一种模块化多电平交-交变换器及其控制方法技术

本发明专利技术属于电力电子技术领域，提出了一种模块化多电平交

【技术实现步骤摘要】
一种模块化多电平交
‑
交变换器及其控制方法


[0001]本专利技术属于电力电子
，尤其涉及一种模块化多电平交
‑
交变换器及其控制方法。

技术介绍

[0002]模块化多电平交
‑
交变换器因其模块化拓扑结构，具有电压和功率等级拓展灵活，交流输出波形优良、功率损耗低、故障穿越及容错运行能力强等优势，同时还可以省略中间直流变换环节，实现直接交
‑
交变换，与交
‑
直
‑
交型变换器相比，不仅可以提高变换效率，还可以降低拓扑成本。目前，模块化多电平交
‑
交变换器在高压大功率变频驱动、柔性低频输电、风力发电接入、配电网柔性互联以及柔性交流输电等应用领域受到广泛关注。
[0003]专利技术人发现，现有的模块化多电平交
‑
交变换器主要包含如图1所示的模块化多电平矩阵变换器、如图2所示的六边形模块化多电平交
‑
交变换器以及如图3所示的Y形模块化多电平交
‑
交变换器。其中，模块化多电平矩阵变换器包含9个桥臂，所需的子模块数量较多，变换器的体积较大、成本和运行损耗较高，且内部具有9条环流通路，控制策略复杂；此外，其两侧连接的交流系统耦合程度较大，一侧交流系统的任一相与另一侧交流系统的三相均存在耦合关系。六边形模块化多电平交
‑
交变换器可视为简化的模块化多电平矩阵变换器，其桥臂数量减少了1/3，仅包含6个桥臂，因而具备一定的成本和体积优势；同时，六边形模块化多电平交
‑
交变换器减弱了两侧交流系统的耦合程度，一侧交流系统的任一相仅与另一侧交流系统中的两相存在耦合关系；然而，由于六边形模块化多电平交
‑
交变换器的6个桥臂首尾依次相连，构成六边形形状，因此其拓扑内部仅存在一条环流通路，控制自由度较低，而且其正常运行时两侧交流系统的无功功率需要保持严格相等，否则需要额外的内部功率补偿控制。Y形模块化多电平交
‑
交变换器具有三个Y形桥臂，每个Y形桥臂的两个上分支分别与两侧交流系统的一相连接，因此一侧交流系统的任一相仅与另一侧交流系统中的一相存在耦合关系，两侧交流系统的耦合程度最低；此外，Y形桥臂的上分支称为辅桥臂，下分支称为主桥臂，辅桥臂的子模块数量为主桥臂子模块数量的1/2，因而Y形模块化多电平交
‑
交变换器所需的子模块数量较少；同时，其内部没有环流通道，不存在环流问题；然而，Y形模块化多电平交
‑
交变换器需要额外设计主、辅桥臂间的无功分配系数，而且两侧交流系统存在频率泄露问题，会影响两侧交流输出的波形质量。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决上述问题，提出了一种模块化多电平交
‑
交变换器及其控制方法，所需的子模块数量较少，各个桥臂中的子模块数量允许灵活配置，内部条环流通路少且路径清晰，可用于提高控制自由度，其一侧交流系统的任一相仅与另一侧交流系统中的一相存在耦合关系，两侧交流系统的耦合程度较低；此外，所连接的两侧交流系统的频率变化范围较宽，无需额外的控制策略便可实现同频和异频功率变换。
[0005]为了实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种模块化多电平交
‑
交变换器，采
用如下技术方案：
[0006]一种模块化多电平交
‑
交变换器，包括相互串联的多条环流通路，每条环流通路均包括串接的三个级联桥臂，每两个相邻的级联桥臂之间设置有电感和输出端口；
[0007]每个级联桥臂均包括多个子模块，每个子模块包括多个反并联二极管以及与至少一个二极管并联的电容器；子模块的数量根据输出端口相电压的参考值、输出端口相电压的幅值以及所有子模块电容电压平均值的参考值确定。
[0008]进一步的，所述子模块包含4个功率半导体开关、4个反并联二极管及1个电容器；其中，4个功率半导体开关和4个反并联二极管分别构成4个功率半导体开关组，以H桥结构连接，并与电容器并联连接。
[0009]进一步的，三个级联桥臂中的子模块数量确定公式为：
[0010][0011][0012][0013]其中，n1、n2和n3分别表示不同级联桥臂中的子模块数量；u
j1_ref
和u
j2_ref
分别表示不同位置处输出端口相电压的参考值；U1和U2分别表示不同位置处输出端口相电压的幅值；U
c_ref
表示所有子模块电容电压平均值的参考值确定；cei l为函数名。
[0014]为了实现上述目的，第二方面，本专利技术还提供了一种模块化多电平交
‑
交变换器控制方法，采用如下技术方案：
[0015]一种模块化多电平交
‑
交变换器的控制方法，采用了如第一方面中所述的模块化多电平交
‑
交变换器，包括根据两侧输出端口的输出电压和电流，计算得到两个输出端口的有功和无功功率；通过比较两个输出端口有功和无功功率的测量值和参考值，得到两个输出端口相电流有功和无功分量的参考值；通过比较两个输出端口相电流有功和无功分量的测量值和参考值，得到两个输出端口相电压有功和无功分量的参考值，经过坐标变换后得到两个输出端口相电压的参考值；三个级联桥臂分别为上桥臂、中桥臂和下桥臂；两个输出端口分别为上交流端口和下交流端口。
[0016]进一步的，根据所有子模块电容电压的测量值，计算得到变换器所有子模块电容电压的平均值，通过比较所有子模块电容电压平均值的测量值和参考值，得到输入侧端口相电流有功分量的补偿量。
[0017]进一步的，根据同一相内所有子模块电容电压的测量值，计算得到同一相内所有子模块电容电压的平均值；通过比较同一相内所有子模块电容电压平均值的测量值和参考值，然后得到相环流补偿分量的幅值，并与归一化的输出侧端口相电压相乘，得到与输出侧端口相电压同频同相的环流补偿分量。
[0018]进一步的，根据相应桥臂中子模块电容电压的测量值，分别计算得到不同桥臂子模块电容电压的平均值；分别通过比较上桥臂与中间桥臂子模块电容电压的平均值以及中间桥臂与下桥臂子模块电容电压平均值，然后分别得到上桥臂和下桥臂中子模块输出电压
参考值补偿分量的幅值；通过将上桥臂中子模块输出电压参考值补偿分量的幅值与归一化的上交流端口相电压参考值相乘得到上桥臂子模块输出电压参考值的补偿分量，将下桥臂中子模块输出电压参考值补偿分量的幅值与归一化的下交流端口相电压参考值相乘得到下桥臂子模块输出电压参考值的补偿分量，通过将上桥臂子模块输出电压参考值的补偿分量和下桥臂子模块输出电压参考值的补偿分量作差得到中间桥臂子模块输出电压参考值的补偿分量。
[0019]进一步的，通过比较单个子模块电容电压的测量值和参考值，得到单个子模块输出电压参考信号的补偿分量，然后根据桥臂电流的正负方向，分别乘以+1或
‑
1得到单个子模块输出电压参考本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模块化多电平交
‑
交变换器，其特征在于，包括相互串联的多条环流通路，每条环流通路均包括串接的三个级联桥臂，每两个相邻的级联桥臂之间设置有电感和输出端口；每个级联桥臂均包括多个子模块，每个子模块包括多个反并联二极管以及与至少一个二极管并联的电容器；子模块的数量根据输出端口相电压的参考值、输出端口相电压的幅值以及所有子模块电容电压平均值的参考值确定。2.如权利要求1所述的一种模块化多电平交
‑
交变换器，其特征在于，所述子模块包含4个功率半导体开关、4个反并联二极管及1个电容器；其中，4个功率半导体开关和4个反并联二极管分别构成4个功率半导体开关组，以H桥结构连接，并与电容器并联连接。3.如权利要求1所述的一种模块化多电平交
‑
交变换器，其特征在于，三个级联桥臂中的子模块数量确定公式为：的子模块数量确定公式为：的子模块数量确定公式为：其中，n1、n2和n3分别表示不同级联桥臂中的子模块数量；u
j1_ref
和u
j2_ref
分别表示不同位置处输出端口相电压的参考值；U1和U2分别表示不同位置处输出端口相电压的幅值；U
c_ref
表示所有子模块电容电压平均值的参考值确定；ceil为函数名。4.一种模块化多电平交
‑
交变换器的控制方法，其特征在于，采用了如权利要求1
‑
3中任一项所述的模块化多电平交
‑
交变换器，包括根据两侧输出端口的输出电压和电流，计算得到两个输出端口的有功和无功功率；通过比较两个输出端口有功和无功功率的测量值和参考值，得到两个输出端口相电流有功和无功分量的参考值；通过比较两个输出端口相电流有功和无功分量的测量值和参考值，得到两个输出端口相电压有功和无功分量的参考值，经过坐标变换后得到两个输出端口相电压的参考值；三个级联桥臂分别为上桥臂、中桥臂和下桥臂；两个输出端口分别为上交流端口和下交流端口。5.如权利要求4中所述的一种模块化多电平交
‑
交变换器的控制方法，其特征在于，根据所有子模块电容电压的测量值，计算得到变换器所有子模块电容电压的平均值，通过比较所有子模块电容电压平均值的测量值和参考值，得到输入侧端口相电流有功分量的补偿量。6.如权利要求5中所述的一种模块化多电平交
‑
交变换器的控制方法，其特征在于，根据同一相内所有子模块电容电...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦福田，王炳伟，高峰，董霞，俞晓冬，张金烽，王衡，姜钊，
申请(专利权)人：山东省科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：