CN113014081B - 直流取能电源自启动电路以及启动方法 - Google Patents

直流取能电源自启动电路以及启动方法 Download PDF

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Abstract

提供一种直流取能电源自启动电路以及启动方法，该模块化多电平换流器包括模块级联桥臂、电容桥臂和变压器，其中，该直流取能电源自启动电路包括：第一隔离开关电源、第二隔离开关电源和控制器，其中，第一隔离开关电源从所述电容桥臂取电，并为所述控制器提供启动电能，所述控制器启动后发送驱动信号至所述模块级联桥臂，以使所述变压器的一次高压侧建立交流电压；第二隔离开关电源从所述变压器的一次高压侧取电，并为所述控制器提供启动之后的工作电能。采用本发明示例性实施例的直流取能电源自启动电路以及启动方法，能够减少直流取能电源自启动电路中元件的使用数量，并降低成本。

Description

直流取能电源自启动电路以及启动方法
技术领域
本发明总体说来涉及电力电子技术领域，更具体地讲，涉及一种基于MMC(ModularMultilevel Converter，模块化多电平换流器)的直流取能电源自启动电路以及该直流取能电源自启动电路的启动方法。
背景技术
目前，电源的自启动电路适用于输入电压较低的电源，一般不超过10kV。对更高电压等级的直流取能电源的自启动问题，目前尚未存在相关研究。
如果将较低电压等级的自启动电路直接移植到10kV以上的直流取能电源系统中，其变压器的绝缘设计难度较高，且成本高、体积大，不具有实用价值。
此外，现有的电源的自启动电路一般需要多个辅助供电模块和多个取能变换模块，模块数量与功率输出模块的数量相同，并且都需要高频变压器隔离。当系统电压很高时，其所需的功率输出模块的数量很多，相应的取能变换模块和辅助供电模块的数量也会很多，导致自启动电路将非常复杂。
发明内容
本发明的示例性实施例的目的在于提供一种直流取能电源自启动电路以及启动方法，能够实现高压直流取能电源的自启动，并有效简化高压直流取能电源的自启动电路的拓扑结构。
在一个总体方面，提供一种基于模块化多电平换流器MMC的直流取能电源自启动电路，所述MMC包括连接的模块级联桥臂、电容桥臂和变压器，所述直流取能电源自启动电路包括第一隔离开关电源、第二隔离开关电源和控制器，其中，第一隔离开关电源从所述电容桥臂取电，并为所述控制器提供启动电能，所述控制器启动后发送驱动信号至所述模块级联桥臂，以使所述变压器的一次高压侧建立交流电压；第二隔离开关电源从所述变压器的一次高压侧取电，并为所述控制器提供启动之后的工作电能。
可选地，所述电容桥臂可包括串联连接的多个电容器，其中，第一隔离开关电源从所述多个电容器中的预定电容器的两端取电，所述预定电容器可为所述多个电容器中与所述变压器的一次高压侧的电位差最小的电容器。
可选地，所述预定电容器与所述变压器的一次高压侧具有共同的电位点。
可选地，所述MMC可包括单相MMC或者半桥MMC，所述变压器包括单相变压器，其中，所述单相变压器的一次高压侧的第一接线端连接到所述模块级联桥臂；所述单相变压器的一次高压侧的第二接线端与所述预定电容器的一端连接，并为所述共同的电位点，所述预定电容器的一端还连接到第一隔离开关电源的第一输入端，所述预定电容器的另一端连接到第一隔离开关电源的第二输入端，第一隔离开关电源的输出端连接到所述控制器的供电端。
可选地，第二隔离开关电源的第一输入端连接到所述单相变压器的一次高压侧的第一接线端或者第二接线端，第二隔离开关电源的第二输入端连接到所述单相变压器的一次高压侧的绕组引出的中间抽头，第二隔离开关电源的输出端连接到所述控制器的供电端，所述单相变压器的二次低压侧用于连接负载。
可选地，所述MMC可包括三相MMC，所述变压器可包括三相变压器，其中，所述预定电容器的一端连接到所述三相变压器的一次高压侧的中性点。
可选地，所述模块级联桥臂可包括第一模块级联子桥臂、第二模块级联子桥臂、第三模块级联子桥臂，其中，所述三相变压器的一次高压侧的第一接线端连接到第一模块级联子桥臂，所述三相变压器的一次高压侧的第二接线端连接到第二模块级联子桥臂，所述三相变压器的一次高压侧的第三接线端连接到第三模块级联子桥臂，所述预定电容器的一端还连接到第一隔离开关电源的第一输入端，所述预定电容器的另一端连接到第一隔离开关电源的第二输入端，第一隔离开关电源的输出端连接到所述控制器的供电端。
可选地，第二隔离开关电源的第一输入端连接到所述三相变压器的中性点，第二隔离开关电源的第二输入端连接到所述三相变压器的一次高压侧的预定绕组引出的中间抽头，第二隔离开关电源的输出端连接到所述控制器的供电端，所述三相变压器的二次低压侧用于连接负载。
可选地，第一隔离开关电源可包括直流/直流开关电源，第二隔离开关电源可包括交流/直流开关电源。
在另一总体方面，提供一种上述的直流取能电源自启动电路的启动方法，所述启动方法包括：当所述直流母线上电时，所述电容桥臂充电；第一隔离开关电源从所述电容桥臂取电，并为所述控制器提供启动电能；所述控制器启动后发送驱动信号至所述模块级联桥臂；所述变压器的一次高压侧建立交流电压；第二隔离开关电源从所述变压器的一次高压侧取电，并为所述控制器提供启动之后的工作电能。
可选地，所述启动方法可还包括：在第二隔离开关电源从所述变压器的一次高压侧取电，并为所述控制器提供工作电能之后，第一隔离开关电源停止为所述控制器供电。
采用本发明示例性实施例的直流取能电源自启动电路以及启动方法，不仅适用于输入电压较低的电源，还能够适用于高压直流取能电源，并且成本低、体积小。
附图说明
通过下面结合示例性地示出实施例的附图进行的详细描述，本发明示例性实施例的上述和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚。
图1示出根据本发明示例性实施例的直流取能电源自启动电路应用在半桥MMC中的示例图；
图2示出根据本发明示例性实施例的直流取能电源自启动电路的启动方法的流程图；
图3示出根据本发明示例性实施例的直流取能电源自启动电路应用在三相MMC中的示例图。
具体实施方式
现在，将参照附图更充分地描述不同的示例实施例，一些示例性实施例在附图中示出。
在本发明示例性实施例中为解决目前的电源自启动电路无法适用于更高电压的取能电源的自启动问题，提出一种新的直流取能电源自启动电路，该直流取能电源自启动电路可以适用于更高电压的直流取能电源，并且电路拓扑结构更为简单。
本发明示例性实施例提出的直流取能电源自启动电路应用在基于模块化多电平换流器MMC中，该MMC可包括但不限于此模块级联桥臂、电容桥臂和变压器，直流取能电源自启动电路可包括但不限于第一隔离开关电源、第二隔离开关电源和控制器。
下面基于本发明示例性实施例的直流取能电源自启动电路在不同MMC中的应用示例，来介绍该直流取能电源自启动电路的拓扑结构和工作原理。
第一种情况，直流取能电源自启动电路应用在半桥MMC中。下面参照图1来介绍该直流取能电源自启动电路应用在半桥MMC中的拓扑结构图以及工作原理。
图1示出根据本发明示例性实施例的直流取能电源自启动电路应用在半桥MMC中的示例图。
如图1所示，半桥MMC可包括但不限于模块级联桥臂1、电容桥臂2和变压器6，模块级联桥臂1的两端分别连接到直流母线的两极，电容桥臂2的两端分别连接到直流母线的两极，在本示例中，假设直流母线为30kV直流母线。
模块级联桥臂1可包括但不限于多个功率模块SM和桥臂电抗器，每个功率模块SM之间串联连接，电容桥臂2可包括但不限于多个电容器(例如，C1～C18)和多个均压电阻(例如，R1～R18)，每个电容器之间串联连接，每个均压电阻与对应的电容器并联连接。
在半桥MMC中，变压器6为单相变压器T1，单相变压器T1的一次高压侧(即，原边)的第一接线端连接到模块级联桥臂1，单相变压器T1的一次高压侧的第二接线端连接到电容桥臂2，单相变压器T1的二次低压侧(即，副边)用于连接负载7。
本发明示例性实施例的直流取能电源自启动电路包括第一隔离开关电源4、第二隔离开关电源5和控制器3。作为示例，第一隔离开关电源4可包括但不限于直流/直流(DC/DC)开关电源，第二隔离开关电源5可包括但不限于交流/直流(AC/DC)开关电源。
在该直流取能电源自启动电路中控制器3被置于变压器的一次高压侧，因此不需要考虑绝缘设计问题。此外，控制器3还可以通过光纤与模块级联桥臂中的各功率模块SM以及其他控制系统进行通信，控制器3的电能由第一隔离开关电源4或者第二隔离开关电源5来提供。
例如，第一隔离开关电源4从电容桥臂4取电，并为控制器3提供启动电能，控制器3启动后发送驱动信号至模块级联桥臂1，以使单相变压器T1的一次高压侧建立交流电压，第二隔离开关电源5从单相变压器T1的一次高压侧取电，并为控制器3提供启动之后的工作电能。
在一优选示例中，第一隔离开关电源4从电容桥臂2的多个电容器中的预定电容器的两端取电。
上述预定电容器也可以称为启动电容器，例如，可以根据第一隔离开关电源4的启动电压，选取电容桥臂2中的一个或者几个电容器作为启动电容器。优选地，预定电容器可为电容桥臂2的多个电容器中与单相变压器T1的一次高压侧的电位差最小的电容器。
也就是说，可以从电容桥臂2中选取一个或者多个电容器作为启动电容器，来为控制器3提供启动电能，由单相变压器T1的一次高压侧来为控制器3提供正常工作电能。
以图1所示为例，电容桥臂2的多个电容器中与单相变压器T1的一次高压侧的电位差最小的电容器为电容器C9和电容器C10。在本示例中，选取电容桥臂2中的电容器C9作为启动电容器，应理解，也可以选取电容器C10作为启动电容器，第一隔离开关电源4从电容器C10两端取电。
例如，第一隔离开关电源4的第一输入端可连接到电容器C9的一端，第一隔离开关电源4的第二输入端可连接到电容器C9的另一端，第一隔离开关电源4的输出端连接到控制器3的供电端。
第二隔离开关电源5的第一输入端连接到单相变压器T1的一次高压侧的第一接线端或者第二接线端，第二隔离开关电源5的第二输入端连接到单相变压器T1的一次高压侧的绕组引出的中间抽头，第二隔离开关电源5的输出端连接到控制器3的供电端，即，第一隔离开关电源4、第二隔离开关电源5的输出端并联。这里，可基于第二隔离开关电源5的启动电压来选择从单相变压器T1的一次高压侧的绕组引出中间抽头的位置，以使得当单相变压器T1的一次高压侧建立电压之后，第二隔离开关电源5能够被启动。
在一优选示例中，预定电容器可与变压器的一次高压侧具有共同的电位点。例如，可将预定电容器一端与变压器的一次高压侧的两个接线端之一相连，并为共同的电位点。
以图1所示为例，单相变压器T1的一次高压侧的第一接线端连接到模块级联桥臂1，单相变压器T1的一次高压侧的第二接线端可连接到预定电容器C9的一端。
应理解，图1所示的半桥MMC中的各器件的数量仅为示例，本发明不限于此，本领域技术人员可以根据实际需要来调整器件的数量。此外，图1示出的为直流取能电源自启动电路应用在半桥MMC中的拓扑结构图以及工作原理，但本发明不限于此，直流取能电源自启动电路还可以应用在单相MMC中，单相MMC也包括模块级联桥臂1、电容桥臂2和变压器6，在此情况下，直流取能电源自启动电路在单相MMC中的拓扑结构以及工作原理与图1所示的直流取能电源自启动电路在半桥MMC中的拓扑结构以及工作原理相同，本发明对此部分内容不再赘述。
下面参照图2来介绍图1所示的直流取能电源自启动电路的自启动工作过程。
图2示出根据本发明示例性实施例的直流取能电源自启动电路的启动方法的流程图。
参照图2，在步骤S10中，当直流母线上电时，电容桥臂2充电。换言之，以图1所示为例，当直流母线上电时预定电容器C9充电。
在步骤S20中，当电容桥臂2中的预定电容器C9两端的电压达到第一隔离开关电源4的启动电压时，第一隔离开关电源4启动，第一隔离开关电源4为控制器3提供启动电能。
当直流母线建立之后，电容桥臂2也完成充电，在此过程中，如果电容器C9两端的电压没有达到第一隔离开关电源4的启动电压，则第一隔离开关电源4不启动，如果电容器C9两端的电压达到第一隔离开关电源4的启动电压，则第一隔离开关电源4启动，为控制器3供电。
此时，电容器C9两端的电压开始跌落，电压跌落的速度以及第一隔离开关电源4的维持时间，与电容器C9的容值、电容器C9所充到的最高电压、控制器3的功耗、第一隔离开关电源4的效率、第一隔离开关电源4的关断电压有关。
例如，可利用如下公式来计算第一隔离开关电源4的维持时间：
Figure BDA0002327607210000061
公式(1)中，t表示第一隔离开关电源4的维持时间，U1表示预定电容器所充到的最高电压，P表示控制器3的功耗，η表示第一隔离开关电源4的效率，U2表示第一隔离开关电源4的关断电压，C表示预定电容器的容值。
在步骤S30中，控制器3启动，控制器3产生驱动信号，并发送至所述模块级联桥臂，控制模块级联桥臂1中的多个功率模块SM进行动作。这里，该驱动信号可指用于驱动各功率模块导通或者关断的驱动信号。
在步骤S40中，模块级联桥臂1中的各功率模块SM根据驱动信号进行动作，使得变压器T1的一次高压侧建立交流电压。
也就是说，在第一隔离开关电源4启动之后，控制器3开始工作，为各功率模块SM发送驱动信号，使得变压器T1上建立一定的交流电压。
在步骤S50中，第二隔离开关电源5从变压器T1的一次高压侧取电并启动，并为控制器3提供启动之后的工作电能。
应理解，上述从控制器3启动到第二隔离开关电源5启动的过程，需在第一隔离开关电源4的维持时间t之内完成。
在步骤S60中，在第二隔离开关电源5启动的同时，控制器3产生控制信号，并发送至第一隔离开关电源，控制第一隔离开关电源4关闭，此时，高压直流取能电源完成自启动。这里，该控制信号为用于控制第一隔离开关电源4关闭的控制指令。
也就是说，在第二隔离开关电源5从变压器T1的一次高压侧取电，并为控制器3提供工作电能之后，第一隔离开关电源4停止为控制器供电。
第二种情况，直流取能电源自启动电路应用在三相MMC中。下面参照图3来介绍该直流取能电源自启动电路应用在三相MMC中的拓扑结构图以及工作原理。
图3示出根据本发明示例性实施例的直流取能电源自启动电路应用在三相MMC中的示例图。
如图3所示，三相MMC可包括但不限于模块级联桥臂、电容桥臂和变压器，模块级联桥臂的两端分别连接到直流母线的两极，电容桥臂的两端分别连接到直流母线的两极，在本示例中，假设直流母线为30kV直流母线。
在三相MMC中，模块级联桥臂包括第一模块级联子桥臂、第二模块级联子桥臂、第三模块级联子桥臂，每个模块级联子桥臂可包括但不限于多个功率模块SM和桥臂电抗器，每个功率模块SM之间串联连接。
电容桥臂2可包括但不限于多个电容器(例如，C1～C18)和多个均压电阻(例如，R1～R18)，每个电容器之间串联连接，每个均压电阻与对应的电容器并联连接。
变压器包括三相变压器T1，三相变压器T1的一次高压侧的第一接线端连接到第一模块级联子桥臂，三相变压器T1的一次高压侧的第二接线端连接到第二模块级联子桥臂，三相变压器T1的一次高压侧的第三接线端连接到第三模块级联子桥臂，三相变压器T1的二次低压侧用于连接负载。
本发明示例性实施例的直流取能电源自启动电路包括第一隔离开关电源、第二隔离开关电源和控制器，控制器的电能由第一隔离开关电源和第二隔离开关电源来提供。作为示例，第一隔离开关电源可包括但不限于直流/直流(DC/DC)开关电源，第二隔离开关电源可包括但不限于交流/直流(AC/DC)开关电源。
例如，第一隔离开关电源从电容桥臂取电，并为控制器提供启动电能，控制器启动后发送驱动信号至模块级联桥臂，以使变压器的一次高压侧建立交流电压，第二隔离开关电源从三相变压器T1的一次高压侧取电，并为控制器提供启动之后的工作电能。
在一优选示例中，第一隔离开关电源从电容桥臂的多个电容器中的预定电容器的两端取电。
在三相MMC中，也可以根据第一隔离开关电源的启动电压，选取电容桥臂中的一个或者几个电容器作为预定电容器。
例如，预定电容器可为电容桥臂的多个电容器中与三相变压器T1的一次高压侧的电位差最小的电容器。优选地，预定电容器的一端可连接到三相变压器T1的一次高压侧的中性点。也就是说，可以选取电容桥臂中的一个或者几个电容器(通常可选取靠近中间位置的电容器)作为预定电容器，并将预定电容器的一端连接到三相变压器T1原边的中性点，作为共同的电位点。
如图3所示，假设选取电容器C9作为预定电容器，此时，可将电容器C9的一端还连接到第一隔离开关电源的第一输入端，预定电容器的另一端连接到第一隔离开关电源的第二输入端，第一隔离开关电源的输出端连接到控制器的供电端。
第二隔离开关电源的第一输入端连接到三相变压器T1的中性点，第二隔离开关电源的第二输入端连接到三相变压器T1的一次高压侧的预定绕组引出的中间抽头，第二隔离开关电源的输出端连接到控制器的供电端。
也就是说，预定电容器的一端、第一隔离开关电源的第一输入端、第二隔离开关电源的第一输入端均连接到三相变压器T1的中性点，使得三者具有具有共同的电位点。作为示例，第一隔离开关电源的第一输入端和第二隔离开关电源的第一输入端可均为电源负端。
上述预定绕组可指三相变压器T1的一次高压侧的三个绕组中的任一绕组。此外，可基于第二隔离开关电源的启动电压来选择从三变压器T1的一次高压侧的预定绕组引出中间抽头的位置，以使得当三相变压器T1的一次高压侧建立电压时，第二隔离开关电源能够被启动。
应理解，图3所示的应用于三相MMC的直流取能电源自启动电路的自启动工作过程与图1所示直流取能电源自启动电路的自启动工作过程相同，本发明对此部分内容不再赘述。
本发明示例性实施例的基于模块化多电平换流器MMC的直流取能电源自启动电路以及启动方法，可以适用于任何电压等级的直流取能电源，并且电路结构简单、成本低。
采用本发明示例性实施例的基于MMC的直流取能电源自启动电路以及启动方法，能够实现基于MMC的高压直流取能电源的自启动功能，且不受直流母线电压等级的限制。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (11)

1.一种基于模块化多电平换流器MMC的直流取能电源自启动电路，所述MMC包括连接的模块级联桥臂、电容桥臂和变压器，其特征在于，所述直流取能电源自启动电路包括第一隔离开关电源、第二隔离开关电源和控制器，
其中，第一隔离开关电源从所述电容桥臂取电，并为所述控制器提供启动电能，所述控制器启动后发送驱动信号至所述模块级联桥臂，以使所述变压器的一次高压侧建立交流电压；第二隔离开关电源从所述变压器的一次高压侧取电，并为所述控制器提供启动之后的工作电能。
2.根据权利要求1所述的直流取能电源自启动电路，其特征在于，所述电容桥臂包括串联连接的多个电容器，
其中，第一隔离开关电源从所述多个电容器中的预定电容器的两端取电，所述预定电容器为所述多个电容器中与所述变压器的一次高压侧的电位差最小的电容器。
3.根据权利要求2所述的直流取能电源自启动电路，其特征在于，所述预定电容器与所述变压器的一次高压侧具有共同的电位点。
4.根据权利要求3所述的直流取能电源自启动电路，其特征在于，所述MMC包括单相MMC或者半桥MMC，所述变压器包括单相变压器，
其中，所述单相变压器的一次高压侧的第一接线端连接到所述模块级联桥臂；所述单相变压器的一次高压侧的第二接线端与所述预定电容器的一端连接，并为所述共同的电位点，
所述预定电容器的一端还连接到第一隔离开关电源的第一输入端，所述预定电容器的另一端连接到第一隔离开关电源的第二输入端，第一隔离开关电源的输出端连接到所述控制器的供电端。
5.根据权利要求4所述的直流取能电源自启动电路，其特征在于，第二隔离开关电源的第一输入端连接到所述单相变压器的一次高压侧的第一接线端或者第二接线端，第二隔离开关电源的第二输入端连接到所述单相变压器的一次高压侧的绕组引出的中间抽头，第二隔离开关电源的输出端连接到所述控制器的供电端，所述单相变压器的二次低压侧用于连接负载。
6.根据权利要求3所述的直流取能电源自启动电路，其特征在于，所述MMC包括三相MMC，所述变压器包括三相变压器，
其中，所述预定电容器的一端连接到所述三相变压器的一次高压侧的中性点。
7.根据权利要求6所述的直流取能电源自启动电路，其特征在于，所述模块级联桥臂包括第一模块级联子桥臂、第二模块级联子桥臂、第三模块级联子桥臂，
其中，所述三相变压器的一次高压侧的第一接线端连接到第一模块级联子桥臂，所述三相变压器的一次高压侧的第二接线端连接到第二模块级联子桥臂，所述三相变压器的一次高压侧的第三接线端连接到第三模块级联子桥臂，
所述预定电容器的一端还连接到第一隔离开关电源的第一输入端，所述预定电容器的另一端连接到第一隔离开关电源的第二输入端，第一隔离开关电源的输出端连接到所述控制器的供电端。
8.根据权利要求7所述的直流取能电源自启动电路，其特征在于，第二隔离开关电源的第一输入端连接到所述三相变压器的中性点，第二隔离开关电源的第二输入端连接到所述三相变压器的一次高压侧的预定绕组引出的中间抽头，第二隔离开关电源的输出端连接到所述控制器的供电端，所述三相变压器的二次低压侧用于连接负载。
9.根据权利要求1所述的直流取能电源自启动电路，其特征在于，第一隔离开关电源包括直流/直流开关电源，第二隔离开关电源包括交流/直流开关电源。
10.一种如权利要求1-9中的任意一项所述的直流取能电源自启动电路的启动方法，其特征在于，所述启动方法包括：
当直流母线上电时，所述电容桥臂充电；
第一隔离开关电源从所述电容桥臂取电，并为所述控制器提供启动电能；
所述控制器启动后发送驱动信号至所述模块级联桥臂；
所述变压器的一次高压侧建立交流电压；
第二隔离开关电源从所述变压器的一次高压侧取电，并为所述控制器提供启动之后的工作电能。
11.根据权利要求10所述的启动方法，其特征在于，所述启动方法还包括：
在第二隔离开关电源从所述变压器的一次高压侧取电，并为所述控制器提供工作电能之后，第一隔离开关电源停止为所述控制器供电。
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