模块化多电平逆变器预充电控制策略.pdf
第45卷 第2期 2 0 1 9年2月 工矿自动化 In d u s t r y a n d M i n e A u t o m a t i o n Vo l . 4 5N o . 2 F e b. 2 0 1 9 文章编号1 6 7 1-25 1 X(2 0 1 9)0 2-00 6 0-05 D O I1 0. 1 3 2 7 2/ j . i s s n. 1 6 7 1-25 1 x. 2 0 1 8 0 8 0 0 3 1 模块化多电平逆变器预充电控制策略 朱奇先1, 齐刚2, 魏永武1, 王兴贵2 ( 1. 大型电气传动系统与装备技术国家重点实验室,甘肃 天水 7 4 1 0 2 0; 2. 兰州理工大学 电气工程与信息工程学院,甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0) 摘要 针对矿井提升机运行特点, 采用由模块化多电平整流器和模块化多电平逆变器构成的背靠背模块 化多电平变流器用于矿井提升机控制; 针对目前通过直流侧对模块化多电平逆变器进行预充电的控制研究 较少的问题, 提出了一种模块化多电平逆变器预充电控制策略。该控制策略通过控制充电电流来控制子模 块充电状态, 使子模块电容充电至模块化多电平变流器稳定运行时的电压要求, 同时将充电电流和充电过程 中产生的过电压限定在安全范围内, 使充电时间最短。仿真结果验证了该控制策略的有效性。 关键词 矿井提升机;模块化多电平逆变器;预充电控制;充电电流;直流侧;电容电压 中图分类号T D 6 3 3 文献标志码A 网络出版地址h t t p / /k n s . c n k i . n e t /k c m s/d e t a i l/3 2. 1 6 2 7. T P. 2 0 1 9 0 1 2 4. 1 4 5 4. 0 0 5. h t m l Pr e-ch a r g i n g c o n t r o l s t r a t e g y o f m o d u l a r m u l t i l e v e l i n v e r t e r ZHU Q i x i a n 1, Q I G a n g 2, WE I Y o n g w u 1, WANG X i n g g u i 2 ( 1 . S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f L a r g e E l e c t r i c D r i v e S y s t e m a n d E q u i p m e n t T e c h n o l o g y, T i a n s h u i 7 4 1 0 2 0,C h i n a;2. C o l l e g e o f E l e c t r i c a l a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g, L a n z h o u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,L a n z h o u 7 3 0 0 5 0,C h i n a ) A b s t r a c tA c c o r d i n g t o o p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f m i n e h o i s t,a b a c k -to-ba c k m o d u l a r m u l t i l e v e l c o n v e r t e r c o m p o s e d o f m o d u l a r m u l t i l e v e l r e c t i f i e r a n d m o d u l a r m u l t i l e v e l i n v e r t e r w a s u s e d f o r c o n t r o l o f m i n e h o i s t . I n v i e w o f c u r r e n t r e s e a r c h o n p r e-ch a r g i n g c o n t r o l f o r m o d u l a r m u l t i-le v e l i n v e r t e r t h r o u g h D C s i d e w a s l e s s,ap r e-ch a r g i n g c o n t r o l s t r a t e g y o f m o d u l a r m u l t i l e v e l i n v e r t e r w a s p r o p o s e d . C h a r g i n g s t a t e o f s u b-mo d u l e i s c o n t r o l l e d b y c o n t r o l l i n g c h a r g i n g c u r r e n t,s o t h a t c a p a c i t o r o f t h e s u b-mo d u l e c a n b e c h a r g e d t o m e e t v o l t a g e r e q u i r e m e n t o f t h e m o d u l a r m u l t i l e v e l c o n v e r t e r i n s t a b l e o p e r a t i o n.M e a n w h i l e, c h a r g i n g c u r r e n t a n d o v e r v o l t a g e g e n e r a t e d i n c h a r g i n g p r o c e s s a r e l i m i t e d t o s a f e r a n g e a n d c h a r g i n g t i m e i s t h e s h o r t e s t . T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s v e r i f y e f f e c t i v e n e s s o f t h e c o n t r o l s t r a t e g y . K e y w o r d sm i n e h o i s t;m o d u l a r m u l t i l e v e l i n v e r t e r;p r e-ch a r g i n g c o n t r o l;c h a r g i n g c u r r e n t;D C s i d e; c a p a c i t a n c e v o l t a ge 收稿日期2 0 1 8-08-17; 修回日期2 0 1 9-01-20; 责任编辑 盛男。 基金项目 大型电气传动系统与装备技术国家重点实验室资助项目(S K L L D J 0 4 2 0 1 6 0 1 7) 。 作者简介 朱奇先(1 9 6 3-) , 男, 陕西眉县人, 高级工程师, 主要研究方向为电力电子与电力传动, E-ma i lz h u q i x i a n a n l i n g @s i n a . c o m。 引用格式 朱奇先, 齐刚, 魏永武, 等. 模块化多电平逆变器预充电控制策略[J]. 工矿自动化,2 0 1 9,4 5(2) 6 0-64. Z HU Q i x i a n,Q I G a n g,WE I Y o n g w u,e t a l . P r e-ch a r g i n g c o n t r o l s t r a t e g y o f m o d u l a r m u l t i l e v e l i n v e r t e r[J]. I n d u s t r y a n d M i n e A u t o m a t i o n,2 0 1 9,4 5(2) 6 0-64. 0 引言 矿井提升机作为联系井上与井下的运输设备, 其运行性能不仅影响矿山生产任务, 而且影响矿井 工作人员人身安全。矿井提升机在运行过程中频繁 正反转, 要求变流器能够四象限运行[ 1-2]。 模块 化 多 电 平 变 流 器 (M o d u l a r M u l t i l e v e l C o n v e r t e r,MMC) 具有开关损耗小、 输出波形质量 高、 故障处理能力强等特点, 在直流输电领域得到了 广泛应用[ 3-6] 。将 M MC应用于矿井提升机控制中, 采用由模块化多电平整流器和模块化多电平逆变器 构成的背靠背MMC, 可实现四象限运行和能量回 馈[ 7-8]。MMC包含大量悬浮的子模块电容, 在启动 前必须采取相应的控制策略对子模块电容进行预充 电。已有许多文献详细介绍了通过交流侧对模块化 多电平整流器进行预充电的控制策略[ 9-12], 但关于 通过直流侧对模块化多电平逆变器进行预充电的控 制研究较少。本文提出了通过控制充电电流对模块 化多电平逆变器预充电的控制策略, 可实现全程可 控的预充电过程。 1 MMC拓扑结构 用于矿井提升机控制的背靠背 MMC由模块化 多电平整流器和模块化多电平逆变器构成, 如图1 所示。MMC每相单元由上下桥臂各n个子模块 S M1,SM2,,S Mn和桥臂电感L串联构成, 每相单 元工作状态相同[ 13-15]。U dc为直流母线电压;ia,ib, ic分别为模块 化多 电 平逆 变器 a,b,c三 相 桥 臂 电流。 图1 背靠背 MMC拓扑结构 F i g . 1 B a c k-to-ba c k MMC t o p o l o g y MMC子模块拓扑结构如图2所示。UC为子 模块电容C两端电压, UC=U dc n 。通过合理选择开 关器件 V1,V2的通断状态, 可实现子模块输出0 , UC2种不同电压。 图2 MMC子模块拓扑结构 F i g . 2 MMC s u b-mo d u l e t o p o l o g y 2 预充电控制策略 模块化多电平逆变器预充电的电能来自模块化 多电平整流器。将模块化多电平整流器等效为可控 电流源, 输出电流( 即充电电流) 为Id 。由 M MC基 本结构可知, 桥臂必然存在杂散电感, 若充电过程中 电流发生突变, 则产生尖峰电压 ΔU=Lsd Id dt ( 1) 式中Ls为各相桥臂杂散电感( 包括桥臂电感) ;t为 充电时间。 由式( 1) 可知, 较高的瞬时电流变化率会在回路 杂散电感上感应出尖峰电压, 从而在回路中产生过 电压, 较大的短时过电压可能会造成器件损坏。在 充电过程中为了保证开关器件安全, 可将ΔU控制 在1 0%Udc以内, 且Id 不能超过开关器件所能承受 的最大电流Im , 即 Id≤Im。 根据开关器件 V2是否导通, 将模块化多电平 逆变器预充电过程分为第一充电阶段和第二充电 阶段。 2. 1 第一充电阶段 在第一充电阶段, 模块化多电平逆变器所有子 模块的开关器件均处于关断状态, 电流仅通过每个 子模块中反并联二极管向电容充电。第一充电阶段 电流路径如图3所示。 图3 第一充电阶段电流路径 Fi g . 3 C u r r e n t p a t h o f t h e f i r s t c h a r g i n g s t a g e 模块化多电平逆变器各相单元结构相同, 可认 为流过各相单元的电流相同。以 a相为例, 流过 a相桥臂的电流为 ia=I d 3 ( 2) MMC各相单元由2n个子模块串联构成, 充电 过程中流经各子模块的电流均相同。在第一充电阶 段, 子模块电容电压为 u1= 1 C∫ t 0 iadt= 1 C∫ t 0 Id 3d t ( 3) 由式(3) 可知, 要控制充电时间, 必须控制充电 电流。在第一充电阶段, 充电电流变化趋势如图4 所示。 16 2 0 1 9年第2期 朱奇先等 模块化多电平逆变器预充电控制策略 图4 第一充电阶段充电电流变化趋势 Fi g . 4 V a r i a t i o n t r e n d o f c h a r g i n g c u r r e n t i n t h e f i r s t c h a r g i n g s t a g e 在0 t 1时间段内, 充电电流为 Id1=kt 0≤t≤t1 ( 4) 式中k为充电电流变化速率。 由式( 4) 可知,Id1随着充电时间的增加而增大。 为确保安全充电的同时使充电时间最短, 令 t1=I m k ( 5) 将式(4) 代入式(1) , 可得 k= ΔU Ls ( 6) 在t2t3时间段内, 充电电流为 Id3=-k t3- () t t2≤t≤t3 ( 7) 在t3时刻, 子模块电容电压为 u1=U dc 2n ( 8) 在第一充电阶段, 子模块电容电压为 u1= 1 C∫ t 1 0 Id1 3d t+ 1 C∫ t 2 t 1 Im 3d t+ 1 C∫ t 3 t 2 Id3 3d t(9) 将式(4) 式(8) 代入式(9) , 可得 t2=3 CUdc 2nIm ( 10) t3=3 CUdc 2nIm + ImLs 10%Udc ( 11) 2. 2 第二充电阶段 在第二充电阶段, 通过控制模块化多电平逆变 器子模块中开关器件 V2通断状态, 对子模块电容 进一步充电。先投入n个子模块进行充电, 充电子 模块的V2处于关断状态, 当投入的n个子模块电 容电压达到UC, 通过控制 V2开通, 切除先投入充 电的子模块, 将剩余n个子模块投入充电, 当剩余子 模块电容电压达到UC时, 预充电结束。模块化多 电平逆变器第二充电阶段电流路径如图5所示。 在第二充电阶段, 为保证开关器件彻底关断和 开通, 当电流变为0时, 在延迟Δt d后开始控制充电 电流变化。第二充电阶段充电电流变化趋势如图6 所示。图中t 4t7为首先投入的n个子模块电容充 电时间; t8t11为剩余n个子模块电容充电时间。 在t4t5时间段内, 充电电流为 Id4=k t-t () 4 t4≤t≤t5 ( 12) 由式(1 1) 可知 图5 第二充电阶段电流路径 Fi g . 5 C u r r e n t p a t h o f t h e s e c o n d c h a r g i n g s t a g e 图6 第二充电阶段充电电流变化趋势 Fi g . 6 V a r i a t i o n t r e n d o f c h a r g i n g c u r r e n t i n t h e s e c o n d c h a r g i n g s t a g e t4=3 CUdc 2nIm + ImLs 10%Udc +Δtd ( 13) 在t5时刻Id4上升至Im, 并由式(1 2) 、 式(1 3) 可得 t5=3 CUdc 2nIm + 2ImLs 10%Udc +Δtd ( 14) 在t6t7时间段内, 充电电流为 Id6=-k t7- () t t6≤t≤t7 ( 15) 在t7时刻, 首先投入充电的n个子模块电容电 压达到UC, 子模块电容电压变化为 UC-u1= 1 C∫ t 5 t 4 Id4 3d t+ 1 C∫ t 6 t 5 Im 3d t+ 1 C∫ t 7 t 6 Id6 3d t ( 16) 将式(1 2) 式(1 5) 代入式(1 6) , 可得 t6=3 CUdc nIm + ImLs 10%Udc +Δtd ( 17) t7=3 CUdc nIm + 2ImLs 10%Udc +Δtd ( 18) 在t7时刻, 首先投入充电的子模块充电结束, 延迟Δt d后对剩余子模块电容充电, 可得 t8=3 CUdc nIm + 2ImLs 10%Udc +2 Δtd ( 19) 在t8t9时间段内, 充电电流为 Id7=k t-t () 8 t8≤t≤t9 ( 20) 在t9时刻,Id7上升至Im, 由式 (1 9) 、 式 (2 0) 可得 26 工矿自动化 2 0 1 9年第4 5卷 t9=3 CUdc nIm + 3ImLs 10%Udc +2 Δtd ( 21) 在t10t11时间段内, 充电电流为 Id9=-k t11- () t t10≤t≤t11 ( 22) 在t11时刻, 剩余的n个子模块电容电压达到 UC , 子 模块电容电压变化为 UC-u1= 1 C∫ t 9 t 8 Id7 3d t+ 1 C∫ t 10 t 9 Im 3d t+ 1 C∫ t 11 t 10 Id9 3d t ( 23) 将式(1 9) 式(2 2) 代入式(2 3) , 可得 t10=9 CUdc 2nIm + 2ImLs 10%Udc +2 Δtd ( 24) t11=9 CUdc 2nIm + 3ImLs 10%Udc +2 Δtd ( 25) 2. 3 充电电流控制 预充电过程中, 充电电流与子模块电容电压对 应变化趋势如图7所示。 图7 充电电流和子模块电容电压变化趋势 Fi g . 7 V a r i a t i o n t r e n d o f c h a r g i n g c u r r e n t a n d c a p a c i t a n c e v o l t a g e o f s u b-mo d u l e 对模块化多电平整流器提供的充电电流进行闭 环控制, 如图8所示, 实现对充电电流的实时调节, 从而控制子模块电容电压。I* d 为期望电流, 其变化 趋势同图7所示电流变化趋势。 图8 充电电流闭环控制 Fi g . 8 C l o s e d l o o p c o n t r o l o f c h a r g i n g c u r r e n t 3 仿真验证 为验证本文所提预充电控制策略, 在M a t l a b/ S i m u l i n k中搭建模块化多电平逆变器预充电仿真 模型, 仿真参数见表1。 充电过程中所有子模块中 V1均处于关断状 态, 按照本文充电策略, 在相应时间控制V2开通与 关断。以a相为例, 桥臂电流、 子模块电容电压仿真 结果分别如图9图1 1所示。 从图9图1 1可看出,0~0. 0 2 8 1s为第一充 电 阶 段 ,所 有 子 模 块 电 容 电 压 稳 定 上 升 至 表1 仿真参数 T a b l e 1 S i m u l a t i o n p a r a m e t e r s 参数数值 直流母线电压Udc/V 4 66 7 桥臂子模块数目n 8 桥臂杂散电感Ls ( 包 括桥臂电感) /mH 1 0. 0 0 6 子模块电容C/mF 5 最大电流Im/A 18 0 延迟时间Δtd/ s 0. 0 0 1 图9 a相桥臂电流 F i g . 9 B r i d g e a r m c u r r e n t o f a- p h a s e 图1 0 a相首先投入充电子模块电容电压 F i g . 1 0 C a p a c i t a n c e v o l t a g e o f s u b-mo d u l e t h a t f i r s t p u t s i n t o c h a r g i n g o f a- p h a s e 图1 1 a相剩余投入充电子模块电容电压 F i g . 1 1 C a p a c i t a n c e v o l t a g e o f s u b-mo d u l e t h a t l a t e r p u t s i n t o c h a r g i n g o f a- p h a s e 29 1. 6 8V。在0. 0 2 9s时, 对首先投入充电的子模 块进 行 充 电, 剩 余 8 个 子 模 块 电 容 电 压 稳 定 在 2 9 1 . 6 8V。在0 . 0 2 9 1s时, 充电电流开始上升, 对首 先投入充电的8个子模块电容充电。在0 . 0 5 7 2s 时, 首先投入充电的子模块电容电压达到5 8 3 . 3 6V。 在0. 0 5 8 0s时, 将首先投入充电的子模块切除。在 0. 0 5 8 2s时, 充电电流开始上升, 对剩余8个子模 块电容充电。在0. 0 8 6 4s时, 所有子模块电容电压 均达到MMC稳定运行时的电压要求。 4 结语 模块化多电平逆变器预充电控制策略通过控制 36 2 0 1 9年第2期 朱奇先等 模块化多电平逆变器预充电控制策略 充电电流来控制子模块充电状态, 使子模块电容充 电至 MMC稳定运行时的电压要求, 同时将充电电 流和充电过程中产生的过电压控制在安全范围内。 该控制策略在充电过程无需模块化多电平逆变器子 模块电容电压检测装置, 节约了成本。 参考文献(R e f e r e n c e s) [1] 张 立.大 型 交 直交变 频 器 在 矿 井 提 升 机 中 的 应 用 [D].上海 上海海洋大学, 2 0 1 3. 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