CN104967347B - 一种全桥mmc式高压三相‑单相直接变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全桥MMC式高压三相‑单相直接变换器及其控制方法，变换器包括六个H桥链节和六个滤波电感，每个H桥链节包括多个级联的H桥模块，所述六个H桥链节分成两组，每组三个H桥链节，所述每组的三个H桥链节一端各通过一个滤波电感L连接至三相电网，每组的三个H桥链节另一端星型连接；两组H桥链节的星型连接点分别连接于单相负载的两端。本发明采用模块化多电平变化技术，将低压器件通过串联形式实现直接连接于中高压配电网，省去了昂贵和笨重的变压器；同时通过采用6个H桥级联链来形成两个星型连接点以实现单相电压输出，具有很强的实用性，可实现电能的高效变换。

Description

一种全桥MMC式高压三相-单相直接变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及MMC式高压电力电子变换领域，特别是一种全桥MMC式高压三相-单相直接变换器其控制方法。

背景技术

目前我国大型大功率的此类设备陈旧，绝大部分设备为直接恒速拖动，长期工作在低负载、低运行效率状态下，缺少相应的调速手段，每年浪费大量的电能。若通过对占工业用电30％以上的各种风机、泵类负载进行变频调速改造使其实现变速运行，配置高压变频调速系统实现变频节能，提高工业能源利用率，降低工业能耗，节约的能量将非常可观，这对我国国民经济的发展具有重大意义。

传统两电平结构高压变频器拓扑结构与传统的低压变频器类似，采用功率开关管串联技术，通过串联多个功率器件提高器件的耐压能力，组成一个等效的高耐压功率开关管，直接采用成熟的低压变频器的技术。电路只能调制固定电压的脉宽，输出也是固定的波形。这种结构的优点是可以直接采用成熟的控制技术，控制简单，其缺点是动态均压难、输出dv/dt过大、谐波含量高，容易损坏电机，不能满足工业生产。而且随着电平数的增多，输出波形质量降低，谐波数量也会增加。同时，开关频率和电力电子器件的功率往往是成反比的，即开关频率越高，功率越小。但是，在高压、大功率的场合就无法使用这样的电力电子器件。目前电力电子器件的性能水平达到了瓶颈，所以只能从优化拓扑结构和控制方式入手。从提高电力系统控制能力、治理电力系统的无功与谐波污染、提高交流电机传动系统的节能效果与性能这些方面分析可知，开发与研究多电平逆变器具有十分重要的意义。

如今，高压变频器中三电平结构和多电平结构使用较多。于1979年德国学者Holtz首次提出了三电平拓扑结构，其主电路是在常规两电平结构的基础上，在每相桥臂上增加一对开关，以辅助中点钳位。三电平功率变换器结构提出后，经过许多学者的努力，发展了三种得到实际应用的电压型多电平逆电路的拓扑结构：二极管钳位型多电平变换器、飞跨电容型多电平变换器和单元级联型多电平变换器。其中，单元级联型多电平拓扑结构是由独立的标准低压功率单元串联而成，能够运用于电机带动负载运行，可以加入电网系统中，对于提高多电平逆变器的电压和减少输出谐波含量起到重要作用。罗宾康公司首先研发了H桥级联型模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)，将IGBT使用在单元级联型高压变频器中，采用若干个低压变频的两电平拓扑结构来实现高压变频，高压交流电经过移相变压器，转换成为低压电，再经过交-直-交低压变频，在逆变侧级联叠加实现高压交流电输出，大大降低了高压逆变器的输入输出谐波。

级联型多电平拓扑结构输入功率因数较高，对电网谐波污染较小、电机的转矩脉动小，各部分功率单元以模块为单位进行串联，易于控制，便于维修，是目前应用得最为广泛、最为成熟的一种高压变频器拓扑结构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种全桥MMC式高压三相-单相直接变换器其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种全桥MMC式高压三相-单相直接变换器，包括六个H桥链节和六个滤波电感，每个H桥链节包括多个级联的H桥模块，所述六个H桥链节分成两组，每组三个H桥链节，所述每组的三个H桥链节一端各通过一个滤波电感L连接至三相电网，每组的三个H桥链节另一端星型连接；两组H桥链节的星型连接点分别连接于单相负载的两端。

本发明还提供了一种上述全桥MMC式高压三相-单相直接变换器的控制方法，包括以下步骤：

1)检测三相直流侧电压平均值：

其中，n表示每个H桥链节的级联模块数；u_da1x表示A1相H桥链节第x个H桥单元的直流侧电压；u_da2x表示A2相链节第x个H桥单元的直流侧电压；其他依次类推；A1相H桥链节、B1相H桥链节、C1相H桥链节为其中一组H桥链节中的三个H桥链节；A2相H桥链节、A2相H桥链节、A2相H桥链节为另外一组H桥链节中的三个H桥链节；

2)将三相直流侧电压参考值分别减去三相直流侧电压平均值u_davea、u_daveb和u_davec，然后送入电压PI控制器调节处理，得到三相直流侧电压调节量I_pa、I_pb和I_pc；将I_pa、I_pb和I_pc分别与三相电压同步信号相乘，获得三相电网电流内环指令参考信号i_pa、i_pb和i_pc；

3)将电流内环指令参考信号i_pa、i_pb和i_pc分别减去检测到的三相电网电流i_sa、i_sb和i_sc，然后将电流误差送入到电流内环控制器处理，得到H桥链节的电压调制波信号u_ma、u_mb和u_mc；

4)根据单相负载输出电流的期望幅值I^*和频率ω^*，求得输出电流参考信号为：i_o ^*＝I^*sin(ω^*t)；然后将i_o ^*与检测得到的单相负载输出电流i_o相减，并将电流差值送入到电流控制器调节后得到输出调制波信号u_mo；

5)将u_ma与u_mo相加得到A1相H桥链节的调制波信号u_ma1，将u_ma与u_mo相减得到A2相H桥链节的调制波信号u_ma2；将u_mb与u_mo相加得到B1相H桥链节的调制波信号u_mb1，将u_mb与u_mo相减得到B2相H桥链节的调制波信号u_mb2；将u_mc与u_mo相加得到C1相H桥链节的调制波信号u_mc1，将u_mc与u_mo相减得到C2相H桥链节的调制波信号u_mc2；

6)将调制波信号u_ma1、u_ma2、u_mb1、u_mb2、u_mc1和u_mc2送入载波调制环节，输出得到每个H桥链节的PWM驱动信号，分别驱动对应的H桥链节输出期望的电压电流值。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明采用模块化多电平变化技术，将低压器件通过串联形式实现直接连接于中高压配电网，省去了昂贵和笨重的变压器；同时通过采用6个H桥级联链来形成两个星型连接点以实现单相电压输出，具有很强的实用性，可实现电能的高效变换。

附图说明

图1为本发明一实施例结构框图；

图2为本发明一实施例的整体控制框图。

具体实施方式

图1为全桥MMC式高压三相-单相直接变换器的拓扑结构。目前研究的高压级联式变频器结构一般不是三相变三相的，给三相大功率电机供电。然而在某些特殊的场合如铁路牵引供电系统、中间包感应加热等行业中需要一种高压三相-单相直接变换结构，来实现电能的高效转换。为此本发明设计了一种全桥MMC式高压三相-单相直接变换器结构及控制方法，拓扑结构如图1所示。该拓扑结构是由六个H桥链节和六个滤波电感串联组成，每个H桥链节是由多个H桥模块级联组成；六个H桥链节分成两组，每组中三个链节的一端通过滤波电感分别连接三相电网，另一端连接成一个星型结构，然后将两组链节的星型连接点O₁和O₂分别连接到单相负载的两段，这样就可以实现三相-单相高压直接变换。

根据图中的拓扑结构，可以推得三相电网电流的表达式：

星型连接点的输出电流为：

可以看到，在正常情况下，每个H桥链节的输出电流有：

图2为全桥MMC式高压三相-单相直接变换器的控制框图，是由输入侧控制和输出侧控制两部分组成。控制系统首先检测三相直流侧电压平均值，如下所示：

其中，n表示每个H桥链节的级联模块数。u_da1x表示A1相链节第x个H桥单元的直流侧电压；u_da2x表示A2相链节第x个H桥单元的直流侧电压；其他依次类推；

将直流侧电压参考值分别减去三相直流侧电压平均值u_davea、u_daveb和u_davec，然后送入电压PI控制器调节处理后，可得三相直流侧电压调节量I_pa、I_pb和I_pc；然后将I_pa、I_pb和I_pc分别与三相电压同步信号相乘，可以获得三相电网电流内环指令参考信号i_pa、i_pb和i_pc；

将电流内环指令参考信号i_pa、i_pb和i_pc分别减去检测到的三相电网电流i_sa、i_sb和i_sc，然后将电流误差送入到电流内环控制器处理后，可以三相H桥链节的电压调制波信号u_ma、u_mb和u_mc；

根据单相负载输出电流的幅值I^*和频率ω^*，可以求得输出电流参考信号为：i_o ^*＝I^*sin(ω^*t)；然后将输出侧电流信号i_o ^*与检测得到的输出电流i_o相减，并将电流差值送入到电流控制器调节后可以得到输出调制波信号u_mo；

将u_ma与u_mo相加可以得到A1相H桥链节的调制波信号u_ma1，将u_ma与u_mo相减可以得到A2相H桥链节的调制波信号u_ma2；将u_mb与u_mo相加可以得到B1相H桥链节的调制波信号u_mb1，将u_mb与u_mo相减可以得到B2相H桥链节的调制波信号u_mb2；将u_mc与u_mo相加可以得到C1相H桥链节的调制波信号u_mc1，将u_mc与u_mo相减可以得到C2相H桥链节的调制波信号u_mc2；

最后，将调制波信号u_ma1、u_ma2、u_mb1、u_mb2、u_mc1和u_mc2送入载波调制环节，可以输出得到每个H桥链节的PWM驱动信号，分别驱动对应的H桥链节输出期望的电压电流值。

Claims (1)

1.一种全桥MMC式高压三相-单相直接变换器的控制方法，全桥MMC式高压三相-单相直接变换器包括六个H桥链节和六个滤波电感，每个H桥链节包括多个级联的H桥模块，所述六个H桥链节分成两组，每组三个H桥链节，所述每组的三个H桥链节一端各通过一个滤波电感L连接至三相电网，每组的三个H桥链节另一端星型连接；两组H桥链节的星型连接点分别连接于单相负载的两端；其特征在于，包括以下步骤：

1)检测三相直流侧电压平均值：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{davea}=\Σ(u_{da1x}+u_{da2x})/2n\\ u_{daveb}=\Σ(u_{db1x}+u_{db2x})/2n\\ u_{davec}=\Σ(u_{dc1x}+u_{dc2x})/2n\end{array}\right.;$

其中，n表示每个H桥链节的级联模块数；u_da1x表示A1相H桥链节第x个H桥单元的直流侧电压；u_da2x表示A2相链节第x个H桥单元的直流侧电压；其他依次类推；A1相H桥链节、B1相H桥链节、C1相H桥链节为其中一组H桥链节中的三个H桥链节；A2相H桥链节、B2相H桥链节、C2相H桥链节为另外一组H桥链节中的三个H桥链节；

2)将三相直流侧电压参考值分别减去三相直流侧电压平均值u_davea、u_daveb和u_davec，然后送入电压PI控制器调节处理，得到三相直流侧电压调节量I_pa、I_pb和I_pc；将I_pa、I_pb和I_pc分别与三相电压同步信号相乘，获得三相电网电流内环指令参考信号i_pa、i_pb和i_pc；

3)将电流内环指令参考信号i_pa、i_pb和i_pc分别减去检测到的三相电网电流i_sa、i_sb和i_sc，然后将电流误差送入到电流内环控制器处理，得到H桥链节的电压调制波信号u_ma、u_mb和u_mc；

4)根据单相负载输出电流的期望幅值I^*和频率ω^*，求得输出电流参考信号为：i_o ^*＝I^*sin(ω^*t)；然后将i_o ^*与检测得到的单相负载输出电流i_o相减，并将电流差值送入到电流控制器调节后得到输出调制波信号u_mo；

5)将u_ma与u_mo相加得到A1相H桥链节的调制波信号u_ma1，将u_ma与u_mo相减得到A2相H桥链节的调制波信号u_ma2；将u_mb与u_mo相加得到B1相H桥链节的调制波信号u_mb1，将u_mb与u_mo相减得到B2相H桥链节的调制波信号u_mb2；将u_mc与u_mo相加得到C1相H桥链节的调制波信号u_mc1，将u_mc与u_mo相减得到C2相H桥链节的调制波信号u_mc2；

6)将调制波信号u_ma1、u_ma2、u_mb1、u_mb2、u_mc1和u_mc2送入载波调制环节，输出得到每个H桥链节的PWM驱动信号，分别驱动对应的H桥链节输出期望的电压电流值。