CN107612341A - 基于3n+3开关级联的多端口能馈型高压变换器及控制方法 - Google Patents
基于3n+3开关级联的多端口能馈型高压变换器及控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于3N+3开关级联的多端口能馈型高压变换器及控制方法，该多端口能馈型高压变换器，由若干3N+3开关单元级联构成；所述3N+3开关单元由三相桥式PWM整流器、直流侧电容和3N+3开关逆变器构成；所述3N+3开关逆变器形成N个三相输出端口，顺次记为端口1、端口2、……端口N；所述由若干3N+3开关单元级联构成，具体为：各3N+3开关单元中3N+3开关逆变器的端口1采用电感级联方式，各3N+3开关单元中3N+3开关逆变器的其他端口采用三相变压器级联方式。本发明可提供多个负载端口，且可直接利用多端口负载间的再生能量，提高能量利用效率，降低回馈电网压力；同时，还可减小设备体积。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种基于3N+3开关级联的多端口能馈型高压变换器及控制方法。
背景技术
随着能源储备日益减少，对中高压大容量电机群负载中的再生能量进行利用的问题备受瞩目。针对再生能量的回收，目前采用PWM前端使能量回馈电网或采用储能设备回收能量，再利用两种形式均基于传统H桥级联结构改造。此类拓扑仅能驱动一台或多台电机同步运行。由于三相多单元级联，各单元直压独立，使得开关数量显著增加，可靠性降低。且两种能量利用形式均属于间接利用，降低能量利用率。
工业应用中，若能将制动电机再生的电能直接提供至电动运行电机，即可有效利用再生能量且降低前端PWM整流模块的能量回馈压力，同时减少注入电网的谐波含量。针对多电机的驱动，一种三端口六边形级联多电平变换器，可灵活驱动两电机异步运行，但从开关数量上与两台传统H桥级联变换器相当，且两组集成，结构更加庞大。一种九开关逆变器，可同时驱动两组交流负载独立工作，当输出N组三相交流负载时，并逆变侧仅需采用3N+3个开关，此种变换器仅适用于低电压系统，高压领域的应用仍有待研究。采用电感或耦合单相变压器或者三角形/星型连接三相变压器实现各单元逆变器级联的方法，输出高电压，但三种方法是否适用于九开关单元，仍未可知。为此，设计一套能实现多电机驱动，同时，为电机群负荷再生能量提供能量流通路径并且器件数量少，适用于中高压系统，端口扩展灵活的拓扑结构和控制策略具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于3N+3开关级联的多端口能馈型高压变换器及控制方法，适用于中高压电力系统。
本发明提供的一种基于3N+3开关级联的多端口能馈型高压变换器，由若干3N+3开关单元级联构成；
所述3N+3开关单元由三相桥式PWM整流器、直流侧电容和3N+3开关逆变器构成；
所述三相桥式PWM整流器为前端，所述前端通过普通变压器连接电网；
所述直流侧电容用于滤波；
所述3N+3开关逆变器为所述3N+3开关单元的逆变端，其形成N个三相输出端口，顺次记为端口1、端口2、……端口N；
所述由若干3N+3开关单元级联构成，具体为：
各3N+3开关单元中3N+3开关逆变器的端口1采用电感级联方式，各3N+3开关单元中3N+3开关逆变器的其他端口采用三相变压器级联方式。
进一步的，所述电感级联方式，具体为：
对各3N+3开关逆变器的端口1，将3N+3开关逆变器顺次编号，依次记为逆变器1、逆变器2、….逆变器N；
对3N+3开关逆变器分组，所获得的M组逆变器组分别记为(逆变器1，逆变器2)、(逆变器2、逆变器3)、(逆变器3、逆变器4)、……(逆变器N-1，逆变器N)；
第m组逆变器组中两3N+3开关逆变器的端口1的b相端子通过电感相连；第m+1组逆变器组中两3N+3开关逆变器的端口1的a相端子通过电感相连；第m+2组逆变器组中两3N+3开关逆变器的端口1的c相端子通过电感相连；m＝1+3k，k为自然数，从0开始取值；
逆变器1和逆变器N-2的a相端子构成a相输出，逆变器2和逆变器N-1的c相端子构成c相输出；逆变器3和逆变器N的b相端子构成b相输出。
进一步的，所述三相变压器级联方式，具体为：
对各3N+3开关逆变器的端口n，采用一组三相变压器级联所有3N+3开关逆变器的端口n，一组三相变压器中三相变压器数量和3N+3开关单元数量相同，一三相变压器连接一3N+3开关单元的端口n；n依次取2、3、……、N；
所述三相变压器的一次侧绕组三角形连接，三相引出线分别与端口n的三相相连；其二次侧绕组星型连接，一次侧绕组和二次侧绕组的匝数比为每组中各三相变压器的二次侧绕组依次串联，形成级联高压输出。
本发明提供的上述一种基于3N+3开关级联的多端口能馈型高压变换器的控制方法，包括：
在逆变端，驱动电机时，采用传统恒压频比控制电机调速；
初始化电机频率以及各3N+3开关单元的相位信号，其中，各相邻3N+3开关单元的端口1的初始相位相错180°，各3N+3开关单元的其他端口的初始相位一致；
根据电机频率以及各3N+3开关单元的相位信号，分别生成各3N+3开关单元各端口的电压指令；
根据电压指令，通过各3N+3开关单元的3N+3开关逆变器的分配，生成各3N+3开关单元各端口的电压参考信号；
根据电压参考信号，经载波移相调制，发出各3N+3开关单元各端口的开关控制信号。
作为优选，在3N+3开关逆变器调制波注入三次谐波。
本发明高压变换器不仅可提供多个负载端口，且可直接利用多端口负载间的再生能量，提高能量利用效率，降低回馈电网压力；同时，大幅减少了全控开关、电容以及变压器绕组数量，且由于三相瞬时功率恒定，使得直流侧电容容量降低，减小了设备体积。本发明高压变换器端口扩展灵活，对于多负荷工况具有重要研究意义。
和现有技术相比，本发明具有如下主要优点和有益效果：
(1)本发明变换器可提供多个负载端口，且多端口负载间的再生能量可以直接利用，提高能量利用效率，降低回馈电网压力。
(2)本发明大幅减少了全控开关、电容以及变压器绕组数量，且由于三相瞬时功率恒定，使得直流侧电容容量降低，减小了设备体积。
(3)本发明中变换器端口扩展灵活，对于多负荷工况具有重要研究意义。
附图说明
图1为实施例所提供的多端口能馈型高压变换器的拓扑结构图；
图2为实施例所提供的3N+3开关逆变器的拓扑结构图；
图3为实施例所提供的九开关逆变器的拓扑结构图；
图4为实施例中多端口能馈型高压变换器的四种典型工作模式；
图5为实施例所提供的基于九开关级联的多端口能馈型高压变换器逆变部分的控制框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本发明多端口能馈型高压变换器由基于3N+3开关逆变器的基本单元级联构成，文中将“基于3N+3开关逆变器的基本单元”简记为“3N+3开关单元”，将“基于九开关逆变器的基本单元”简记为“九开关单元”。
下面将以6个3N+3开关单元级联为例，进一步说明本发明多端口能馈型高压变换器的拓扑结构。见图1，所述3N+3开关单元由三相桥式PWM整流器、直流侧电容和3N+3开关逆变器构成，所述3N+3开关逆变器形成N组三相输出端口。所述三相桥式PWM整流器为所述3N+3开关单元的前端，所述前端通过普通变压器连接电网，用来实现能量的双向流动；所述直流侧电容用于滤波；所述3N+3开关逆变器为所述3N+3开关单元的逆变端。
3N+3开关逆变器为本技术领域的成熟技术，图2所示为其具体的拓扑结构图，由3N+3个IGBT(绝缘栅双极型晶体管全控开关)依次组合，形成N组三相输出端口，其中，IGBT也可采用其他全控型器件。图3所示为九开关逆变器的具体拓扑结构图，九开关逆变器为3N+3开关逆变器的一种，由9个IGBT依次组合，形成两组三相输出端口。采用九开关单元时，输出端有两组三相输出端口，可带两个负载。采用3N+3开关单元时，输出端有N组三相输出端口，则可带多个负载。
本发明多端口能馈型高压变换器由若干3N+3开关单元级联构成，3N+3开关单元数量根据电网电压等级配置。应用场所电网电压等级不同时，则可横向扩展变换器单元端口，灵活确定3N+3开关单元个数。本发明中，所述3N+3开关逆变器形成N个三相输出端口，顺次记为端口1、端口2、……、端口N，各3N+3开关逆变器的端口1采用电感级联方式，即通过电感有序串联各3N+3开关逆变器端口1的三相输出端子，以实现级联，这样可避免增加变压器。各3N+3开关逆变器的端口n通过三相变压器级联，这里，n依次取2、3、……、N，这样可使端口n的中性点固定，以实现各端口高压电机的独立驱动。当端口数量为2时，逆变端为九开关逆变器，其形成2个三相输出端口，其中一端口采用电感级联模式，另一端口采用三相变压器级联，以此实现两端口高压负载的独立驱动。
下面将结合图1，以电机A相为例说明本发明多端口能馈型高压变换器的级联方式。对第i个3N+3开关单元，其N组三相输出端口顺次记为端口1-i、端口2-i、……端口N-i，本实施例中，i依次取1、2、……6。各端口均包括三相端子，分别记为a端子、b端子、c端子。第一个3N+3开关单元的端口1-1的b端子(即图1中b1端子)与第二个3N+3开关单元的端口1-2的b端子(即图1中b2端子)通过电感相连；第二个3N+3开关单元的端口1-2的a端子(即图1中a2端子)与第三个3N+3开关单元的端口1-3的a端子(即图1中a3端子)通过电感相连，第三个3N+3开关单元的端口1-3的c端子(即图1中c3端子)与第四个3N+3开关单元的端口1-4的c端子(即图1中c4端子)通过电感相连。所形成的a1和a4两个输出端子分别连接电机A相定子绕组的A端和A’端，形成端口1的级联。
对各3N+3开关单元的端口2至端口N，则采用三相变压器级联，具体为：对端口n采用一组三相变压器级联，这里，n依次取2、3、……、N，每组三相变压器中三相变压器的数量与3N+3开关单元数量相同。各三相变压器的一次侧绕组三角形连接，三相引出线分别与端口n的三相相连。各三相变压器的二次侧绕组星型连接，一次侧绕组和二次侧绕组的匝数比设为每组各单元三相变压器二次侧绕组依次串联，形成级联高压输出。此种级联模式，可使端口中性点固定，从而配合端口一电感级联，形成多端口高压电机的独立驱动。当应用场所需要采用不同电压等级的负载时，可灵活确定级联单元个数，实现变换器单元端口横向扩展实现需求电压等级的输出。
本发明中，各3N+3开关单元前端的三相桥式PWM整流器采用双环控制策略：直流侧电压外环、电流内环，实现能量的双向流动。
图4所示为本发明多端口能馈型高压变换器的四种典型工作模式。此处以两电机运行为例，针对多端口能馈型高压变换器电源与负载端口的不同状态，展示了四种典型模式下的有功功率分配。
工作模式1见图4(a)，电机1和电机2同时电动运行，电网为两电机供能。此时电网输出有功功率pin＞0，电机1的有功功率p1＞0，电机2的有功功率p2＞0，且pin＝p1+p2。
工作模式2，见图4(b)，电机1电动运行，电机2发电运行，且电动功率大于发电功率，即p2＜0，p1＞0，且|p2|＜|p1|。此时，再生功率通过3N+3开关逆变器共用直流侧电容直接流入电机1，无需回馈电网，能量利用率高。电机1所需功率不足部分由电网提供，pin＞0，即p1＝|p2|+pin。
工作模式3，见图4(c)，电机1电动运行，电机2发电运行，且电动功率小于发电功率，即p2＜0，p1＞0，且|p2|＞|p1|。此时，再生功率通过3N+3开关逆变器直流侧电容直接流入电机1，富余功率则会通过输入侧PWM整流器回馈电网，即pin＝|p2|-|p1|。此时由于电动电机的功率消耗，减轻了前端PWM整流器回馈再生能量的压力，相应也降低了注入电网的谐波含量。
工作模式4，见图4(d)，电机1和电机2同时制动，电机1的发电功率p1＜0，电机2的发电功率p2＜0。此时两电机再生能量全部回馈至变换器各单元直流侧电容，并通过单元前端PWM整流器回馈电网，即pin＝|p1|+|p2|。
图5所示为一基于九开关单元级联的多端口能馈型高压变换器逆变部分的控制框图，该多端口能馈型高压变换器由6个九开关单元级联构成。以高压两电机驱动为例，采用恒V/f控制进行电机调速，具体如下：
分别给定两电机频率f和f′、以及各九开关单元的初始相位信号，所述初始相位信号包括端口1对应的第一、三、五个九开关单元的参考相位信号∠Vxy、端口1对应的第二、四、六个九开关单元的参考相位信号∠Vxz、以及端口2对应的六个九开关单元的参考相位信号∠Vx′，其中，x＝a,b,c，y＝1,3,5，z＝2,4,6。由于端口1和端口2的级联方式不同，故参考相位设置方式存在差异。设置初始相位信号时，各相邻的九开关单元的端口1的初始参考相位相错180°，各九开关单元的端口2的初始参考相位一致。
根据电机频率f和f′以及各九开关单元的初始相位信号生成第一、三、五单元九开关逆变器对应端口1的电压指令vxy、第二、四、六单元九开关逆变器对应端口1的电压指令vxz、以及六个单元九开关逆变器对应端口2的电压指令vx'。
根据电压指令vxy、vxz和vx'，通过各单元的九开关逆变器参考信号处理，生成1、3、5单元九开关逆变器端口1的电压参考信号端口2的电压参考信号以及2、4、6单元九开关逆变器端口1的电压参考信号端口2的电压参考信号
经载波移相调制，发出对应端口的九开关单元的开关控制信号。图中九开关逆变器参考信号生成方法为成熟技术，此处不再详述。
为提高九开关单元的直压利用率，可对九开关逆变器调制波注入三次谐波，使其直压利用率增大。同理可适用于3N+3开关单元。
Claims (5)
1.一种基于3N+3开关级联的多端口能馈型高压变换器，其特征是：
由若干3N+3开关单元级联构成；
所述3N+3开关单元由三相桥式PWM整流器、直流侧电容和3N+3开关逆变器构成；
所述三相桥式PWM整流器为前端，所述前端通过普通变压器连接电网；
所述直流侧电容用于滤波；
所述3N+3开关逆变器为所述3N+3开关单元的逆变端，其形成N个三相输出端口，顺次记为端口1、端口2、……端口N；
所述由若干3N+3开关单元级联构成，具体为：
各3N+3开关单元中3N+3开关逆变器的端口1采用电感级联方式，各3N+3开关单元中3N+3开关逆变器的其他端口采用三相变压器级联方式。
2.如权利要求1所述的一种基于3N+3开关级联的多端口能馈型高压变换器，其特征是：
所述电感级联方式，具体为：
对各3N+3开关逆变器的端口1，将3N+3开关逆变器顺次编号，依次记为逆变器1、逆变器2、….逆变器N；
对3N+3开关逆变器分组，所获得的M组逆变器组分别记为(逆变器1，逆变器2)、(逆变器2、逆变器3)、(逆变器3、逆变器4)、……(逆变器N-1，逆变器N)；
第m组逆变器组中两3N+3开关逆变器的端口1的b相端子通过电感相连；第m+1组逆变器组中两3N+3开关逆变器的端口1的a相端子通过电感相连；第m+2组逆变器组中两3N+3开关逆变器的端口1的c相端子通过电感相连；m＝1+3k，k为自然数，从0开始取值；
逆变器1和逆变器N-2的a相端子构成a相输出，逆变器2和逆变器N-1的c相端子构成c相输出；逆变器3和逆变器N的b相端子构成b相输出。
3.如权利要求1所述的一种基于3N+3开关级联的多端口能馈型高压变换器，其特征是：
所述三相变压器级联方式，具体为：
对各3N+3开关逆变器的端口n，采用一组三相变压器级联所有3N+3开关逆变器的端口n，一组三相变压器中三相变压器数量和3N+3开关单元数量相同，一三相变压器连接一3N+3开关单元的端口n；n依次取2、3、……、N；
所述三相变压器的一次侧绕组三角形连接，三相引出线分别与端口n的三相相连；其二次侧绕组星型连接，一次侧绕组和二次侧绕组的匝数比为每组中各三相变压器的二次侧绕组依次串联，形成级联高压输出。
4.权利要求1所述的一种基于3N+3开关级联的多端口能馈型高压变换器的控制方法，其特征是：
在逆变端，驱动电机时，采用传统恒压频比控制电机调速；
初始化电机频率以及各3N+3开关单元的相位信号，其中，各相邻3N+3开关单元的端口1的初始相位相错180°，各3N+3开关单元的其他端口的初始相位一致；
根据电机频率以及各3N+3开关单元的相位信号，分别生成各3N+3开关单元各端口的电压指令；
根据电压指令，通过各3N+3开关单元的3N+3开关逆变器的分配，生成各3N+3开关单元各端口的电压参考信号；
根据电压参考信号，经载波移相调制，发出各3N+3开关单元各端口的开关控制信号。
5.如权利要求4所述的一种基于3N+3开关级联的多端口能馈型高压变换器的控制方法，其特征是：
在3N+3开关逆变器调制波注入三次谐波。
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