CN113922687A - 一种级联式多电平变换装置、控制方法及其控制器 - Google Patents

Abstract

一种级联式多电平变换装置、控制方法及其控制器，该变换装置所述包括一个三相逆变器，三相逆变器包括两个功率模块及四个电容器；每个功率模块的中性点与正、负母线之间均接入一个电容器；每个功率模块的输出端分别与电机三相定子相连；级联式多电平变换装置的控制方法，包括通过控制两个功率模块所输出的共模电压，进行协同抑制级联式多电平变换装置的共模电压，达到抑制级联式多电平变换装置输出共模电压的目的。本发明通过两个功率模块实现整个级联式多电平变换***的电压和功率的提升，所给控制方法简单，实用性强，易于推广及使用。

Description

一种级联式多电平变换装置、控制方法及其控制器

技术领域

本发明涉及一种多电平变换装置及控制方法，属于多电平变流器控制技术领域。

背景技术

我国电机***在能源利用中的占比较大，提高电机***的效率对于提高我国的能源利用率至关重要。高压电机相比与低压电机***拥有效率高的天然优势，因此高压电机及其控制***在未来将得到更广泛的应用。高压电机一般由高压逆变器驱动，受限于半导体器件的耐压限制高压逆变器一般采用多电平变换器的拓扑结构，为了使得多电平变换器输出更优越的电能质量以及提高其可靠性，针对多电平变换器的研究工作仍在继续。

传统多电平变换器拓扑存在各自的缺点，比如，二极管钳位型多电平变换器存在中点电位控制复杂及二极管数量多的问题，飞跨电容型多电平变换器存在电容数量多，设备体积大可靠性低的问题，H级联式高压变换器可以拖动高压电机，但是却很难实现四象限运行，导致反馈能量无法返回电网，反而会导致***效率大幅降低，因此在6kV及以上高压领域缺少能够四象限运行并且可实用的多电平变换器装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构和控制简单、能够四象限运行的级联式多电平变换装置及控制方法，从而解决上述背景技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种级联式多电平变换装置，包括：所述级联式多电平变换装置包括一个三相逆变器，所所述三相逆变器包括两个功率模块M1、M2及四个电容器；每个功率模块的中性点与正、负母线之间均接入一个电容器；所述每个功率模块的输出端分别与电机三相定子相连；所述级联式多电平变换装置的控制方法包括：

设置级联式多电平变换装置输出的参考电压给定矢量为两个功率模块的参考电压给定矢量之和；

根据各个功率模块的参考电压给定矢量计算各自的零序电压分量；

通过参考电压给定矢量叠加零序电压分量的方法，实现对各功率模块中点电压控制；

基于电压闭环对功率模块的桥臂电容电压进行控制，并获取各功率模块的桥臂电容电压；

根据叠加零序电压分量的参考电压矢量及桥臂电容电压计算各功率模块所输出的共模电压；

通过控制两个功率模块所输出的共模电压，协同抑制级联式多电平变换装置的共模电压，达到抑制级联式多电平变换装置输出共模电压的目的。

优选的，所述设置级联式多电平变换装置输出的参考电压给定矢量为两个功率模块的参考电压给定矢量之和，包括：

获取级联式多电平变换装置需输出的参考电压矢量给定；

使级联式多电平变换装置需输出的参考电压矢量给定由各功率模块M1和 M2协同产生；即

U_ref＝U_{ref_M1}+U_{ref_M2} (1)

式中，U_ref为级联式多电平变换装置需输出的参考电压矢量给定，U_{ref_M1}为功率模块M1所产生的参考电压矢量给定，U_{ref_M2}为由功率模块M2所产生的参考电压矢量给定。

优选的，所述根据各个功率模块的参考电压给定矢量计算各自的零序电压分量，所述零序电压分量为：

式中：

为零序电压分量，m、n和k₀为零序电压分量计算系数，K为功率模块输出的电平数，U_dc为功率模块母线电压；

为功率模块中三相参考电压矢量的最大值；

为功率模块中三相参考电压矢量的最小值。

优选的，所述基于电压闭环对各个功率模块的桥臂电容电压进行控制，包括，

采集各功率模块中所控桥臂电容的电压及桥臂电容的电流方向；

根据电压闭环选择合适的冗余开关状态；

通过冗余开关状态控制所控桥臂电容的充放电过程，实现对桥臂电容电压的控制，并获取当前时刻桥臂电容电压；

所述当前时刻桥臂电容电压的波动方程为：

其中，ΔT为电流i_o的作用时间，C_f为桥臂电容的电容值，Δu_fx为桥臂电容电压的波动幅值，u'_fx为上一时刻桥臂电容电压。

优选的，所述根据叠加零序电压分量的参考电压矢量及桥臂电容电压计算各功率模块所输出的共模电压，具体包括：

式中：E为功率模块一个电平的大小，数值上等于U_dc/(K-1)，U_dc为功率模块母线电压，K为功率模块输出的电平数，u_fa、u_fb、u_fc分别代表功率模块对应的三相桥臂内的电容电压；其中v_a、v_b、v_c分别功率模块三相对应输出的开关状态， v_a、v_b、v_c与参考电压矢量的关系如下，

以功率模块M1的A相为例，v_a与

的关系方程为：

式中，

为功率模块M1叠加零序电压分量的参考电压矢量。

优选的，所述通过控制两个功率模块所输出的共模电压，进行协同抑制级联式多电平变换装置的共模电压，具体包括，

级联式多电平变换装置输出的共模电压由两个功率模块和共同产生，即

U_com＝(U_{com_M1}+U_{com_M2})/2

式中，U_com为共模电压，U_{com_M1}、U_{com_M2}为由两个功率模块所产生的共模电压；

控制两个功率模块所输出的共模电压，协同抑制级联式多电平变换装置的共模电压的方法包含2种：

(1)使两个功率模块所产生的共模电压均为0；

(2)在共模电压不为零的情况下，使两个功率模块所产生的共模电压大小完全相反，即U_{com_M1}＝-U_{com_M2}。

另一方面，本发明还包括一种级联式多电平变换装置的控制器，所述控制器与级联式多电平变换装置的两个功率模块M1与M2连接，且用于执行上述级联式多电平变换装置控制方法。

另一方面，本发明还包括一种级联式多电平变换装置，所述级联式多电平变换装置包括一个三相逆变器，所述三相逆变器包括两个功率模块及四个电容器；

所述功率模块的中性点与正、负母线之间均接入一个电容器；

所述功率模块输出端分别电机三相定子相连；

所述功率模块的控制输入端与上述控制器相连。

优选的，所述述功率模块M1、M2的结构相同。

优选的，所述功率模块M1、M2均由一套三相多电平变换器组成。

本发明有益效果：

相比于传统二极管钳位型多电平变换装置及电容飞跨型多电平变换装置具有结构简单的特点，相比于H桥级联型多电平变换装置本发明无需多个独立的直流源，同时电路中不存在开关管的直接串联。本发明的通过两个功率单元实现整个级联***的电压的提升、功率的提升，同时整个装置也可以很容易实现四象限运行，相比传统多电平变换装置具有控制更为简单，实用性更强，更易于推广及使用的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明一实施例提供的一种级联式多电平变换装置的拓扑结构图；

图2为本发明一实施例提供的一种级联式多电平变换装置的控制方法流程图；

图3为本发明一实施例提供的一种功率模块内部桥臂电容电压的控制流程图；

图4为本发明一实施例功率模块以二极管钳位型三电平变换器为例时的拓扑结构图；

图5为本发明实施例功率模块以二极管钳位型三电平变换器为例时变换装置输出的负载相电压波形；

图6为本发明实施例功率模块以二极管钳位型三电平变换器为例时变换装置输出的A相电流波形及A相电流对应的FFT分析图；

图7为本发明实施例功率模块以二极管钳位型三电平变换器为例时两个功率单元的中点电压波形；

图8为本发明实施例功率模块以二极管钳位型三电平变换器为例时变换装置输出的共模电压波形。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本公开实施例提供了一种级联式多电平变换装置，所述级联式多电平变换装置为一个三相逆变器，所述三相逆变器包括两个功率模块M1、 M2及四个电容器；每个功率模块的中性点与正、负母线之间均接入一个电容器；所述每个功率模块的输出端分别与电机三相定子相连。

具体的，级联式多电平变换装置由两个功率模块及四个电容器组成一个三相逆变器，功率模块分为功率模块M1和功率模块M2，每个功率模块均有六个电气连接点，电容器分为电容器C1，电容器C2，电容器C3及电容器C4。其中，功率模块M1的电气连接点一、二与电容器C1连接，功率模块M1的电气连接点二、三与电容器C2连接，功率模块M1的电气连接点四、五、六分别与电机三相定子的A、B、C相连，功率模块M2的电气连接点一、二与电容器C3连接，功率模块M2的电气连接点二、三与电容器C4连接，功率模块M2的电气连接点四、五、六分别与电机三相定子的a、b、c相连。三相多电平逆变器的正母线为功率模块的电气连接点一，三相多电平逆变器的负母线为功率模块的电气连接点三，三相多电平逆变器的中性点为功率模块的电气连接点二，三相多电平逆变器的三个输出端分别为功率模块的电气连接点四、五、六。

进一步，优选功率模块M1和M2中的三相多电平变换器结构相同。当然，也可以根据实际***需要灵活选择合适的三相多电平变换器结构。

进一步，所述功率模块M1、M2均由一套三相多电平变换器组成。该三相多电平变换器可以是三相两电平变换器、或是三相三电平变换器，或是三相五电平甚至更多电平的变换器。

基于上述装置，本发明实施例提供了一种级联式多电平变换装置的控制方法，所述级联式多电平变换装置的控制方法包括以下步骤：

S100：设置级联式多电平变换装置输出的参考电压给定矢量为两个功率模块的参考电压给定矢量之和。

具体的，该步骤包括：

获取级联式多电平变换装置需输出的参考电压矢量给定；

使级联式多电平变换装置需输出的参考电压矢量给定由各功率模块M1和 M2协同产生；即

U_ref＝U_{ref_M1}+U_{ref_M2} (1)

式中，U_ref为级联式多电平变换装置需输出的参考电压矢量给定，U_{ref_M1}为功率模块M1所产生的参考电压矢量给定，U_{ref_M2}为由功率模块M2所产生的参考电压矢量给定。

由式(1)可以看出，级联式多电平变换装置输出的电压由功率模块M1和M2 协同产生，这样整个变换装置可输出的最大电压是两个功率模块可输出的最大电压之和，整个变换装置可输出的最大功率也是两个功率模块可输出的最大功率之和，当电机的能量需要回馈电网时，也可以通过两个功率模块同时回馈电网，从而实现整个级联式多电平变换装置的四象限运行。

采用协同控制后的级联式多电平变换装置输出三相电流无三次谐波，正弦度非常高，且无畸变；同时通过该协同控制可以使变换装置输出等效开关频率等于两个功率单元的开关频率之和，达到实际采用低开关频率就可以等到较高等效开关频率的目的，从而降低两个功率单元的开关损耗，进而提高整个级联式多电平变换装置的转化效率。

S200：根据各个功率模块的参考电压给定矢量计算各自的零序电压分量。

具体的，该步骤以功率模块M1为例，该模块中零序电压

的计算公式为：

式中：m、n和k₀为零序分量计算系数，K为功率模块输出的电平数，U_dc为功率模块母线电压；

为功率模块M1中三相参考电压矢量的最大值；

为功率模块M1中三相参考电压矢量的最小值。

S300：通过参考电压给定矢量叠加零序电压分量的方法，实现对各功率模块中点电压控制。

具体的，该步骤中对功率模块的中点电压控制具体采用的是功率模块独立的控制方法，即当控制功率模块M1和M2内部中点电位时把功率模块M1和 M2当成两个独立的变换器去控制；对各功率模块中点电压控制具体可以采用叠加零序分量的方法，此时需要注意，功率模块在叠加零序分量时需要三相同时叠加相同的零序分量，以保证功率模块输出的线电压不变。将三相参考电压矢量大小和计算的零序分量相加，得到叠加零序分量后的参考电压给定矢量：

式中：U_{ref_M1_a}、U_{ref_M1_b}和U_{ref_M1_c}为功率模块M1中原始参考电压矢量的大小；

和

为功率模块M1中叠加零序分量后三相参考电压矢量的大小。

S400：基于电压闭环对功率模块的桥臂电容电压进行控制，并获取各功率模块的桥臂电容电压。

具体的，该步骤包括：

采集各功率模块中所控桥臂电容的电压及桥臂电容的电流方向；

根据电压闭环选择合适的冗余开关状态；

通过冗余开关状态控制所控桥臂电容的充放电过程，实现对桥臂电容电压的控制，并获取当前时刻桥臂电容电压；

所述当前时刻桥臂电容电压的波动方程为：

其中，ΔT为电流i_o的作用时间，C_f为桥臂电容的电容值，Δu_fx为桥臂电容电压的波动幅值，u'_fx为上一时刻桥臂电容电压。

具体流程图如图3所示，图中

代表功率模块其中一相的叠加零序电压分量后的参考电压矢量大小，u_o代表该相的电压输出，E代表功率模块的一个电平的大小，u_f为该相桥臂内电容电压的大小，i_o为该相桥臂电流的大小，S为将要输出的开关状态的存储变量。

S500：根据叠加零序电压分量的参考电压矢量及桥臂电容电压计算各功率模块所输出的共模电压。

功率模块输出的共模电压与其输出的开关状态有直接关系，不同的开关状态对应输出的共模电压可能不同，因此需要准确知道每种开关状态所对应输出共模电压的大小，设功率模块三相输出的开关状态为(v_a,v_b,v_c)。

以功率模块M1的A相为例，v_a与

的关系如下：

式中：E为功率模块一个电平的大小，数值上等于U_dc/(K-1)，U_dc为功率模块母线电压，K为功率模块输出的电平数。

则其对应的共模电压U_com为

式中：u_fa、u_fb、u_fc分别代表功率模块对应的三相桥臂内的电容电压。

在不考虑桥臂电容电压的情况下，可以把u_fa、u_fb、u_fc三个桥臂电压理想化认为三个桥臂电压始终等于E，则u_fa＝u_fb＝u_fc＝E，此时共模电压的计算会得到简化，但是计算得到的共模电压并不能反映实际的共模电压大小。因此如果要实现级联式多电平变换装置输出的共模电压的精确控制必须根据各功率模块的参考电压矢量和准确的桥臂电容电压进行计算，从而尽可能的抑制整个变换装置共模电压的大小。

S600：通过控制两个功率模块所输出的共模电压，协同抑制级联式多电平变换装置的共模电压，达到抑制级联式多电平变换装置输出共模电压的目的。具体实现方式如下：

级联式多电平变换装置输出的共模电压为U_com,该共模电压由功率模块M1 和M2共同产生，即

U_com＝(U_{com_M1}+U_{com_M2})/2 (3)

式中U_{com_M1}为由功率模块M1所产生的共模电压，U_{com_M2}为由功率模块 M2所产生的共模电压。

通过公式(3)可以看出，若要完全消除级联式多电平变换装置输出的共模电压共有两种方法：一、使两个功率模块所产生的共模电压均为0，即让功率模块 M1所产生的共模电压和功率模块M2所产生的共模电压均为0；二、在共模电压不为零的情况下，使两个功率模块所产生的共模电压大小完全相反，即 U_{com_M1}＝-U_{com_M2}。

本发明一实施例还提供了一种级联式多电平变换装置的控制器，级联式多电平变换装置的拓扑结构如图1所示，该控制器与级联式多电平变换装置的的两个功率模块M1与M2连接相连，通过实时的采集级联式多电平变换装置的电压和电流作为反馈信号送入控制器，经过本发明所提控制算法的运行计算，最终得到控制级联式多电平变换装置中各功率模块输出的开关状态信号，把得到的各开关状态送给驱动***控制级联式多电平变换装置中各功率器件的导通与关断。

该控制器用于设置级联式多电平变换装置输出的参考电压给定矢量等于两个功率模块的参考电压给定矢量之和；根据各个功率模块的参考电压给定矢量计算各自的零序电压分量；通过参考电压给定矢量叠加零序电压分量的方法，实现对各功率模块中点电压控制；基于电压闭环对功率模块的桥臂电容电压进行控制，并获取各功率模块的桥臂电容电压；根据叠加零序电压分量的参考电压矢量及桥臂电容电压计算各功率模块所输出的共模电压；通过控制两个功率模块所输出的共模电压，协同抑制级联式多电平变换装置的共模电压，达到抑制级联式多电平变换装置输出共模电压的目的。即执行上述实施例提供的级联式多电平变换装置的控制方法。

图4是本发明的实施例中的功率模块M1和M2均采用三相二极管钳位型三电平逆变器为功率模块拓扑结构。此时，所构成的级联式多电平变换装置为一个级联式五电平变换装置，该装置可以应用在高压大功率变频领域。

以功率模块以三相二极管钳位型三电平逆变器为例，变换装置输出电压为 6kV，功率输出在4MW的仿真条件下，采用本发明控制方法在实现级联式多电平变换装置的控制上进行说明。

从图5可以看出，采用协同控制时，当功率模块M1的A相输出电压 U_M1＝3000V时，功率模块M2的A相输出电压U_M2＝-U_M1＝-3000V，此时级联式多电平变换装置的A相输出电压U_ao＝U_M1-U_M2＝6000V。从电平数上看功率模块 M1和M2的相电压电平数只有3个，而多电平变换装置的相电压电平数高达17 个电平，电平数的极大提升，不仅体现在整个变换装置电压的提升和功率的提升，还可以有效降低变换器输出的电流谐波，极大提升变换装置的输出性能。从图6 就可以看出，变换装置输出的三相电流正弦度非常高，且无畸变，对三相电流的FFT分析进一步验证了逆变器输出无三次谐波且等效开关频率叠加的优势。从图 7可以看出，两个功率模块的中点电压都得到了很好的控制，在4MW如此大功率的输出下，两个功率模块中点电压的波动都在±25V以内，说明本发明所述的中点电位控制方法在本方案中的有效性。

从图8可以看出，采用本发明所述共模电压抑制方法，级联式多电平变换装置的共模电压始终为零，验证了本发明所给共模电压抑制方法的有效性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种级联式多电平变换装置的控制方法，其特征在于：所述级联式多电平变换装置包括一个三相逆变器，所述三相逆变器包括两个功率模块M1、M2及四个电容器；每个功率模块的中性点与正、负母线之间均接入一个电容器；所述每个功率模块的输出端分别与电机三相定子相连；所述级联式多电平变换装置的控制方法包括：

设置级联式多电平变换装置输出的参考电压给定矢量为两个功率模块的参考电压给定矢量之和；

根据各个功率模块的参考电压给定矢量计算各自的零序电压分量；

通过参考电压给定矢量叠加零序电压分量的方法，实现对各功率模块中点电压控制；

基于电压闭环对功率模块的桥臂电容电压进行控制，并获取各功率模块的桥臂电容电压；

根据叠加零序电压分量的参考电压矢量及桥臂电容电压计算各功率模块所输出的共模电压；

通过控制两个功率模块所输出的共模电压，协同抑制级联式多电平变换装置的共模电压，达到抑制级联式多电平变换装置输出共模电压的目的。

2.根据权利要求1所述的级联式多电平变换装置的控制方法，其特征在于：所述设置级联式多电平变换装置输出的参考电压给定矢量为两个功率模块的参考电压给定矢量之和，包括：

获取级联式多电平变换装置需输出的参考电压矢量给定；

使级联式多电平变换装置需输出的参考电压矢量给定由各功率模块M1和M2协同产生；即

U_ref＝U_{ref_M1}+U_{ref_M2} (1)

式中，U_ref为级联式多电平变换装置需输出的参考电压矢量给定，U_{ref_M1}为功率模块M1所产生的参考电压矢量给定，U_{ref_M2}为由功率模块M2所产生的参考电压矢量给定。

3.根据权利要求1所述的级联式多电平变换装置的控制方法，其特征在于：所述根据各个功率模块的参考电压给定矢量计算各自的零序电压分量，所述零序电压分量为：

式中：

为零序电压分量，m、n和k₀为零序电压分量计算系数，K为功率模块输出的电平数，U_dc为功率模块母线电压，

为功率模块中三相参考电压矢量的最大值，

为功率模块中三相参考电压矢量的最小值。

4.根据权利要求1所述的级联式多电平变换装置的控制方法，其特征在于：所述基于电压闭环对各个功率模块的桥臂电容电压进行控制，包括，

采集各功率模块中所控桥臂电容的电压及桥臂电容的电流方向；

根据电压闭环选择冗余开关状态；

通过冗余开关状态控制所控桥臂电容的充放电过程，实现对桥臂电容电压的控制，并获取当前时刻桥臂电容电压；

所述当前时刻桥臂电容电压的波动方程为：

其中，ΔT为电流i_o的作用时间，C_f为桥臂电容的电容值，Δu_fx为桥臂电容电压的波动幅值，u'_fx为上一时刻桥臂电容电压。

5.根据权利要求4所述的级联式多电平变换装置的控制方法，其特征在于：所述根据叠加零序电压分量的参考电压矢量及桥臂电容电压计算各功率模块所输出的共模电压，具体包括：

式中：E为功率模块一个电平的大小，数值上等于U_dc/(K-1)，U_dc为功率模块母线电压，K为功率模块输出的电平数，u_fa、u_fb、u_fc分别代表功率模块对应的三相桥臂内的电容电压；其中v_a、v_b、v_c分别功率模块三相对应输出的开关状态，v_a、v_b、v_c与参考电压矢量的关系如下，

以功率模块M1的A相为例，v_a与

的关系方程为：

式中，

为功率模块M1叠加零序电压分量的参考电压矢量。

6.根据权利要求5所述的级联式多电平变换装置的控制方法，其特征在于：所述通过控制两个功率模块所输出的共模电压，协同抑制级联式多电平变换装置的共模电压，具体包括，

级联式多电平变换装置输出的共模电压由两个功率模块和共同产生，即

U_com＝(U_{com_M1}+U_{com_M2})/2

式中，U_com为共模电压，U_{com_M1}、U_{com_M2}为由两个功率模块所产生的共模电压；

控制两个功率模块所输出的共模电压，协同抑制级联式多电平变换装置的共模电压的方法包含2种：

(1)使两个功率模块所产生的共模电压均为0；

(2)在共模电压不为零的情况下，使两个功率模块所产生的共模电压大小完全相反，即U_{com_M1}＝-U_{com_M2}。

7.一种级联式多电平变换装置的控制器，其特征在于，所述控制器与级联式多电平变换装置的两个功率模块M1与M2连接，且用于执行权利要求1-6任一所述级联式多电平变换装置的控制方法。

8.一种级联式多电平变换装置，其特征在于，所述级联式多电平变换装置包括一个三相逆变器，所述三相逆变器包括两个功率模块M1、M2及四个电容器；所述功率模块的中性点与正、负母线之间均接入一个电容器；

所述功率模块输出端分别电机三相定子相连；

所述功率模块的控制输入端与权利要求7所述的控制器相连。

9.根据权利要求8所述的级联式多电平变换装置，其特征在于，所述述功率模块M1、M2的结构相同。

10.根据权利要求9所述的级联式多电平变换装置，其特征在于，所述功率模块M1、M2均由一套三相多电平变换器组成。

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