一种模块化多电平矩阵变换器的混合式快速预充电方法与流程

本发明属于模块化多电平矩阵变换器控制，具体地说是一种模块化多电平矩阵变换器的混合式快速预充电方法。

背景技术：

1、在海上风电输电技术中，低频交流输电(lfac)因其避免了高压交流输电的电容效应问题，且无需建设昂贵的海上换流站，表现出良好的技术经济性。而模块化多电平矩阵变换器(mmmc)作为一种可实现三相ac/ac直接变换的拓扑，省去了直流环节与部分桥臂，结构更为简洁。更重要的是，mmmc能够通过调节桥臂间功率平衡，有效适应低频、大功率的运行场景，因此其在lfac系统中的应用潜力受到关注。

2、在实际运行中，mmmc投入运行前需先对各子模块电容进行预充电，使其电压上升至额定值附近。若未完成预充电，由于子模块初始电容电压较低，在启动瞬间容易产生较大的冲击电流，进而造成开关器件及相关元件损坏。根据充电能量来源的不同，预充电方式主要分为外部电源充电和网侧自充电。其中，外部电源充电需要额外配置辅助电源，成本较高；网侧自充电则直接利用网侧电压完成充电，结构更简单、成本更低，更适合工程应用。

3、传统预充电方法中，不可控整流充电方式结构简单、实现方便，然而该方法充电能力有限且充电速度较慢，仅依靠其难以使电容电压达到额定值；同时，整个充电过程缺乏主动调节能力。闭环充电方法利用闭环控制逻辑，使电容电压按照预设目标值上升，具有充电过程可控、充电时间可调等优点；但是，该方法需要一定的初始电压基础，否则在充电瞬间容易产生较大的充电冲击电流，进而影响充电过程的稳定性。另外，在输电系统中，mmmc每个桥臂的子模块数量较多，在充电功率受限的情况下，若采用整体同时充电方式，电容充电速度受限。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种模块化多电平矩阵变换器的混合式快速预充电方法，其结合分组策略、开环升压充电和闭环充电的优势，在提高充电速度的同时，保证预充电过程的安全性和可控性。

2、为此，本发明采用如下的技术方案：一种模块化多电平矩阵变换器的混合式快速预充电方法，其包括：

3、利用不可控整流方式对所有子模块电容进行短时充电，提升至子模块辅助电路所需的供电电压阈值；

4、将各桥臂子模块划分为若干组，并依次对各组进行开环升压充电，使电容电压提升至预设的初始电压；

5、在所述初始电压的基础上对所有子模块执行闭环充电控制，使电容电压快速、平滑地升至额定电压；闭环充电控制的目标值设置为斜率可调的电压斜坡目标值，根据预设充电时间调整电压上升速率；同时引入与斜率上升速率匹配的充电电流前馈值，补偿斜坡跟踪过程中的动态滞后，提高电容电压目标跟踪性能。

6、本发明将充电分为不可控整流充电、分组开环升压充电和闭环充电三个阶段。

7、进一步地，在开环升压充电阶段，通过减少单次参与充电的子模块数量提高单位时间内电容充电效率，加快整体电容电压上升速率。

8、进一步地，在开环升压充电阶段，通过改变分组数量和开关信号占空比调整充电速度，实现充电速度的控制。

9、进一步地，所述方法应用于包含9个桥臂的mmmc系统，每个桥臂有

n个子模块，其整体工作流程包括：

10、步骤一，系统端口资源完成初始化，闭锁所有子模块的驱动信号，低频网侧断路器与工频网侧断路器处于断开状态，工频网侧接入限流电阻；

11、步骤二，利用不可控整流充电方式，将所有子模块电容电压快速提升至子模块辅助电路所需的供电电压阈值，使子模块igbt进入可控状态；

12、步骤三，将各桥臂的子模块分为

g组，每组子模块数量为

n/

g，并设置计数器

cnt，用于记录充电完成组数；

13、步骤四，对各桥臂第

cnt组子模块执行开环升压充电，使该组子模块电容电压快速上升，直至满足后续闭环充电控制需求的初始电压，同时实时检测电容电压实际值是否满足要求；此阶段，旁路其余组子模块；

14、步骤五，当第

cnt组完成充电后，对计数器

cnt进行累加，并判断更新后的计数器是否超出子模块分组总数

g；若是，则判定全部子模块组完成开环升压充电，进入步骤六；若否，则返回至步骤四，对下一组子模块电容进行充电；

15、步骤六，对所有子模块执行闭环充电控制策略，使子模块电容电压由初始电压快速、平滑地上升至额定电压，同时实时执行电容电压检测程序。

16、进一步地，步骤四中，mmmc等效拆分为三个星形连接的子变换器，三个子变换器视为并联运行；对各桥臂第

cnt组子模块施加相同的触发信号，使其形成一致的电容充电路径，该组子模块包括旁路和投入两种工作状态：当子模块处于旁路状态时，网侧电源给电感充电；当子模块处于投入状态时，网侧电源与电感同时向子模块电容充电；通过施加一定频率及占空比的开关信号实现升压充电，开关信号占空比

d与每个子模块最高可充电电压关系式为：

17、

18、式中，

uboost,max为子模块最高可充电电压，

ur,rms为相电压有效值；为提高充电效率，初始电压

uc,init<

uboost,max。

19、进一步地，步骤六中，闭环充电控制策略复用mmmc稳态运行时的工频网侧控制模块、桥臂间电容电压平衡模块及调制模块，仅通过切换参考值生成方式和调制使能逻辑以实现闭环充电控制。

20、更进一步地，所述的闭环充电控制策略具体为：闭锁低频网侧控制模块；根据预设充电时间生成子模块电容的电压斜坡目标值，通过电压外环对该电压斜坡目标值进行跟踪，生成工频网侧电流内环d轴电流参考值，进而计算出桥臂电压参考量；同时，利用桥臂间电容电压平衡模块对不同桥臂子模块电容电压进行实时均衡控制，以保证各桥臂充电状态一致；最后，调制模块依据各桥臂电压参考量生成每个子模块的脉冲信号。

21、再进一步地，电压外环控制律表达式为：

22、

23、式中，为工频网侧电流内环d轴电流参考值，为桥臂电容电压矩阵经-变换得到的零序-零序分量；为充电电流前馈值；为子模块电容的电压斜坡目标值；为pi控制器的比例增益；为pi控制器的积分增益。

24、再进一步地，电压斜坡目标值的上升斜率表示为：

25、

26、式中，

tc为闭环充电阶段的充电时间，

uc,init为初始电压，

uc,ref为额定电压。

27、再进一步地，为提高斜坡目标跟踪性能，在电压外环中引入充电电流前馈值，该充电电流前馈值的计算公式为：

28、

29、式中，

csub为单个子模块电容容值，表示工频网侧电压d轴分量。

30、本发明具有的有益效果如下：

31、1、本发明在闭环充电控制的初始电容电压建立阶段，采用分组开环升压充电策略。其中，分组策略在充电功率受限的情况下，可通过减少单次参与充电的子模块数量，能够提高单位时间内电容充电效率，从而加快整体电容电压上升速度；同时，该阶段可通过调节分组数量和开关信号占空比

d实现对充电速度的控制。

32、2、本发明采用闭环充电方式将子模块电容电压快速提升至额定电压。其中，闭环控制过程的目标值设置为斜率可调的斜坡信号，可根据预设充电时间灵活调整电压上升速率，提高了充电过程的平滑性与可控性；同时，引入与斜坡上升速率相匹配的充电电流前馈值，补偿斜坡跟踪过程中的动态滞后，提高电容电压目标跟踪性能。

33、3、本发明充分结合了分组策略、开环升压充电与闭环充电方式的优势，实现了子模块初始电容电压基础的快速建立，以及后续电容电压的平滑提升，从而提高了mmmc系统预充电过程的稳定性与启动安全性。