CN104638955B - 一种基于多绕组变压器的变流器的载波移相控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多绕组变压器的载波移相控制器包括：载波移相调制器(2)：N个功率模块(6)的载波Uci幅值相同，相位分别为0、Ts/M、Ts*2/M、…、Ts*(M‑1)/M。其中Ts为载波周期,移相系数M为小于等于N的任意整数。N个功率模块(6)的调制波Uri使用载波Uci进行SPWM调制，产生PWM脉冲。为解决载波移相导致的功率模块(6)不均流，引入了均流控制器(3)。本发明把系统的等效开关频率提高M倍(M为载波移相的模块数)有效降低开关频率，减小系统开关损耗，提高装置效率。同时采用一种简单的均流控制器(3)来抑制功率模块间的不均流。

Description

一种基于多绕组变压器的变流器的载波移相控制器
技术领域
本发明属于电力电子变流技术应用领域，特别涉及基于多绕组变压器的变流器的载波移相控制器。
背景技术
目前可关断功率开关器件的电压等级最大只有几千伏，采用换流器单元串连的方式，将显著减小换流器对开关器件的电压和电流承受能力的要求。将低电压的电压源型换流器单元直流端串连，实现高压直流输出，从而构造出适合直流输电应用的高压直流输电换流器；将低电压的电压源型换流器单元交流端连接到多绕组变压器，实现电磁隔离和能量输入。
开关频率为f的变流器采用载波移相调制技术，理论上其最低次开关纹波的频率为M*f，M为载波移相的模块数。一般把采用载波移相技术变流器的理论最低开关纹波频率称为等效开关频率。因此采用载波移相技术可以有效降低开关频率，减小系统开关损耗，提高装置效率。该技术在级联H桥拓扑和MMC拓扑得到了广泛的应用，这类拓扑的功率模块交流端串联，直流端采用独立电容。通过对多路的三角载波在时间轴方向水平移动一定的角对相对独立的控制信号，分别控制其对应的功率单元的开关器件的状态，然后各个功率单元的输出相互叠加来得到等效的N+I电平输出波形。
基于多绕组变压器的变流器功率模块的交流端通过多绕组变压器并联，直流侧串联。这类拓扑在应用载波移相技术时，会导致功率模块电流不均流，进而导致功率功率电容电压发散。如何有效的抑制功率模块间的不均流问题是载波移相技术应用于基于多绕组变压器的变流器需要解决的一个重点和难点。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有技术的不足，提供一种基于多绕组变压器的变流器的载波移相控制器，不需要增加额外的传感器，就能解决由于载波移相调制策略导致功率模块的不均压和不均流问题。
为了达成上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于多绕组变压器的变流器的载波移相控制器，包括：
其特征在于，包括:主控制器、均流控制器、载波移相调制器；
主控制器，用于根据控制指令Ord产生调制波Ur；
均流控制器：由比例控制模块、减法模块、比例积分控制器、乘法器串联组成，通过功率模块的电容电压对主控制器产生的调制波Ur进行修正，得到修正后的调制波Uri,具体计算公式为:
Uri＝(Udc/N-Udci)*G(s)*Ur；
其中Udc为多绕组变压器的变流器直流接口两端电压，N为功率模块的数量，Udci为功率模块电容两端电压，G(s)为比例积分控制器传递函数，Ur为主控制器根据控制指令Ord产生的调制波指令；
载波移相调制器：N个功率模块的载波Uci幅值相同，相位分别为0、Ts/M、Ts*2/M、…、Ts*(M-1)/M；其中Ts为载波周期,移相系数M为小于等于N的任意整数；N个功率模块的调制波Uri使用载波Uci进行SPWM调制，产生PWM脉冲。
上述方案中，计算所述载波移相调制器的移相系数M，其最优值公式如下：
M＝N/K
其中N为功率模块的数量，K为可被N整除的整数。
采用上述方案后，本发明的有益效果是：
1)基于多绕组变压器的换流器，功率模块(6)交流端等效为并联结构，载波移相调制导致各个功率的功率器件开关不一致，导致各个模块不均流。功率模块(6)的直流端串联，直流电流相同，交流电压相同，交流电流不均流，必然导致直流电压不均衡，进而导致系统的发散。本发明所述控制器，仅需对直流电压进行控制就可以实现各个模块的均流，控制方法非常简单
2)基于多绕组变压器的高压大容量变流器，其功率模块的数量有几十个。如果采用每个模块移相Ts/N的方式，对控制器的对时精度和运算速度要求均较高。本发明所述的载波移相控制器每个模块移相Ts/M。当模块数较少时，取M与N相等；当模块数较多时，取M为N的二分之一、三分之一或更小。采用该控制器不会降低系统的性能，且可以降低对控制器对时精度和的运算速度要求，提高该控制器的应用范围。
3)本发明所述的载波移相控制器，通过载波移相调制器(2)，把系统的等效开关频率提高M倍(M为载波移相的模块数)，因此采用载波移相技术可以有效降低开关频率，减小系统开关损耗，提高装置效率。
附图说明
图1是本发明一种基于多绕组变压器载波移相控制器的基本原理框图。
图2是本发明所述的一种基于多绕组变压器的变流器。
图3是本发明种基于多绕组变压器载波移相控制器的一种具体实施方式。
图4是本发明一种基于多绕组变压器载波移相控制器的载波移相调制示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
如图2所示，一种应用于直流输电的基于多绕组变压器变流器，交流接口(4)与交流电网相连，直流接口(5)与直流电网相连，功率模块(6)与多绕组的副边绕组相连，功率模块采用单电感滤波器。
如图1所示，一种基于多绕组变压器的变流器的载波移相控制器，包括：主控制器、均流控制器、载波移相调制器。
主控制器，用于根据控制指令Ord产生调制波Ur；
均流控制器：由比例控制模块、减法模块、比例积分控制器、乘法器串联组成，通过功率模块的电容电压对主控制器产生的调制波Ur进行修正，得到修正后的调制波Uri,具体计算公式为:
Uri＝(Udc/N-Udci)*G(s)*Ur；
其中Udc为多绕组变压器的变流器直流接口两端电压，N为功率模块的数量，Udci为功率模块电容两端电压，G(s)为比例积分控制器传递函数，Ur为主控制器根据控制指令Ord产生的调制波指令；
载波移相调制器：N个功率模块的载波Uci幅值相同，相位分别为0、Ts/M、Ts*2/M、…、Ts*(M-1)/M；其中Ts为载波周期,移相系数M为小于等于N的任意整数；N个功率模块的调制波Uri使用载波Uci进行SPWM调制，产生PWM脉冲。所述载波移相调制器的移相系数M，其最优值公式如下：M＝N/K，其中N为功率模块的数量，K为可被N整除的整数。
图3是根据本发明一种基于多绕组变压器的变流器的载波移相控制器的一个具体实施方式。主控制器(1)根据给定的指令直流电压Udc_ref、有功电流指令ILd_ref、无功电流指令ILq_ref，采样电网电压Us1、网侧电流IL1、功率模块(6)电容电压Udci(i＝1,2)，通过锁相环PLL模块、abc/dq0变换模块、比例积分模块PI1、比例积分模块PI2、电流解耦控制前馈系数ωL、dq0/abc变换模块，产生调制波Ur。
均流控制器(3)：由比例控制模块、减法模块、PI控制器、乘法器串联组成，通过功率模块(6)的电容电压对主控制器(1)产生的调制波Ur进行修正，得到修正后的调制波Uri:Uri＝(Udc/2-Udci)*G(s)*Ur，Uri＝[Uri a,Uri b,Uri c]T；i＝1,2。其中Udc为基于多绕组变压器的变流器(7)直流接口(5)两端电压，功率模块(6)的数量为2，Udci为功率模块(6)电容两端电压，G(s)为PI控制器传递函数，Ur为主控制器(1)产生的调制波指令。
载波移相调制器(2)工作原理如图4：2个功率模块(6)的载波Uc1、Uc2幅值相同，相位分别为0、Ts/2，两个载波的相位差Ti为Ts/2,其中Ts为载波周期。当Uria>Uci,功率模块(6)A相上管开通，A相下管关闭；当Uria≤Uci,功率模块(6)A相上管关闭，A相下管开通；当Urib>Uci,功率模块(6)B相上管开通，B相下管关闭；当Urib≤Uci,功率模块(6)B相上管关闭，B相下管开通；当Uric>Uci,功率模块(6)C相上管开通，C相下管关闭；当Uric≤Uci,功率模块(6)C相上管关闭，C相下管开通。
1)基于多绕组变压器的换流器，功率模块(6)交流端等效为并联结构，载波移相调制导致各个功率的功率器件开关不一致，导致各个模块不均流。功率模块(6)的直流端串联，直流电流相同，交流电压相同，交流电流不均流，必然导致直流电压不均衡，进而导致系统的发散。本发明所述的一种基于多绕组变压器的变流器的载波移相控制器，采用均流控制器(3)对各个模块的电容电压进行控制，保证各个模块电容电压相同。根据功率守恒定律，k*Vsm*Ism＝Udcm*Idc，其中k为换算系统，对单相系统，k为1；对三相系统k为1.732，Vsm为功率模块交流电压，Ism为功率模块交流电流，Udcm为功率模块直流电压，Idcm为功率模块直流电流。功率模块的交流端通过多绕组变压器并联，因此各模块Usm相同；功率模块直流侧串联，因此各模块直流电流Idcm相同，保证直流电压Udcm相同，就可以保证各个功率模块均流。本发明所述控制器，仅需对直流电压进行控制就可以实现各个模块的均流，控制方法非常简单
2)基于多绕组变压器的高压大容量变流器，其功率模块的数量有几十个。如果采用每个模块移相Ts/N的方式，对控制器的对时精度和运算速度要求均较高。目前大功率多绕组移相变压器的铁芯均为硅钢片，因此变压器副边绕组较高频率的开关纹波传递到变压器原边绕组的分量也很小，因此也没有必要每个模块移相Ts/N。本发明所述的载波移相控制器每个模块移相Ts/M。当模块数较少时，取M与N相等；当模块数较多时，取M为N的二分之一、三分之一或更小。采用该控制器不会降低系统的性能，且可以降低对控制器对时精度和的运算速度要求，提高该控制器的应用范围。
3)本发明所述的载波移相控制器，通过载波移相调制器(2)，把系统的等效开关频率提高M倍(M为载波移相的模块数)，因此采用载波移相技术可以有效降低开关频率，减小系统开关损耗，提高装置效率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所体检的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (2)

1.一种基于多绕组变压器的变流器的载波移相控制器，包括：
其特征在于，包括:主控制器、均流控制器、载波移相调制器；
主控制器，用于根据控制指令Ord产生调制波Ur；
均流控制器：由比例控制模块、减法模块、比例积分控制器、乘法器串联组成，通过功率模块的电容电压对主控制器产生的调制波Ur进行修正，得到修正后的调制波Uri，具体计算公式为:
Uri＝(Udc/N-Udci)*G(s)*Ur；
其中Udc为多绕组变压器的变流器直流接口两端电压，N为功率模块的数量，Udci为功率模块电容两端电压，G(s)为比例积分控制器传递函数，Ur为主控制器根据控制指令Ord产生的调制波指令；
所述功率模块与多绕组变压器的副边绕组相连，功率模块的输出端串联连接；
载波移相调制器：N个功率模块的载波Uci幅值相同，相位分别为0、Ts/M、Ts*2/M、…、Ts*(M-1)/M；其中Ts为载波周期,移相系数M为小于等于N的任意整数；N个功率模块的调制波Uri使用载波Uci进行SPWM调制，产生PWM脉冲。
2.如权利要求1所述的一种基于多绕组变压器的变流器的载波移相控制器，其特征在于，计算所述载波移相调制器的移相系数M，其最优值公式如下：
M＝N/K
其中N为功率模块的数量，K为可被N整除的整数。
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