CN110460229B - 模块化多电平变频器启动电路及其启动与低速运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模块化多电平变频器启动电路及其启动与低速运行方法，所述启动电路包括直流电源Udc、串联开关、二极管D1、辅助电源E和改进的模块化多电平变频器五部分，其中：辅助电源E串联二极管D1与直流电源Udc和串联开关串联的电路相并联接在改进的模块化多电平变频器的直流端。本发明通过外加辅助电源降低直流侧的电压值，从而大幅降低子模块的电容电压波动，且能够实现极低速下的稳定运行。与传统的注入高频成分降低电容电压波动的方法相比较，本发明一方面不需要对电机施加大幅值的共模电压，从而可保证电机的绝缘安全与使用寿命，另一方面，无需注入任何高频环流，可保证桥臂电流幅值在额定电流以内，保证了换流器的高效率。

Description

模块化多电平变频器启动电路及其启动与低速运行方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种模块化多电平变频器的启动与低速运行方法，具体涉及一种基于拓扑改进和外加辅助电源的模块化多电平变频器启动电路及其启动与低速运行方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，尤其是高压变频技术的发展，高压变频器在电力、化工、供水、冶金、电气交通等工业领域得到了日益广泛的应用。模块化多电平变频器(modular multilevel converter，MMC)作为一种适用于高压大功率应用场合的变频器拓扑，近些年来得到了迅速的发展。MMC与传统的高压大容量级联H桥变频器相比，保留了其大部分优点，包括模块化结构、安装维护容易、多电平电压输出、高效率等，此外MMC能够省去级联H桥变频器中结构复杂、体积笨重的多绕组移相输入变压器，交流输出也无需额外的滤波装置，有助于提高整机效率，方便扩展，安装运输简单，模块数目与功率等级不再受限制，从而可驱动更高电压、大功率等级的电机。然而，由于MMC子模块电容器是独立悬浮的，桥臂电流流过时将造成电容电压的波动，该波动近似与电机转速(运行频率)成反比，与交流输出电流幅值(转矩)成正比。特别是驱动恒转矩负载低速运行时电容电压波动将变得极为严重，导致需要的电容容量极大，造成系统成本和体积上的问题。
为抑制MMC低速运行时的电容电压波动，现有的方法一类为在桥臂中引入高频的电压和电流成分，通过上下桥臂间快速地能量交换来减小电容电压波动，如王宝安等人的专利《一种模块化多电平变换器的低频模式运行控制方法》(公开号为CN103337977A)。其实现方法为在MMC的交流输出端注入高频的共模电压，同时在桥臂中注入频率相同的高频环流。这种电容电压波动抑制方法存在两个严重的问题，其一为低频时注入的共模电压幅值非常大，会对电机造成严重的绝缘和轴电流问题，严重危害电机的使用寿命；其二是为了保证波动抑制效果，需要注入幅值较大的环流，会导致桥臂电流应力和系统损耗的增加。另外一类降低电容电压波动的方法是从拓扑改进的角度来提出，如公开号为CN105915090A的发明专利《适用于低频运行的混合型模块化多电平换流器及其控制方法》。该方法在MMC的直流母线上增加开关，通过控制开关的通断，等效得降低MMC的直流侧电压，达到减小电容电压波动的目的。该方法同样存在两个问题，一是开关的作用使得直流侧电流波形性断续，带来严重的谐波问题，需要在直流侧增加额外的滤波装置；二是由于极低速下电机电阻带来的影响，导致直流侧电压无法进一步降低，电容电压波动将变得很大，无法实现极低速甚至零速下的稳定运行，完成可靠的启动过程。
发明内容
针对上述不足，本发明提供了一种基于拓扑改进和外加辅助电源的模块化多电平变频器启动电路及其启动与低速运行方法，以大幅降低低速运行下的电容电压波动来实现可靠的启动过程。相比于现有的低速运行方法，本发明无需注入任何共模电压和环流，不会对电机造成损害，避免电流应力和损耗的增加，同时能够实现极低速下的稳定运行。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种模块化多电平变频器启动电路，包括直流电源Udc、串联开关、二极管D1、辅助电源E和改进的模块化多电平变频器五部分，其中：
所述辅助电源E串联二极管D1与直流电源Udc和串联开关串联的电路相并联接在改进的模块化多电平变频器的直流端；
所述改进的模块化多电平变频器由三相电路构成，每一相包含上下两个桥臂，每个桥臂由一个电感器L和N个结构相同的子模块堆叠而成，每个子模块包括一个半桥功率单元和一组电容器C，电缆线将顶层三个子模块的电容负极连接在一起，将底层三个子模块的电容正极连接在一起。
一种上述模块化多电平变频器启动电路的启动与低速运行控制方法，包括如下步骤：
电机从静止启动，当运行在低频阶段时，需要进行电容电压波动抑制，此时输出电压幅值的二倍小于辅助电源电压时，控制串联开关始终断开，二极管D1处于导通状态，由电压值较小的辅助电源E对模块化多电平变频器进行供电，减小直流侧电压，进而减小电容电压波动；若非顶层和底层子模块的电容电压全部高于限定值时，则让其全部处于旁路状态，仅顶层和底层子模块进行投切过程；若非顶层和底层子模块的电容电压低于限定值时，则让其进入投入状态，顶部和底部子模块处于旁路状态，直至电容电压高于限定值；
电机从静止启动，当转速穿越低频阶段后，此时输出电压幅值的二倍大于辅助电源电压，串联开关切换至闭合状态，直流电源电压高于辅助电源电压，二极管D1处于闭锁状态，辅助电源E停止供电，由直流电源Udc对模块化多电平变频器进行供电，在传统模块化多电平变频器的控制下运行，直至到达额定转速。
本发明具有如下优点：
1、相比于传统的模块化多电平变频器在低速下运行，本发明所提方法通过外加辅助电源降低直流侧的电压值，从而大幅降低子模块的电容电压波动，且能够实现极低速下的稳定运行。
2、与传统的注入高频成分降低电容电压波动的方法相比较，本发明一方面不需要对电机施加大幅值的共模电压，从而可保证电机的绝缘安全与使用寿命，另一方面，无需注入任何高频环流，可保证桥臂电流幅值在额定电流以内，保证了换流器的高效率。
3、本发明非常适用于高压电机驱动应用中。
附图说明
图1是本发明提出的基于拓扑改进和外加辅助电源的模块化多电平变频器启动电路的结构示意图；
图2是本发明提出的基于拓扑改进和外加辅助电源的模块化多电平变频器启动电路的另一种接线形式；
图3是本发明提出的基于拓扑改进和外加辅助电源的模块化多电平变频器启动电路的另一种接线形式；
图4是基于IGBT的串联开关；
图5是基于晶闸管的串联开关；
图6是基于IGBT级联的串联开关；
图7是基于晶闸管级联的串联开关；
图8是直流电源与辅助电源从网端经过不控整流得到的结构示意图；
图9是改进的模块化多电平变频器的结构示意图；
图10是改进的模块化多电平变频器上桥臂子模块的结构示意图；
图11是改进的模块化多电平变频器下桥臂子模块的结构示意图；
图12是本发明工作在极低频率2.5Hz时电容电压以及各电流的实例波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种基于拓扑改进和外加辅助电源的模块化多电平变频器启动电路，如图1所示，该启动电路主要由直流电源Udc、串联开关、二极管D1、辅助电源E和改进的模块化多电平变频器五部分构成，其中：所述辅助电源E串联二极管D1与直流电源Udc和串联开关串联的电路相并联接在改进的模块化多电平变频器的直流端。串联开关可以有其他的接线形式，如图2、图3所示。
本发明中，所述串联开关可以采用全控型电力电子器件，如图4所示绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管(IGCT)或门极可关断晶闸管(GTO)，也可为半控型电力电子器件，如图5所示晶闸管，或由多个器件串联而成，如图6、图7所示。
本发明中，所述直流电源Udc与辅助电源E的获取方式如图8所示。其中，直流电源Udc由电网变压器调压后，经过不控整流电路得到；辅助电源E由电网变压器中间取抽头后，经过不控整流得到。辅助电源电压大于交流输出电压幅值的二倍，小于直流电源电压，可根据启动时的切换转速设计其电压值。
本发明中，所述改进的模块化多电平变频器的结构如图9所示，其由三相电路构成，每一相包含上下两个桥臂，每个桥臂由一个电感器L和N个结构相同的子模块堆叠而成，每个子模块包括一个半桥功率单元和一组电容器C，电缆线将顶层三个子模块的电容负极连接在一起，将底层三个子模块的电容正极连接在一起。
本发明中，所述改进的模块化多电平变频器的上桥臂子模块结构和下桥臂子模块结构分别如图10和图11所示，两种子模块的电容电压极性相同，输出端口上下桥臂对称。
本发明针对上述模块化多电平变频器启动电路，提出其启动与低速运行控制方法，所述方法包括如下步骤：
电机从静止启动，当运行在低频阶段时，需要进行电容电压波动抑制。此时输出电压幅值的二倍小于辅助电源电压时，控制串联开关始终断开，二极管处于导通状态，由电压值较小辅助电源对模块化多电平变频器进行供电，减小直流侧电压，进而减小电容电压波动；若非顶层和底层子模块的电容电压全部高于限定值时，则让其全部处于旁路状态，仅顶层和底层子模块进行投切过程；若非顶层和底层子模块的电容电压低于限定值时，则让其进入投入状态，顶部和底部子模块处于旁路状态，直至电容电压高于限定值；
电机从静止启动，当转速穿越低频阶段后，此时输出电压幅值的二倍大于辅助电源电压，串联开关切换至闭合状态，直流电源电压高于辅助电源电压，二极管处于闭锁状态，辅助电源停止供电，由直流电源对模块化多电平变频器进行供电，在传统模块化多电平变频器的控制下运行，直至到达额定转速。
图12为本发明所述模块化多电平变频器启动与低速运行方法的实施例。其中：直流母线电压Udc＝750V，辅助电源电压E＝250V，子模块个数N＝3,子模块额定电压为250V，子模块电容1.86mF，桥臂电感1mH，串联开关采用单个晶闸管，图5所示。图12为改进的模块化多电平变频器运行在极低速2.5Hz下的实例波形。在此情况下，串联开关处于断开状态，二极管D1处于导通状态；输出电流幅值为22A，大小等于额定输出电流；直流侧电流大于零，辅助电源向变频器供给能量。上下桥臂中，非顶层和底层子模块电容电压波动的幅值仅为15V，顶层和底层子模块电容电压波动幅值仅为5V，变频器实现极低速下的稳定运行。

Claims (7)

1.一种模块化多电平变频器启动电路的启动与低速运行控制方法，其特征在于所述方法用于模块化多电平变频器启动电路的启动与低速运行控制，所述模块化多电平变频器启动电路包括直流电源U dc、串联开关、二极管D1、辅助电源E和模块化多电平变频器五部分，其中：
所述辅助电源E串联二极管D1与直流电源U dc和串联开关串联的电路相并联接在改进的模块化多电平变频器的直流端；
所述模块化多电平变频器由三相电路构成，每一相包含上下两个桥臂，每个桥臂由一个电感器L和N个结构相同的子模块堆叠而成，N=3，每个子模块包括一个半桥功率单元和一组电容器C，电缆线将顶层三个子模块的电容负极连接在一起，将底层三个子模块的电容正极连接在一起；
启动与低速运行控制包括如下步骤：
电机从静止启动，当运行在低频阶段时，需要进行电容电压波动抑制，此时输出电压幅值的二倍小于辅助电源电压时，控制串联开关始终断开，二极管D1处于导通状态，由电压值小于直流电源U dc的辅助电源E对模块化多电平变频器进行供电，减小直流侧电压，进而减小电容电压波动；若非顶层和底层子模块的电容电压全部高于限定值时，则让其全部处于旁路状态，仅顶层和底层子模块进行投切过程；若非顶层和非底层子模块的电容电压低于限定值时，则让其进入投入状态，顶部和底部子模块处于旁路状态，直至电容电压高于限定值；
电机从静止启动，当转速穿越低频阶段后，此时输出电压幅值的二倍大于辅助电源电压，串联开关切换至闭合状态，直流电源电压高于辅助电源电压，二极管D1处于闭锁状态，辅助电源E停止供电，由直流电源U dc对模块化多电平变频器进行供电，在模块化多电平变频器的控制下运行，直至到达额定转速。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平变频器启动电路的启动与低速运行控制方法，其特征在于所述串联开关采用单个器件或由多个器件串联而成。
3.根据权利要求2所述的模块化多电平变频器启动电路的启动与低速运行控制方法，其特征在于所述器件为全控型电力电子器件或半控型电力电子器件。
4.根据权利要求3所述的模块化多电平变频器启动电路的启动与低速运行控制方法，其特征在于所述全控型电力电子器件为绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管或门极可关断晶闸管。
5.根据权利要求3所述的模块化多电平变频器启动电路的启动与低速运行控制方法，其特征在于所述半控型电力电子器件为晶闸管。
6.根据权利要求1所述的模块化多电平变频器启动电路的启动与低速运行控制方法，其特征在于所述直流电源U dc由电网变压器调压后，经过不控整流电路得到；辅助电源E由电网变压器中间取抽头后，经过不控整流得到。
7.根据权利要求1或6所述的模块化多电平变频器启动电路的启动与低速运行控制方法，其特征在于所述辅助电源电压大于交流输出电压幅值的二倍，小于直流电源电压。
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