CN105356778B

CN105356778B - 一种模块化多电平逆变器及其无差拍控制方法

Info

Publication number: CN105356778B
Application number: CN201510916232.6A
Authority: CN
Inventors: 荣飞; 龚喜长; 黄守道; 罗德荣; 田新华; 李旺
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2018-01-09
Anticipated expiration: 2035-12-10
Also published as: CN105356778A

Abstract

本发明公开了一种模块化多电平逆变器及其无差拍控制方法。以模块化多电平逆变器的A相为例：通过采集SM子模块中电容电压U_ci，求和取平均得到U_c之后，将给定的电容电压参考值U_cref与U_c作差后经过PI调节器获得A相环流的参考值I_cirref，再根据A相环流的参考值I_cirref以及给定的A相输出电流的参考值I_aref计算得到A相上、下桥臂的调制电压U_pref、U_nref，最后根据U_pref、U_nref采用最优电平逼近进行调制，得到A相各子模块的控制脉冲信号。本发明相对于传统的控制方法而言，减少了系统中大量的PI环节，简化了控制过程，减少了调试时间，降低了运算复杂度，加快了响应速度。

Description

一种模块化多电平逆变器及其无差拍控制方法

技术领域

本发明专利属于高压大功率电力电子技术领域，特别涉及一种模块化多电平逆变器及其无差拍控制方法

背景技术

近年来，随着电力系统的不断发展，传统的电网输配电系统已经不能满足社会需求，对电力系统的控制能力、输送能力要求越来越高，高压大功率电力电子变换器件应运而生；其次，随着高压大功率交流电机的广泛运用，为实现其调速，对高压变换开关器件的性能提出了很高的要求，从而催生多电平逆变器的发展；再者，能源与环境问题日益严重，为减少有害气体排放，常规电力系统向基于可再生能源的分布式发电过渡，尤以风电与光伏发电为主，这种情况下采用高质量、高可控性的输电方式成为热点，由此推动了高压大功率电力电子技术的发展。

多电平逆变器的种类繁多，目前比较常见的拓扑结构主要分为三类：二极管钳位型多电平逆变器、飞跨电容型多电平逆变器和级联H桥型多电平逆变器。二极管钳位型多电平逆变器同时具有多重化和脉宽调制的优点，但存在对二极管耐压要求高，所需二极管数量庞大，开关器件导通负荷不一致，控制复杂等缺陷；飞跨电容型多电平逆变器的输出电平数扩展简单，控制灵活，不需要钳位二极管，且只需一个独立直流电源供电，但也存在电容数量大，器件的开关频率和开关损耗大，导通负荷不一致的问题；级联H桥型多电平逆变器无需大量钳位二极管和飞跨电容，输出电压谐波含量少，但需多个独立直流电源，不能四象限运行。随着电力电子技术的进一步发展，一种新的多电平逆变器诞生，即模块化多电平逆变器(MMC)，与之前的多电平逆变器相比，除了具有它们本身的优点之外，还展现出更多的优势：模块化程度高，电路拓扑结构清晰，单一器件电流容量小，发生故障能快速切除等。

对于模块化多电平逆变器，其控制方式主要包括：逆变器的功率控制，子模块的平衡控制和逆变器的调制算法。其中，子模块的平衡控制包括均压控制和稳压控制，每个子模块的稳压控制包括两个PI环节，每相桥的均压控制也包含一个PI环节。因此，系统中将出现大量的PI环节，对于整个系统的调试相当困难。本发明只在系统中引入一个PI环节，即可实现控制目的，很大程度上减轻了系统的调试工作，降低了运算复杂度，提高了系统响应速度。

发明内容

本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种模块化多电平逆变器及其无差拍控制方法，这种控制方法减少了PI调节器，降低了运算复杂度，提高了系统响应速度。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种模块化多电平逆变器，采用三相六桥臂拓扑结构，每相包括上、下两个桥臂，每个桥臂由N个SM子模块和1个电感L串联而成，上桥臂和下桥臂连接点引出相线；三条相线接入公共电网；每相上桥臂的N个SM子模块依次记为SM_p1,SM_p2,…,SM_pN；每相下桥臂的N个SM子模块依次记为SM_n1,SM_n2,…,SM_nN；

每个SM子模块是一个半桥变流器，由两个IGBT管T1和T2、两个二极管D1和D2和一个电容C构成；其中，IGBT管T1的发射极与IGBT管T2的集电极相连并构成SM的正端，IGBT管T1的集电极与电容C的正极相连，IGBT管T2的发射极与电容的负极相连并构成SM的负端；D1与T1反向并联，D2与T2反向并联；IGBT管T1和T2的门极均接收控制脉冲信号；

每相上桥臂的N个SM子模块和1个电感L依次串联，即SM_p1的正端与直流侧正极相连；处于中间的SM_pi的正端与SM_p(i-1)的负端相连，SM_pi的负端与SM_p(i+1)的正端相连，i＝2，3，…，N-1；SM_pN负端与电感L一端相连，电感L另一端引出相线；

每相下桥臂的电感L和N个SM子模块依次串联，即电感L一端引出相线，电感L另一端与SM_n1正端相连；处于中间的SM_ni的正端与SM_n(i-1)的负端相连，SM_ni的负端与SM_n(i+1)的正端相连，i＝2，3，…，N-1；SM_nN负端与直流侧负极相连；

直流侧电源中点接地。

一种模块化多电平逆变器的无差拍控制方法，所述模块化多电平逆变器为上述的模块化多电平逆变器，无差拍控制方法包括环流控制和无差拍电流跟踪控制；

对于三相(A相、B相和C相)中的任一相，所述环流控制方法为：

1)依次检测该相的上桥臂和下桥臂各个SM子模块中电容的电压，记为U_ci，其中下标i表示该相桥臂SM子模块的序号，i＝1，2，…，2N；得到该相上桥臂和下桥臂所有SM子模块的电容电压平均值其中，2N为该相上桥臂和下桥臂所有SM子模块的个数；

2)设每个SM子模块中电容电压的参考值为U_cref，将U_cref与U_c作差后经过PI调节器得到该相环流的参考值I_cirref；所述无差拍电流跟踪控制方法为：

a)设该相输出电流参考值为I_aref(I_aref由负载功率决定)，分别根据以下公式计算该相上桥臂和下桥臂的电流参考值I_pref和I_nref：

I_pref＝(2I_cirref+I_aref)/2

I_nref＝(2I_cirref－I_aref)/2；

b)检测流过该相上桥臂和下桥臂的电流，分别记为I_p和I_n，根据以下公式计算得到该相上桥臂和下桥臂的调制电压U_pref和U_nref：

U_pref＝(U_dc/2)－U_a－L*(I_pref－I_p)/T

U_nref＝(U_dc/2)+U_a－L*(I_nref－I_n)/T

其中，U_dc为模块化多电平逆变器直流侧电源电压；U_a为模块化多电平逆变器该相输出电压的测量值；L为模块化多电平逆变器桥臂电感值；T为控制周期；

c)对U_pref和U_nref采用最优电平逼近的方式进行调制，得到该相各SM子模块的控制脉冲信号。

所述步骤2)具体为：设每个SM子模块中电容电压的参考值为U_cref，根据以下公式计算该相环流的参考值I_cirref：

其中，2N为该相上桥臂和下桥臂所有SM子模块的个数，1/s为积分因子；K_p为比例系数，K_p＝1，K_i为积分系数，K_i＝50。

作为本发明的一种实施例，所述电感L取值为5mH，控制周期T取值为0.0001秒，SM子模块中电容电压参考值U_cref取值为100V，该相输出电流参考值I_aref取值为40sin(100πt)A，直流侧电源电压U_dc取值为900V，N取值为9。

本发明的有益效果是：1)与传统的模块化多电平逆变器的控制方法相比较，减少了大量的PI环节，只采用一个PI环节即可实现控制目的，简化了控制过程；2)降低了运算复杂度，节省了系统的调试时间，提高了效率；3)缩短了系统的响应时间，加快了系统的响应速度。

附图说明

图1为模块化多电平逆变器拓扑结构图；

图2为无差拍控制系统示意图；图2(a)为无差拍控制系统框图；图2(b)为环流控制框图；

图3为A相输出电流波形；

图4为A相输出电流谐波畸变率；

图5为A相环流波形；

图6为A相上桥臂子模块电容电压波形；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步具体说明。

图1是模块化多电平逆变器拓扑结构图，由三相六桥臂组成，直流侧电源中点接地；每桥臂由N个SM子模块与一个电感L串联而成，每个SM子模块是一个半桥变流器。

图2是无差拍控制系统示意图，其中，图2(a)是无差拍控制系统框图，图2(b)是环流控制框图。

本实施例以A相的控制方法为例进行说明。

在本实施实例中，电感L取值为5mH，控制周期T为0.0001秒，SM子模块电容电压参考值U_cref为100V，A相输出电流参考值I_aref取值为40sin(100πt)A，直流侧电源电压U_dc取值为900V，每桥臂SM子模块个数N取值为9。

检测A相上、下桥臂所有子模块中电容的电压U_ci，下标i表示A相从上到下第i个子模块，则A相环流参考值I_cirref为：

其中，1/s为积分因子，K_p＝1，K_i＝50。

A相上、下桥臂的电流参考值为：

I_pref＝(2I_cirref+I_aref)/2

I_nref＝(2I_cirref－I_aref)/2

其中，I_pref、I_nref分别为流过A相上、下桥臂的电流参考值。

检测流过A相上、下桥臂的电流I_p、I_n，则：

U_pref＝(U_dc/2)－U_a－L*(I_pref－I_p)/T

U_nref＝(U_dc/2)+U_a－L*(I_nref－I_n)/T

其中，U_pref为A相上桥臂的调制电压，U_nref为A相下桥臂的调制电压；U_dc为模块化多电平逆变器直流侧电源电压值；U_a为模块化多电平逆变器A相输出电压的测量值；L为模块化多电平逆变器桥臂电感值。

对U_pref、U_nref采用最优电平逼近的方式进行调制，得到A相各子模块的控制脉冲信号。B相、C相的控制方法与A相的控制方法类似。

图3是A相输出电流波形，输出电流基波幅值为39.85A，与A相输出电流参考幅值40A相比非常接近，误差率小于0.2％。

图4是A相输出电流谐波畸变率，总畸变率为0.65％，输出波形平滑满足电能质量要求。

图5是A相环流波形，桥臂环流在4.5至13.2A之间振荡，由傅里叶分解可知，该电流直流分量为8.83A，2次谐波分量为4.09A，2次谐波含量约占输出电流的10％，满足工程要求。

图6是A相上桥臂子模块电容电压波形，上桥臂各子模块电容电压在89.8至111.7V之间波动，电压纹波约为10％，满足工程要求。

Claims

1.一种模块化多电平逆变器的无差拍控制方法，其特征在于，所述模块化多电平逆变器采用三相六桥臂拓扑结构，每相包括上、下两个桥臂，每个桥臂由N个SM子模块和1个电感L串联而成，上桥臂和下桥臂连接点引出相线；三条相线接入公共电网；每相上桥臂的N个SM子模块依次记为SM_p1,SM_p2,…,SM_pN；每相下桥臂的N个SM子模块依次记为SM_n1,SM_n2,…,SM_nN；

直流侧电源中点接地；

所述无差拍控制方法包括环流控制和无差拍电流跟踪控制；

2)设该相每个SM子模块中电容电压的参考值为U_cref，将U_cref与U_c作差后经过PI调节器得到该相环流的参考值I_cirref；

所述无差拍电流跟踪控制方法为：

a)设该相输出电流参考值为I_aref，根据以下公式分别计算该相上桥臂和下桥臂的电流参考值I_pref和I_nref：

I_pref＝(2I_cirref+I_aref)/2

I_nref＝(2I_cirref－I_aref)/2；

U_pref＝(U_dc/2)－U_a－L*(I_pref－I_p)/T

U_nref＝(U_dc/2)+U_a－L*(I_nref－I_n)/T

2.根据权利要求1所述的模块化多电平逆变器的无差拍控制方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：设该相每个SM子模块中电容电压的参考值为U_cref，根据以下公式计算该相环流的参考值I_cirref：

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3.根据权利要求1所述的模块化多电平逆变器的无差拍控制方法，其特征在于，电感L取值为5mH，控制周期T取值为0.0001秒，SM子模块中电容电压参考值U_cref取值为100V，该相输出电流参考值I_aref取值为40sin(100πt)A，直流侧电源电压U_dc取值为900V，N取值为9。