[发明专利]一种模块化多电平逆变器的预充电系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及悬浮电容预充电系统及方法，具体涉及一种模块化多电平逆变器的子模块中的悬浮电容的预充电系统及方法。

背景技术

模块化多电平逆变器(Modular Multilevel Converter,MMC)作为一种新型的电压源型逆变器，MMC采用严格的模块化设计，通过子模块的串联，来达到高压大功率的目的，避免了传统的两电平通过大量开关器件的直接串并联而存在的动态均压的问题，可以达到很高的电平数目，其输出波形十分接近正弦波，简化了输出滤波器的设计，在高压大功率传动等需要从公共直流母线向交流测输出能量的逆变场合备受关注。

MMC拓扑结构如图1所示，三相MMC由六个桥臂组成，每个桥臂由N个子模块和一个电抗器L串联构成，各桥臂直接与公共直流母线相连。子模块的结构如图2所示，每个子模块由两个开关管VT1、VT2和一个电容构成，其中，开关管反并联二极管，电容并联在串联的开关管两端。

因MMC的子模块中的悬浮电容在其正常工作前的电容电压为零，而MMC正常工作的前提是子模块的电容电压值在额定值U_dc/N附近波动，因此，为保证MMC正常工作，需要预先给子模块电容进行预充电，使其达到额定值，称该过程为MMC的预充电过程。

目前国内外研究的MMC预充电方法，主要是针对MMC应用于高压直流输电的场合，其两端都为交流系统，预充电时，能量一般都直接从交流系统获得，而当MMC应用于逆变场合时，因其具有公共直流母线，利用这一特点，本发明提出了一种适用于模块化多电平逆变器的预充电系统及方法。

“新型模块化多电平VSC子模块电容参数与均压策略”(中国电机工程学报，2009，29(30),1～6)提出了一种采用外部辅助电源依次给单个子模块进行充电的预充电方法，具体实施方法是：将大约为子模块额定电容电压的外部辅助电源跨接在MMC的母线两侧，首先给各相2N个子模块的VT1发送关断信号，除待充电子模块外，给其余2N-1个子模块的VT2发送开通信号，等到该子模块电容电压等于额定电压时，其充电完毕，此时给该子模块的VT2发送开通信号，给下一个待充电子模块的VT2发送关断信号，开始下一个子模块的预充电过程，依次类推，2N次预充电后，MMC预充电完成。该预充电方法需要专门的辅助电源，在高压大功率场合不宜实现，并且每次只给一个子模块充电，充电时间较长，存在前期进行充电的子模块电容放电比较严重的现象。

“无需辅助直流电源的三相模块化多电平换流器启动方法”(专利申请阶段，公开号：CN101795057A)，提出了一种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方法，该方法用交流系统线电压代替上文中的直流电源，通过检测桥臂电流流向和子模块电容电压控制子模块的开关状态，完成换流器的子模块的充电。具体实施过程为：通过限流电阻将交流电压引至变换器，给所有子模块上开关器件VT1给予关断信号，给所有子模块下开关器件VT2给予触发信号，检测各桥臂的电流，当电流与充电方向一致时，给待充电子模块下开关器件VT2予关断信号，该子模块充电。当电流与充电方向相反时，保持该子模块下开关器件处于关断状态，该子模块电容电压得以保持，如此反复，待子模块电容电压达到额定时，触发导通该子模块下开关器件VT2，该子模块的充电完毕，可转而对下一个子模块进行充电，重复上述步骤，直至桥臂所有的子模块电容电压均达到额定值附近，变换器子模块电容完成充电。但该方法在变换器各桥臂充电过程中，每次仅单个模块投入充电，变换器的充电时间增倍，并且在电容充电过程中需要检测电容电压值与桥臂电流方向，控制比较复杂。