

步骤一：第二充电阶段，需要控制IGBT的通断状态，首先每相投入n个子模块，切除剩余子模块；在t₃时刻I_d为0，在延迟Δt_d后开始控制电流变化，Δt_d应大于IGBT的开关时间；

步骤二：在t₄时刻开始对首先投入的子模块电容充电，由公式六可知：

在t₄-t₅时间段内，t₅为I_d上升至I_m时刻，充电电流变化为：

I_d＝k(t-t₄)(t₄≤t≤t₅) (公式八)

由公式七、八可得：

步骤三：在t₅-t₆时间段内，以最大电流I_m对电容充电，t₆为I_d从I_m开始下降时刻；

步骤四：在t₆-t₇时间段内，I_d为：

I_d＝-k(t₇-t)(t₆≤t≤t₇) (公式十)

式中t₇为首先投入的子模块充电结束时刻；在第二充电阶段，首先投入子模块电容电压达到U_C＝U_dc/n,首先投入充电子模块电容电压变化为：

计算得：

步骤五：在t₇时刻首先投入的子模块电容电压达到U_C，此时I_d为0，在Δt_d内把首先投入的子模块切除，将剩余的子模块投入充电状态；

步骤六：在t₈时刻开始对剩余子模块电容充电，可得

在t₈-t₉时间段内，t₉为I_d上升至I_m时刻，充电电流变化为：

I_d＝k(t-t₈)(t₈≤t≤t₉) (公式十五)

计算得：

步骤七：在t₉-t₁₀时间段内，以最大电流I_m对电容充电，t₁₀为I_d从I_m开始下降时刻；

步骤八：在t₁₀-t₁₁时间段内，I_d为：

I_d＝-k(t₁₁-t)(t₁₀≤t≤t₁₁) (公式十七)

式中t₁₁为剩余投入的子模块充电结束时刻；在第二充电阶段，剩余投入子模块电容电压达到U_C，剩余充电子模块电容电压变化为：

计算得：

在t₁₁时刻，保证安全充电的同时，所有子模块电容电压以最短的时间达到U_C，此时整个预充电过程结束。

本发明的有益之处是：通过控制充电电流的变化对MMC逆变器子模块预充电，有效地解决了充电过程中充电电流的冲击问题。计算出各充电阶段所需的时间，以时间节点控制子模块的充电状态，不需要子模块电容电压检测装置，减小了设备成本。在充电过程中，流经子模块的电流均相同，不需要考虑充电时子模块电容均压问题。

附图说明

图1是背靠背MMC拓扑结构，图2为充电电流和子模块电容电压变化趋势。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述背靠背MMC结构中的逆变器由三个相单元构成，每相由上、下桥臂构成，每个桥臂由n个SM(子模块)和一个桥臂电感L串联构成，子模块电容容值为C。背靠背MMC稳定运行时，直流母线电压为U_dc，子模块电容电压U_C＝U_dc/n。将MMC整流器等效为可控电流源，输出电流为I_d。

本发明是一种背靠背MMC结构中逆变器的预充电控制方法，其步骤为：MMC逆变器子模块的预充电方法分为两个阶段，如图2所示，在第一充电阶段，对MMC逆变器所有子模块电容充电。在第二充电阶段，首先每相投入n个子模块充电，切除剩余子模块；计算出首先投入子模块充电时间，根据时间节点将首先投入的子模块切除，对剩余子模块充电。MMC逆变器各相结构相同，以a相为例，流过a相桥臂电流为i_a＝I_d/3。在充电过程中，MMC逆变器桥臂存在杂散电感L_s(包括桥臂电感)，充电电流的突变会产生过电压。在部分充电时间段内，充电电流变化产生的过电压ΔU＝L_s di_a/dt，为保证充电系统的安全，将ΔU控制在10％U_dc以内。在安全充电的同时使得充电时间最短，充电电流变化速率k＝10％U_dc/L_s。在第一充电阶段分为三个步骤：

步骤一：在0-t₁时间段内，控制充电电流：

I_d＝kt(0≤t≤t₁) (公式一)

式中t₁为第一充电阶段I_d上升至I_m时刻，I_m为功率器件所能承受的最大电流。计算得：

步骤二：在t₁-t₂时间段内，以最大电流I_m对电容充电，t₂为第一充电阶段I_d从I_m开始下降时刻。

步骤三：在t₂-t₃时间段内，I_d为：

I_d＝-k(t₃-t)(t₂≤t≤t₃) (公式三)

式中t₃为第一充电阶段结束时刻。第一充电阶段结束时，子模块电容电压为u₁＝U_dc/2n。

在第一充电阶段，子模块电容电压为：

计算得：

在t₃时刻进入第二充电阶段，第二充电阶段分为以下步骤：

步骤一：第二充电阶段，需要控制IGBT的通断状态，首先每相投入n个子模块，切除剩余子模块。在t₃时刻I_d为0，在延迟Δt_d后开始控制电流变化，Δt_d应大于IGBT的开关时间。

步骤二：在t₄时刻开始对首先投入的子模块电容充电，由公式六可知：

在t₄-t₅时间段内，t₅为I_d上升至I_m时刻，充电电流变化为：

I_d＝k(t-t₄)(t₄≤t≤t₅) (公式八)

由公式七、八可得：

步骤三：在t₅-t₆时间段内，以最大电流I_m对电容充电，t₆为I_d从I_m开始下降时刻。

步骤四：在t₆-t₇时间段内，I_d为：

I_d＝-k(t₇-t)(t₆≤t≤t₇) (公式十)

式中t₇为首先投入的子模块充电结束时刻。在第二充电阶段，首先投入子模块电容电压达到U_C,首先投入充电子模块电容电压变化为：

计算得：

步骤五：在t₇时刻首先投入的子模块电容电压达到U_C，此时I_d为0，在Δt_d内把首先投入的子模块切除，将剩余的子模块投入充电状态。

步骤六：在t₈时刻开始对剩余子模块电容充电，可得

在t₈-t₉时间段内，t₉为I_d上升至I_m时刻，充电电流变化为：

I_d＝k(t-t₈)(t₈≤t≤t₉) (公式十五)

计算得：

步骤七：在t₉-t₁₀时间段内，以最大电流I_m对电容充电，t₁₀为I_d从I_m开始下降时刻。

步骤八：在t₁₀-t₁₁时间段内，I_d为：

I_d＝-k(t₁₁-t)(t₁₀≤t≤t₁₁) (公式十七)

式中t₁₁为剩余投入的子模块充电结束时刻。在第二充电阶段，剩余投入子模块电容电压达到U_C，剩余充电子模块电容电压变化为：

计算得：

在t₁₁时刻，保证安全充电的同时，所有子模块电容电压以最短的时间达到U_C，此时整个预充电过程结束。

如图1所示，本发明所述背靠背MMC结构中的逆变器由三个相单元构成，每相由上、下桥臂构成，每个桥臂由n个SM和一个桥臂电感L串联构成，子模块电容容值为C。背靠背MMC稳定运行时，直流母线电压为U_dc，子模块电容电压U_C＝U_dc/n。将MMC整流器等效为可控电流源，输出电流为I_d。

如图2所示，本发明的预充电控制方法分为两个阶段，在第一充电阶段，对MMC逆变器所有子模块电容充电。在第二充电阶段，首先投入每相n个子模块充电，切除剩余子模块；计算出首先投入子模块充电时间，根据时间节点切除首先投入的子模块，对剩余子模块充电。

MMC逆变器各相结构相同，以a相为例，流过a相桥臂电流为i_a＝I_d/3。在充电过程中，MMC逆变器桥臂电感远大于线路中的杂散电感，取L_s≈2L，充电电流的突变会产生过电压。在部分充电时间段内，充电电流变化产生的过电压ΔU＝L_sdi_a/dt，为保证充电系统的安全，将ΔU控制在10％U_dc以内。在安全充电的同时使得充电时间最短，充电电流变化速率k＝10％U_dc/L_s。

在预充电过程中，MMC逆变器所有子模块的V1都处于关断状态，控制V2的关断与开通，可以控制子模块是否投入充电状态。第一充电阶段，所有子模块的V2处于关断状态，第一充电阶段分为三个步骤：

步骤一：在0-t₁时间段内，控制充电电流：

I_d＝kt(0≤t≤t₁) (公式二十一)

式中t₁为第一充电阶段I_d上升至I_m时刻，I_m为功率器件所能承受的最大电流。计算得：

步骤二：在t₁-t₂时间段内，以最大电流I_m对电容充电，t₂为第一充电阶段I_d从I_m开始下降时刻。

步骤三：在t₂-t₃时间段内，I_d为：

I_d＝-k(t₃-t)(t₂≤t≤t₃) (公式二十三)

式中，t₃为第一充电阶段结束时刻。第一充电阶段结束时，子模块电容电压为u₁＝U_dc/2n。

在第一充电阶段，子模块电容电压为：

计算得：

在t₃时刻进入第二充电阶段，第二充电阶段分为以下步骤：

步骤一：在t₃时刻进入第二充电阶段，在t₃时刻I_d为0，在延迟Δt_d后开始控制电流变化，Δt_d的取值为2倍IGBT的开关时间。首先每相投入n个子模块充电，在Δt_d内开通剩余子模块的V2，将剩余子模块切除。

步骤二：在t₄时刻开始对首先投入的子模块电容充电，可知：

在t₄-t₅时间段内，t₅为I_d上升至I_m时刻，充电电流变化为：

I_d＝k(t-t₄) (公式二十八)

式中t₄≤t≤t₅，可得：

步骤三：在t₅-t₆时间段内，以最大电流I_m对电容充电，t₆为I_d从I_m开始下降时刻。

步骤四：在t₆-t₇时间段内，I_d为：

I_d＝k(t-t₄)(t₄≤t≤t₅) (公式三十)

式中t₇为首先投入的子模块充电结束时刻。在第二充电阶段，首先投入子模块电容电压达到U_C,首先投入充电子模块电容电压变化为：

计算得：

步骤五：在t₇时刻首先投入的子模块电容电压达到U_C，此时I_d为0，在Δt_d内开通首先投入的子模块的V2，把首先投入的子模块切除，并关断剩余子模块的V2，将剩余子模块投入充电状态。

步骤六：在t₈时刻开始对剩余子模块电容充电，可得

在t₈-t₉时间段内，t₉为I_d上升至I_m时刻，充电电流变化为：

I_d＝k(t-t₈)(t₈≤t≤t₉) (公式三十五)

计算得：

步骤七：在t₉-t₁₀时间段内，以最大电流I_m对电容充电，t₁₀为I_d从I_m开始下降时刻。

步骤八：在t₁₀-t₁₁时间段内，I_d为：

I_d＝-k(t₁₁-t)(t₁₀≤t≤t₁₁) (公式三十七)

式中t₁₁为剩余投入的子模块充电结束时刻。在第二充电阶段，剩余投入子模块电容电压达到U_C，剩余充电子模块电容电压变化为：

计算得：

在t₁₁时刻，保证安全充电的同时，所有子模块电容电压以最短的时间达到U_C，此时整个预充电过程结束。

由以上步骤可以实现，通过控制充电电流对背靠背MMC结构中逆变器预充电，充电过程中以时间节点控制子模块的关断与开通，在安全充电的同时使得子模块电容电压在最短时间内达到运行的要求。

Claims (1)

1.一种背靠背MMC结构中逆变器的预充电控制方法，其特征在于，其步骤为：

预充电控制方法分为两个阶段；在第一充电阶段，对MMC逆变器所有子模块电容充电；在第二充电阶段，首先投入每相n个子模块充电，切除剩余子模块；计算出首先投入子模块充电时间，根据时间节点将首先投入的子模块切除，对剩余子模块充电；MMC逆变器各相结构相同，以a相为例，流过a相桥臂电流为i_a＝I_d3；在充电过程中，MMC逆变器桥臂存在杂散电感L_s，包括桥臂电感，充电电流的突变会产生过电压；在部分充电时间段内，充电电流变化产生的过电压ΔU＝L_sdi_a/dt，为保证充电系统的安全，将ΔU控制在10％U_dc以内，U_dc为背靠背MMC稳定运行时直流母线电压；在安全充电的同时使得充电时间最短，充电电流变化速率k＝10％U_dc/L_s；在第一充电阶段分为三个步骤：

步骤一：在0-t₁时间段内，控制充电电流：

I_d＝kt(0≤t≤t₁) (公式一)

式中t₁为第一充电阶段I_d上升至I_m时刻，I_m为功率器件所能承受的最大电流；计算得：

步骤二：在t₁-t₂时间段内，以最大电流I_m对电容充电，t₂为第一充电阶段I_d从I_m开始下降时刻；

步骤三：在t₂-t₃时间段内，I_d为：

I_d＝-k(t₃-t)(t₂≤t≤t₃) (公式三)

式中t₃为第一充电阶段结束时刻；第一充电阶段结束时，子模块电容电压为u₁＝U_dc/2n；

在第一充电阶段，子模块电容电压为：

计算得：

在t₃时刻进入第二充电阶段，第二充电阶段分为以下步骤：

步骤一：第二充电阶段，需要控制IGBT的通断状态，首先每相投入n个子模块，切除剩余子模块；在t₃时刻I_d为0，在延迟Δt_d后开始控制电流变化，Δt_d应大于IGBT的开关时间；

步骤二：在t₄时刻开始对首先投入的子模块电容充电，由公式六可知：

在t₄-t₅时间段内，t₅为I_d上升至I_m时刻，充电电流变化为：

I_d＝k(t-t₄)(t₄≤t≤t₅) (公式八)

由公式七、八可得：

步骤三：在t₅-t₆时间段内，以最大电流I_m对电容充电，t₆为I_d从I_m开始下降时刻；

步骤四：在t₆-t₇时间段内，I_d为：

I_d＝-k(t₇-t)(t₆≤t≤t₇) (公式十)

式中t₇为首先投入的子模块充电结束时刻；在第二充电阶段，首先投入子模块电容电压达到U_C＝U_dc/n,首先投入充电子模块电容电压变化为：

计算得：

步骤五：在t₇时刻首先投入的子模块电容电压达到U_C，此时I_d为0，在Δt_d内把首先投入的子模块切除，将剩余的子模块投入充电状态；

步骤六：在t₈时刻开始对剩余子模块电容充电，可得

在t₈-t₉时间段内，t₉为I_d上升至I_m时刻，充电电流变化为：

I_d＝k(t-t₈)(t₈≤t≤t₉) (公式十五)

计算得：

步骤七：在t₉-t₁₀时间段内，以最大电流I_m对电容充电，t₁₀为I_d从I_m开始下降时刻；

步骤八：在t₁₀-t₁₁时间段内，I_d为：

I_d＝-k(t₁₁-t)(t₁₀≤t≤t₁₁) (公式十七)

式中t₁₁为剩余投入的子模块充电结束时刻；在第二充电阶段，剩余投入子模块电容电压达到U_C，剩余充电子模块电容电压变化为：

计算得：

在t₁₁时刻，保证安全充电的同时，所有子模块电容电压以最短的时间达到U_C，此时整个预充电过程结束。