一种模块化多电平逆变器及其无差拍控制方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术相对于传统的控制方法而言，减少了系统中大量的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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术专利属于高压大功率电力电子
，特别涉及一种模块化多电平逆变 器及其无差拍控制方法
技术介绍
近年来，随着电力系统的不断发展，传统的电网输配电系统已经不能满足社会需 求，对电力系统的控制能力、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，常规电力系统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Η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Η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ΡΙ环节，每相桥的均压控制也包含一个ΡΙ环节。因此，系统中将出 现大量的ΡΙ环节，对于整个系统的调试相当困难。本专利技术只在系统中引入一个ΡΙ环节，即 可实现控制目的，很大程度上减轻了系统的调试工作，降低了运算复杂度，提高了系统响应 速度。
技术实现思路
本专利技术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ΡΙ调节器，降低了运算复杂度，提高了系统 响应速度。 为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是： -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Ν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SMpl，SMp2,…，SMpN;每相下桥臂 的N个SM子模块依次记为SMnl，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，S卩SMpl的正端与直流侧正极 相连；处于中间的SMP^正端与SMpUυ的负端相连，SMP^负端与SMpU+1)的正端相连，i= 2,3，"·，Ν-1 ;SMP，、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SMnl正端相连；处于中间的SMn^正端与SMnU1}的负端相连，SMn^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，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U_f，将1]"^与1]。作差后经过PI调节 器得到该相环流的参考值I"mf;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I_f (1_油负载功率决定），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Ipraf和Inraf:Ipref=(21cirref+Iaref)/2 Inref= (21 cirref-Iaref)/2 ; b)检测流过该相上桥臂和下桥臂的电流，分别记为IjpIn，根据以下公式计算得 到该相上桥臂和下桥臂的调制电压upraf和u_f: Upref=(Udc/2) -Ua-L*(Ipref-IP)/T Unref=(Udc/2)+Ua-L*(Inref-In)/T 其中，Ud。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U_f和U_f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U_f，根据以下公式 计算该相环流的参考值Idmf: 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，Κρ= 1，Ki为积分系数，Κ50。 作为本专利技术的一种实施例，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U_f取值为100V，该相输出电流参考值I取值为 40sin(100πt)A，直流侧电源电压Ud。取值为900V，N取值为9。 本专利技术的有益效果是：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，节省了系统的调试时间，提高了效率；3)缩短了系统的响应时间，加快了系统的响 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为无差拍控制系统示意图；图2(a)为无差拍控制系统框图；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；【当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模块化多电平逆变器，其特征在于，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。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：荣飞，龚喜长，黄守道，罗德荣，田新华，李旺，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43