專利名稱：一種模塊化多電平矩陣變換器電容預充電系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種模塊化多電平矩陣變換器電容預充電系統及方法。
背景技術：
模塊化多電平矩陣變換器(ModularMultilevel Matrix Converter, MMMC 或M3C)拓撲采用級聯式、模塊化、矩陣式結構，無需功率器件直接串聯便可得到多電平的階梯電壓，具有較低的dU/dt和較低的電壓諧波含量，采用交-交變換技術，在中/高壓大容量變頻系統中具有廣闊的應用前景。如圖I所示為3x3型三相CM3C變換器拓撲結構，圖中，三相輸入/輸出之間分別通過9個矩陣單元相連，每個矩陣單元由N個子模塊(Sub-modular, SM)和電感級聯而成,如圖Ia所示,各子模塊SM為H橋結構,如圖Ib所示，子模塊直流側并聯有相同的電容器C。公開號為CN102545644A的中國專利公開的《一種矩陣式交-交高壓變頻器拓撲結構》，提出一種具有三相稀疏矩陣結構的M3C及3X2、2X3和2X2型M3C結構。在系統正常運行時，上述M3C各子模塊電容電壓需要穩定在其額定電壓附近，因此，在系統正常運行之前，必須對子模塊SM電容器C進行預充電，使電容電壓達到或接近其額定電壓。現有文獻公開的子模塊電容預充電方法都是針對模塊化多電平變換器(MMC)，如在《中國電機工程學報》2009年第29卷第30期1-6頁刊登的“新型多電平VSC子模塊電容參數與均壓策略”一文(作者丁冠軍等)提及了種簡要的利用輔助電源的它勵充電方式；如公開號為CN101795057A的中國專利公開的《無需輔助直流電源的二相模塊化多電平換流器起動方法》，提出一種在無需輔助直流電源的情況下，三相模塊化多電平換流器的自勵充電力法；如公開號為CN102170140A的中國專利公開的《一種模塊化多電平換流器柔性直流輸電系統的起動方法》，提出了一種用于柔性直流輸電的MMC起動方法。而這種MMC拓撲結構是一種交-直-交變換器結構，與M3C交-交變換器具有本質區別，因此現有MMC電容預充電方法不適合于M3C系統。

發明內容
本發明的目的就是為了解決上述問題，提供一種模塊化多電平矩陣變換器電容預充電系統及方法，解決了 M3C的電容預充電和M3C系統起動問題，它具有大大縮短電容預充電時間、降低限流電阻功率損耗和控制簡單的優點。為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案—種模塊化多電平矩陣變換器電容預充電系統，它包括模塊化多電平矩陣變換器M3C,所述模塊化多電平矩陣變換器M3C的輸入端依次與串聯起動限流電阻R、旁路開關Kl及斷路器K2和交流電源連接，所述模塊化多電平矩陣變換器M3C的輸出端懸空。一種模塊化多電平矩陣變換器電容預充電系統的分組預充電方法，具體步驟為步驟一將模塊化多電平矩陣變換器M3C中各矩陣單元中的H橋子模塊分為兩組，其中每個矩陣單元中的第一個H橋子模塊至第N/2個H橋子模塊分為第一組，當N為奇數時采用四舍五入的方法進行取整處理，將每個矩陣單元中的其余H橋子模塊分為第二組；步驟二 閉鎖所有H橋子模塊的開關管Sal、Sa2、Sbl和Sb2，斷開旁路開關K1，閉合交流電源和斷路器K2，系統首先進入不控整流預充電階段；步驟三當電容充電使所有H橋子模塊SM開關管的控制電源工作正常后，轉入分組預充電階段；步驟四通過控制觸發所述模塊化多電平矩陣變換器M3C的兩組H橋子模塊的a、b橋臂的下開關管Sa2和Sb2，實現分組預充電；步驟五閉合旁路開關Kl，對限流電阻R實施旁路，系統退出電容預充電狀態。所述預充電方法為觸發所述模塊化多電平矩陣變換器M3C的第二組H橋子模塊的下開關管Sa2和Sb2導通，觸發所述模塊化多電平矩陣變換器M3C的第一組H橋子模塊的下開關管Sa2或者Sb2導通,系統對M3C的第一組H橋子模塊電容充電，當M3C第一組H橋子模塊電容電壓達到其設定值時，第一組充電完畢，此時閉鎖模塊化多電平矩陣變換器M3C第二組H橋子模塊的下開關管Sb2或者Sa2，觸發模塊化多電平矩陣變換器M3C的第一組H橋子模塊的下開關管Sa2和Sb2導通，系統對模塊化多電平矩陣變換器M3C的第二組H橋子模塊電容充電，當模塊化多電平矩陣變換器M3C第二組H橋子模塊電容電壓達到其設定值時，第二組也充電完畢，閉鎖模塊化多電平矩陣變換器M3C所有開關管，模塊化多電平矩陣變換器M3C的所有H橋子模塊電容預充電結束。所述步驟四中，對模塊化多電平矩陣變換器M3C中各組的電容充電順序能互換。本發明的有益效果(I)采用分組預充電，不管變換器有幾相，也不管矩陣單元含有多少個H橋子模塊，對于模塊化多電平矩陣變換器M3C的H橋子模塊僅分為兩組，大大縮短了充電時間；(2)本發明方法，在限流電阻上電壓降遠小于每次僅對單個子模塊充電時的電壓降，因此大大降低了限流電阻的功率；(3)不需要對充電電流方向進行檢測，控制簡單；(4)不需要投入電容電壓閉環控制，實現方便； (5) H橋子模塊控制電源可由電容電壓高位取能供電，不需要外部控制電源。


圖I是3X3型模塊化多電平矩陣變換器M3C拓撲結構示意圖；圖Ia是圖I的矩陣單元電路結構圖；圖Ib是圖I的H橋子模塊電路原理圖；圖2是本發明的模塊化多電平矩陣變換器M3C電容預充電H橋子模塊分組示意圖；圖3是本發明的模塊化多電平矩陣變換器M3C電容預充電主電路連接圖；圖4是本發明的電容分組預充電流程圖；圖5是本發明的電容分組預充電電壓曲線圖。其中，I.模塊化多電平矩陣變換器M3C, 2.模塊化多電平矩陣變換器M3C的矩陣單元，3.H橋子模塊，4.限流電阻R，5.旁路開關Kl，6.斷路器Κ2，7.交流電源。
具體實施方式
下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。
如圖I所示，給出了一種3X 3模塊化多電平矩陣變換器M3C拓撲結構示意圖，其 中，有9個矩陣單元，每個矩陣單元由N個H橋子模塊3SM與電抗器L串聯而成；圖Ia給出 了矩陣單元的結構圖，圖Ib給出了 H橋子模塊3的拓撲結構圖，由a和b兩個橋臂組成，a 橋臂由上/下兩個帶反并聯二極管的功率開關管(Sal和Sa2)串聯組成，b橋臂由上/下兩 個帶反并聯二極管的功率開關管(Sbl和Sb2)串聯組成，a和b兩個橋臂并聯后再與電容器 C并聯。
如圖2所示，模塊化多電平矩陣變換器IM3C的H橋子模塊分組示意圖，其中，第一 組H橋子模塊3為每個矩陣單元2的I至N/2號H橋子模塊3，余下的H橋子模塊3為第二 組，N為偶數時，第一組和第二組H橋子模塊3數量相等，N為奇數時，每個矩陣單元2的第 一組和第二組H橋子模塊3SM數量相差一個，N/2可以采用截尾或四舍五入進行取整處理。
圖3給出了本發明的模塊化多電平矩陣變換器IM3C主電路接線圖，其中，限流電 阻4R起到電容預充電的限流作用，防止電容預充電過程對電網產生電流沖擊，旁路開關 5K1實現預充電結束后對限流電阻IR實施旁路，旁路開關5K1與限流電阻4R并聯，與斷路 器6K2串聯，串接在電源7與變換器IM3C的輸入之間，變換器IM3C的輸輸出懸空。
圖4給出了是本發明的模塊化多電平矩陣變換器IM3C電容分組預充電方法流程 圖。對模塊化多電平矩陣變換器IM3C電容預充電步驟具體實施如下
(I)閉鎖所有H橋子模塊3SM的開關管Sal、Sa2、Sbl和Sb2，斷開旁路開關5K1， 閉合交流電源7和斷路器6K2，系統首先進入不控整流預充電階段；
(2 )當電容充電使所有H橋子模塊3SM開關管的控制電源工作正常后，轉入分組預 充電階段；
(3)觸發所述模塊化多電平矩陣變換器IM3C的第二組H橋子模塊3SM的下開關管 Sa2和Sb2導通，觸發所述模塊化多電平矩陣變換器IM3C的第一組H橋子模塊3SM的下開 關管Sa2 (或者Sb2)導通，系統對變換器IM3C的第一組H橋子模塊3SM電容充電，當變換 器IM3C第一組H橋子模塊3SM電容電壓達到其設定值時，第一組充電完畢，此時閉鎖模塊 化多電平矩陣變換器IM3C第二組H橋子模塊3SM的下開關管Sb2 (或者Sa2)，觸發模塊化 多電平矩陣變換器IM3C的第一組H橋子模塊3SM的下開關管Sa2和Sb2導通，系統對模塊 化多電平矩陣變換器IM3C的第二組H橋子模塊3SM電容充電，當模塊化多電平矩陣變換器 IM3C第二組H橋子模塊3SM電容電壓達到其設定值時，第二組也充電完畢，閉鎖模塊化多電 平矩陣變換器IM3C所有開關管，模塊化多電平矩陣變換器IM3C的所有H橋子模塊3SM電容 預充電結束。
(4)閉合旁路開關5K1，對限流電阻4R實施旁路，系統退出電容預充電狀態。
所述步驟(3)中，對模塊化多電平矩陣變換器IM3C中各組的電容充電順序能互換。
圖5給出了是本發明的電容分組預充電方法的充電電壓波形圖。
本發明的電容分組預充電方法不僅適用于3X3型模塊化多電平矩陣變換器M3C, 也適用于mXn型模塊化多電平矩陣變換器M3C及稀疏矩陣型M3C。
上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式
進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。
權利要求
1.一種模塊化多電平矩陣變換器電容預充電系統，它包括模塊化多電平矩陣變換器M3C,其特征是，所述模塊化多電平矩陣變換器M3C的輸入端依次與串聯起動限流電阻R、旁路開關Kl及斷路器K2和交流電源連接，所述模塊化多電平矩陣變換器M3C的輸出端懸空。
2.—種權利要求I所述的模塊化多電平矩陣變換器電容預充電系統的分組預充電方法，其特征是，具體步驟為 步驟一將模塊化多電平矩陣變換器M3C中各矩陣單元中的H橋子模塊分為兩組，其中每個矩陣單元中的第一個H橋子模塊至第N/2個H橋子模塊分為第一組，當N為奇數時采用四舍五入的方法進行取整處理，將每個矩陣單元中的其余H橋子模塊分為第二組； 步驟二 閉鎖所有H橋子模塊的開關管Sal、Sa2、Sbl和Sb2，斷開旁路開關Kl，閉合交流電源和斷路器K2，系統首先進入不控整流預充電階段； 步驟三當電容充電使所有H橋子模塊SM開關管的控制電源工作正常后，轉入分組預充電階段； 步驟四通過控制觸發所述模塊化多電平矩陣變換器M3C的兩組H橋子模塊的a、b橋臂的下開關管Sa2和Sb2，實現分組預充電； 步驟五閉合旁路開關K1，對限流電阻R實施旁路，系統退出電容預充電狀態。
3.如權利要求2所述的分組預充電方法，其特征是，所述預充電方法為觸發所述模塊化多電平矩陣變換器M3C的第二組H橋子模塊的下開關管Sa2和Sb2導通，觸發所述模塊化多電平矩陣變換器M3C的第一組H橋子模塊的下開關管Sa2或者Sb2導通，系統對M3C的第一組H橋子模塊電容充電，當M3C第一組H橋子模塊電容電壓達到其設定值時，第一組充電完畢，此時閉鎖模塊化多電平矩陣變換器M3C第二組H橋子模塊的下開關管Sb2或者Sa2，觸發模塊化多電平矩陣變換器M3C的第一組H橋子模塊的下開關管Sa2和Sb2導通，系統對模塊化多電平矩陣變換器M3C的第二組H橋子模塊電容充電，當模塊化多電平矩陣變換器M3C第二組H橋子模塊電容電壓達到其設定值時，第二組也充電完畢，閉鎖模塊化多電平矩陣變換器M3C所有開關管，模塊化多電平矩陣變換器M3C的所有H橋子模塊電容預充電結束。
4.如權利要求3所述的分組預充電方法，其特征是，所述步驟四中，對模塊化多電平矩陣變換器M3C中各組的電容充電順序能互換。
全文摘要
本發明涉及一種模塊化多電平矩陣變換器電容預充電系統及方法，解決了M3C的電容預充電和M3C系統起動問題，它具有大大縮短電容預充電時間、降低限流電阻功率損耗和控制簡單的優點。它包括模塊化多電平矩陣變換器M3C，所述模塊化多電平矩陣變換器M3C的輸入端依次與串聯起動限流電阻R、旁路開關K1及斷路器K2和交流電源連接，所述模塊化多電平矩陣變換器M3C的輸出端懸空；所述預充電方法將模塊化多電平矩陣變換器M3C的H橋子模塊分為兩組，實施電容分組預充電。
文檔編號H02M1/36GK102983735SQ20121056282
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月21日 優先權日2012年12月21日
發明者王廣柱 申請人:山東大學