CN105141159B - 一种三相模块化多电平逆变器并联系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三相模块化多电平逆变器并联系统及其控制方法，包括输入电源，所述输入电源与N台相并联的三相模块化逆变器相并联，每台三相模块化逆变器包括三相桥臂，每相桥臂包括上桥臂及下桥臂，且上桥臂及下桥臂结构对称，均包括n个串联的子模块和靠近中性点的电感，其中每个子模块内包括两个串联的开关管和一个与该两个串联的开关管相并联的电容，每相桥臂的中性点经滤波器连接后并网，每个子模块均与控制器相连；本发明提出的控制策略有效的解决了多台变换器之间的环流问题，通过控制N‑1台变换器的零序电流的来实现解决多台变换器之间的环流问题。

Description

一种三相模块化多电平逆变器并联系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种三相模块化多电平逆变器并联系统及其控制方法。
背景技术
随着国家对新能源的重视程度不断增加，光伏产业近几年发展非常迅速，提高电能质量、减少谐波污染、提高发电系统的效率及功率是目前各种逆变器的重要参数。近几年高压输电技术越来越普及，高压输电成为一种大势所趋。传统提高系统耐压的方法是选择耐高压的器件作为变换器的开关管，这样虽然能提高系统耐压，但提升空间有限，而且容易造成系统的不稳定，因此选择其他方法增加系统耐压异常重要。
模块化多电平变换器采用多个模块级联的方法，通过此方法有效的解决了开关器件耐压的问题，通过将每个模块的电压级联并用正确的控制方法即可实现大范围的电压应用问题。此种变换器由于高度的模块化，因此可以实现系统的可伸缩性。目前高压输电分为高压直流和高压交流输电，而这种变换器不仅能够应用于高压直流而且同样能够应用于高压交流输电中，而且此变换器能够通过改变调制策略使同一台设备分为处于整流或者逆变的不同模式，无论是高压直流还是高压交流输电，这种变换器都能在输电系统两端处于整流或者逆变的工作状态，所以这种变换器在国内外已经普遍投入使用。
虽然模块化多电平变换器实现了大范围电压应用的问题，但是其输出电流仍然受到开关管得限制，输出电流大小仍然受限。为了解决这一问题，可以采用将模块化多电平变换器并联的方法以解决这一问题。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种三相模块化多电平逆变器并联系统及其控制方法，本发明通过模块化多电平变换器并联的方法实现变换器输出电流范围的增加。通过这种并联的方法可实现大范围的电压和电流应用问题。本发明还提出一种适用于模块化多电平逆变器并联的控制方法。通过这种控制方法能够实现模块化多电平逆变器并联控制，效果理想。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种三相模块化多电平逆变器并联系统，包括输入电源，所述输入电源与N台相并联的三相模块化逆变器相并联，每台三相模块化逆变器包括三相桥臂，每相桥臂包括上桥臂及下桥臂，且上桥臂及下桥臂结构对称，均包括n个串联的子模块和靠近中性点的电感，其中每个子模块内包括两个串联的开关管和一个与该两个串联的开关管相并联的电容，每相桥臂的中性点经滤波器连接后并网，每个子模块的开关管的开关状态均受相应的触发信号控制；
在任一桥臂，根据桥臂电流的方向控制被投入子模块的电容是充电状态还是放电状态；同时检测每个桥臂子模块电容电压的值，然后根据桥臂电流方向决定投入哪个子模块。
每个三相模块化逆变器前端各有两个相串联的电容，这两个相串联的电容与三相模块化逆变器相并联。
所述输入电源还包括与之相串联的电阻。
所述开关管与IGBT管。
一种三相模块化多电平逆变器并联系统的控制方法，包括：
对N台三相模块化逆变器的输出电流进行坐标变换，将其从三维坐标系变换到αβ坐标系下，最终将电流变换到dq坐标系下；
将N台三相模块化逆变器的dq坐标系下的电流值通过PI调节器调节得到调制波，通过控制其中N-1台逆变器的零序电流来抑制变换器之间的环流；
对每台三相模块化逆变器应用半桥臂子模块电容电压均衡原理，在任一桥臂，根据桥臂电流的方向控制被投入子模块的电容是充电状态还是放电状态；同时检测每个桥臂子模块电容电压的值，然后根据桥臂电流方向决定投入哪个子模块。
上述三相模块化多电平逆变系统的控制方法，优选的，在坐标变换之前，对电网电压进行锁相，得到三相电网相角；通过相角来实现电流与电网电压同相，使得系统时刻获得最大的功率因数。
进一步的，通过对N台三相模块化逆变器在dq坐标系下的电流进行控制，分别通过PI环节控制电流id、iq，使id成为目标电流，使iq的值为0，而对于N台变换器中的N-1台变换器，通过控制零序电流来抑制变换器之间的环流，其中ia+ib+ic作为零序电流，通过PI环节使N-1台变换器的零序电流为零。
更进一步的，当电流方向为对投入子模块充电时，检测桥臂中各子模块的电容电压，选择相应电压从低到高的设定个数的子模块投入到系统中，就会使这些子模块的电容充电；当电流方向为对投入子模块放电时，检测桥臂中各子模块的电容电压，选择相应电压从高到低的设定个数的子模块投入到系统中，就会使这些子模块的电容放电。
本发明的有益效果：
1.传统单台模块化多电平逆变器虽然系统工作电压较高，但是输出电流有限，而本发明能够通过多台变换器的并联实现输出电流的增大；
2.本发明提出适合多台模块化多电平逆变器并联的控制策略，实现对每台变换器的输出电流大小进行特定的控制；
3.本发明提出的控制策略有效的解决了多台变换器之间的环流问题，通过控制N-1台变换器的零序电流的来实现解决多台变换器之间的环流问题。
附图说明
图1为本发明系统结构图；
图2a为模块化多电平逆变器各子模块的工作方式一下第一种电流流向示意图；
图2b为模块化多电平逆变器各子模块的工作方式一下第二种电流流向示意图；
图2c为模块化多电平逆变器各子模块的工作方式二下第一种电流流向示意图；
图2d为模块化多电平逆变器各子模块的工作方式二下第二种电流流向示意图；
图2e为模块化多电平逆变器各子模块的工作方式三下第一种电流流向示意图；
图2f为模块化多电平逆变器各子模块的工作方式三下第二种电流流向示意图；
图3a为某一桥臂的子模块电容电压排序原理图；
图3b为某一桥臂的子模块电容电压数值排序原理图；
图4a为未加入环流抑制的三维坐标系下第一台变换器输出电压及电流波形；
图4b为加入环流抑制的三维坐标系下第一台变换器输出电压及电流波形；
图5a为未加入环流抑制的二维dq坐标系下第一台变换器输出电流波形；
图5b为加入环流抑制的二维dq坐标系下第一台变换器输出电流波形；
图6a为未加入环流抑制的三维坐标系下第二台变换器输出电压及电流波形；
图6b为加入环流抑制的三维坐标系下第二台变换器输出电压及电流波形；
图7a为未加入环流抑制的二维dq坐标系下第二台变换器输出电流波形；
图7b为加入环流抑制的二维dq坐标系下第二台变换器输出电流波形；
图8a为未加入环流抑制的电网侧电压和电流波形；
图8b为加入环流抑制的电网侧电压和电流波形。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明：
如图1所示，一种三相模块化多电平逆变器并联系统，包括输入电源，所述输入电源与N台相并联的三相模块化逆变器相并联，每台三相模块化逆变器包括三相桥臂，每相桥臂包括上桥臂及下桥臂，且上桥臂及下桥臂结构对称，均包括n个串联的子模块和靠近中性点的电感，其中每个子模块内包括两个串联的IGBT管和一个与该两个串联的IGBT管相并联的电容，每相桥臂的中性点经滤波器连接后并网，每个子模块均与控制器相连；
在任一桥臂，控制器根据桥臂电流的方向控制被投入子模块的电容是充电状态还是放电状态；控制器检测每个桥臂子模块电容电压的值，然后根据桥臂电流方向决定投入哪个子模块。每个三相模块化逆变器前端各有两个相串联的电容，这两个相串联的电容与三相模块化逆变器相并联。输入电源还包括与之相串联的电阻。滤波器为L滤波电路。中性点按照相分别标记为a、b和c。输出电源分别为uA、uB和uC。
一种三相模块化多电平逆变器并联系统的控制方法，包括：
(1)对模块化多电平逆变器进行并联组合；
(2)对电网电压进行锁相，得到三相电网相角；
(3)分别对N(N>1)台逆变器输出电流进行坐标变换，将其从三维坐标系变换到αβ坐标系下，最终将电流变换到dq坐标系下；
(4)将N台三相模块化逆变器的dq坐标系下的电流值通过PI调节器调节得到调制波，通过控制其中N-1台逆变器的零序电流来抑制三相模块化逆变器之间的环流；
(5)对每台三相模块化逆变器应用半桥臂子模块电容电压均衡原理，根据电流处于给子模块电容充电还是放电模式，选择相应的子模块投入系统。
所述步骤(1)中，每台三相模块化逆变器前端各有两个电容，这两个电容与直流电源相连，每台三相模块化逆变器中abc三相各相上、下桥臂都有一个电感Larm将多台三相模块化逆变器进行并联组合，每台三相模块化逆变器输出电流都经过电感L滤波器进行滤波，两台三相模块化逆变器滤波后的电流都直接和电网相连，三相电网电压的负端直接接地。两台三相模块化逆变器公用一个直流电源，由于实际应用中直流电源含有内阻，因此为了仿真的真实性，在本电路中采用一个直流电源串连一个阻值很小的电阻代替真实的直流电源。
所述步骤(2)中，通过对电网电压进行锁相来获得相角，这样就可以通过相角来实现电流与电网电压同相，使得系统时刻获得最大的功率因数。具体实施方式如下：
首先，将三相电网电压ua、ub、uc通过3-2变换将其从三维坐标系变换到二维αβ坐标系，得
其中ua、ub、uc为电网电压，uα、uβ为电网电压在二维αβ坐标系下的值。
所述步骤(3)中，首先通过将每台三相模块化逆变器的电流经过坐标变换从三维坐标系变换到αβ坐标系下。其中，通过计算可得从三维坐标系下直接变换到二维dq坐标系下的计算公式为：
其中，ia、ib、ic分别为每台模块化多电平逆变器经电感L1滤波后的并网电流，ωt为步骤(3)中电网电压的相角。
所述步骤(4)中，通过对N台三相模块化逆变器在dq坐标系下的电流进行控制，分别通过PI控制电流id、iq，使id成为目标电流，使iq的值为0。而对于N台变换器中的N-1台变换器，通过控制零序电流来抑制变换器之间的环流，其中ia+ib+ic作为零序电流，通过PI环节使N-1台变换器的零序电流为零。
步骤(5)中，在任一桥臂，桥臂电流的方向控制被投入子模块电容是充电状态还是放电状态；检测每个桥臂子模块电容电压的值，然后根据桥臂电流方向决定投入哪个子模块。
步骤(5)中，当电流方向为对投入子模块充电时，检测桥臂中各子模块的电容电压，选择相应电压从低到高的设定个数的子模块投入到系统中，就会使这些模块的电容充电；当电流方向为对投入子模块放电时，检测桥臂中各模块的电容电压，选择相应电压从高到低的设定个数的子模块投入到系统中，就会使这些模块的电容放电。
某一相上下桥臂各有n个子模块，假设由上文中的控制策略计算出，上桥臂需要投入i个子模块，下桥臂需要投入n-i个子模块，此时上桥臂电流大于0，则电流对投入子模块进行充电，所以选择电容电压最低的i个子模块投入；下桥臂电流小于0，则电流对投入子模块进行放电，所以选择电容电压最高的n-i个子模块投入。
MMC的运行状态有三种，可以输出电容电压或0电压，且电流在任何情况下都能双方向流动。
状态1：当开关管T1、T2均关断时，正常情况下这种状态不会出现。在这种状态下，当电流的流动方向如图2a所示时，电流经二极管D1给电容C0充电，电容电压上升；当电流方向如图2b所示时，此时电流经D2同时将电容C0切除，电容电压不变。
状态2：当开关管T1开通，T2关断时，此时子模块输出端电压为电容电压。当电流方向如图2c所示时，电流经二极管D1给电容C0充电，电容电压上升；当子模块电流方向如图2d所示时，电容通过开关管T1对外放电，电容电压下降。所以在这种状态下，通过电流的方向选择不同子模块投入，使电容电压在允许的范围内波动，以达到模块内电容电压稳定的要求.
状态3：当开关管T1关断、T2开通时，此时子模块输出端电压为0。当电流方向如图2e所示时，电流流经开关管T2；当电流方向如图2f所示时，电流流经二极管D2，而不管电流方向如何，模块内电容总C0是相当于被“短路”，电容电压不变。
工作状态2和状态3是MMC系统内子模块的正常工作状态，通过控制每相上、下桥臂子模块处于状态2或状态3的数量，就能够控制输出电压，输出电压经过电感滤波之后就能形成三相正弦波。例如n＝4时，每相都有2n＝8个子模块，由于每相每时刻投入的子模块数量始终为n＝4，所以每相上下桥臂处于投入状态的子模块数量有五种组合：4、0；3、1；2、2；1、3；0、4；设模块内电容电压为Uc，则这五种情况下该相输出电压分别为：4Uc、2Uc、0、-2Uc、-4Uc；通过控制这五种组合，就能使输出波形为正弦波。换句话说，MMC变换器就是通过不断移动输出点在每相相电压中所处的不同位置来最终实现逆变的效果。设直流母线电压为Udc，因此MMC三相逆变器每相输出电压都有五种：0、而三相共能输出5*5*5＝125种电压状态。当n＝6时，每相都有2n＝12个子模块，由于每相每时刻投入的子模块数量始终为n＝6，所以每相上下桥臂处于投入状态的子模块数量有七种组合：6、0；5、1；4、2；3、3；2、4；1、5；0、6；设模块内电容电压为Uc，则这七种情况下该相输出电压分别为：6Uc、4Uc、2Uc、0、-2Uc、-4Uc、-6Uc；通过控制这七种组合，就能使输出波形为正弦波。设直流母线电压为Udc，因此MMC三相逆变器每相输出电压都有五种：0、而三相共能输出7*7*7＝343种电压状态。
在某一桥臂，桥臂电流的方向可以控制被投入子模块电容是充电状态还是放电状态。所以，可以检测每个桥臂子模块电容电压的值，然后根据桥臂电流方向决定投入哪个子模块。例如，当电流方向为对投入子模块充电时，检测桥臂中各模块的电容电压，选择相应电压较低的一个或几个投入到系统中，就会使这些模块的电容充电；当电流方向为对投入子模块放电时，检测桥臂中各模块的电容电压，选择相应电压较高的一个或几个投入到系统中，就会使这些模块的电容放电。在某一桥臂，桥臂电流的方向可以控制被投入子模块电容是充电状态还是放电状态。所以，可以检测每个桥臂子模块电容电压的值，然后根据桥臂电流方向决定投入哪个子模块。例如，当电流方向为对投入子模块充电时，检测桥臂中各模块的电容电压，选择相应电压较低的一个或几个投入到系统中，就会使这些模块的电容充电；当电流方向为对投入子模块放电时，检测桥臂中各模块的电容电压，选择相应电压较高的一个或几个投入到系统中，就会使这些模块的电容放电。
例如，某一相上下桥臂各有n个子模块，某时刻各子模块电容电压和电流方向如下图所示。假设由上文中的控制策略计算出，上桥臂需要投入1各子模块，下桥臂需要投入n-1个子模块，此时上桥臂电流大于0，则电流对投入子模块进行充电，所以选择电容电压最低的子模块投入；下桥臂电流小于0，则电流对投入子模块进行放电，所以选择电容电压最高的n-1个子模块投入。图3a为某一桥臂的子模块电容电压排序原理图，图3b为某一桥臂的子模块电容电压数值排序原理图。
更为详细的具体实例：
实例中采用两台模块化多电平逆变器并联，每台模块化多电平逆变器每相上下桥臂各有4个子模块及n＝4，其中第一台id＝100A，iq＝0A，第二台id＝200A，iq＝0A，i0＝0A，其中id为二维dq坐标系下电流在d轴的分量，iq为二维dq坐标系下电流在q轴的分量，i0为第二台变换器的零序电流，其中i0＝ia+ib+ic，由波形图可以看出系统在0.1秒内有微小波动，0.1秒之后系统按照设定的状态工作正常，效果良好。
图4a为未加入环流抑制的三维坐标系下第一台变换器输出电压及电流波形；图4b为加入环流抑制的三维坐标系下第一台变换器输出电压及电流波形；通过将图4a与图4b对比可以看出，未加入环流抑制前第一台模块化多电平逆变器电流波形不理想，产生严重畸变；而加入环流抑制算法后三相输出电流波形理想。
图5a为未加入环流抑制的二维dq坐标系下第一台变换器输出电流波形；图5b为加入环流抑制的二维dq坐标系下第一台变换器输出电流波形；通过图5a与图5b对比可以看出，未加入环流抑制时第一台模块化多电平变换器的零序电流i0＝ia+ib+ic波动较大，而加入环流抑制算法之后，第一台模块化多电平变换器零序电流分量几乎为0，效果显著。
图6a为未加入环流抑制的三维坐标系下第二台变换器输出电压及电流波形；图6b为加入环流抑制的三维坐标系下第二台变换器输出电压及电流波形；通过将图6a与图6b对比可以看出，未加入环流抑制前第二台模块化多电平逆变器电流波形不理想，产生严重畸变；而加入环流抑制算法后三相输出电流波形理想。
图7a为未加入环流抑制的二维dq坐标系下第二台变换器输出电流波形；图7b为加入环流抑制的二维dq坐标系下第二台变换器输出电流波形；通过图7a与图7b对比可以看出，未加入环流抑制时第一台模块化多电平变换器的零序电流i0＝ia+ib+ic波动较大，而加入环流抑制算法之后，第一台模块化多电平变换器零序电流分量几乎为0，效果显著。
图8a为未加入环流抑制的电网侧电压和电流波形；图8b为加入环流抑制的电网侧电压和电流波形。虽然图8a与图8b波形相差不大，但是经过前面每台逆变器输出三相电流的对比可知，加入环流抑制算法之后电流波形效果改善显著，而在加入环流抑制算法之前每台逆变器的输出三相电流波形畸变较大，效果不理想，可见零序电流算法意义重大。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种三相模块化多电平逆变系统，其特征是，包括输入电源，所述输入电源与N台相并联的三相模块化逆变器相并联，每台三相模块化逆变器包括三相桥臂，每相桥臂包括上桥臂及下桥臂，且上桥臂及下桥臂结构对称，均包括n个串联的子模块和靠近中性点的电感，其中每个子模块内包括两个串联的开关管和一个与该两个串联的开关管相并联的电容，每相桥臂的中性点经滤波器连接后并网，每个子模块的开关管的开关状态均受相应的触发信号控制；
在三相模块化多电平逆变系统的控制过程中，对N台三相模块化逆变器的输出电流进行坐标变换，将其从三维坐标系变换到αβ坐标系下，最终将电流变换到dq坐标系下；将N台三相模块化逆变器的dq坐标系下的电流值通过PI调节器调节得到调制波，通过控制其中N-1台逆变器的零序电流来抑制变换器之间的环流；
在任一桥臂，根据桥臂电流的方向控制被投入子模块的电容是充电状态还是放电状态；同时检测每个桥臂子模块电容电压的值，然后根据桥臂电流方向决定投入哪个子模块；
每个三相模块化逆变器前端各有两个相串联的电容，这两个相串联的电容与三相模块化逆变器相并联；
当电流方向为对投入子模块充电时，检测桥臂中各子模块的电容电压，选择相应电压从低到高的设定个数的子模块投入到系统中，就会使这些子模块的电容充电；当电流方向为对投入子模块放电时，检测桥臂中各子模块的电容电压，选择相应电压从高到低的设定个数的子模块投入到系统中，就会使这些子模块的电容放电。
2.如权利要求1所述的一种三相模块化多电平逆变系统，其特征是，所述输入电源还包括与之相串联的电阻。
3.如权利要求1所述的一种三相模块化多电平逆变系统，其特征是，所述开关管为IGBT管。
4.应用如权利要求1-3的任意一种三相模块化多电平逆变系统的控制方法，其特征是，包括：
对N台三相模块化逆变器的输出电流进行坐标变换，将其从三维坐标系变换到αβ坐标系下，最终将电流变换到dq坐标系下；
将N台三相模块化逆变器的dq坐标系下的电流值通过PI调节器调节得到调制波，通过控制其中N-1台逆变器的零序电流来抑制变换器之间的环流；
对每台三相模块化逆变器应用半桥臂子模块电容电压均衡原理，在任一桥臂，根据桥臂电流的方向控制被投入子模块的电容是充电状态还是放电状态；同时检测每个桥臂子模块电容电压的值，然后根据桥臂电流方向决定投入哪个子模块。
5.如权利要求4所述的一种三相模块化多电平逆变系统的控制方法，其特征是，在坐标变换之前，对电网电压进行锁相，得到三相电网相角；通过相角来实现电流与电网电压同相，使得系统时刻获得最大的功率因数。
6.如权利要求4所述的一种三相模块化多电平逆变系统的控制方法，其特征是，通过对N台三相模块化逆变器在dq坐标系下的电流进行控制，分别通过PI环节控制电流id、iq，使id成为目标电流，使iq的值为0，而对于N台变换器中的N-1台变换器，通过控制零序电流来抑制变换器之间的环流，其中ia+ib+ic作为零序电流，通过PI环节使N-1台变换器的零序电流为零。
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