CN110661410A

CN110661410A - 一种具有保护性质的模块化多电平矩阵变换器启动方法

Info

Publication number: CN110661410A
Application number: CN201910904838.6A
Authority: CN
Inventors: 王文杰; 杭丽君; 何远彬; 卢浩; 沈磊; 陈圣伦
Original assignee: Hangzhou Electronic Science and Technology University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University; Hangzhou Electronic Science and Technology University
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2020-01-07

Abstract

本发明公开了一种具有保护性质的模块化多电平矩阵变换器启动方法，本发明将整个M3C系统启动过程整体上分为3个阶段，分别为不控整流子模块电容预充电阶段、控制子模块电容电压充电阶段、系统加载/并网阶段。本申请设定M3C系统拓扑结构，具体包括输入端依次接连断路器，电压通过限流电阻、及三相输入旁路开关，同时满足旁路开关及限流电阻并联。本发明在输入侧电压较低，需要子模块电容电压较高时，仍然尽可能满足充电要求，可以实现给子模块电容充电到比输入侧幅值微低的电压值；减小了子模块电容电压间幅值差值，降低了系统正式启动时系统的冲击电流；适合于不同类型的M3C结构，满足实际使用要求，具有极好实际应用性。

Description

一种具有保护性质的模块化多电平矩阵变换器启动方法

技术领域

本发明涉及一种模块化多电平矩阵变换器启动方法，具体方法适合任何M3C拓扑结构变换器。

背景技术

模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter,简称M3C)作为较为新型的交交变换拓扑，目前已经能够实现三相间交流变频及其他交流变换。同时，其具有模块化、多电平数等优点，兼具传统矩阵变换器(Matrix Converter)及模块化多电平(modular multilevel converter,MMC)背靠背结构二者优点的同时，在低频状态下也极具优势。除此之外，在风力发电、潮汐发电等领域，M3C因其良好的动静态特性而具有极好的应用前景。如图1所示即为M3C变换器及其子模块拓扑结构：3×3型M3C拓扑结构共有9个桥臂，每个桥臂上均由一个桥臂电感L以及若干个全桥子模块串联而成；全桥子模块由4个IGBT呈全桥式分布，并和一个电容并联。

根据M3C工作原理可知，在M3C系统进入正常工作状态之前，要对其所有子模块电容进行预充电处理，即使得所有子模块电容电压满足M3C系统正常工作时的电压分配。但实际使用中，由于M3C结构复杂，内部环流路径繁琐，预充电过程中子模块电容电压不完全均衡，使得系统即使在子模块电压达到正常值之后，在系统进行并网或突加负载时刻，往往会造成很大的冲击电流，误触发系统的过流过压保护，导致系统不能正常启动。

一般来说，涉及子模块预充电启动方式往往有自励和他励两种启动方式。他励启动方式，顾名知义，通过外接直流辅助电源及外接开关来实现对子模块电容预充电处理。自励方式则无需辅助电源，只通过交流输入侧电源实现对子模块电容的预充电处理。所以无论是理论上还是实际使用中，自励式预充电方法无疑是更好的启动方案。

目前已有的自励式预充电方法主要集中在模块化多电平变换器(MMC)系统，如专利号为CN201510968043.3的中国专利《一种模块化多电平换流器柔性直流输电系统的起动方法》提出了一种用于柔性直流输电的MMC启动方法；及专利号为CN201510433498.5的中国专利《一种基于模块化多电平变换器的单相整流器启动方法》提出了一种自励式的单相MMC预充电方00人2电容预充电方法不适合于M3C系统。

而针对M3C系统进行启动方法研究的主要有专利号为CN201210562824.9的中国专利《一种模块化多电平矩阵变换器电容预充电系统及方法》。该专利提出了一种专门针对M3C系统进行电容预充电的新方法。该方法将每个桥臂上的子模块分成前后两组，分别进行预充电处理，旨在缩短电容预充电时间。但该方法存在两个比较严重的缺点：1)当输入侧(充电电源)电压较低而输出侧电压较高时，在子模块数量较多且电容电压较高的情况下，而该方法只能将子模块电容电压充到一个相对较低的值，往往不能达到预定值，故该情况下该方法将无法使用(如在输入侧电压为300V，子模块电容电压为250V，子模块数量为2及以上)；2)由于电容内阻损耗、线路环路损耗、及其对子模块控制电源供电等因素，会使得先充好电的子模块电容电压有所下降，使得前后两组电容电压有所偏差，严重时造成桥臂能量不平衡，在系统进入正常工作时刻时，会造成较大的冲击电流。因此，在实际使用中，该方法有较大的限制。除此之外，该专利并未对系统预充电处理之外的其他启动过程中所遇到的问题进行处理。

发明内容

针对现有技术方案无法完全满足M3C系统启动过程中各种问题这一问题，本申请旨在提供一种具有更完整的理论依据及更实用的M3C系统启动方法，从而实现M3C更加稳定安全的启动方式。此外，本方法可以有效解决M3C启动过冲及子模块电容电压发散等现象。

为实现上述目的，本申请将整个M3C系统启动过程整体上分为3个阶段，分别为不控整流子模块电容预充电阶段、控制子模块电容电压充电阶段、系统加载/并网阶段。本申请设定M3C系统拓扑结构，具体包括输入端依次接连断路器，电压通过限流电阻、及三相输入旁路开关，同时满足旁路开关及限流电阻并联。

本申请的M3C系统启动方法具体步骤如下：

步骤一：闭合M3C系统输入侧断路器，闭合桥臂继电开关，断开输出侧断路器，断开输入侧旁路开关，使得输入侧限流电阻接入电路中，通过输入侧限流电阻进行充电，同时闭锁所有子模块单元开关管，断开输出侧断路器，使得M3C系统进入不控整流模式，当系统的子模块电容电压不再上升，不控整流模式结束。

步骤二：保持步骤一中断路器及充电限流电阻的旁路开关的开关状态不变，设定子模块电容电压参考值。参考值为随时间增大的线性参考，其初始值为步骤一结束后子模块电容电压值，其终值为M3C正常工作时子模块电容的额定电压值。此时，系统进入控制子模块电容电压充电阶段。该阶段M3C的控制系统启动，采用载波调制方式，使系统进入整流模式，即M3C系统输出端电压设置为零，此时桥臂电压呈阶梯PWM波。此阶段由于输入侧限流电阻的分压作用，系统桥臂电压呈三电平式PWM波。

步骤三：实时检测子模块电容电压值，当实测桥臂电流高于设定阈值时，加入桥臂电流控制环节以防止系统环流过大，当在子模块电容电压未达到系统正常工作的额定值时，重复步骤二；在子模块电容电压达到系统正常工作的额定值时，闭合输入侧限流电阻的旁路开关。此时，系统的桥臂电压增大，呈多电平式PWM波，系统输出端压仍设置为0。

步骤四：在步骤三的基础上，在系统运行平稳后，给定输出侧电压参考，因输出侧加负载与并网情况有所不同，故步骤四分以下两种情况进行：

输出侧加负载：闭合输出侧断路器，输出侧参考电压幅值以线性增长的方式逐渐从0增加到输出电压额定幅值，输出侧参考电压频率、初始相位自行给定。

输出侧并网：通过输出侧反馈及锁相环给定输出侧电压幅值及相位，作为M3C输出侧电压幅值及相位参考，系统输出电压。闭合输出侧断路器，断开输出侧限流电阻的旁路开关，检测输出电流，若输出侧电流小于设定值时，闭合输出侧限流电阻的旁路开关，同时给定输出侧电流参考，系统对输出电流进行控制，并网完成。

通过以上四个步骤，实现对M3C系统启动处理，基本实现了M3C子模块电容预充电、系统加载/并网时防止过冲的问题，该方法优势之处在于：

(1)输入侧电压较低，需要子模块电容电压较高时，仍然尽可能满足充电要求，可以实现给子模块电容充电到比输入侧幅值微低的电压值；

(2)减小了子模块电容电压间幅值差值，降低了系统正式启动时系统的冲击电流；

(3)适合于不同类型的M3C结构，满足实际使用要求，具有极好实际应用性。

(4)防止系统输出侧加负载/并网时发生电流过冲，使系统触发保护。

附图说明

图1为3×3型模块化多电平矩阵变换器(M3C)拓扑结构

图2a为M3C桥臂结构示意图，图2b为子模块单元结构示意图；

图3a为本申请的M3C输出侧为电网时启动主电路连接图，图3b为本申请的M3C输出侧为负载时启动主电路连接图，

图4为本申请的M3C启动流程图。

其中,1-模块化多电平矩阵变换器(M3C)系统；2-M3C桥臂单元；3-M3C子模块单元；4-输入侧交流电网；5-交流侧母线；6-输入侧断路器；7-输入侧限流电阻旁路开关；8-输入侧限流电阻；9-输出侧限流电阻旁路开关；10-输出侧限流电阻；11-输出侧断路器；12-输出侧交流电网；13-输出侧负载阻抗。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明所述的具体方法进行更加具体地叙述。

如图1所示，模块化多电平矩阵变换器(M3C)系统1包括9个桥臂；每个-M3C桥臂单元2包括N个子单元模块、一个桥臂电感L以及一个桥臂短路器KB，如图2a所示。图2b给出了M3C子模块单元3，具体包括4个功率开关管IGBT(S1，S2，S3，S4)，呈H桥结构，及电容器C。

如图3a所示，为M3C系统输出侧并网时M3C系统主电路接线图，具体包括交流侧母线5、输入侧断路器6、输入侧限流电阻旁路开关7、输入侧限流电阻8、输出侧限流电阻旁路开关9、输出侧限流电阻10、输出侧断路器11、输出侧交流电网12。如图3b所示，为M3C系统输出侧加负载时M3C系统主电路接线图，具体包括交流侧母线5、输入侧断路器6、输入侧限流电阻旁路开关7、输入侧限流电阻8、输出侧负载阻抗13。根据主接线图可知，并网及加负载两种情况下，系统启动并不完全相同。

如图4所示，即为本申请的M3C系统启动方法流程图。根据该流程图，本申请的M3C启动方法具体实施如下：

1：闭合M3C系统输入侧断路器，闭合桥臂继电开关，断开输出侧断路器，断开输入侧旁路开关，同时闭锁所有子模块单元开关管S1、S2、S3、S4，断开输出侧断路器，M3C系统进入不控整流模式，

2：实时检测子模块电容电压，若子模块电容电压基本保持稳定值U_c1，结束不控整流模式，系统进入控制子模块电容电压充电阶段。

3：保持断路器及充电限流电阻的旁路开关的开关状态不变，设定子模块电容电压参考值。参考值为如下公式给定：

U_cref＝U_c1+t*△u_c

式中，t为控制子模块电容电压充电所用时间，即控制子模块电容电压充电开始时t＝0。由于M3C系统往往为数字控制系统，故t的递增幅度往往为多个系统周期，可根据控制系统自行设定。△u_c为子模块电容电压参考变换幅度。故子模块电容电压参考值为线性参考，其终值为子模块电容电压正常工作时的额定幅值。

同时，输出侧电压参考设置为0。

4：实时检测子模块电容电压值，必要时加入桥臂电流控制环节以防止系统环流过大，当在子模块电容电压未达到系统正常工作的额定值时，重复步骤3。在子模块电容电压达到系统正常工作的额定值时，闭合预充电限流电阻的旁路开关。

5：在系统运行平稳后，逐渐给定输出侧电压参考，因输出侧加负载与并网情况有所不同，具体分为以下两种情况：

(1)输出侧加负载：闭合输出侧断路器及输出侧限流电阻的旁路开关，输出侧参考电压幅值以线性增长的方式逐渐从0增加到输出电压额定幅值，输出侧参考电压频率、初始相位可自行给定。输出侧幅值参考U_oref给定如下：

U_oref＝t₁*△u_o

式中，t₁为控制输出端电压幅值参考所用时间，即子模块电容电压达到额定值且闭合输入侧预充电限流电阻的旁路开关时t₁＝0。由于M3C系统往往为数字控制系统，故t₁的递增幅度往往为多个系统周期为单位，可根据控制系统自行设定。△u_o为输出侧电压幅值参考变换幅度。

(2)输出侧并网：通过输出侧反馈及锁相环给定输出侧电压幅值及相位，作为M3C输出侧电压幅值及相位参考，系统输出电压。闭合输出侧断路器，断开输出侧限流电阻的旁路开关，检测输出电流，若输出侧电流接近零时，闭合输出侧限流电阻的旁路开关，同时给定输出侧电流参考，系统对输出电流进行控制，并网完成。

6：启动完成。

上述已在附图的基础上对本发明的集体内容进行了较为详尽的描述，对并非对本申请的保护范围的限制，所属专业的相关人员应该明白，在不需付出创造性劳动即可在本申请的计算方案的基础上做出的任何修改及变形仍在本发明法保护范围之内。

Claims

1.一种具有保护性质的模块化多电平矩阵变换器启动方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：闭合M3C系统输入侧断路器，闭合桥臂继电开关，断开输出侧断路器，断开输入侧旁路开关，使得输入侧限流电阻接入电路中，通过输入侧限流电阻进行充电，同时闭锁所有子模块单元开关管，断开输出侧断路器，使得M3C系统进入不控整流模式，当系统的子模块电容电压不再上升，不控整流模式结束；

步骤二：保持步骤一中断路器及充电限流电阻的旁路开关的开关状态不变，设定子模块电容电压参考值；参考值为随时间增大的线性参考，其初始值为步骤一结束后子模块电容电压值，其终值为M3C正常工作时子模块电容的额定电压值；此时，系统进入控制子模块电容电压充电阶段；该阶段M3C的控制系统启动，采用载波调制方式，使系统进入整流模式，即M3C系统输出端电压设置为零，此时桥臂电压呈阶梯PWM波；此阶段由于输入侧限流电阻的分压作用，系统桥臂电压呈三电平式PWM波；

步骤三：实时检测子模块电容电压值，当实测桥臂电流高于设定阈值时，加入桥臂电流控制环节以防止系统环流过大，当子模块电容电压未达到系统正常工作的额定值时，重复步骤二；在子模块电容电压达到系统正常工作的额定值时，闭合输入侧限流电阻的旁路开关；此时，系统的桥臂电压增大，呈多电平式PWM波，系统输出端压仍设置为0；

输出侧加负载：闭合输出侧断路器，输出侧参考电压幅值以线性增长的方式逐渐从0增加到输出电压额定幅值，输出侧参考电压频率、初始相位自行给定；

输出侧并网：通过输出侧反馈及锁相环给定输出侧电压幅值及相位，作为M3C输出侧电压幅值及相位参考，系统输出电压；闭合输出侧断路器，断开输出侧限流电阻的旁路开关，检测输出电流，若输出侧电流小于设定值时，闭合输出侧限流电阻的旁路开关，同时给定输出侧电流参考，系统对输出电流进行控制，并网完成。