一種模塊化多電平換流器的子模塊電容預(yù)充電方法
【專利摘要】一種模塊化多電平換流器的子模塊電容預(yù)充電方法，屬于柔性直流輸電、電力電子領(lǐng)域。本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有子模塊電容預(yù)充電方法容易引發(fā)過流故障的問題。本發(fā)明所述的一種模塊化多電平換流器子模塊電容的預(yù)充電方法，控制模塊化多電平換流器直流側(cè)輸出電壓始終等于直流電源電壓的一半，使橋臂充電電流始終能夠保持穩(wěn)定，從而避免了充電過程中過流故障的發(fā)生；模塊化多電平換流器在每個(gè)階段均達(dá)到最快的充電速度，從而縮短模塊化多電平換流器的整體起動(dòng)時(shí)間，使充電效率提高了80%；整個(gè)預(yù)充電過程中充電電阻的功耗降低到10%，發(fā)熱降低了40%，因此能夠采用體積更小的電阻型號(hào)。本發(fā)明適用于為任何模塊化多電平換流器進(jìn)行起動(dòng)預(yù)充電。
【專利說明】一種模塊化多電平換流器的子模塊電容預(yù)充電方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于柔性直流輸電、電力電子領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]模塊化多電平換流器，即MMC，作為一種新型的高壓大功率電能變換技術(shù)，已日益得到了各國研究人員的廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)兩電平、三電平換流器相比，MMC結(jié)構(gòu)簡單、通過增加模塊數(shù)，就能夠靈活地?cái)U(kuò)展到高電壓大功率，且其功率元件能夠工作在較低的開關(guān)頻率，具備很高的能量轉(zhuǎn)換效率、很小的電壓電流尖峰、以及非常低的輸出電壓諧波含量等優(yōu)點(diǎn)，十分適用于柔性直流輸電等高壓大功率電能變換的場(chǎng)合。
[0003]在三相MMC電路結(jié)構(gòu)中，其每相中包含上下兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由N個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊和一個(gè)電感器串聯(lián)而成，每個(gè)子模塊為半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包含兩個(gè)絕緣柵雙極晶體管IGBT和一組電容器。MMC穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，同一橋臂中所有子模塊的電容電壓之和應(yīng)等于MMC的直流側(cè)電壓。因此在MMC運(yùn)行之前，務(wù)必要先對(duì)各子模塊的電容器進(jìn)行預(yù)充電，將各子模塊電容電壓充電至額定電壓。
[0004]針對(duì)MMC中子模塊電容起動(dòng)預(yù)充電的問題，專利CN101795057A《無需輔助直流電源的三相模塊化多電平換流器起動(dòng)方法》，專利CN102969882A《一種模塊化多電平柔性直流輸電換流器的啟動(dòng)方法》，專利CN102170140A《一種模塊化多電平換流器柔性直流輸電系統(tǒng)的起動(dòng)方法》，專利CN102832801A《一種模塊化多電平變換器電容分組預(yù)充電的系統(tǒng)及方法》中，分別提及了相應(yīng)的起動(dòng)充電控制方法，但這些方法都是依靠從交流電網(wǎng)吸取能量，并沒有指出MMC從直流側(cè)起動(dòng)充電的方法。對(duì)于MMC在不與交流電網(wǎng)相連的情況下，如電力系統(tǒng)的“黑啟動(dòng)”過程、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等場(chǎng)合，上述預(yù)充電方法將無能為力。
[0005]專利CN103078539A《一種模塊化多電平換流器的充電方法》給出了一種從直流側(cè)啟動(dòng)MMC的方案，該方案在直流側(cè)帶電且各子模塊電容電壓穩(wěn)定后，通過實(shí)時(shí)判斷橋臂電流的大小來決定需要投入子模塊的個(gè)數(shù)，當(dāng)橋臂電流高于限定值時(shí)，增加投入的模塊數(shù)；相反，當(dāng)橋臂電流低于限定值時(shí)，減少投入的模塊數(shù)，從而在保證不引發(fā)過流的前提下使各子模塊電容快速充電。然而，該方法并沒有考慮MMC剛接入直流側(cè)電源后的充電過程。此外，該方法對(duì)橋臂電流控制的精度作用完全依賴于模塊數(shù)切換的速度，一旦系統(tǒng)切換控制的速度慢，還是會(huì)引發(fā)過流故障。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有子模塊電容預(yù)充電方法容易引發(fā)過流故障的問題，現(xiàn)提供一種模塊化多電平換流器的子模塊電容預(yù)充電方法。
[0007]一種模塊化多電平換流器的子模塊電容預(yù)充電方法是基于模塊化多電平換流器充電裝置實(shí)現(xiàn)的，該裝置包括:直流電源、電阻和接觸器；
[0008]直流電源的正極同時(shí)連接電阻的一端和接觸器的常開觸點(diǎn)的一端，電阻的另一端和接觸器的常開觸點(diǎn)的另一端同時(shí)作為模塊化多電平換流器充電裝置的直流電壓輸出端的正極，直流電源的負(fù)極作為模塊化多電平換流器充電裝置直流電壓輸出端的負(fù)極；
[0009]模塊化多電平換流器每相電路均包括上下兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂中包括η個(gè)子模塊，η為正整數(shù)，每個(gè)子模塊中均包括一個(gè)電容；
[0010]所述一種模塊化多電平換流器的子模塊電容預(yù)充電方法包括以下步驟:
[0011]步驟一:接通模塊化多電平換流器充電裝置的直流電源，當(dāng)模塊化多電平換流器每個(gè)子模塊中的電容電壓Usm均上升到能夠使每個(gè)子模塊供電時(shí)，執(zhí)行步驟二；
[0012]步驟二:采集位于同一橋臂中所有電容的端電壓，并求和獲得Σ Usml，然后執(zhí)行步驟三； [0013]步驟三:判斷Σ Usffll≥0.5Ud。，是則執(zhí)行步驟四，否則返回步驟二，其中Udc為直流電源的電壓；
[0014]步驟四:測(cè)量直流電壓輸出端的電壓Upn，將該電壓Upn與0.5Udc作差，并將獲得的差值輸入PI調(diào)節(jié)器，經(jīng)該P(yáng)I調(diào)節(jié)器處理獲得每相橋臂電流的給定信號(hào)值<?，然后執(zhí)行步驟五；
[0015]步驟五:測(cè)量每相橋臂的電流i&，將該電流與步驟四獲得的每相橋臂電流的給定信號(hào)值/Ii/乍差，將獲得的差值輸入pi調(diào)節(jié)器，獲得第一直流側(cè)輸出電壓參考信號(hào)值Uref pnl，將uMf pnl輸入PWM調(diào)制器，獲得模塊化多電平換流器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，然后執(zhí)行步驟六；
[0016]步驟六:再次采集位于同一橋臂中所有電容此時(shí)的電壓并求和獲得Σ Usm2，然后執(zhí)行步驟七；
[0017]步驟七:判斷Σ Usffl2≥Ud。，是則執(zhí)行步驟八，否則返回步驟四；
[0018]步驟八:閉合接觸器，利用模塊化多電平換流器每相橋臂所允許的最大電流Imax和每相橋臂電流作差，將獲得的差值輸入PI調(diào)節(jié)器，經(jīng)該P(yáng)I調(diào)節(jié)器處理獲得第二直流側(cè)輸出電壓參考信號(hào)值pn2，將uMfjm2輸入PWM調(diào)制器，獲得模塊化多電平換流器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，然后執(zhí)行步驟九；
[0019]步驟九:再次采集位于同一橋臂中所有電容此時(shí)的電壓并求和獲得Σ Usm3，然后執(zhí)行步驟十；
[0020]步驟十:判斷Σ Usm3≥2Ud。，是則完成充電，否則返回步驟八。
[0021]本發(fā)明所述的一種模塊化多電平換流器子模塊電容的預(yù)充電方法，控制模塊化多電平換流器直流側(cè)輸出電壓Upn始終等于直流電源電壓Udc的一半，使橋臂充電電流始終能夠保持穩(wěn)定，從而避免了充電過程中過流故障的發(fā)生，同時(shí)保證了模塊化多電平換流器能夠按最大功率從直流電源吸收能量，加快了充電速度，降低了充電限流電阻上的功耗；模塊化多電平換流器利用兩個(gè)橋臂電感對(duì)橋臂電流進(jìn)行控制；閉合接觸器，控制模塊化多電平換流器以系統(tǒng)允許的最大橋臂電流Imax進(jìn)行充電，進(jìn)一步加快充電速度，縮短充電時(shí)間；使模塊化多電平換流器在每個(gè)階段均達(dá)到最快的充電速度，從而縮短模塊化多電平換流器的整體起動(dòng)時(shí)間，使充電效率提高了 80%;且整個(gè)預(yù)充電過程中充電電阻的功耗降低到10%，同時(shí)使其發(fā)熱降低了 40%，因此能夠采用體積更小的電阻型號(hào)。本發(fā)明適用于為任何模塊化多電平換流器進(jìn)行起動(dòng)預(yù)充電。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是三相模塊化多電平變換器的結(jié)構(gòu)示意圖；[0023]圖2是單相模塊化多電平變換器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3是含有一相橋臂電路的模塊化多電平換流器與充電裝置連接的電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4是一種模塊化多電平換流器的子模塊電容預(yù)充電方法的流程圖；
[0026]圖5是【具體實(shí)施方式】六中所述子模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖6是【具體實(shí)施方式】一中步驟五所述方法的流程框圖；
[0028]圖7是【具體實(shí)施方式】一中步驟八所述方法的流程框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]【具體實(shí)施方式】一:參照?qǐng)D3、圖4、圖6和圖7具體說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的一種模塊化多電平換流器的子模塊電容預(yù)充電方法是基于模塊化多電平換流器充電裝置實(shí)現(xiàn)的，該裝置包括:直流電源1、電阻2和接觸器3 ；
[0030]直流電源I的正極同時(shí)連接電阻2的一端和接觸器3的常開觸點(diǎn)的一端，電阻2的另一端和接觸器3的常開觸點(diǎn)的另一端同時(shí)作為模塊化多電平換流器充電裝置的直流電壓輸出端的正極，直流電源I的負(fù)極作為模塊化多電平換流器充電裝置直流電壓輸出端的負(fù)極；
[0031]模塊化多電平換流器每相電路均包括上下兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂中包括η個(gè)子模塊，η為正整數(shù)，每個(gè)子模塊中均包括一個(gè)電容；
[0032]所述一種模塊化多電平換流器的子模塊電容預(yù)充電方法包括以下步驟:
[0033]步驟一:接通模塊化多電平換流器充電裝置的直流電源1，當(dāng)模塊化多電平換流器每個(gè)子模塊中的電容電壓Usm均上升到能夠使每個(gè)子模塊供電時(shí)，執(zhí)行步驟二 ；
[0034]步驟二:采集位于同一橋臂中所有電容的端電壓，并求和獲得Σ Usml，然后執(zhí)行步驟三；
[0035]步驟三:判斷Σ Usffll≥0.5Ud。，是則執(zhí)行步驟四，否則返回步驟二，其中Udc為直流電源I的電壓；
[0036]步驟四:測(cè)量直流電壓輸出端的電壓Upn，將該電壓Upn與0.5Udc作差，并將獲得的差值輸入PI調(diào)節(jié)器，經(jīng)該P(yáng)I調(diào)節(jié)器處理獲得每相橋臂電流的給定信號(hào)值/;，然后執(zhí)行步驟五；
[0037]步驟五:測(cè)量每相橋臂的電流i&，將該電流U與步驟四獲得的每相橋臂電流的給定信號(hào)值/作差，將獲得的差值輸入PI調(diào)節(jié)器，獲得第一直流側(cè)輸出電壓參考信號(hào)值Uref pnl，將uMf pnl輸入PWM調(diào)制器，獲得模塊化多電平換流器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，然后執(zhí)行步驟六；
[0038]步驟六:再次采集位于同一橋臂中所有電容此時(shí)的電壓并求和獲得Σ Usm2，然后執(zhí)行步驟七；
[0039]步驟七:判斷Σ Usffl2≥Udc,是則執(zhí)行步驟八，否則返回步驟四；
[0040]步驟八:閉合接觸器3，利用模塊化多電平換流器每相橋臂所允許的最大電流Imax和每相橋臂電流作差，將獲得的差值輸入PI調(diào)節(jié)器，經(jīng)該P(yáng)I調(diào)節(jié)器處理獲得第二直流側(cè)輸出電壓參考信號(hào)值pn2，將uMfjm2輸入PWM調(diào)制器，獲得模塊化多電平換流器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，然后執(zhí)行步驟九；
[0041]步驟九:再次采集位于同一橋臂中所有電容此時(shí)的電壓并求和獲得Σ Usm3，然后執(zhí)行步驟十；
[0042]步驟十:判斷
【權(quán)利要求】
1.一種模塊化多電平換流器的子模塊電容預(yù)充電方法，該方法是基于模塊化多電平換流器充電裝置實(shí)現(xiàn)的，該裝置包括:直流電源(I)、電阻(2 )和接觸器(3 ); 直流電源(I)的正極同時(shí)連接電阻(2)的一端和接觸器(3)的常開觸點(diǎn)的一端，電阻(2)的另一端和接觸器(3)的常開觸點(diǎn)的另一端同時(shí)作為模塊化多電平換流器充電裝置的直流電壓輸出端的正極，直流電源(I)的負(fù)極作為模塊化多電平換流器充電裝置直流電壓輸出端的負(fù)極； 模塊化多電平換流器每相電路均包括上下兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂中包括η個(gè)子模塊，η為正整數(shù)，每個(gè)子模塊中均包括一個(gè)電容； 其特在于，所述一種模塊化多電平換流器的子模塊電容預(yù)充電方法包括以下步驟: 步驟一:接通模塊化多電平換流器充電裝置的直流電源(I )，當(dāng)模塊化多電平換流器每個(gè)子模塊中的電容電壓Usm均上升到能夠使每個(gè)子模塊供電時(shí)，執(zhí)行步驟二 ； 步驟二:采集位于同一橋臂中所有電容的端電壓，并求和獲得Σ Usml，然后執(zhí)行步驟三； 步驟三:判斷Σ Usffll ≥ 0.5Ud。，是則執(zhí)行步驟四，否則返回步驟二，其中Udc為直流電源(O的電壓； 步驟四:測(cè)量直流電壓輸出端的電壓Upn，將該電壓Upn與0.5Udc作差，并將獲得的差值輸入PI調(diào)節(jié)器，經(jīng)該P(yáng)I調(diào)節(jié)器處理獲得每相橋臂電流的給定信號(hào)值/；，然后執(zhí)行步驟五； 步驟五:測(cè)量每相橋臂的電流i&，將該電流與步驟四獲得的每相橋臂電流的給定信號(hào)值i作差，將獲得的差值輸入PI調(diào)節(jié)器，獲得第一直流側(cè)輸出電壓參考信號(hào)值uMf—pnl，將uMf pnl輸入PWM調(diào)制器，獲得模塊化多電平換流器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，然后執(zhí)行步驟六； 步驟六:再次采集位于同一橋臂中所有電容此時(shí)的電壓并求和獲得Σ Usm2，然后執(zhí)行步驟七； 步驟七:判斷Σ Usffl2 ^ Ud。，是則執(zhí)行步驟八，否則返回步驟四； 步驟八:閉合接觸器(3)，利用模塊化多電平換流器每相橋臂所允許的最大電流Imax和每相橋臂電流作差，將獲得的差值輸入PI調(diào)節(jié)器，經(jīng)該P(yáng)I調(diào)節(jié)器處理獲得第二直流側(cè)輸出電壓參考信號(hào)值pn2，將uMfjm2輸入PWM調(diào)制器，獲得模塊化多電平換流器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，然后執(zhí)行步驟九； 步驟九:再次采集位于同一橋臂中所有電容此時(shí)的電壓并求和獲得Σ Usm3，然后執(zhí)行步驟十； 步驟十:判斷Σ Usm3 ^ 2Ud。，是則完成充電，否則返回步驟八。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模塊化多電平換流器的子模塊電容預(yù)充電方法，其特征在于，步驟三所述橋臂電流的給定信號(hào)值的表達(dá)式為:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模塊化多電平換流器的子模塊電容預(yù)充電方法，其特征在于，步驟四所述第一直流側(cè)輸出電壓參考信號(hào)值Uref pnl的表達(dá)式為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模塊化多電平換流器的子模塊電容預(yù)充電方法，其特征在于，步驟六所述第二直流側(cè)輸出電壓參考信號(hào)值Uref pn2的表達(dá)式為:
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的一種模塊化多電平換流器的子模塊電容預(yù)充電方法，其特征在于，所述模塊化多電平變換器每相電路均包括上橋臂(4)、下橋臂(7)、第一電感(5)和第二電感(6),上橋臂(4)的電壓輸出端連接第一電感(5)的一端,第一電感(5)的另一端連接第二電感(6)的一端，第二電感(6)的另一端連接下橋臂(7)的電壓輸入端，上橋臂(4)的電壓輸入端作為該相電路的電壓輸入端，下橋臂(7)的電壓輸出端作為該相電路的電壓輸出端；上橋臂(4)和下橋臂(7)的結(jié)構(gòu)完全相同； 所述上橋臂(4)包括η個(gè)完全相同的子模塊，η個(gè)子模塊依次串聯(lián)，所述第一個(gè)子模塊的電壓輸入端作為上橋臂的電壓輸入端，第η個(gè)子模塊的電壓輸出端作為上橋臂的電壓輸出端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的一種模塊化多電平換流器的子模塊電容預(yù)充電方法，其特征在于，所述每個(gè)子模塊均包括:電容(8)、第一絕緣柵雙極型晶體管(9)和第二絕緣柵雙極型晶體管(10)，電容(8)的一端連接第一絕緣柵雙極型晶體管(9)的電壓輸入端，電容(8)的另一端連接第二絕緣柵雙極型晶體管(10)的電壓輸出端，第一絕緣柵雙極型晶體管(9)的電壓輸出端連接第二絕緣柵雙極型晶體管(10)的電壓輸入端，第二絕緣柵雙極型晶體管(10)的電壓輸入端作為該模塊的電壓輸入端，第二絕緣柵雙極型晶體管(10)的電壓輸出端作為該模塊的電壓輸出端。
【文檔編號(hào)】H02M1/36GK103595237SQ201310626851
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】徐殿國, 李彬彬, 徐聃聃, 楊榮峰 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 臺(tái)達(dá)電子企業(yè)管理（上海）有限公司