模块化多电平变流器的预充电电路及其充电方法与流程

本发明涉及模块化多电平变流器预充电领域，具体地说是一种应用于模块化多电平变流器的预充电电路及其充电方法。

背景技术

伴随着社会的进步与高速发展，人们对中高压大功率输用电设备的需求日益增加。近些年，因为电力电子技术的发展，使得功率开关器件制造工艺进一步完善，其耐压耐流水平进一步提高，从而使得功率开关器件在中高压、大功率场合中的应用成为可能。不过在较大功率等级下，功率开关器件开关频率的提高有限。在传统的两电平电压源型变换器无法满足高电压大功率等级要求且开关期间没有本质突破的前提下，多电平变换器应运而生，并以其优越的输出特性成为高压大功率领域的一种有效手段，其中模块化多电平变换器便是多电平变换器中最常见的一种，其已广泛应用于高压柔性直流输电、中高压配网领域等。

模块化多电平变换器的预充电环节是其正常运行的前提。若该环节操作不当或未完成，将导致模块化多电平变换器子模块中开关器件过电压或过电流，严重时会导致功率开关器件损坏或炸裂，危及周边设备的安全和人身安全。为此，如何实现模块化多电平变换器各子模块电容电压的预充电具有十分重要的意义。

模块化多电平变换器的预充电方式，可分为自励和他励两种方式。专利cn102170140a《一种模块化多电平换流器柔性直流输电系统启动方法》、专利cn101795057a《无需辅电直流电源的三相模块化多电平换流器起动方法》等所提及的预充电方式均为自励方式，但并不适应于在输出接无源负载场合下的模块化多电平变换器。为此，专利cn103595237a《一种模块化多电平换流器的子模块电容预充电方法》、专利cn103618333a《一种模块化多电平换流器的直流侧充电方法》等所提及的预充电方式均为他励方式，能适应于在输出接无源负载场合下的模块化多电平变换器，但这些方案并不能直接将模块化多电平变换器的子模块电容电压充电至理论工作电压值附近，而且操作复杂，充电时间相对较长。

为此，提出一种高可靠、高效率的模块化多电平变换器预充电电路，对模块化多电平变换器的应用与推广具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有模块化多电平变流器预充电方式效率相对较低、且操作复杂等特点，提供一种设计合理、低成本、高可靠性的模块化多电平变流器预充电电路。

为此，本发明采用如下的技术方案：模块化多电平变流器的预充电电路，包括直流电压源dc、二极管vd、限流电阻r2、第一开关s1、第二开关s2和馈流电阻r1；

所述的直流电压源dc正极通过第一开关s1与二极管vd正极相连，二极管vd负极同时与馈流电阻r1和限流电阻r2一端相连，馈流电阻r1的另一端同时与直流电压源dc负极和模块化多电平变流器负极直流母线相连，限流电阻r2的另一端与模块化多电平变流器正极直流母线相连，第二开关s2与限流电阻r2并联。

进一步地，模块化多电平变流器拓扑为单相模块化多电平变流器拓扑或三相模块化多电平变流器拓扑。

进一步地，所述的直流电压源dc为不可接受能量倒灌的电压源。

本发明的另一技术方案是提供上述模块化多电平变流器的预充电电路的充电方法，其步骤如下：

步骤一，断开第一开关s1和第二开关s2，断开模块化多电平变流器交流侧线路开关；

步骤二，给予模块化多电平变流器各个子模块中功率开关器件正常开环运行时的驱动信号，即保证模块化多电平变流器每一相中每一时刻投入工作的子模块个数为n；

步骤三，合上第一开关s1，此时预充电开始，各个子模块电容电压uc开始上升；

步骤四，判断采集到的子模块电容电压uc的值，因uc≥0.95uc时，充电速度将明显降低，故判定此时该子模块充电完成，vdc为直流侧电压；

步骤五，合上第二开关s2，预充电阶段完成。

作为上述充电方法的补充，步骤二中，所谓开环运行时的驱动信号是指，采用载波相移调制策略，由标准正弦调制波与三角载波比较得到。

作为上述充电方法的补充，步骤四中，子模块电容电压值uc由下式得到：式中，t为充电时间，τ为时间常数。

本发明的充电电路采用硬件电路拓扑，完成模块化多电平变流器电路的子模块电容电压的预充电，无需控制策略的更改，是一种设计合理、低成本、高可靠性的预充电拓扑。

本发明的充电方法不同于传统充电方法，其无需将充电过程分为不控阶段和可控阶段，并且不需要分桥臂单独充电，可直接在预充电阶段将子模块电容电压值充至额定工作值附近；相较于传统模块化多电平预充电方式，本发明充电方法简单、快捷，使充电时间效率提高了50％，具有较大的使用价值。

附图说明

图1为本发明单相模块化多电平变流器预充电电路拓扑示意图；

图2为本发明三相模块化多电平变流器预充电电路拓扑示意图；

图3为本发明单相模块化多电平变流器子模块电容电压预充电电压仿真示意图；

图4为本发明三相模块化多电平变流器子模块电容电压预充电电压仿真示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施方式详细描述本发明。

如图1-2所示的模块化多电平变流器的预充电电路，包括直流电压源dc、二极管vd、限流电阻r2、第一开关s1、第二开关s2和馈流电阻r1。

所述的直流电压源dc为不可接受能量倒灌的电压源，直流电压源dc正极通过第一开关s1与二极管vd正极相连，二极管vd负极同时与馈流电阻r1和限流电阻r2一端相连，馈流电阻r1的另一端同时与直流电压源dc负极和模块化多电平变流器负极直流母线相连，限流电阻r2的另一端与模块化多电平变流器正极直流母线相连，第二开关s2与限流电阻r2并联。

模块化多电平变流器拓扑为单相模块化多电平变流器拓扑(见图1)或三相模块化多电平变流器拓扑(见图2)。

本发明中单相模块化多电平变流器预充电过程与三相模块化多电平变流器预充电过程完全一致。为方便阐述，将图1和图2中预充电硬件电路标识统一定义，分别为：vdc代表直流侧电压，r1代表馈流电阻，r2代表限流电阻，n为每个桥臂子模块个数。由于单相模块化多电平变流器实际运行过程中，需直流侧直流电源电压中点接地，即需要两个串联的直流电压源，直流侧电压分别为vdc1、vdc2，并有以下关系：

本发明中模块化多电平变流器预充电阶段各子模块导通时序与正常开环运行时导通时序相同，即每一相中每一时刻投入工作的子模块个数为n。

馈流电阻r1的作用是，在模块化多电平变流器预充电阶段，由于各个子模块充电电压未必完全相等，且每一相投入工作的n个子模块电容电压值之和小于直流侧电压，其将导致桥臂中产生环流，为了防止能量倒灌至直流源，需在直流源两端并联一个电阻，构成环流的回路，其电阻值理论上越大，功耗越小。

限流电路r2的作用是，限制充电过程中流过器件的电流，其值由下式决定：

式中，i代表子模块中功率开关器件的额定电流。

上述模块化多电平变流器预充电电路的充电方法，其具体实施步骤如下：

步骤一、断开第一开关s1、第二开关s2，断开模块化多电平变流器交流侧线路开关，即单相模块化多电平变流器交流侧开关s3，三相模块化多电平变流器交流侧开关s3、s4和s5。

步骤二、给予模块化多电平变流器各个子模块中功率开关器件正常开环运行时的驱动信号，即保证模块化多电平变流器每一相中每一时刻投入工作的子模块个数为n。所谓开环运行时的驱动信号是指，以采用载波相移调制(cps-spwm)策略为例，由标准正弦调制波与三角载波比较得到。

步骤三、合上第一开关s1，此时预充电开始，各个子模块电容电压uc开始上升。子模块电容电压值由下式得到：

式中，t为充电时间，τ为时间常数。

步骤四、判断采集到的子模块电容电压uc的值，因uc≥0.95uc时，充电速度将明显降低，故判定此时该子模块充电完成。

步骤五、合上第二开关s2；至此，预充电阶段完成。

由图3单相模块化多电平变流器子模块电容电压预充电电压仿真结果，图中vp1、vp2分别代表单相上桥臂两个子模块电容电压，vn1、vn2分别代表单相下桥臂两个子模块电容电压；图4三相模块化多电平变流器子模块电容电压预充电电压仿真结果，图中vp1、vp2分别代表单相上桥臂两个子模块电容电压，vn1、vn2分别代表单相下桥臂两个子模块电容电压。由仿真结果可知，本发明所提出的技术方案是可行的，且充电时间较短。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。