CN111711374A - 模块化并联四电平变换器***及方法 - Google Patents

模块化并联四电平变换器***及方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种模块化四电平变换器***，包括：第一子模块，和至少一个与第一子模块并联的第N子模块；每个子模块均包括变换器和控制器，第一子模块的变换器与第N子模块的变换器的直流侧并联，交流侧连接滤波器后通过电网并联；控制器根据零序环流信息对各个变换器间的环流进行控制；实现装备的大容量化需求的技术效果；不同调制度下改变矢量作用时间，降低了变换器间的环流；对于变换器电流、电路参数不相等工况依然适用。

Description

模块化并联四电平变换器***及方法
技术领域
本公开涉及一种模块化并联四电平变换器***及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着新能源快速发展，电网对新能源的并网电能质量提出了更高的要求。四电平逆变器的出现恰好能够解决这个问题。和传统两电平和三电平逆变器相比，四电平逆变器具有输出波形质量好和滤波器体积小等优势。在四电平拓扑中，NNPC拓扑由于具有开关数量少得到广泛关注。此外，由于开关管电流应力的影响，单台逆变器容量受限，很难满足大功率场合的应用。逆变器的并联成为在大功率光伏并网发电***和风力发电***的理想方案。
但是对于模块之间的电阻和电感不匹配，加之不同变换器之间算法不同会导致变换器与变换器之间的环流加剧。环流会影响逆变器的输出电流波形质量，而且严重时会烧坏IGBT本身。
发明内容
为了解决上述技术问题，本公开提出了一种模块化四电平变换器***及控制方法，实现多台大功率变换***的环流抑制，提高并网变换器的波形质量。
第一方面，本公开提供了一种模块化四电平变换器***，包括：第一子模块，和至少一个与第一子模块并联的第N子模块；每个子模块均包括变换器和控制器，第一子模块的变换器与第N子模块的变换器的直流侧并联，交流侧连接滤波器后通过电网并联；控制器根据零序环流信息对各个变换器间的环流进行控制。
第二方面，本公开还提供了一种如第一方面所述的模块化四电平变换器***的使用方法，步骤包括：
对模块化四电平变换器***进行建模；
针对各个子模块的d轴和q轴电流设计电流控制器；
设计零序环流控制器，零序环流控制器根据两台变换器环流信息iz1与iz2，第N台和第一台变换器的电感以及零序占空比获取零序环流信息。
进一步的，根据零序环流信息对各个变换器间的环流进行控制，在低调制度采用改变零矢量实现环流抑制，在高调制度采用改变小矢量实现环流抑制。
与现有技术对比，本公开具备以下有益效果：
1、本公开通过变换器的并联，设置了第一子模块，和至少一个与第一子模块并联的第N子模块，第一子模块的变换器与第N子模块的变换器的直流侧并联，交流侧连接滤波器后通过电网并联，解决了由于开关管电流应力的影响，单台变换器容量受限，很难满足大功率场合的应用的技术问题，实现装备的大容量化需求的技术效果。
2、本公开根据零序环流信息对各个变换器间的环流进行控制，在低调制度采用改变零矢量实现环流抑制，在高调制度采用改变小矢量实现环流抑制，解决了模块之间的电阻和电感不匹配，加之不同变换器之间算法不同会导致变换器与变换器之间的环流加剧，环流会影响变换器的输出电流波形质量，而且严重时会烧坏IGBT本身的技术问题，实现了不同调制度下改变矢量作用时间，降低了变换器间的环流。
3、本公开针对d轴和q轴电流设计最优控制器；加入最优环流控制器，设计零序环流控制器，零序环流控制器根据两台变换器环流信息iz1与iz2，第N台和第一台变换器的电感以及零序占空比获取零序环流信息，解决了环流会影响变换器的输出电流波形质量，而且严重时会烧坏IGBT本身的技术问题，实现对于变换器电流、电路参数不相等工况依然适用。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本公开实施例1中四电平变换器并联***结构图；
图2为本公开实施例1中并联四电平变换器的控制电路图；
图3为本公开实施例2中控制***控制器框图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
如附图1所示，一种模块化四电平变换器***，包括：第一子模块，和至少一个与第一子模块并联的第N子模块；每个子模块均包括变换器和控制器，第一子模块的变换器与第N子模块的变换器的直流侧并联，交流侧连接滤波器后通过电网并联；控制器根据零序环流信息对各个变换器间的环流进行控制。
进一步的，所述变换器包括并联连接的三个桥臂，每个桥臂均包括电容、二极管和依次串联的六个开关管，通过二极管和电容对开关管进行钳位。
进一步的，所述桥臂包括六个开关管，分别为第一、第二、第三、第四、第五和第六开关管；第一开关管的发射极连接第二开关管的集电极，第二开关管的发射极连接第三开关管的集电极，第三开关管的发射极连接第四开关管的集电极，第四开关管的发射极连接第五开关管的集电极，第五开关管的发射极连接第六开关管的集电极；三个桥臂的第一开关管的集电极并联后接入直流侧正极，三个桥臂的第六开关管的发射极并联后接入直流侧的负极；
进一步的，还包括两个飞跨电容，分别为第一电容和第二电容；所述第一电容的第一端连接第一开关管和第二开关管的公共端，第一电容的第二端与第二电容的第一端连接，第二电容的第二端连接第五开关管和第六开关管的公共端。
进一步的，还包括两个二极管，分别为第一二极管和第二二极管；所述第一二极管的负极连接第二开关管和第三开关管的公共端，第一二极管的正极连接第二二极管的负极，第二二极管的正极连接第四开关管和第五开关管的公共端。
进一步的，还包括并联在桥臂线路的两个电容，两个电容串联后一端接入直流侧的正极，另一端接入直流侧的负极。
进一步的，所述开关管可以为IGBT管或MOS管，作为优选的一种方案，所述开关管为IGBT管。
进一步的，还包括控制电路，所述控制电路为依次连接的调理电路、采样电路、控制器和驱动电路，控制器还与保护电路连接，所述驱动电路输出PWM信号驱动桥臂中IGBT管的开通与关断。
进一步的，保护电路实现变换器***的过压过流保护；调理电路将霍尔传感器测得的相关信号进行调理，得到采样电路可以接收的模拟信号；采样电路将调理好的模拟信号转换为数字量传送给控制器；控制器用来产生控制***正常运行的驱动信号。
进一步的，所述控制器包括电流控制器和零序环流控制器，电流控制器针对各个子模块的d轴和q轴电流调节最优电流值；电流控制器连接驱动电路，驱动电路输出PWM信号驱动桥臂中IGBT管的开通与关断；
进一步，所述零序环流控制器控制器根据第一模块的两台变换器环流信息iz1与iz2，第N台和第一台变换器的电感以及零序占空比获取零序环流信息；根据零序环流信息对变换器间环流进行控制，零序环流控制器连接驱动电路，驱动电路输出PWM信号驱动桥臂中IGBT管的开通与关断；
进一步的，在低调制度(小于1/3)采用改变零矢量实现环流抑制，在高调制度(大于1/3)采用改变小矢量实现环流抑制。矢量包括大矢量、中矢量、小矢量和零矢量。
进一步的，获取零序环流信息具体为：通过第n滤波器的电感与第n变换器的零序环流的乘积，减去第一滤波器的电感和第一变换器的零序环流乘积后，与输入电压和时间的乘积的进行比值，然后加上六分之一的第n变换器的占空比与第一变换器的占空比的差值，进而加上第n变换器与第一变换器根据扇区选择不同值的差值，计算获取的数据为零序环流信息。
具体的，如图3所示为四电平变换器的控制电路图。控制电路包括保护电路、驱动电路、采样电路、调理电路，调理电路与采样电路连接，采样电路连接DSP模块，DSP模块与保护电路双向通信，DSP模块连接驱动电路，驱动电路输出PWM信号驱动桥臂中IGBT管的开通与关断。所述变换器可以为逆变器。
调理电路采集每一相的电容电压以及滤波器输出的三相电流ia、ib、ic。
信号调理电路和控制电压具有过/欠压保护和过流保护；调理电路将霍尔传感器测得的相关信号进行调理，得到采样电路可以接收的模拟信号。AD转换器的采样与转换由DSP进行控制，将调理好的模拟信号转换为数字量。数字信号的处理以及SPWM控制、PWM产生均由DSP实现，最终生成的PWM信号送给驱动电路去控制IGBT管的开通与关断。
IGBT管为(Insulated Gate Bipolar Transistor)绝缘栅双极型晶体管。
使用基于最优环流控制器对变换器间环流进行控制，最优控制器输入为第一台和i台逆变器的零序电压，电感，电流，电阻和环流等参数。并在低调制度(小于1/3)采用改变零矢量实现环流抑制，在高调制度(大于1/3)采用改变小矢量实现环流抑制。
实施例2
一种模块化四电平变换器***的使用方法，实现多台大功率逆变***的环流抑制，提高并网逆变器的波形质量。步骤包括：
首先对模块化四电平变换器***进行建模，形成第一子模块，和至少一个与第一子模块并联的第N子模块；
针对各个子模块的d轴和q轴电流设计电流控制器，在变换器中与磁极轴线相合就称为纵轴(也叫直轴、d轴),与磁极轴线垂直就称为横轴(也叫交轴、q轴)；电流控制器针对各个子模块的d轴和q轴电流调节最优电流值；电流控制器连接驱动电路，驱动电路输出PWM信号驱动桥臂中IGBT管的开通与关断；
然后设计零序环流控制器，零序环流控制器的控制器信息包括第一台和第N台逆变器的零序电压、电阻和电感、环流；所述零序环流控制器控制器根据第一模块的两台变换器环流信息iz1与iz2，第N台和第一台变换器的电感以及零序占空比获取零序环流信息；根据零序环流信息对变换器间环流进行控制，零序环流控制器连接驱动电路，驱动电路输出PWM信号驱动桥臂中IGBT管的开通与关断；在低调制度(小于1/3)采用改变零矢量实现环流抑制，在高调制度(大于1/3)采用改变小矢量实现环流抑制。
其中最优控制器需要模块1的两台变换器环流信息iz1与iz2，第i台和第一台的电感以及零序占空比，获取零序环流信息具体为：通过滤波器n的电感与逆变器n的零序环流的乘积，减去滤波器1的电感和逆变器1的零序环流乘积后，与输入电压和时间的乘积的进行比值，然后加上六分之一的逆变器n的占空比与逆变器1的占空比的差值，进而加上逆变器n与逆变器1根据扇区选择不同值的差值，计算获取的数据为零序环流信息。
具体的形式如下：
Figure BDA0002560046030000081
其中：
Figure BDA0002560046030000082
dxn为逆变器n的占空比，Vdc是输入电压，hzn是根据扇区选择不同的值，Vdc是直流侧电压，L为滤波器电感，iz是逆变器的零序环流。
该方法对于变换器参数、工况不一致的情况下依然适用；该方法实现简单，对并联***的拓展性强，应用简单，实用性强；在光伏发电***、风力发电***等可再生能源领域前景广阔。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种模块化四电平变换器***，其特征在于，包括：第一子模块，和至少一个与第一子模块并联的第N子模块；每个子模块均包括变换器和控制器，第一子模块的变换器与第N子模块的变换器的直流侧并联，交流侧连接滤波器后通过电网并联；控制器根据零序环流信息对各个变换器间的环流进行控制。
2.如权利要求1所述的模块化四电平变换器***，其特征在于，所述变换器包括并联连接的三个桥臂，每个桥臂均包括电容、二极管和依次串联的六个开关管，通过二极管和电容对开关管进行钳位。
3.如权利要求2所述的模块化四电平变换器***，其特征在于，还包括控制电路，所述控制电路为依次连接的调理电路、采样电路、控制器和驱动电路，所述驱动电路输出PWM信号驱动桥臂中开关管的开通与关断。
4.如权利要求3所述的模块化四电平变换器***，其特征在于，所述控制器包括电流控制器和零序环流控制器，电流控制器针对各个子模块的d轴和q轴电流调节变换器的电流值。
5.如权利要求4所述的模块化四电平变换器***，其特征在于，所述零序环流控制器根据第一模块的两台变换器环流信息iz1与iz2，第N台和第一台变换器的电感以及零序占空比获取零序环流信息；根据零序环流信息对变换器间环流进行控制。
6.如权利要求4所述的模块化四电平变换器***，其特征在于，所述零序环流控制器在低调制度采用改变零矢量实现环流抑制，在高调制度采用改变小矢量实现环流抑制。
7.如权利要求5所述的模块化四电平变换器***，其特征在于，获取零序环流信息具体为：通过第n滤波器的电感与第n变换器的零序环流的乘积，减去第一滤波器的电感和第一变换器的零序环流乘积后，与输入电压和时间的乘积的进行比值，然后加上六分之一的第n变换器的占空比与第一变换器的占空比的差值，进而加上第n变换器与第一变换器根据扇区选择不同值的差值，计算获取的数据为零序环流信息。
8.一种如权利要求1-7任一所述的模块化四电平变换器***的使用方法，其特征在于，步骤包括：
首先对模块化四电平变换器***进行建模；
针对各个子模块的d轴和q轴电流设计电流控制器；
设计零序环流控制器，零序环流控制器根据两台变换器环流信息iz1与iz2，第N台和第一台变换器的电感以及零序占空比获取零序环流信息。
9.如权利要求8所述的使用方法，其特征在于，根据零序环流信息对变换器间环流进行控制，在低调制度采用改变零矢量实现环流抑制，在高调制度采用改变小矢量实现环流抑制。
10.如权利要求8所述的使用方法，其特征在于，获取零序环流信息具体为：通过第n滤波器的电感与第n变换器的零序环流的乘积，减去第一滤波器的电感和第一变换器的零序环流乘积后，与输入电压和时间的乘积的进行比值，然后加上六分之一的第n变换器的占空比与第一变换器的占空比的差值，进而加上第n变换器与第一变换器根据扇区选择不同值的差值，计算获取的数据为零序环流信息。
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