適用于低頻運(yùn)行的混合型模塊化多電平換流器及其控制方法
【專(zhuān)利摘要】適用于低頻運(yùn)行的混合型模塊化多電平換流器及其控制方法，屬于電力電子領(lǐng)域。為了解決MMC低頻運(yùn)行時(shí)存在的電容電壓波動(dòng)的問(wèn)題。所述換流裝置包括串聯(lián)開(kāi)關(guān)、緩沖電路、接地電路和模塊化多電平換流器；所述串聯(lián)開(kāi)關(guān)串聯(lián)在直流母線與模塊化多電平換流器的直流側(cè)之間，緩沖電路與接地電路分別并聯(lián)在模塊化多電平換流器的直流側(cè)；模塊化多電平換流器由三相電路構(gòu)成，每一相電路包括上下兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由一個(gè)電感器L和N個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊SM串聯(lián)而成，每個(gè)子模塊SM包括一個(gè)半橋功率單元和一個(gè)電容器C。本發(fā)明用于高壓電機(jī)變頻調(diào)速。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
適用于低頻運(yùn)行的混合型模塊化多電平換流器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子領(lǐng)域，具體涉及一種適用于低頻運(yùn)行的混合型模塊化多電平 換流器及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)作為一種新型的高 壓大功率電能變換技術(shù)，近年來(lái)在柔性直流輸電與電能質(zhì)量治理等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng) 用。與此同時(shí)，人們也開(kāi)始研究能否把MMC應(yīng)用在高壓電機(jī)變頻調(diào)速領(lǐng)域中。因?yàn)橄啾葌鹘y(tǒng) 的級(jí)聯(lián)H橋型變頻器，MMC不但保留了其大部分優(yōu)點(diǎn)（例如高效率、多電平電壓輸出、模塊化 結(jié)構(gòu)、安裝維護(hù)容易），更重要的是，它能省去級(jí)聯(lián)H橋變頻器中成本高昂、體積笨重、損耗嚴(yán) 重的移相變壓器，可直接通過(guò)公共直流母線供電。這使得系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)靈活簡(jiǎn)單，擴(kuò)展容 易，應(yīng)用的電壓/功率等級(jí)不再受限制。
[0003] 但目前MMC在高壓電機(jī)變頻調(diào)速應(yīng)用中面臨的一個(gè)瓶頸問(wèn)題，即在每個(gè)子模塊中 都需要采用大量的電容器作為功率支撐元件，以保證MMC在滿(mǎn)載運(yùn)行時(shí)其電容電壓的波動(dòng) 不超出允許范圍。且隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的降低，該電容電壓的波動(dòng)將變得越大。從而當(dāng)MMC拖動(dòng) 電機(jī)大轉(zhuǎn)矩低速運(yùn)行時(shí)，務(wù)必要采用容量極大的電容器，造成換流器成本昂貴、體積龐大。 因此，如何降低MMC所需電容器的容量成為了制約模塊化多電平換流器降低成本、增強(qiáng)可靠 性、以及推廣其在高壓電機(jī)變頻調(diào)速領(lǐng)域中應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。
[0004] 針對(duì)MMC低頻運(yùn)行時(shí)電容電壓波動(dòng)大的問(wèn)題，葛瓊璇等人的《模塊化多電平變流器 低頻運(yùn)行的控制方法》(見(jiàn)專(zhuān)利CN201210507664.8)，王寶安等人的《一種模塊化多電平變換 器的低頻模式運(yùn)行控制方法》(見(jiàn)專(zhuān)利CN201310234952.5)，以及羅安等人的《一種基于諧振 濾波電路的模塊化多電平換流器低頻控制方法》（見(jiàn)專(zhuān)利CN201410189491.9)，分別提及了 相應(yīng)電容電壓波動(dòng)抑制方法，其本質(zhì)思想都是依靠在MMC輸出電壓中注入共模電壓，同時(shí)在 橋臂電流中引入相同頻率的環(huán)流，使MMC上下橋臂間形成新的功率交換途徑，令電容器能夠 以更高的頻率進(jìn)行充放電，繼而降低電容電壓的波動(dòng)。然而這些方法均存在兩個(gè)嚴(yán)重的問(wèn) 題:一是會(huì)對(duì)電機(jī)施加幅值非常大的共模電壓，嚴(yán)重威脅電機(jī)的絕緣安全并會(huì)帶來(lái)軸電流 問(wèn)題影響電機(jī)壽命;另一個(gè)問(wèn)題是橋臂中注入的環(huán)流會(huì)增大橋臂電流的幅值，加大MMC的損 耗、增加散熱系統(tǒng)的成本，同時(shí)也不得不選用電流容量更大的半導(dǎo)體器件，大幅增加成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了解決MMC低頻運(yùn)行時(shí)存在的電容電壓波動(dòng)的問(wèn)題，本發(fā)明提 供一種適用于低頻運(yùn)行的混合型模塊化多電平換流裝置及其控制方法。
[0006] 本發(fā)明的適用于低頻運(yùn)行的混合型模塊化多電平換流裝置，所述換流裝置包括串 聯(lián)開(kāi)關(guān)、緩沖電路、接地電路和模塊化多電平換流器；
[0007] 所述串聯(lián)開(kāi)關(guān)串聯(lián)在直流母線與模塊化多電平換流器的直流側(cè)之間，緩沖電路與 接地電路分別并聯(lián)在模塊化多電平換流器的直流側(cè)；
[0008] 模塊化多電平換流器由三相電路構(gòu)成，每一相電路包括上下兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂 由一個(gè)電感器L和N個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊SM串聯(lián)而成，每個(gè)子模塊SM包括一個(gè)半橋功率單元 和一個(gè)電容器C。
[0009] 串聯(lián)開(kāi)關(guān)采用全控型電力電子器件實(shí)現(xiàn)。
[0010] 串聯(lián)開(kāi)關(guān)為絕緣柵雙極型晶體管或集成門(mén)極換流晶閘管或門(mén)極可關(guān)斷晶閘管。 [0011]串聯(lián)開(kāi)關(guān)采用半控型電力電子器件實(shí)現(xiàn)。
[0012]所述緩沖電路由電阻Rs和電容Cs串聯(lián)構(gòu)成。
[0013]所述接地電路由接地電阻Rgl和接地電阻Rg2串聯(lián)，并得至賭地點(diǎn)。
[0014] 所述方法包括如下步驟：
[0015] 步驟一:檢測(cè)模塊化多電平換流器中各個(gè)子模塊的電容電壓，計(jì)算其平均值Uavg， 并將該平均值與給定電壓Udc/N比較，其差值送入第一 PI調(diào)節(jié)器，第一 PI調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)方 波發(fā)生器得到占空比為D的占空比信號(hào)；
[0016] 式中Udc為直流母線電壓，N為模塊化多電平換流器中每個(gè)橋臂中包含的子模塊個(gè) 數(shù)；
[0017] 步驟二:將步驟一得到的占空比信號(hào)作用在串聯(lián)開(kāi)關(guān)上，控制串聯(lián)開(kāi)關(guān)的開(kāi)通或 關(guān)斷；
[0018] 步驟三：分別計(jì)算模塊化多電平換流器每一相電路中子模塊的電容電壓平均值 Uavg」將與總的電容電壓平均值Uavg比較，其差值送入第二PI調(diào)節(jié)器中，第二PI調(diào)節(jié)器的輸出 與IcMratecO/3相加，得到各橋臂環(huán)流的給定幅值Icj;
[0019] 其中j表示A、B和C三相中的一相，Idc(rated)為模塊化多電平換流器額定功率運(yùn)行時(shí) 直流母線電流大小；
[0020] 步驟四：將步驟三獲得的與步驟一得到的占空比信號(hào)相乘，得到最終的環(huán)流控 制指令ic/，并將ic/與檢測(cè)得到的環(huán)流k比較，其差值經(jīng)第三PI調(diào)節(jié)器得到電壓控制信號(hào) Ucj；
[0021 ]步驟五:將Ucj與電壓偏置信號(hào)Uoffset相加后，再分別減去和加上交流輸出電壓信號(hào) Uy，得到上橋臂電壓的參考信號(hào)Ite0u與下橋臂電壓的參考信號(hào) [0022]其中電壓偏置信號(hào)U ciffse3t由如下公式計(jì)算得到：
[0023]
[0024]且U。表示輸出交流電壓u。」的幅值；
[0025]步驟六:最后將Hlu與經(jīng)載波移相調(diào)制，得到各子模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制相 應(yīng)子模塊中的開(kāi)關(guān)器件。
[0026]所述步驟一中第一 PI調(diào)節(jié)器的作用是保證模塊化多電平換流器總的能量平衡。 [0027]所述步驟三中第二PI調(diào)節(jié)器的作用是保證模塊化多電平換流器的三相電路中的 能量相互均衡。
[0028]本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明提出了一種混合型模塊化多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及 相應(yīng)的運(yùn)行控制方式，以大幅降低電容電壓波動(dòng)。相比其他現(xiàn)有方案，本發(fā)明可以保證橋臂 電流幅值在額定電流以?xún)?nèi)，避免了增加損耗，無(wú)需采用容量更大的半導(dǎo)體器件。更重要的 是，本發(fā)明不會(huì)對(duì)電機(jī)造成共模電壓，有力的推廣了 MMC在高壓電機(jī)變頻調(diào)速領(lǐng)域中的應(yīng) 用。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1是【具體實(shí)施方式】中串聯(lián)開(kāi)關(guān)第一種接線形式的混合型模塊化多電平換流裝置 的原理不意圖；
[0030] 圖2是【具體實(shí)施方式】中串聯(lián)開(kāi)關(guān)第二種接線形式的混合型模塊化多電平換流裝置 的原理不意圖；
[0031] 圖3是【具體實(shí)施方式】中串聯(lián)開(kāi)關(guān)第三種接線形式的混合型模塊化多電平換流裝置 的原理不意圖；
[0032]圖4是【具體實(shí)施方式】中基于IGBT的串聯(lián)開(kāi)關(guān)；
[0033]圖5是【具體實(shí)施方式】中基于晶閘管的串聯(lián)開(kāi)關(guān)；
[0034]圖6是【具體實(shí)施方式】中基于IGBT級(jí)聯(lián)的串聯(lián)開(kāi)關(guān)；
[0035] 圖7是【具體實(shí)施方式】中基于晶閘管級(jí)聯(lián)的串聯(lián)開(kāi)關(guān)；
[0036] 圖8是【具體實(shí)施方式】中模塊化多電平換流器的原理示意圖；
[0037]圖9是【具體實(shí)施方式】中控制方法的原理示意圖；
[0038]圖10是【具體實(shí)施方式】工作在額定頻率50Hz時(shí)的實(shí)例波形圖；
[0039] 圖11是【具體實(shí)施方式】工作在低頻2Hz時(shí)的實(shí)例波形圖；
[0040] 圖12是【具體實(shí)施方式】中串聯(lián)開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)與電流實(shí)例波形圖。
[0041] 圖13是【具體實(shí)施方式】中電機(jī)共模電壓實(shí)例波形圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0042] 一:結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的適用于低頻運(yùn)行的 混合型模塊化多電平換流裝置及其控制方法，原理如圖1所示，該換流裝置包括串聯(lián)開(kāi)關(guān)、 緩沖電路、接地電路和模塊化多電平換流器；
[0043] 所述串聯(lián)開(kāi)關(guān)串聯(lián)在直流母線與模塊化多電平換流器的直流側(cè)之間，緩沖電路與 接地電路分別并聯(lián)在模塊化多電平換流器的直流側(cè)；
[0044] 模塊化多電平換流器由三相電路構(gòu)成，每一相電路包括上下兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂 由一個(gè)電感器L和N個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊SM串聯(lián)而成，每個(gè)子模塊SM包括一個(gè)半橋功率單元 和一個(gè)電容器C。
[0045] 串聯(lián)開(kāi)關(guān)可以有其他的接線形式，如圖1、圖2和圖3所示。
[0046] 串聯(lián)開(kāi)關(guān)可以采用全控型電力電子器件，如絕緣柵雙極型晶體管IGBT，如圖4所 示，集成門(mén)極換流晶閘管IGCT，或門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GT0,也可為半控型電力電子器件，如晶 閘管，如圖5所示。亦可以采用半導(dǎo)體器件的級(jí)聯(lián)，如圖6和圖7所示。
[0047] 本實(shí)施方式的串聯(lián)開(kāi)關(guān)除串聯(lián)在直流母線與模塊化多電平換流器之間以外，還可 以集成在輸入整流電路當(dāng)中。
[0048] 緩沖電路由電阻Rs和電容Cs串聯(lián)構(gòu)成。
[0049]接地電路由接地電阻RgI和接地電阻Rg2串聯(lián)，并得到接地點(diǎn)
[0050]模塊化多電平換流器的結(jié)構(gòu)，如圖8所示，包括三相電路，每相電路包括上下兩個(gè) 橋壁，共六個(gè)，上橋臂包括一個(gè)電感器L和模塊ArmUj，下橋臂包括一個(gè)電感器L和模塊Armwj， j=A，B，C，表示三相電路；
[0051 ]模塊ArmUj或模塊Armwj由N個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊SMn堆疊而成，η = 1，…N;每個(gè)子模 塊SMn包括兩個(gè)1681'(31與32)和一個(gè)電容器；
[0052]本實(shí)施方式還提供一種適用于低頻運(yùn)行的混合型模塊化多電平換流裝置的控制 方法，如圖9所示，具體步驟如下：
[0053]步驟一:檢測(cè)模塊化多電平換流器中各個(gè)子模塊的電容電壓，計(jì)算其平均值Uavg， 并將該平均值與給定電壓UdJN比較，其差值送入第一 PI調(diào)節(jié)器，第一 PI調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)方 波發(fā)生器得到占空比為D的占空比信號(hào)；
[0054]式中Udc為直流母線電壓，N為模塊化多電平換流器中每個(gè)橋臂中包含的子模塊個(gè) 數(shù)；
[0055] 步驟二:將步驟一得到的占空比信號(hào)作用在串聯(lián)開(kāi)關(guān)上，控制串聯(lián)開(kāi)關(guān)的開(kāi)通或 關(guān)斷；
[0056] 步驟三：分別計(jì)算模塊化多電平換流器每一相電路中子模塊的電容電壓平均值 Uavg」將與總的電容電壓平均值Uavg比較，其差值送入第二PI調(diào)節(jié)器中，第二PI調(diào)節(jié)器的輸出 與IcMratecO/3相加，得到各橋臂環(huán)流的給定幅值Icj;
[0057]其中j表示A、B和C三相中的一相，Idc(rated)為模塊化多電平換流器額定功率運(yùn)行時(shí) 直流母線電流大小；
[0058]步驟四：將步驟三獲得的Icj與步驟一得到的占空比信號(hào)相乘，得到最終的環(huán)流控 制指令k*，并將與檢測(cè)得到的環(huán)流k比較，其差值經(jīng)第三PI調(diào)節(jié)器得到電壓控制信號(hào) Ucj；
[0059] 步驟五:將Ucj與電壓偏置信號(hào)Uoffset相加后，再分別減去和加上交流輸出電壓信號(hào) Uy，得到上橋臂電壓的參考信號(hào)Ite0u與下橋臂電壓的參考信號(hào)
[0060] 其中電壓偏置信號(hào)Uciffset由如下公式計(jì)算得到：
[0061]
[0062]且U。表示輸出交流電壓u?！沟姆?；
[0063]步驟六:最后將Hiu與uref』經(jīng)載波移相調(diào)制，得到各子模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制相 應(yīng)子模塊中的開(kāi)關(guān)器件。
[0064]步驟一中第一 PI調(diào)節(jié)器的作用是保證模塊化多電平換流器總的能量平衡。
[0065]步驟三中第二PI調(diào)節(jié)器的作用是保證模塊化多電平換流器的三相電路中的能量 相互均衡。
[0066]圖10~13為采用上述混合型模塊化多電平換流裝置及控制方法獲得的實(shí)驗(yàn)效果 圖，其中直流母線電壓Udc = 6kV，子模塊個(gè)數(shù)N=6，子模塊電容I OmF，橋臂電感ImH，串聯(lián)開(kāi)關(guān) 采用IGBT。圖10所示為工作在額定頻率50Hz時(shí)的波形，此時(shí)電容電壓波動(dòng)峰峰值為40V。圖 11~13位工作在低頻2Hz時(shí)的波形，此時(shí)由圖11可見(jiàn)電容電壓波動(dòng)峰峰值約為200V，僅比低 頻時(shí)增加5倍，電容電壓波動(dòng)仍在允許范圍內(nèi)，換流器可以平穩(wěn)正常運(yùn)行。圖12所示為串聯(lián) 開(kāi)關(guān)IGBT的電流波形與驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可見(jiàn)串聯(lián)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了零電流開(kāi)關(guān)，有助于降低損耗。圖13 所示為電機(jī)側(cè)的共模電壓，可見(jiàn)共模電壓限制在300V以?xún)?nèi)，保證了電機(jī)的絕緣安全和使用 壽命。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種適用于低頻運(yùn)行的混合型模塊化多電平換流裝置，其特征在于，所述換流裝置 包括串聯(lián)開(kāi)關(guān)、緩沖電路、接地電路和模塊化多電平換流器； 所述串聯(lián)開(kāi)關(guān)串聯(lián)在直流母線與模塊化多電平換流器的直流側(cè)之間，緩沖電路與接地 電路分別并聯(lián)在模塊化多電平換流器的直流側(cè)； 模塊化多電平換流器由=相電路構(gòu)成，每一相電路包括上下兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由一 個(gè)電感器L和N個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊SM串聯(lián)而成，每個(gè)子模塊SM包括一個(gè)半橋功率單元和一 個(gè)電容器C。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于低頻運(yùn)行的混合型模塊化多電平換流裝置，其特征在 于，串聯(lián)開(kāi)關(guān)采用全控型電力電子器件實(shí)現(xiàn)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于低頻運(yùn)行的混合型模塊化多電平換流裝置，其特征在 于，串聯(lián)開(kāi)關(guān)為絕緣柵雙極型晶體管或集成口極換流晶閩管或口極可關(guān)斷晶閩管。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的適用于低頻運(yùn)行的混合型模塊化多電平換流裝置，其特征在 于，串聯(lián)開(kāi)關(guān)采用半控型電力電子器件實(shí)現(xiàn)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于低頻運(yùn)行的混合型模塊化多電平換流裝置，其特征在 于，所述緩沖電路由電阻化和電容Cs串聯(lián)構(gòu)成。6. 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的適用于低頻運(yùn)行的混合型模塊化多電平換流裝置，其特征 在于，所述接地電路由接地電阻Rgi和接地電阻Rg2串聯(lián)，并得到接地點(diǎn)。7. 權(quán)利要求1所述的適用于低頻運(yùn)行的混合型模塊化多電平換流器的控制方法，其特 征在于，所述方法包括如下步驟： 步驟一:檢測(cè)模塊化多電平換流器中各個(gè)子模塊的電容電壓，計(jì)算其平均值Uavg,并將 該平均值與給定電壓Udc/N比較，其差值送入第一 PI調(diào)節(jié)器，第一 PI調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)方波發(fā) 生器得到占空比為D的占空比信號(hào)； 式中Udc為直流母線電壓，N為模塊化多電平換流器中每個(gè)橋臂中包含的子模塊個(gè)數(shù)； 步驟二:將步驟一得到的占空比信號(hào)作用在串聯(lián)開(kāi)關(guān)上，控制串聯(lián)開(kāi)關(guān)的開(kāi)通或關(guān)斷； 步驟分別計(jì)算模塊化多電平換流器每一相電路中子模塊的電容電壓平均值Uavg」將 與總的電容電壓平均值Uavg比較，其差值送入第二PI調(diào)節(jié)器中，第二PI調(diào)節(jié)器的輸出與 Idc(rated)/3相加，得到各橋臂環(huán)流的給定幅值Icj ; 其中j表示A、B和CS相中的一相，Idc(rated)為模塊化多電平換流器額定功率運(yùn)行時(shí)直流 母線電流大??； 步驟四：將步驟=獲得的Iw與步驟一得到的占空比信號(hào)相乘，得到最終的環(huán)流控制指 令ic/，并將i。/與檢測(cè)得到的環(huán)流i?；^，其差值經(jīng)第SPI調(diào)節(jié)器得到電壓控制信號(hào)U。； 步驟五:將Ucj與電壓偏置信號(hào)Uoffset相加后，再分別減去和加上交流輸出電壓信號(hào)U?！?， 得到上橋臂電壓的參考信號(hào)Uref_w與下橋臂電壓的參考信號(hào) 其中電壓偏置信號(hào)Offset由如下公式計(jì)算得到：且U。表示輸出交流電壓U。」的幅值； 步驟六:最后將Uref_u^Uref_l漁載波移相調(diào)制，得到各子模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制相應(yīng)子 模塊中的開(kāi)關(guān)器件。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的適用于低頻運(yùn)行的混合型模塊化多電平換流器的控制方法， 其特征在于，所述步驟一中第一PI調(diào)節(jié)器的作用是保證模塊化多電平換流器總的能量平 衡。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的適用于低頻運(yùn)行的混合型模塊化多電平換流器的控制方法， 其特征在于，所述步驟=中第二PI調(diào)節(jié)器的作用是保證模塊化多電平換流器的=相電路中 的能量相互均衡。
【文檔編號(hào)】H02M1/34GK105915090SQ201610255806
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月22日
【發(fā)明人】徐殿國(guó), 李彬彬, 周少澤, 石紹磊, 關(guān)明旭
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)