CN110798060B - 一种基于交错式分组的m3c预充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于交错式分组的M3C预充电方法，本发明在满足给M3C系统的电容电压充电的并且尽可能降低预充电时间、实现控制简单的前提下，实现输入侧(充电电源)较低而子模块电容数量较多电压较高时仍满足预充电电压达到所要求的设定值，同时满足子模块电容电压均衡。在以上分析的基础上，本发明重新制定了一种分组方法，而非简单的分为两种，同时使用交错式充电方法，尽量减小充电时差，防止充电完成后电容电压变化幅度较大。

Description

一种基于交错式分组的M3C预充电方法
技术领域
本发明涉及一种模块化多电平矩阵变换器的子模块电容预充电方法，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)作为一种新型的交-交功率变换装置，可以实现输入输出端不同的幅值、频率、功率因数的任意转换，兼具传统型矩阵变换器(MC)及模块化多电平变换器(MMC)二者优势，在高压大容量的电力电子变换中具有极大优势。此外，M3C还可以实现功率的双向转换。因此，M3C系统在日后的研究及应用上具有极大的前景。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。
同时，在系统进入正常工作状态之前，需要对子模块电容进行预充电处理，使其电压达到系统可以稳定工作的电压值。但同时，电容作为一种无源器件，在实际工作中，往往可以等效为理想电容与电阻串联等效，故此，在M3C充电过程中，及时将子模块单元处于闭锁状态下，子模块电容仍会有能量损耗，导致其子模块电容电压下降。因此，对于整个系统来说，M3C系统预充电过程所用时间越短越好。
目前，已有文献公开的充电方法多数是针对模块化多电平变换器(MMC)的，而针对M3C电容预充电方法的主要有专利号为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。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于交错式分组的M3C预充电方法，本发明在满足给M3C系统的电容电压充电的并且尽可能降低预充电时间、实现控制简单的前提下，实现输入侧(充电电源)较低而子模块电容数量较多电压较高时仍满足预充电电压达到所要求的设定值，同时满足子模块电容电压均衡。在以上分析的基础上，本发明重新制定了一种分组方法，而非简单的分为两种，同时使用交错式充电方法，尽量减小充电时差，防止充电完成后电容电压变化幅度较大。
本发明的技术方案如下：
本发明设定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；
具体步骤如下：
步骤一：根据桥臂子模块数量N、输入输出电压及其两侧电压差值，计算桥臂电压幅值Uxy及子模块电容电压最小值Ucmin，进而确定每组子模块数量最大值，即n＝min[(Uin-UL)/Ucmin]，Uin为输入侧电压幅值，UL为电路电压损耗，包括线路电压损耗及二极管压降等，n取小于或等于(Uin-UL)/Ucmin的最大整数值。
步骤二：将桥臂单元所有子模块分为a组，a＝max[N/n]，即a取大于或等于N/n的最小整数值，具体分组方法为：从输入侧计数起，第一个子模块分为第一组，第二个子模块分为第二组，以此类推，第n+1个子模块分为第一组，直到将a组分完。
步骤三：闭合M3C系统输入断路器，断开系统输入侧的旁路开关，闭合桥臂继电开关，使得限流电阻接入电路中，通过限流电阻进行充电，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系统进入整流模式；
步骤四：当子模块电容电压不再继续上升时，进入分组交错式充电模式：1)开通第二组到第a组所有子模块上侧开关管或下侧开关管，使得第二组到第a组的所有子模块单元进入旁路状态，进而对第一组子模块电容充电；2)延时2-3个输入电压周期，通过1)中所述方法继续对第二组子模块单元进行充电；3)在1)2)的基础上，继续对第三组到第a组进行分组式交错充电。步骤五：实时检测子模块电容电压，当所有子模块电容电压未达到预定值时，重复步骤四，当所有子模块电容电压达到预定值时，闭合系统输入侧的旁路开关，旁路限流电阻，退出电容预充电系统，系统将进入正常工作状态。
通过以上五个步骤，实现对M3C系统进行预充电处理，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，理论上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)前期整流模式为不控模式，后期交错式分组仍然采用不控整流式充电，控制方法简单，无需电压闭环控制；
(3)交错式分组充电，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；
(4)适合于不同类型的M3C结构，分组充电顺序可以替换。
(5)基于以上优点，本发明既实现缩短充电时间，又满足实际使用要求，具有极好实际应用性。
本发明方法前期的分组方法虽然较原先的单个充电方法及现有的分组方法复杂，但是其满足M3C系统预充电电压要求以及充电时间尽可能短的要求。之后的交错式充电方法又保证了系统的子模块电压尽可能均衡的性能，在一定程度上可减小系统的启动冲击电流。因此本发明更满足实际使用需求，具有较好的可实施性。
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3为交错式预充电桥臂单元子模块分组示意图；
图4为本发明的M3C系统的主接线图；
图5为本发明的交错式分组电容预充电流程图；
图6为本发明的电容分组预充电电压曲线图，以a＝3为例，其中U1为不控整流预充电完成后子模块电容电压，U2为系统实际需要子模块电容电压。
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-输入侧交流电源；5-交流侧母线；6-输入侧断路器；7-旁路开关；8-限流电阻；
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具体包括9个桥臂；每个M3C桥臂单元2上包括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给出了子模块单元3结构，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。
图3给出了本发明中M3C系统桥臂上子单元模块分组示意图，如图3所示，即为交错式分组：先根据正常运行情况下输入输出电压情况及桥臂子模块数量，得出子模块电容电压最小值，进而确定每组子模块数量最大值，即n＝min[(Uin-UL)/Ucmin]，Uin为输入侧电压幅值，UL为电路电压损耗，包括线路电压损耗及二极管压降等，n取小于或等于(Uin-UL)/U的最大整数值，进而确定分组数a，a＝max[N/n]，即a取大于或等于N/n的最小整数值：第一个子模块分为1组，第二个子模块分为2组，以此类推，将所有子模块分组完成。
图4给出了本发明的M3C系统的主接线图，其中，包括输入侧交流电源4、交流侧母线5，输入侧断路器6，以及并联的限流电阻8及旁路开关7。预充电过程中，闭合断路器，断开限流电阻8的旁路开关7，使得预充电过程中限流电阻起到限流作用，防止产生较大的冲击电流，对系统产生损耗。同时，整个预充电过程中，M3C系统输出侧处于断开状态或零电势状态。
图5给出了本发明中M3C系统预充电流程图，具体内容如下：
(1)闭合电路断路器、断开旁路开关，闭锁所有子模块开关管(S1，S2，S3，S4)，使得系统进入不控整流预充电阶段；
(2)检测电容电压，确认不控整流预充电阶段完成，进入交错式分组预充电阶段；
(3)对第一组子模块电容电压充电：闭合第二组到第a组所有的子模块开关管S2，S4，使得该子模块电容被旁路，继而对第一组子模块进行充电，充电3-5个输入电压周期；闭合第一组及第二组到第a组所有的子模块开关管S2，S4，使得该子模块电容被旁路，继而对第二组子模块进行充电，充电3-5个输入电压周期；以此类推，实现对所有子模块电容电压充电过程。
(4)闭合旁路开关，旁路限流电阻，系统退出电容预充电状态；
通过以上四步，实现对所有子模块电容电压充电。
图6给出了本发明的M3C交错式分组预充电的充电电压波形图。
本发明已对所属具体内容进行详细描述，但并非对本发明保护范围的限制，任何非创造性修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于交错式分组的M3C预充电方法，其特征在于，M3C为模块化多电平矩阵变换器，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：根据桥臂子模块数量N、输入输出电压及其两侧电压差值，计算桥臂电压幅值Uxy及子模块电容电压最小值Ucmin，进而确定每组子模块数量最大值n，Uin为输入侧电压幅值，UL为电路电压损耗，n取小于或等于(Uin-UL)/Ucmin的最大整数值；
步骤二：将桥臂单元所有子模块分为a组，a取大于或等于N/n的最小整数值，具体分组方法为：从输入侧计数起，第一个子模块分为第一组，第二个子模块分为第二组，以此类推，第n+1个子模块分为第一组，直到将a组分完；
步骤三：闭合M3C系统输入断路器，断开系统输入侧的旁路开关，闭合桥臂继电开关，使得限流电阻接入电路中，通过限流电阻进行充电，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系统进入整流模式；
步骤四：当子模块电容电压不再继续上升时，进入分组交错式充电模式：1)开通第二组到第a组所有子模块上侧开关管或下侧开关管，使得第二组到第a组的所有子模块单元进入旁路状态，进而对第一组子模块电容充电；2)延时2-3个输入电压周期，通过1)中所述方法继续对第二组子模块单元进行充电；3)在1)2)的基础上，继续对第三组到第a组进行分组式交错充电；步骤五：实时检测子模块电容电压，当所有子模块电容电压未达到预定值时，重复步骤四，当所有子模块电容电压达到预定值时，闭合系统输入侧的旁路开关，旁路限流电阻，退出电容预充电系统，系统将进入正常工作状态。
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