一種基于模塊化多電平變換器的單相整流器啟動方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于模塊化多電平變換器的 單相整流器啟動方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 模塊化多電平變換器（Module Multilevel Converter)具有廣泛的應(yīng)用范圍，已 由最初的柔性直流輸電領(lǐng)域擴(kuò)展到電機(jī)驅(qū)動、靜止無功補(bǔ)償、電氣牽引、分布式發(fā)電等多個 領(lǐng)域。這使得MMC的研宄不僅僅局限于三相與輸電領(lǐng)域，單相MMC應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動、電氣牽 弓丨、單相MMC逆變器與整流器都已成為MMC另一新的研宄領(lǐng)域。而由于MMC中含有大量的 電容，在MMC正常工作之前，子模塊是沒有電壓的，所以需要對子模塊電容實(shí)行預(yù)充電，使 其電容電壓上升到額定值附近，該預(yù)充電的過程，稱為MMC的啟動過程。
[0003] 對于MMC的啟動，通常有自勵式和它勵式兩種方式。它勵式主要通過外接輔助電 源與開關(guān)，對各個模塊實(shí)行充電；自勵式則不需要額外的輔助電源，通過交流電網(wǎng)以及控制 策略，完成對于MMC子模塊電容的預(yù)充電過程。
[0004] 它勵式啟動方案由于需要額外的輔助電源，存在啟動過程繁瑣、時間長、效率低等 缺點(diǎn)。
[0005] 當(dāng)前MMC系統(tǒng)中多采用自勵式啟動方案，然而對于自勵式啟動方案的研宄不夠深 入，大多只針對于MMC應(yīng)用于柔性直流輸電的場合，對于當(dāng)MMC單獨(dú)做單相整流器且直流側(cè) 帶有大電容（mF)的場合時，MMC系統(tǒng)的啟動過程不僅僅是對子模塊電容充電，也應(yīng)該包括 直流側(cè)電容的充電。對于這類系統(tǒng)的啟動過程，目前并沒有文獻(xiàn)對其進(jìn)行研宄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本申請?zhí)峁┑氖且环N單相MMC整流器系統(tǒng)的啟動方 法，其中通過不控整流過程和能量控制過程的研宄和涉及，與現(xiàn)有產(chǎn)品相比，實(shí)現(xiàn)了 MMC系 統(tǒng)平滑穩(wěn)定快速啟動。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于模塊化多電平變換器 的單相整流器啟動方法，所述單相整流器包括相單元、直流側(cè)，所述相單元由上、下橋臂構(gòu) 成，所述上、下橋臂分別由N個子模塊和一個橋臂電感組成，所述子模塊由兩個帶有反向并 聯(lián)二極管的開關(guān)管所組成的H半橋再并聯(lián)一個電容構(gòu)成，所述上、下橋臂電感間的中點(diǎn)為 交流輸出端，與交流電源連接，所述直流側(cè)分別對上、下橋臂回路接入大電容，并與直流電 網(wǎng)連接，其特征在于，該方法包括以下步驟；
[0008] (1)不控整流過程
[0009] 所述交流電源通過所述子模塊中的開關(guān)管的反并聯(lián)二極管為所述子模塊的電容 以及所述直流側(cè)電容充電，該過程結(jié)束時，并且使得上橋臂的子模塊電壓之和V ap以及下橋 臂子模塊電壓之和Van都達(dá)到交流電壓峰值E的兩倍，直流側(cè)電容電壓之和U d。也達(dá)到交流 側(cè)電壓峰值E的兩倍；
[0010] ⑵能量控制過程
[0011] 不控整流階段結(jié)束之后，通過對交流電流的比例諧振控制，即PR控制，使交流側(cè) 輸入固定的功率，為電容充電提供能量；
[0012] 在所述單相整流器正常運(yùn)行中，會產(chǎn)生環(huán)流idiff以及環(huán)流附加參考信號V diff，采用 環(huán)流附加參考信號Vdiff控制上、下橋臂能量的和值，采用環(huán)流i diff中的基波分量與所述交 流輸出端輸出電壓乘積產(chǎn)生的一個直流量控制上、下橋臂能量的差值；
[0013] 通過對所述能量和值、所述能量差值的控制和交流電流的PR控制繼續(xù)為電容充 電，使得子模塊的電容電壓和直流側(cè)的電容電壓達(dá)到額定值，然后系統(tǒng)完成啟動過程，進(jìn)入 穩(wěn)定工作狀態(tài)。
[0014] 優(yōu)選地，所述步驟（1)具體包括以下步驟：
[0015] 1)不控整流的第一個過程，帶有軟啟動電阻的不控整流階段，通過軟啟動電阻限 制不控整流階段前期的充電電流；
[0016] 2)不控整流的第二個過程，切除軟啟動電阻的不控整流階段，最終使得上橋臂的 子模塊電壓之和V ap以及下橋臂子模塊電壓之和V m都等于交流電壓峰值E的兩倍，直流側(cè) 電容電壓之和Ud。也為交流側(cè)電壓峰值E的兩倍；
[0017] 優(yōu)選地，所述步驟（2)具體包括以下步驟：
[0018] 1)能量控制階段一，在能量控制與交流電流的PR控制作用下，交流側(cè)與直流側(cè)同 時給子模塊傳輸功率，此時環(huán)流的直流分量是由直流側(cè)流向子模塊，使得子模塊電壓迅速 上升，使得子模塊電容電壓先達(dá)到額定值；
[0019] 2)能量控制階段二，交流側(cè)把功率傳輸?shù)阶幽K中，由于能量控制的作用，子模塊 通過環(huán)流的直流分量這一載體，將功率傳輸?shù)街绷鱾?cè)，使得直流側(cè)電容電壓上升到額定值， 此時環(huán)流中直流分量的方向是從子模塊流向直流側(cè)電容。
[0020] 總體而言，按照本發(fā)明的上述技術(shù)構(gòu)思與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu) 占.
[0021] 1、提供了一種直流側(cè)帶有大電容的單相MMC整流器系統(tǒng)的啟動方法；
[0022] 2、實(shí)現(xiàn)了 MMC系統(tǒng)平滑穩(wěn)定快速啟動。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明的MMC整流器主電路結(jié)構(gòu)原理圖；
[0024] 圖2是本發(fā)明的MMC整流器硬件控制系統(tǒng)原理圖；
[0025] 圖3是本發(fā)明的MMC系統(tǒng)的啟動方法的流程圖；
[0026] 圖4是本發(fā)明的不控整流階段的子模塊中電流流向圖；
[0027] 圖5(a)是本發(fā)明的能量控制階段第一個過程子模塊電壓上升時的能量以及環(huán)流 直流分量的流向圖；
[0028] 圖5(b)是本發(fā)明的能量控制階段第二個過程直流側(cè)電壓上升時的能量以及環(huán)流 直流分量的流向圖；
[0029] 圖6是本發(fā)明的啟動過程的閉環(huán)控制框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0031] 圖1所示為本發(fā)明的MMC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。主要包括交流電源AC，交流繼電器S1， 切除軟上電電阻開關(guān)S2，軟上電電阻Rl，MMC的子模塊SM1-SM16，橋臂電抗器Larm，直流側(cè) 電容Cl、C2,直流接觸器S3,直流側(cè)負(fù)載R2。
[0032] 圖2為硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)可以分為4個部分，主要是人機(jī)接口層、實(shí) 時控制與信號處理層、變換器側(cè)。下面對于各個層面所包含的東西進(jìn)行簡要說明。
[0033] 人機(jī)接口層：主要包括一臺電腦以及上位機(jī)軟件。
[0034] 實(shí)時控制層：主要是DSP與FPGA兩個主控芯片及其外圍電路。
[0035] 信號處理層：主要包括光纖轉(zhuǎn)換板、公共信號的檢測板、繼電器的控制板與驅(qū)動 板。
[0036] 變換器側(cè)：主要就是變換器的主電路。
[0037] 下面將以一實(shí)施例說明本發(fā)明的啟動方案，其中交流側(cè)電壓有效值220V ;交流電 壓頻率50Hz ;直流側(cè)額定電壓800V ;子模塊數(shù)量16 ;子模塊額定電壓100V。
[0038] 圖3為本實(shí)施例的啟動方案流程圖。可以看出本實(shí)例的啟動方案大致可以分為4 個過程，分別為：帶有軟啟動電阻的不控整流階段，切除軟啟動電阻的不控整流階段，能量 控制過程一（子模塊電容電壓上升過程），能量控制過程二（直流側(cè)電容電壓上升過程）。
[0039] 圖4為本實(shí)施例的不控整流階段的主電路中電流的流向圖，可以看出交流電源通 過不控二極管為子模塊電容以及直流側(cè)電容充電，該過程結(jié)束時上橋臂的子模塊電壓之和 V ap和下橋臂子模塊電壓之和V an都等于622V，直流側(cè)電容電壓之和U d。也為622V。
[0040] 圖5是本發(fā)明的能量控制階段直流側(cè)電壓上升時的能量以及環(huán)流直流分量的流 向圖。
[0041] 具體地，能量控制原理可以表述如下。
[0042] 每個橋臂總能量變換的表達(dá)式為：
[0045] 式中，WapE、WanE、vapref、v mref、iap、im、Udc、e/ef、i」、i diff、Vdif^別為上橋臂的總能 量、下橋臂的總能量、上橋臂的橋臂輸出參考電壓、下橋臂的橋臂輸出參考電壓、上橋臂電 流、下橋臂電流、直流電壓、等效交流輸出參考電壓、交流電流、橋