CN103326607B - 单电感模块化多电平变流器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种单电感模块化多电平变流器及其控制方法，所述变流器的每相由上桥臂、上桥臂电感器和下桥臂串联构成。每个桥臂由若干个功率子模块（SM）串联构成。每个子模块（SM）由一个半桥逆变单元和一个直流储能电容构成，每个半桥逆变单元由两只带反并联二极管的全控电力电子开关器件串联而成，直流储能电容与串联的两只全控电力电子开关器件并联。本发明控制方法能够使得变流器上、下桥臂对称运行。

Description

单电感模块化多电平变流器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种多电平电力电子变流器的拓扑结构及其控制方法。

背景技术

模块化多电平变流器(ModularMultilevelConverter，MMC)是最近获得广泛关注的一种新型电力电子变流器，最早是由德国的A.Lesnicar和R.Marquardt在2002年左右提出的。模块化多电平变流器模块化且可以级联的结构决定了其特别适用于中压到高压电力电子变流的应用场合。关于模块化多电平变流器的控制方法，国内外相关研究机构已经进行了较多的研究。

如图1所示，三相模块化多电平变流器的基本拓扑结构是由三相六个桥臂构成。

每相由上下两个桥臂和交流电抗器依次串联构成，每个桥臂由若干个功率子模块(SM)串联构成。每个SM子模块由一个半桥逆变单元和一个直流储能电容构成，每个半桥逆变单元由两只带反并联二极管的全控电力电子开关器件串联而成。通过控制电力电子开关器件的导通与关断，各SM子模块两端可输出电压0或电容电压，设定SM子模块输出电压0时，认定该子模块导通，当SM子模块输出电容电压值时，认定该子模块关断。那么通过控制各SM子模块的导通与关断即可实现直流电压到交流电压的变换。

变流器组成器件较多，成本较高。在变流器控制死区时间内，加在电抗器上的电压很高，甚至接近直流母线电压，对电抗器的额定工作电压和绝缘水平都提出了较高的要求，因此组成变流器的桥臂交流电抗器十分昂贵。

发明内容

本发明的目的是克服现有三相模块化多电平变流器成本费用高的缺点，提出一种单电感模块化多电平变流器。

本发明单电感模块化多电平变流器由三相六个桥臂构成，每相有上下两个桥臂。每相上桥臂由一个桥臂电感和若干个结构相同的子模块级联而成，每相下桥臂仅由若干个结构相同的子模块级联而成。每个子模块由一个半桥逆变单元和一个直流储能电容并联构成，所述的半桥逆变单元由两只带反并联二极管的全控电力电子开关器件串联组成，直流储能电容与串联的两只全控电力电子开关器件并联。

本发明针对单电感模块化多电平变流器下桥臂仅由若干个结构相同的子模块级联而成的非对称结构，提出了一种控制方法，本发明控制方法能够使得这种非对称结构的变流器上、下桥臂对称运行。本发明控制方法包括以下步骤：

(1)用电流传感器测量每相上桥臂和下桥臂电流，计算出各相电流i_out：

i_out＝i_up-i_down

其中i_up表示上桥臂电流，i_down表示下桥臂电流；

(2)根据能量守恒条件，计算出直流侧输入变流器电流的给定值i_in ^*，直流侧输入变流器电流的给定值i_in ^*的表达式为：

i_in ^*＝P/U_dc

其中U_dc表示直流侧母线电压，用电压传感器测得，P表示交流侧输出的单相平均功率；

(3)分别计算出上桥臂各直流子模块电压的平均值与下桥臂各直流子模块电压的平均值两者相加除以2得到该相桥臂模块电压的平均值，将其与模块电容电压给定值相减，将所得的值送入PI调节器中，得到的结果作为变流器输出电流的修正，加入到直流侧输入变流器电流的给定值i_in ^*中；

(4)根据上桥臂电流i_up与交流侧输出电流i_out，计算出直流侧输入变流器电流的实际值i_in，其表达式为：

i_in＝i_up-0.5i_out；

(5)将直流侧输入变流器电流的给定值i_in ^*和实际值i_in之差送入PI调节器中，得到的结果为桥臂电压的修正值△(u_up+u_down)，u_up与u_down分别表示上桥臂电压与下桥臂电压；

(6)用电压传感器测量上桥臂电感电压u_L，送入带通滤波器(BandPass)提取其中的基波分量u_L0，并计算出下桥臂电压的补偿分量u'_L，其表达式为：

u′_L＝u_L-2u_L0；

(7)根据交流侧给定电压值直流侧母线电压U_dc、桥臂电压修正值△(u_up+u_down)以及下桥臂电压补偿分量u'_L计算出上桥臂的给定电压和下桥臂的给定电压其表达式为：

$u_{up}^{*}=\frac{U_{dc}}{2}-u_{out}^{*}+0.5\×\mathrm{\Δ}(u_{up}+u_{down})$

$u_{down}^{*}=\frac{U_{dc}}{2}+u_{out}^{*}+0.5\×\mathrm{\Δ}(u_{up}+u_{down})+u_L^{\′};$

(8)根据步骤(7)中得到的上桥臂的给定电压和下桥臂的给定电压计算上桥臂开通模块个数n_up和下桥臂开通模块个数n_down：

$n_{up}=u_{up}^{*}/U_c^{*}$

$n_{down}=u_{down}^{*}/U_c^{*}$

其中表示模块电容电压给定值；

(9)测量所述的模块化多电平变流器每个桥臂各个子模块(SM)直流电容电压的大小，将测量的电容电压顺序排列；上桥臂模块按照电容电压由小到大的顺序排列，模块序号依次为p_{up_1},p_{up_2},…,p_{up_N}；上桥臂模块电压按照电容电压由大到小的顺序排列，模块序号依次为q_{up_1},q_{up_2},…,q_{up_N}；下桥臂模块按照电容电压由小到大的顺序排列，模块序号依次为p_{down_1},p_{down_2}…,p_{down_N}；下桥臂模块按照电容电压由大到小的顺序排列，模块序号依次为q_{down_1},q_{down_2}…,q_{down_N}，其中N表示各桥臂模块个数；

(10)根据上桥臂电流选择上桥臂所需开通模块：如果上桥臂电流大于0，则开通序号分别为的模块；如果上桥臂电流小于0，则开通序号分别为的模块；

(11)根据下桥臂电流选择下桥臂所需开通模块：如果下桥臂电流大于0，则开通序号分别为的模块；如果下桥臂电流小于0，则开通序号分别为的模块。

本发明的优点在于：

(1)本发明单电感模块化多电平变流器比原有变流器省去了三个桥臂电感，简化了结构，节省了费用，降低了成本；

(2)本发明单电感模块化多电平变流器控制方法能够使得变流器上、下桥臂对称运行。

附图说明

图1是现有的三相模块化多电平变流器基本拓扑结构示意图；

图2是本发明单电感模块化多电平变流器基本拓扑结构示意图；

图3是本发明单电感模块化多电平变流器的控制方法示意图；

图4是本发明单电感模块化多电平变流器的实验波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图2是本发明的单电感模块化多电平变流器基本拓扑结构示意图。如图2所示，变流器每相由上桥臂、上桥臂电感器和下桥臂串联构成，上桥臂和上桥臂电感器串联，再和下桥臂串联。与传统的模块化多电平变流器相比，下桥臂没有设电抗器，因而节省了三个电抗器，简化了下桥臂的结构。每个桥臂由若干个功率子模块SM串联构成。每个子模块SM由一个半桥逆变单元和一个直流储能电容构成，每个半桥逆变单元由两只带反并联二极管的全控电力电子开关器件串联组成，直流储能电容与串联的两只全控电力电子开关器件并联。通过控制所述的电力电子开关器件的导通与关断，各子模块SM两端可输出电压值为0或电容电压值，设定子模块SM输出电压值为0时，认定该子模块导通，当子模块SM输出电容电压值时，认定该子模块关断。通过控制各子模块SM的导通与关断即可实现直流电压到交流电压的变换。

图3是本发明的新型单电感模块化多电平变流器的控制方法示意图，具体步骤如下：

(1)利用电流传感器测量每相上桥臂和下桥臂的电流，计算出各相电流i_out：

i_out＝i_up-i_down

其中i_up表示上桥臂电流，i_down表示下桥臂电流；

(2)根据能量守恒条件，计算出直流侧输入变流器电流的给定值i_in ^*，直流侧输入变流器电流的给定值i_in ^*的表达式为：

i_in ^*＝P/U_dc

其中U_dc表示直流侧母线电压，P表示交流侧单相输出的平均功率；

(3)分别计算出上桥臂各直流子模块电压的平均值与下桥臂各直流子模块电压的平均值两者相加除以2得到该相桥臂模块电压的平均值，将其与模块电容电压给定值相减，将所得的值送入PI调节器中，得到的结果作为变流器输出电流的修正，加入到直流侧输入变流器电流的给定值i_in ^*中；(4)根据上桥臂电流i_up与交流侧输出电流i_out，计算出直流侧输入变流器电流的实际值i_in，直流侧输入变流器电流的实际值i_in的表达式为：

i_in＝i_up-0.5i_out；

(5)将直流侧输入变流器电流的给定值i_in ^*和实际值i_in之差送入PI调节器中，得到的结果为桥臂电压的修正值△(u_up+u_down)，u_up与u_down分别表示上桥臂电压与下桥臂电压；

(6)用电压传感器测量上桥臂电感电压u_L，送入带通滤波器(BandPass)提取其中的基波分量u_L0，并计算出下桥臂电压的补偿分量u'_L，其表达式为：

u′_L＝u_L-2u_L0；

(7)根据交流侧给定电压值直流母线电压U_dc、桥臂电压修正值△(u_up+u_down)以及下桥臂电压补偿分量u'_L计算出上桥臂的给定电压和下桥臂的给定电压上桥臂的给定电压和下桥臂的给定电压的表达式为：

$u_{up}^{*}=\frac{U_{dc}}{2}-u_{out}^{*}+0.5\×\mathrm{\Δ}(u_{up}+u_{down})$

$u_{down}^{*}=\frac{U_{dc}}{2}+u_L^{\′}+0.5\×\mathrm{\Δ}(u_{up}+u_{down})+u_L^{\′};$

(8)根据步骤(7)得到的上桥臂的给定电压和下桥臂的给定电压计算上桥臂开通模块个数n_up和下桥臂开通模块个数n_down：

$n_{up}=u_{up}^{*}/U_c^{*}$

$n_{down}=u_{down}^{*}/U_c^{*};$

(9)测量所述的模块化多电平变流器每个桥臂各个子模块(SM)直流电容电压的大小，将测量的电容电压按顺序排列：上桥臂模块按照电容电压由小到大的顺序排列，模块序号依次为p_{up_1},p_{up_2},…,p_{up_N}；上桥臂模块电压按照电容电压由大到小的顺序排列，模块序号依次为q_{up_1},q_{up_2},…,q_{up_N}；下桥臂模块按照电容电压由小到大的顺序排列，模块序号依次为p_{down_1},p_{down_2}…,p_{down_N}；下桥臂模块按照电容电压由大到小的顺序排列，模块序号依次为q_{down_1},q_{down_2}…,q_{down_N}，其中N表示各桥臂模块个数；

(10)根据上桥臂电流，选择上桥臂所需开通模块：如果上桥臂电流大于0，则开通序号分别为的模块；如果上桥臂电流小于0，则开通序号分别为的模块；

(11)根据下桥臂电流，选择下桥臂所需开通模块：如果下桥臂电流大于0，则开通序号分别为的模块；如果下桥臂电流小于0，则开通序号分别为的模块。

实施例：

下面结合实施例说明本发明的实施效果。

在本实施例中变流器工作在50Hz。

图4是本发明单电感模块化多电平变流器的实验波形图。图中由上到下依次为三相电流、A相上、下桥臂电流、A相直流侧输入到变流器的电流，以及上、下桥臂模块电压平均值的波形。从图中可以看出变流器上、下桥臂电流完全对称，上、下桥臂模块电容电压基本对称。

由图4可知，采用本发明所提出的控制方法，能够使本发明单电感模块化多电平变流器上、下桥臂对称运行。

Claims (2)

1.一种单电感模块化多电平变流器，其特征在于所述的变流器每相由上桥臂、上桥臂电感器和下桥臂串联构成，所述的上桥臂和上桥臂电感串联，再和下桥臂串联；每个桥臂由若干个功率子模块(SM)串联构成；每个子模块(SM)由一个半桥逆变单元和一个直流储能电容构成，每个半桥逆变单元由两只带反并联二极管的全控电力电子开关器件串联组成，直流储能电容与串联的两只全控电力电子开关器件并联。

2.权利要求1所述的单电感模块化多电平变流器的控制方法，其特征在于所述的控制方法包括如下步骤：

(1)测量每相上下桥臂电流，计算出各相交流侧输出电流i_out：

i_out＝i_up-i_down

其中i_up表示上桥臂电流，i_down表示下桥臂电流；

(2)根据能量守恒条件，计算出直流侧输入变流器电流的给定值i_in ^*，直流侧输入变流器电流的给定值i_in ^*表达式为：

i_in ^*＝P/U_dc

其中U_dc表示直流侧母线电压，P表示交流侧单相输出的平均功率；

(3)分别计算出上桥臂各直流子模块电压的平均值与下桥臂各直流子模块电压的平均值两者相加除以2得到该相桥臂模块电压的平均值，将其与模块电容电压给定值相减，将所得的值送入PI调节器中，得到的结果作为变流器输出电流的修正，加入到直流侧输入变流器电流的给定值i_in ^*中；

(4)根据上桥臂电流i_up与交流侧输出电流i_out，计算出直流侧输入变流器电流的实际值i_in，直流侧输入变流器电流的实际值i_in的表达式为：

i_in＝i_up-0.5i_out

(5)将直流侧输入变流器电流的给定值i_in ^*和实际值i_in之差送入PI调节器中，得到的结果为桥臂电压的修正值△(u_up+u_down)，u_up与u_down分别表示上桥臂电压与下桥臂电压；

(6)测量上桥臂电感电压u_L，送入带通滤波器提取其中的基波分量u_L0，并计算出下桥臂电压的补偿分量u'_L，下桥臂电压的补偿分量u'_L的表达式为：

u′_L＝u_L-2u_L0；

(7)根据交流侧给定电压值直流侧母线电压U_dc、桥臂电压修正值△(u_up+u_down)以及下桥臂电压补偿分量u'_L，计算出上桥臂给定电压和下桥臂给定电压其表达式为：

$u_{up}^{*}=\frac{U_{dc}}{2}-u_{out}^{*}+0.5\×\mathrm{\Δ}(u_{up}+u_{down})$

$u_{down}^{*}=\frac{U_{dc}}{2}+u_{out}^{*}+0.5\×\mathrm{\Δ}(u_{up}+u_{down})+u_L^{\′};$

(8)根据步骤(7)得到的上桥臂的给定电压和下桥臂的给定电压计算上桥臂开通模块个数n_up和下桥臂开通模块个数n_down：

$n_{up}=u_{up}^{*}/U_c^{*}$

$n_{down}=u_{down}^{*}/U_c^{*}$

其中表示模块电容电压给定值；

(9)测量所述的模块化多电平变流器每个桥臂各个子模块(SM)直流储能电容电压的大小，将测量的电容电压顺序排列：上桥臂模块按照电容电压由小到大的顺序排列，模块序号依次为p_{up_1},p_{up_2},…,p_{up_N}；上桥臂模块电压按照电容电压由大到小的顺序排列，模块序号依次为q_{up_1},q_{up_2},…,q_{up_N}；下桥臂模块按照电容电压由小到大的顺序排列，模块序号依次为p_{down_1},p_{down_2}…,p_{down_N}；下桥臂模块按照电容电压由大到小的顺序排列，模块序号依次为q_{down_1},q_{down_2}…,q_{down_N}，其中N表示各桥臂模块个数；

(10)根据上桥臂电流选择上桥臂所需开通模块：如果上桥臂电流大于0，则开通序号分别为的模块；如果上桥臂电流小于0，则开通序号分别为的模块；

(11)根据下桥臂电流选择下桥臂所需开通模块：如果下桥臂电流大于0，则开通序号分别为的模块；如果下桥臂电流小于0，则开通序号分别为的模块。