CN105356778B - 一种模块化多电平逆变器及其无差拍控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模块化多电平逆变器及其无差拍控制方法。以模块化多电平逆变器的A相为例:通过采集SM子模块中电容电压Uci,求和取平均得到Uc之后,将给定的电容电压参考值Ucref与Uc作差后经过PI调节器获得A相环流的参考值Icirref,再根据A相环流的参考值Icirref以及给定的A相输出电流的参考值Iaref计算得到A相上、下桥臂的调制电压Upref、Unref,最后根据Upref、Unref采用最优电平逼近进行调制,得到A相各子模块的控制脉冲信号。本发明相对于传统的控制方法而言,减少了***中大量的PI环节,简化了控制过程,减少了调试时间,降低了运算复杂度,加快了响应速度。
Description
技术领域
本发明专利属于高压大功率电力电子技术领域,特别涉及一种模块化多电平逆变器及其无差拍控制方法
背景技术
近年来,随着电力***的不断发展,传统的电网输配电***已经不能满足社会需求,对电力***的控制能力、输送能力要求越来越高,高压大功率电力电子变换器件应运而生;其次,随着高压大功率交流电机的广泛运用,为实现其调速,对高压变换开关器件的性能提出了很高的要求,从而催生多电平逆变器的发展;再者,能源与环境问题日益严重,为减少有害气体排放,常规电力***向基于可再生能源的分布式发电过渡,尤以风电与光伏发电为主,这种情况下采用高质量、高可控性的输电方式成为热点,由此推动了高压大功率电力电子技术的发展。
多电平逆变器的种类繁多,目前比较常见的拓扑结构主要分为三类:二极管钳位型多电平逆变器、飞跨电容型多电平逆变器和级联H桥型多电平逆变器。二极管钳位型多电平逆变器同时具有多重化和脉宽调制的优点,但存在对二极管耐压要求高,所需二极管数量庞大,开关器件导通负荷不一致,控制复杂等缺陷;飞跨电容型多电平逆变器的输出电平数扩展简单,控制灵活,不需要钳位二极管,且只需一个独立直流电源供电,但也存在电容数量大,器件的开关频率和开关损耗大,导通负荷不一致的问题;级联H桥型多电平逆变器无需大量钳位二极管和飞跨电容,输出电压谐波含量少,但需多个独立直流电源,不能四象限运行。随着电力电子技术的进一步发展,一种新的多电平逆变器诞生,即模块化多电平逆变器(MMC),与之前的多电平逆变器相比,除了具有它们本身的优点之外,还展现出更多的优势:模块化程度高,电路拓扑结构清晰,单一器件电流容量小,发生故障能快速切除等。
对于模块化多电平逆变器,其控制方式主要包括:逆变器的功率控制,子模块的平衡控制和逆变器的调制算法。其中,子模块的平衡控制包括均压控制和稳压控制,每个子模块的稳压控制包括两个PI环节,每相桥的均压控制也包含一个PI环节。因此,***中将出现大量的PI环节,对于整个***的调试相当困难。本发明只在***中引入一个PI环节,即可实现控制目的,很大程度上减轻了***的调试工作,降低了运算复杂度,提高了***响应速度。
发明内容
本发明所解决的技术问题是,针对现有技术的不足,提供一种模块化多电平逆变器及其无差拍控制方法,这种控制方法减少了PI调节器,降低了运算复杂度,提高了***响应速度。
为实现上述目的,本发明所采用的技术方案是:
一种模块化多电平逆变器,采用三相六桥臂拓扑结构,每相包括上、下两个桥臂,每个桥臂由N个SM子模块和1个电感L串联而成,上桥臂和下桥臂连接点引出相线;三条相线接入公共电网;每相上桥臂的N个SM子模块依次记为SMp1,SMp2,…,SMpN;每相下桥臂的N个SM子模块依次记为SMn1,SMn2,…,SMnN;
每个SM子模块是一个半桥变流器,由两个IGBT管T1和T2、两个二极管D1和D2和一个电容C构成;其中,IGBT管T1的发射极与IGBT管T2的集电极相连并构成SM的正端,IGBT管T1的集电极与电容C的正极相连,IGBT管T2的发射极与电容的负极相连并构成SM的负端;D1与T1反向并联,D2与T2反向并联;IGBT管T1和T2的门极均接收控制脉冲信号;
每相上桥臂的N个SM子模块和1个电感L依次串联,即SMp1的正端与直流侧正极相连;处于中间的SMpi的正端与SMp(i-1)的负端相连,SMpi的负端与SMp(i+1)的正端相连,i=2,3,…,N-1;SMpN负端与电感L一端相连,电感L另一端引出相线;
每相下桥臂的电感L和N个SM子模块依次串联,即电感L一端引出相线,电感L另一端与SMn1正端相连;处于中间的SMni的正端与SMn(i-1)的负端相连,SMni的负端与SMn(i+1)的正端相连,i=2,3,…,N-1;SMnN负端与直流侧负极相连;
直流侧电源中点接地。
一种模块化多电平逆变器的无差拍控制方法,所述模块化多电平逆变器为上述的模块化多电平逆变器,无差拍控制方法包括环流控制和无差拍电流跟踪控制;
对于三相(A相、B相和C相)中的任一相,所述环流控制方法为:
1)依次检测该相的上桥臂和下桥臂各个SM子模块中电容的电压,记为Uci,其中下标i表示该相桥臂SM子模块的序号,i=1,2,…,2N;得到该相上桥臂和下桥臂所有SM子模块的电容电压平均值其中,2N为该相上桥臂和下桥臂所有SM子模块的个数;
2)设每个SM子模块中电容电压的参考值为Ucref,将Ucref与Uc作差后经过PI调节器得到该相环流的参考值Icirref;所述无差拍电流跟踪控制方法为:
a)设该相输出电流参考值为Iaref(Iaref由负载功率决定),分别根据以下公式计算该相上桥臂和下桥臂的电流参考值Ipref和Inref:
Ipref=(2Icirref+Iaref)/2
Inref=(2Icirref-Iaref)/2;
b)检测流过该相上桥臂和下桥臂的电流,分别记为Ip和In,根据以下公式计算得到该相上桥臂和下桥臂的调制电压Upref和Unref:
Upref=(Udc/2)-Ua-L*(Ipref-Ip)/T
Unref=(Udc/2)+Ua-L*(Inref-In)/T
其中,Udc为模块化多电平逆变器直流侧电源电压;Ua为模块化多电平逆变器该相输出电压的测量值;L为模块化多电平逆变器桥臂电感值;T为控制周期;
c)对Upref和Unref采用最优电平逼近的方式进行调制,得到该相各SM子模块的控制脉冲信号。
所述步骤2)具体为:设每个SM子模块中电容电压的参考值为Ucref,根据以下公式计算该相环流的参考值Icirref:
其中,2N为该相上桥臂和下桥臂所有SM子模块的个数,1/s为积分因子;Kp为比例系数,Kp=1,Ki为积分系数,Ki=50。
作为本发明的一种实施例,所述电感L取值为5mH,控制周期T取值为0.0001秒,SM子模块中电容电压参考值Ucref取值为100V,该相输出电流参考值Iaref取值为40sin(100πt)A,直流侧电源电压Udc取值为900V,N取值为9。
本发明的有益效果是:1)与传统的模块化多电平逆变器的控制方法相比较,减少了大量的PI环节,只采用一个PI环节即可实现控制目的,简化了控制过程;2)降低了运算复杂度,节省了***的调试时间,提高了效率;3)缩短了***的响应时间,加快了***的响应速度。
附图说明
图1为模块化多电平逆变器拓扑结构图;
图2为无差拍控制***示意图;图2(a)为无差拍控制***框图;图2(b)为环流控制框图;
图3为A相输出电流波形;
图4为A相输出电流谐波畸变率;
图5为A相环流波形;
图6为A相上桥臂子模块电容电压波形;
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步具体说明。
图1是模块化多电平逆变器拓扑结构图,由三相六桥臂组成,直流侧电源中点接地;每桥臂由N个SM子模块与一个电感L串联而成,每个SM子模块是一个半桥变流器。
图2是无差拍控制***示意图,其中,图2(a)是无差拍控制***框图,图2(b)是环流控制框图。
本实施例以A相的控制方法为例进行说明。
在本实施实例中,电感L取值为5mH,控制周期T为0.0001秒,SM子模块电容电压参考值Ucref为100V,A相输出电流参考值Iaref取值为40sin(100πt)A,直流侧电源电压Udc取值为900V,每桥臂SM子模块个数N取值为9。
检测A相上、下桥臂所有子模块中电容的电压Uci,下标i表示A相从上到下第i个子模块,则A相环流参考值Icirref为:
其中,1/s为积分因子,Kp=1,Ki=50。
A相上、下桥臂的电流参考值为:
Ipref=(2Icirref+Iaref)/2
Inref=(2Icirref-Iaref)/2
其中,Ipref、Inref分别为流过A相上、下桥臂的电流参考值。
检测流过A相上、下桥臂的电流Ip、In,则:
Upref=(Udc/2)-Ua-L*(Ipref-Ip)/T
Unref=(Udc/2)+Ua-L*(Inref-In)/T
其中,Upref为A相上桥臂的调制电压,Unref为A相下桥臂的调制电压;Udc为模块化多电平逆变器直流侧电源电压值;Ua为模块化多电平逆变器A相输出电压的测量值;L为模块化多电平逆变器桥臂电感值。
对Upref、Unref采用最优电平逼近的方式进行调制,得到A相各子模块的控制脉冲信号。B相、C相的控制方法与A相的控制方法类似。
图3是A相输出电流波形,输出电流基波幅值为39.85A,与A相输出电流参考幅值40A相比非常接近,误差率小于0.2%。
图4是A相输出电流谐波畸变率,总畸变率为0.65%,输出波形平滑满足电能质量要求。
图5是A相环流波形,桥臂环流在4.5至13.2A之间振荡,由傅里叶分解可知,该电流直流分量为8.83A,2次谐波分量为4.09A,2次谐波含量约占输出电流的10%,满足工程要求。
图6是A相上桥臂子模块电容电压波形,上桥臂各子模块电容电压在89.8至111.7V之间波动,电压纹波约为10%,满足工程要求。
Claims (3)
1.一种模块化多电平逆变器的无差拍控制方法,其特征在于,所述模块化多电平逆变器采用三相六桥臂拓扑结构,每相包括上、下两个桥臂,每个桥臂由N个SM子模块和1个电感L串联而成,上桥臂和下桥臂连接点引出相线;三条相线接入公共电网;每相上桥臂的N个SM子模块依次记为SMp1,SMp2,…,SMpN;每相下桥臂的N个SM子模块依次记为SMn1,SMn2,…,SMnN;
每个SM子模块是一个半桥变流器,由两个IGBT管T1和T2、两个二极管D1和D2和一个电容C构成;其中,IGBT管T1的发射极与IGBT管T2的集电极相连并构成SM的正端,IGBT管T1的集电极与电容C的正极相连,IGBT管T2的发射极与电容的负极相连并构成SM的负端;D1与T1反向并联,D2与T2反向并联;IGBT管T1和T2的门极均接收控制脉冲信号;
每相上桥臂的N个SM子模块和1个电感L依次串联,即SMp1的正端与直流侧正极相连;处于中间的SMpi的正端与SMp(i-1)的负端相连,SMpi的负端与SMp(i+1)的正端相连,i=2,3,…,N-1;SMpN负端与电感L一端相连,电感L另一端引出相线;
每相下桥臂的电感L和N个SM子模块依次串联,即电感L一端引出相线,电感L另一端与SMn1正端相连;处于中间的SMni的正端与SMn(i-1)的负端相连,SMni的负端与SMn(i+1)的正端相连,i=2,3,…,N-1;SMnN负端与直流侧负极相连;
直流侧电源中点接地;
所述无差拍控制方法包括环流控制和无差拍电流跟踪控制;
对于三相(A相、B相和C相)中的任一相,所述环流控制方法为:
1)依次检测该相的上桥臂和下桥臂各个SM子模块中电容的电压,记为Uci,其中下标i表示该相桥臂SM子模块的序号,i=1,2,…,2N;得到该相上桥臂和下桥臂所有SM子模块的电容电压平均值其中,2N为该相上桥臂和下桥臂所有SM子模块的个数;
2)设该相每个SM子模块中电容电压的参考值为Ucref,将Ucref与Uc作差后经过PI调节器得到该相环流的参考值Icirref;
所述无差拍电流跟踪控制方法为:
a)设该相输出电流参考值为Iaref,根据以下公式分别计算该相上桥臂和下桥臂的电流参考值Ipref和Inref:
Ipref=(2Icirref+Iaref)/2
Inref=(2Icirref-Iaref)/2;
b)检测流过该相上桥臂和下桥臂的电流,分别记为Ip和In,根据以下公式计算得到该相上桥臂和下桥臂的调制电压Upref和Unref:
Upref=(Udc/2)-Ua-L*(Ipref-Ip)/T
Unref=(Udc/2)+Ua-L*(Inref-In)/T
其中,Udc为模块化多电平逆变器直流侧电源电压;Ua为模块化多电平逆变器该相输出电压的测量值;L为模块化多电平逆变器桥臂电感值;T为控制周期;
c)对Upref和Unref采用最优电平逼近的方式进行调制,得到该相各SM子模块的控制脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平逆变器的无差拍控制方法,其特征在于,所述步骤2)具体为:设该相每个SM子模块中电容电压的参考值为Ucref,根据以下公式计算该相环流的参考值Icirref:
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<mo>)</mo>
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其中,2N为该相上桥臂和下桥臂所有SM子模块的个数,1/s为积分因子;Kp为比例系数,Kp=1,Ki为积分系数,Ki=50。
3.根据权利要求1所述的模块化多电平逆变器的无差拍控制方法,其特征在于,电感L取值为5mH,控制周期T取值为0.0001秒,SM子模块中电容电压参考值Ucref取值为100V,该相输出电流参考值Iaref取值为40sin(100πt)A,直流侧电源电压Udc取值为900V,N取值为9。
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Legal Events
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180109 Termination date: 20211210 |
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