[发明专利]模块化多电平变频器启动电路及其启动与低速运行方法

说明书

本发明公开了一种模块化多电平变频器启动电路及其启动与低速运行方法，所述启动电路包括直流电源U_dc、串联开关、二极管D1、辅助电源E和改进的模块化多电平变频器五部分，其中：辅助电源E串联二极管D1与直流电源U_dc和串联开关串联的电路相并联接在改进的模块化多电平变频器的直流端。本发明通过外加辅助电源降低直流侧的电压值，从而大幅降低子模块的电容电压波动，且能够实现极低速下的稳定运行。与传统的注入高频成分降低电容电压波动的方法相比较，本发明一方面不需要对电机施加大幅值的共模电压，从而可保证电机的绝缘安全与使用寿命，另一方面，无需注入任何高频环流，可保证桥臂电流幅值在额定电流以内，保证了换流器的高效率。

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种模块化多电平变频器的启动与低速运行方法，具体涉及一种基于拓扑改进和外加辅助电源的模块化多电平变频器启动电路及其启动与低速运行方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，尤其是高压变频技术的发展，高压变频器在电力、化工、供水、冶金、电气交通等工业领域得到了日益广泛的应用。模块化多电平变频器(modular multilevel converter，MMC)作为一种适用于高压大功率应用场合的变频器拓扑，近些年来得到了迅速的发展。MMC与传统的高压大容量级联H桥变频器相比，保留了其大部分优点，包括模块化结构、安装维护容易、多电平电压输出、高效率等，此外MMC能够省去级联H桥变频器中结构复杂、体积笨重的多绕组移相输入变压器，交流输出也无需额外的滤波装置，有助于提高整机效率，方便扩展，安装运输简单，模块数目与功率等级不再受限制，从而可驱动更高电压、大功率等级的电机。然而，由于MMC子模块电容器是独立悬浮的，桥臂电流流过时将造成电容电压的波动，该波动近似与电机转速(运行频率)成反比，与交流输出电流幅值(转矩)成正比。特别是驱动恒转矩负载低速运行时电容电压波动将变得极为严重，导致需要的电容容量极大，造成系统成本和体积上的问题。

为抑制MMC低速运行时的电容电压波动，现有的方法一类为在桥臂中引入高频的电压和电流成分，通过上下桥臂间快速地能量交换来减小电容电压波动，如王宝安等人的专利《一种模块化多电平变换器的低频模式运行控制方法》(公开号为CN103337977A)。其实现方法为在MMC的交流输出端注入高频的共模电压，同时在桥臂中注入频率相同的高频环流。这种电容电压波动抑制方法存在两个严重的问题，其一为低频时注入的共模电压幅值非常大，会对电机造成严重的绝缘和轴电流问题，严重危害电机的使用寿命；其二是为了保证波动抑制效果，需要注入幅值较大的环流，会导致桥臂电流应力和系统损耗的增加。另外一类降低电容电压波动的方法是从拓扑改进的角度来提出，如公开号为CN105915090A的发明专利《适用于低频运行的混合型模块化多电平换流器及其控制方法》。该方法在MMC的直流母线上增加开关，通过控制开关的通断，等效得降低MMC的直流侧电压，达到减小电容电压波动的目的。该方法同样存在两个问题，一是开关的作用使得直流侧电流波形性断续，带来严重的谐波问题，需要在直流侧增加额外的滤波装置；二是由于极低速下电机电阻带来的影响，导致直流侧电压无法进一步降低，电容电压波动将变得很大，无法实现极低速甚至零速下的稳定运行，完成可靠的启动过程。

发明内容

针对上述不足，本发明提供了一种基于拓扑改进和外加辅助电源的模块化多电平变频器启动电路及其启动与低速运行方法，以大幅降低低速运行下的电容电压波动来实现可靠的启动过程。相比于现有的低速运行方法，本发明无需注入任何共模电压和环流，不会对电机造成损害，避免电流应力和损耗的增加，同时能够实现极低速下的稳定运行。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种模块化多电平变频器启动电路，包括直流电源U_dc、串联开关、二极管D1、辅助电源E和改进的模块化多电平变频器五部分，其中：

所述辅助电源E串联二极管D1与直流电源U_dc和串联开关串联的电路相并联接在改进的模块化多电平变频器的直流端；