CN108599603A - 一种模块化多电平变换器及其电容电压纹波抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化多电平变换器及其电容电压纹波抑制方法，该模块化多电平变换器的主电路拓扑结构主要由各桥臂上的储能子模块、桥臂电感、电机负载三部分构成。其中储能子模块由标准MMC模块与并有超级电容的双向变换器模块进行并联组成。根据需要一定数量的子模块进行串联组成桥臂，各上下桥臂分别通过各桥臂耦合电感进行串联。可解决交变性质的桥臂能量脉动问题，在变频运行时桥臂能量缺额能够通过子模块外部接入的超级电容进行弥补，则既可以使子模块电容的电压被控制在限定的范围内，还能够充分挖掘再生制动的潜力。同时，也可以减小后级的滤波装置，得到更高质量的电压。

Description

一种模块化多电平变换器及其电容电压纹波抑制方法

技术领域

本发明属于电力电子多电平变换器技术领域，具体涉及一种模块化多电平变换器及其电容电压纹波抑制方法。

背景技术

传动系统在变频调速节能应用时要求输出相电流具有宽频率范围的调节能力，并能够为电机负载提供适当的起动转矩。然而，在中压传动系统应用中，模块化多电平变换器(简称“MMC”)的子模块电容是悬浮的，电容电位没有独立整流单元的支撑，因而在运行过程中，子模块电容承担缓冲基波和二次谐波性质的功率脉动的任务，电容电压将会出现波动，且MMC交流侧输出相电流频率越低，该波动越剧烈，会严重超出器件所允许的工作范围，使得开关器件损坏。这给基于MMC的中压传动系统变频运行带来了困难，也限制了MMC在中压传动领域的应用。经相关研究表明子模块电容电压纹波的幅值与相电流频率成反比例关系，与相电流幅值成正比例关系，这一固有特性导致在变频(特别是低频)和变化负载转矩运行条件下子模块电容电压波动趋势呈现时变性和随机性，纹波幅值随着相电流频率的降低而增大，并且该幅值在相电流频率为零时趋于无穷大，无额外控制手段的前提下，MMC无法输出低频和零频的相电流，不具备起动转矩输出和低速稳态运行的能力，因而限制了其在中压传动系统中的应用。在此背景下，研究子模块电容电压波动的抑制手段，对于MMC的频率工作范围的扩展乃至全频域运行稳定性的改善至关重要。

超级电容储能技术在近几年得到了很快的发展，因为超级电容具有高的功率密度，可以对系统能量进行及时的回馈或吸收。因此将超级电容与MMC模块结合，并利用能量管理技术就可以对模块化多电平内部的能量流动进行精确控制，从而控制超级电容组的充放电，对模块能量进行及时的补充或调整，使子模块电容电压能够被控制在合理的范围，该变换器的拓扑结构如图1所示。由此可以对多电平变换器的电容纹波电压进行抑制，是一很好的发展方向。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决了现有MMC多电平变换器在变频(特别是低频)和变化负载转矩运行条件下子模块电容电压波动的问题，本发明提出一种模块化多电平变换器及其电容电压纹波抑制方法。

技术方案

一种模块化多电平变换器，包括各桥臂上的储能子模块、桥臂电感和电机负载；其特征在于所述的储能子模块由标准MMC模块与并有超级电容的双向变换器模块并联组成；储能子模块串联组成桥臂，各上下桥臂分别通过各桥臂耦合电感进行串联。

一种对所述的模块化多电平变换器进行电容电压纹波抑制的系统，其特征在包括基于超级电容储能的MMC多电平变频调速平台、能量管理系统、模块均压及PWM 控制器、电压采集装置和电流采集装置；电压采集装置，利用电压传感器采集各子模块电压、电机端电压和直流网侧电压，并将采集信息提供给模块均压及PWM控制器；电流采集装置，利用电流传感器采集各桥臂电流，并将采集信息提供给模块均压及 PWM控制器；模块均压及PWM控制器，对各储能子模块中的四只功率管分别发出相应的PWM控制指令，控制超级电容充放电及电机转速；能量管理系统设计系统的能量管理策略，通过能量管理策略得到超级电容的充放电指令，将该指令发送给基于超级电容储能的MMC多电平变频调速平台；基于超级电容储能的MMC多电平变频调速平台接收来自于能量管理系统的SOC状态信息以及超级电容充放电指令、完成调速指令的输入，将输入调速指令转换为变频调速所需要的变频指令信息，并根据网侧电压与模块数计算出模块电容C的稳定电压参考值，向模块均压及PWM控制器发送实时变频指令、模块电容C稳定电压参考值及超级电容SOC状态，同时接收来自模块均压及PWM控制器的实时电流、电压、转速。

所述的PWM控制器采用32位的DSP与CPLD进行协同控制。

一种采用所述的系统实现的电容电压纹波抑制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：能量管理系统对各超级电容的荷电状态SOC以及网侧电压进行监控，通过能量管理策略得到超级电容的充放电指令，将该指令发送给基于超级电容储能的 MMC多电平变频调速平台；所述的能量管理策略：

1)根据超级电容的SOC决定超级电容储能子模块的能量流动：当SOC≤0.2时，禁止释能；0.9＜SOC＜1时禁止储能；当0.2＜SOC≤0.9时采用恒流法进行充放电；

2)由直流网侧电压决定超级电容储能或释能：网侧电压高于额定电压上限设定值时，储能系统储能，发出充电指令；网侧电压低于额定电压下限设定值时，储能系统释能，发出放电指令；网侧电压介于上下限之间时，储能系统不工作，即功率管T1、 T2均关断；

步骤2：基于超级电容储能的MMC多电平变频调速平台将调速指令转化为变频调速所需要的变频指令，并根据模块数目及网侧电压值计算模块电容C稳定电压参考值，然后将变频指令与超级电容充放电指令及模块电容C稳定电压参考值传送给模块均压及PWM控制器；同时模块均压及PWM控制器将所采集的电流电压信息及转速信息反馈给基于超级电容储能的MMC多电平变频调速平台；

步骤3：利用变频指令及转速反馈信息，根据变频调速算法得出功率管S₁和S₂的PWM控制指令；

步骤4：将电容C稳定电压参考值与储能子模块电容C实时电压值作差，经过PI 调节器后得到超级电容充放电电流参考值，之后使用超级电容充放电电流参考值I_ref与储能子模块桥臂电感电流作差后经过PI调节器，得到电容电压稳定算法输出占空比；将储能子模块超级电容电压实时值与储能子模块超级电容电压平均值作差，然后经过PI调节器，得到超级电容SOC均衡算法输出占空比；

步骤5：将电容电压稳定算法输出占空比与超级电容SOC均衡算法输出占空比相加，之后经过归一化处理，将处理结果作为调制波信号与载波信号经过比较器，得到 T₁和T₂的PWM控制指令。

有益效果

本发明提出的一种模块化多电平变换器及其电容电压纹波抑制方法，可解决交变性质的桥臂能量脉动问题，在变频运行时桥臂能量缺额能够通过子模块外部接入的超级电容进行弥补，则既可以使子模块电容的电压被控制在限定的范围内，还能够充分挖掘再生制动的潜力。同时，也可以减小后级的滤波装置，得到更高质量的电压。在方法上借助于能量管理技术实现能量的双向智能流动，从而使得在传动领域MMC多电平变换器实现全频域稳定运行。

附图说明

图1是该模块化多电平变换器的拓扑结构图

图2是该模块化多电平变换器及其电容电压纹波抑制系统的结构框图

图3是该模块化多电平变换器子模块控制结构图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明模块化多电平变换器的主电路拓扑结构如图1所示，该模块化多电平变换器的主电路拓扑结构主要由各桥臂上的储能子模块、桥臂电感、电机负载三部分构成。

其中储能子模块由标准MMC模块与并有超级电容的双向变换器模块进行并联组成。根据需要一定数量的子模块进行串联组成桥臂，各上下桥臂分别通过各桥臂耦合电感进行串联。进而构成如图1所示的储能型拓扑结构进行拖动电机负载。

本发明模块化多电平变换器的系统结构框图如图2所示，该模块化多电平变换器的系统结构框图主要由基于超级电容储能的MMC多电平变频调速平台、能量管理系统、模块均压及PWM控制器，超级电容储能模块，传动电机及其负载、电压采集装置和电流采集装置七个模块组成。基于超级电容储能的MMC多电平变频调速平台和能量管理系统、基于超级电容储能的MMC多电平变频调速平台和模块均压及调速控制器之间分别通过串口相连。

能量管理系统为储能系统的顶层控制平台，当超级电容SOC小于某一设定的放电下限临界值时禁止其放电，当大于某一设定的充电上限临界值时禁止其充电，具体临界值大小根据超级电容材质及型号而定。能量管理系统通过对各超级电容的荷电状态(SOC)以及网侧电压的监控，同时考虑超级电容组和直流牵引电网两方面要求设计系统的能量管理策略：

1)根据超级电容的SOC决定超级电容储能子模块的能量流动(通常基于超级电容寿命和安全的考虑)，当SOC≤0.2时，禁止释能；0.9＜SOC＜1时禁止储能；当0.2 ＜SOC≤0.9时采用恒流法进行充放电。

2)由直流网侧电压决定超级电容储能或释能；网侧电压高于额定电压上限设定值时，储能系统储能，发出充电指令；网侧电压低于额定电压下限设定值时，储能系统释能，发出放电指令；网侧电压介于上下限之间时，储能系统不工作，即功率管T₁、 T₂均关断。通过上述能量管理策略得到超级电容的充放电指令，将该指令发送给基于超级电容储能的MMC多电平变频调速平台。

基于超级电容储能的MMC多电平变频调速平台是整个系统的上位机控制平台，接收来自于能量管理系统的SOC状态信息以及超级电容充放电指令、完成调速指令的输入，将输入调速指令转换为变频调速所需要的变频指令信息，并根据网侧电压与模块数计算出模块电容C的稳定电压参考值，向模块均压及PWM控制器发送实时变频指令、模块电容C稳定电压参考值及超级电容SOC状态，同时接收来自模块均压及 PWM控制器的实时电流、电压、转速；实时监控系统运行状况，并将所接受信息保存以便分析查看。

电压采集装置，利用电压传感器采集各储能子模块电容C电压、超级电容电压、电机端电压和直流网侧电压，并将采集信息提供给模块均压及PWM控制器；电流采集装置，利用电流传感器采集各桥臂电流，并将采集信息提供给模块均压及PWM控制器；电机转速采集装置利用旋转变压器或霍尔传感器等器件完成对电机转速的测量，并实时反馈给模块均压及PWM控制器。

模块均压及PWM控制器是系统核心控制装置，对各储能子模块中的四只功率管分别发出相应的PWM控制指令，控制超级电容充放电及电机转速；模块均压及PWM 控制器主要完成将传感器所采集信息和基于超级电容储能的MMC多电平变频调速平台发出的控制指令按照所设计的算法进行处理，处理完成后得到四个功率管的PWM 控制指令。其中算法主要涉及到电机调速控制算法、储能子模块电容电压稳定算法以及超级电容SOC均衡算法。功率管S₁和S₂按照电机调速控制算法进行开通关断，具体调速算法原理与传统变频调速原理一致，从而得到S₁和S₂两个功率管的PWM控制指令，完成电机调速工作；电容C、功率管T₁和T₂、电感L以及超级电容共同组成储能型双向变换器即超级电容储能模块，根据电容C稳定电压参考值结合电容C上的电压波动情况以及所采集到的储能子模块电压，利用电容电压稳定算法及超级电容 SOC均衡算法进行控制，其具体算法实施如图3所示，从而得到功率管T₁和T₂的PWM 控制指令，达到稳定储能子模块电容C电压以及超级电容SOC均衡的目的。

本发明模块化多电平变换器电容电压纹波抑制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：把能量管理系统和模块均压及PWM控制器与基于超级电容储能的MMC 多电平变频调速平台连接。

步骤2：通过能量管理系统，分别比较超级电容SOC、网侧电压与给定电压限值，通过能量管理策略得到超级电容充放电指令，将该充放电指令及SOC状态传送送给基于超级电容储能的MMC多电平变频调速平台；

步骤3：向基于超级电容储能的MMC多电平变频调速平台输入调速指令，平台将调速指令转化为变频调速所需要的变频指令，并根据模块数目及网侧电压值计算出模块电容C稳定电压参考值，然后将变频指令与超级电容充放电指令及模块电容C稳定电压参考值传送给模块均压及PWM控制器，同时模块均压及PWM控制器将所采集的电流电压信息及转速信息反馈给基于超级电容储能的MMC多电平变频调速平台；基于超级电容储能的MMC多电平变频调速平台将接收到的回馈信息用来进行系统的保护处理、实时监控系统运行状态，并将数据保存，以便于停机之后对系统的运行情况进行分析及评估；

步骤4：利用变频指令及转速反馈信息，根据变频调速算法得出功率管S₁和S₂的PWM控制指令；

步骤5：利用超级电容充放电指令、模块电容C稳定电压参考值及所采集到的电压与电流信息，根据模块电容电压稳定算法及SOC均衡算法得出功率管T₁和T₂的 PWM控制指令；具体控制策略如图3所示；针对电容电压稳定算法使用了电压电流双闭环控制结构步骤，利用电容C稳定电压参考值与储能子模块电容C实时电压值作差，经过PI调节器后得到超级电容充放电电流参考值，之后使用超级电容充放电电流参考值I_ref与与储能子模块桥臂电感电流作差后经过PI调节器，得到电容电压稳定算法输出占空比；超级电容SOC均衡算法是利用储能子模块超级电容电压实时值与储能子模块超级电容电压平均值作差，然后经过PI调节器，得到超级电容SOC均衡算法输出占空比；

步骤6：将电容电压稳定算法输出占空比与超级电容SOC均衡算法输出占空比相加，之后经过归一化处理，将处理结果作为调制波信号与载波信号相比较，得到T₁和T₂的PWM控制指令。

Claims (4)

1.一种模块化多电平变换器，包括各桥臂上的储能子模块、桥臂电感和电机负载；其特征在于所述的储能子模块由标准MMC模块与并有超级电容的双向变换器模块并联组成；储能子模块串联组成桥臂，各上下桥臂分别通过各桥臂耦合电感进行串联。

2.一种对权利要求1所述的模块化多电平变换器进行电容电压纹波抑制的系统，其特征在包括基于超级电容储能的MMC多电平变频调速平台、能量管理系统、模块均压及PWM控制器、电压采集装置和电流采集装置；电压采集装置，利用电压传感器采集各子模块电压、电机端电压和直流网侧电压，并将采集信息提供给模块均压及PWM控制器；电流采集装置，利用电流传感器采集各桥臂电流，并将采集信息提供给模块均压及PWM控制器；模块均压及PWM控制器，对各储能子模块中的四只功率管分别发出相应的PWM控制指令，控制超级电容充放电及电机转速；能量管理系统设计系统的能量管理策略，通过能量管理策略得到超级电容的充放电指令，将该指令发送给基于超级电容储能的MMC多电平变频调速平台；基于超级电容储能的MMC多电平变频调速平台接收来自于能量管理系统的SOC状态信息以及超级电容充放电指令、完成调速指令的输入，将输入调速指令转换为变频调速所需要的变频指令信息，并根据网侧电压与模块数计算出模块电容C的稳定电压参考值，向模块均压及PWM控制器发送实时变频指令、模块电容C稳定电压参考值及超级电容SOC状态，同时接收来自模块均压及PWM控制器的实时电流、电压、转速。

3.根据权利要求2所述的电容电压纹波抑制系统，其特征在于所述的PWM控制器采用32位的DSP与CPLD进行协同控制。

4.一种采用权利要求2所述的系统实现的电容电压纹波抑制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：能量管理系统对各超级电容的荷电状态SOC以及网侧电压进行监控，通过能量管理策略得到超级电容的充放电指令，将该指令发送给基于超级电容储能的MMC多电平变频调速平台；所述的能量管理策略：

1)根据超级电容的SOC决定超级电容储能子模块的能量流动：当SOC≤0.2时，禁止释能；0.9＜SOC＜1时禁止储能；当0.2＜SOC≤0.9时采用恒流法进行充放电；

2)由直流网侧电压决定超级电容储能或释能：网侧电压高于额定电压上限设定值时，储能系统储能，发出充电指令；网侧电压低于额定电压下限设定值时，储能系统释能，发出放电指令；网侧电压介于上下限之间时，储能系统不工作，即功率管T1、T2均关断；

步骤2：基于超级电容储能的MMC多电平变频调速平台将调速指令转化为变频调速所需要的变频指令，并根据模块数目及网侧电压值计算模块电容C稳定电压参考值，然后将变频指令与超级电容充放电指令及模块电容C稳定电压参考值传送给模块均压及PWM控制器；同时模块均压及PWM控制器将所采集的电流电压信息及转速信息反馈给基于超级电容储能的MMC多电平变频调速平台；

步骤3：利用变频指令及转速反馈信息，根据变频调速算法得出功率管S₁和S₂的PWM控制指令；

步骤4：将电容C稳定电压参考值与储能子模块电容C实时电压值作差，经过PI调节器后得到超级电容充放电电流参考值，之后使用超级电容充放电电流参考值I_ref与储能子模块桥臂电感电流作差后经过PI调节器，得到电容电压稳定算法输出占空比；将储能子模块超级电容电压实时值与储能子模块超级电容电压平均值作差，然后经过PI调节器，得到超级电容SOC均衡算法输出占空比；

步骤5：将电容电压稳定算法输出占空比与超级电容SOC均衡算法输出占空比相加，之后经过归一化处理，将处理结果作为调制波信号与载波信号经过比较器，得到T₁和T₂的PWM控制指令。