专利名称：一种模块化多电平矩阵变换器电容预充电系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种模块化多电平矩阵变换器电容预充电系统及方法。
背景技术：
模块化多电平矩阵变换器(ModularMultilevel Matrix Converter, MMMC 或M3C)拓扑采用级联式、模块化、矩阵式结构，无需功率器件直接串联便可得到多电平的阶梯电压，具有较低的dU/dt和较低的电压谐波含量，采用交-交变换技术，在中/高压大容量变频系统中具有广阔的应用前景。如图I所示为3x3型三相CM3C变换器拓扑结构，图中，三相输入/输出之间分别通过9个矩阵单元相连，每个矩阵单元由N个子模块(Sub-modular, SM)和电感级联而成,如图Ia所示,各子模块SM为H桥结构,如图Ib所示，子模块直流侧并联有相同的电容器C。公开号为CN102545644A的中国专利公开的《一种矩阵式交-交高压变频器拓扑结构》，提出一种具有三相稀疏矩阵结构的M3C及3X2、2X3和2X2型M3C结构。在系统正常运行时，上述M3C各子模块电容电压需要稳定在其额定电压附近，因此，在系统正常运行之前，必须对子模块SM电容器C进行预充电，使电容电压达到或接近其额定电压。现有文献公开的子模块电容预充电方法都是针对模块化多电平变换器(MMC)，如在《中国电机工程学报》2009年第29卷第30期1-6页刊登的“新型多电平VSC子模块电容参数与均压策略”一文(作者丁冠军等)提及了种简要的利用辅助电源的它励充电方式；如公开号为CN101795057A的中国专利公开的《无需辅助直流电源的二相模块化多电平换流器起动方法》，提出一种在无需辅助直流电源的情况下，三相模块化多电平换流器的自励充电力法；如公开号为CN102170140A的中国专利公开的《一种模块化多电平换流器柔性直流输电系统的起动方法》，提出了一种用于柔性直流输电的MMC起动方法。而这种MMC拓扑结构是一种交-直-交变换器结构，与M3C交-交变换器具有本质区别，因此现有MMC电容预充电方法不适合于M3C系统。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种模块化多电平矩阵变换器电容预充电系统及方法，解决了 M3C的电容预充电和M3C系统起动问题，它具有大大缩短电容预充电时间、降低限流电阻功率损耗和控制简单的优点。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案—种模块化多电平矩阵变换器电容预充电系统，它包括模块化多电平矩阵变换器M3C,所述模块化多电平矩阵变换器M3C的输入端依次与串联起动限流电阻R、旁路开关Kl及断路器K2和交流电源连接，所述模块化多电平矩阵变换器M3C的输出端悬空。一种模块化多电平矩阵变换器电容预充电系统的分组预充电方法，具体步骤为步骤一将模块化多电平矩阵变换器M3C中各矩阵单元中的H桥子模块分为两组，其中每个矩阵单元中的第一个H桥子模块至第N/2个H桥子模块分为第一组，当N为奇数时采用四舍五入的方法进行取整处理，将每个矩阵单元中的其余H桥子模块分为第二组；步骤二 闭锁所有H桥子模块的开关管Sal、Sa2、Sbl和Sb2，断开旁路开关K1，闭合交流电源和断路器K2，系统首先进入不控整流预充电阶段；步骤三当电容充电使所有H桥子模块SM开关管的控制电源工作正常后，转入分组预充电阶段；步骤四通过控制触发所述模块化多电平矩阵变换器M3C的两组H桥子模块的a、b桥臂的下开关管Sa2和Sb2，实现分组预充电；步骤五闭合旁路开关Kl，对限流电阻R实施旁路，系统退出电容预充电状态。所述预充电方法为触发所述模块化多电平矩阵变换器M3C的第二组H桥子模块的下开关管Sa2和Sb2导通，触发所述模块化多电平矩阵变换器M3C的第一组H桥子模块的下开关管Sa2或者Sb2导通,系统对M3C的第一组H桥子模块电容充电，当M3C第一组H桥子模块电容电压达到其设定值时，第一组充电完毕，此时闭锁模块化多电平矩阵变换器M3C第二组H桥子模块的下开关管Sb2或者Sa2，触发模块化多电平矩阵变换器M3C的第一组H桥子模块的下开关管Sa2和Sb2导通，系统对模块化多电平矩阵变换器M3C的第二组H桥子模块电容充电，当模块化多电平矩阵变换器M3C第二组H桥子模块电容电压达到其设定值时，第二组也充电完毕，闭锁模块化多电平矩阵变换器M3C所有开关管，模块化多电平矩阵变换器M3C的所有H桥子模块电容预充电结束。所述步骤四中，对模块化多电平矩阵变换器M3C中各组的电容充电顺序能互换。本发明的有益效果(I)采用分组预充电，不管变换器有几相，也不管矩阵单元含有多少个H桥子模块，对于模块化多电平矩阵变换器M3C的H桥子模块仅分为两组，大大缩短了充电时间；(2)本发明方法，在限流电阻上电压降远小于每次仅对单个子模块充电时的电压降，因此大大降低了限流电阻的功率；(3)不需要对充电电流方向进行检测，控制简单；(4)不需要投入电容电压闭环控制，实现方便； (5) H桥子模块控制电源可由电容电压高位取能供电，不需要外部控制电源。
图I是3X3型模块化多电平矩阵变换器M3C拓扑结构示意图；图Ia是图I的矩阵单元电路结构图；图Ib是图I的H桥子模块电路原理图；图2是本发明的模块化多电平矩阵变换器M3C电容预充电H桥子模块分组示意图；图3是本发明的模块化多电平矩阵变换器M3C电容预充电主电路连接图；图4是本发明的电容分组预充电流程图；图5是本发明的电容分组预充电电压曲线图。其中，I.模块化多电平矩阵变换器M3C, 2.模块化多电平矩阵变换器M3C的矩阵单元，3.H桥子模块，4.限流电阻R，5.旁路开关Kl，6.断路器Κ2，7.交流电源。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图I所示，给出了一种3X 3模块化多电平矩阵变换器M3C拓扑结构示意图，其 中，有9个矩阵单元，每个矩阵单元由N个H桥子模块3SM与电抗器L串联而成；图Ia给出 了矩阵单元的结构图，图Ib给出了 H桥子模块3的拓扑结构图，由a和b两个桥臂组成，a 桥臂由上/下两个带反并联二极管的功率开关管(Sal和Sa2)串联组成，b桥臂由上/下两 个带反并联二极管的功率开关管(Sbl和Sb2)串联组成，a和b两个桥臂并联后再与电容器 C并联。
如图2所示，模块化多电平矩阵变换器IM3C的H桥子模块分组示意图，其中，第一 组H桥子模块3为每个矩阵单元2的I至N/2号H桥子模块3，余下的H桥子模块3为第二 组，N为偶数时，第一组和第二组H桥子模块3数量相等，N为奇数时，每个矩阵单元2的第 一组和第二组H桥子模块3SM数量相差一个，N/2可以采用截尾或四舍五入进行取整处理。
图3给出了本发明的模块化多电平矩阵变换器IM3C主电路接线图，其中，限流电 阻4R起到电容预充电的限流作用，防止电容预充电过程对电网产生电流冲击，旁路开关 5K1实现预充电结束后对限流电阻IR实施旁路，旁路开关5K1与限流电阻4R并联，与断路 器6K2串联，串接在电源7与变换器IM3C的输入之间，变换器IM3C的输输出悬空。
图4给出了是本发明的模块化多电平矩阵变换器IM3C电容分组预充电方法流程 图。对模块化多电平矩阵变换器IM3C电容预充电步骤具体实施如下
(I)闭锁所有H桥子模块3SM的开关管Sal、Sa2、Sbl和Sb2，断开旁路开关5K1， 闭合交流电源7和断路器6K2，系统首先进入不控整流预充电阶段；
(2 )当电容充电使所有H桥子模块3SM开关管的控制电源工作正常后，转入分组预 充电阶段；
(3)触发所述模块化多电平矩阵变换器IM3C的第二组H桥子模块3SM的下开关管 Sa2和Sb2导通，触发所述模块化多电平矩阵变换器IM3C的第一组H桥子模块3SM的下开 关管Sa2 (或者Sb2)导通，系统对变换器IM3C的第一组H桥子模块3SM电容充电，当变换 器IM3C第一组H桥子模块3SM电容电压达到其设定值时，第一组充电完毕，此时闭锁模块 化多电平矩阵变换器IM3C第二组H桥子模块3SM的下开关管Sb2 (或者Sa2)，触发模块化 多电平矩阵变换器IM3C的第一组H桥子模块3SM的下开关管Sa2和Sb2导通，系统对模块 化多电平矩阵变换器IM3C的第二组H桥子模块3SM电容充电，当模块化多电平矩阵变换器 IM3C第二组H桥子模块3SM电容电压达到其设定值时，第二组也充电完毕，闭锁模块化多电 平矩阵变换器IM3C所有开关管，模块化多电平矩阵变换器IM3C的所有H桥子模块3SM电容 预充电结束。
(4)闭合旁路开关5K1，对限流电阻4R实施旁路，系统退出电容预充电状态。
所述步骤(3)中，对模块化多电平矩阵变换器IM3C中各组的电容充电顺序能互换。
图5给出了是本发明的电容分组预充电方法的充电电压波形图。
本发明的电容分组预充电方法不仅适用于3X3型模块化多电平矩阵变换器M3C, 也适用于mXn型模块化多电平矩阵变换器M3C及稀疏矩阵型M3C。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式
进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
权利要求
1.一种模块化多电平矩阵变换器电容预充电系统，它包括模块化多电平矩阵变换器M3C,其特征是，所述模块化多电平矩阵变换器M3C的输入端依次与串联起动限流电阻R、旁路开关Kl及断路器K2和交流电源连接，所述模块化多电平矩阵变换器M3C的输出端悬空。
2.—种权利要求I所述的模块化多电平矩阵变换器电容预充电系统的分组预充电方法，其特征是，具体步骤为 步骤一将模块化多电平矩阵变换器M3C中各矩阵单元中的H桥子模块分为两组，其中每个矩阵单元中的第一个H桥子模块至第N/2个H桥子模块分为第一组，当N为奇数时采用四舍五入的方法进行取整处理，将每个矩阵单元中的其余H桥子模块分为第二组； 步骤二 闭锁所有H桥子模块的开关管Sal、Sa2、Sbl和Sb2，断开旁路开关Kl，闭合交流电源和断路器K2，系统首先进入不控整流预充电阶段； 步骤三当电容充电使所有H桥子模块SM开关管的控制电源工作正常后，转入分组预充电阶段； 步骤四通过控制触发所述模块化多电平矩阵变换器M3C的两组H桥子模块的a、b桥臂的下开关管Sa2和Sb2，实现分组预充电； 步骤五闭合旁路开关K1，对限流电阻R实施旁路，系统退出电容预充电状态。
3.如权利要求2所述的分组预充电方法，其特征是，所述预充电方法为触发所述模块化多电平矩阵变换器M3C的第二组H桥子模块的下开关管Sa2和Sb2导通，触发所述模块化多电平矩阵变换器M3C的第一组H桥子模块的下开关管Sa2或者Sb2导通，系统对M3C的第一组H桥子模块电容充电，当M3C第一组H桥子模块电容电压达到其设定值时，第一组充电完毕，此时闭锁模块化多电平矩阵变换器M3C第二组H桥子模块的下开关管Sb2或者Sa2，触发模块化多电平矩阵变换器M3C的第一组H桥子模块的下开关管Sa2和Sb2导通，系统对模块化多电平矩阵变换器M3C的第二组H桥子模块电容充电，当模块化多电平矩阵变换器M3C第二组H桥子模块电容电压达到其设定值时，第二组也充电完毕，闭锁模块化多电平矩阵变换器M3C所有开关管，模块化多电平矩阵变换器M3C的所有H桥子模块电容预充电结束。
4.如权利要求3所述的分组预充电方法，其特征是，所述步骤四中，对模块化多电平矩阵变换器M3C中各组的电容充电顺序能互换。
全文摘要
本发明涉及一种模块化多电平矩阵变换器电容预充电系统及方法，解决了M3C的电容预充电和M3C系统起动问题，它具有大大缩短电容预充电时间、降低限流电阻功率损耗和控制简单的优点。它包括模块化多电平矩阵变换器M3C，所述模块化多电平矩阵变换器M3C的输入端依次与串联起动限流电阻R、旁路开关K1及断路器K2和交流电源连接，所述模块化多电平矩阵变换器M3C的输出端悬空；所述预充电方法将模块化多电平矩阵变换器M3C的H桥子模块分为两组，实施电容分组预充电。
文档编号H02M1/36GK102983735SQ20121056282
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月21日 优先权日2012年12月21日
发明者王广柱 申请人:山东大学