CN109067299B - 三端口九边形模块化多电平变换器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力电子变换器技术，具体涉及三端口九边形模块化多电平变换器拓扑结构及控制方法，该拓扑结构包括九组桥臂，九组桥臂首尾相连形成九边形环形结构，九边形环形结构的九个顶点按顺时针方向依次为R、W、X、S、U、Y、T、V、Z；其中XYZ组成第一端口，作为输入端口与交流电网相连，RST、UVW分别组成第二端口、第三端口，作为输出端口分别连接第一电机和第二电机。该拓扑可减少传统电机驱动系统中变换器数目，且无需高压直流母线及移相变压器，从而降低建设与维护成本，减少能量损耗，提高系统集成度。为确保该双机系统稳定运行，提出了环流控制方法，以实现电网与两台电机间能量的灵活交换。

Description

三端口九边形模块化多电平变换器及控制方法
技术领域
本发明属于电力电子变换器技术领域，尤其涉及三端口九边形模块化多电平变换器及控制方法。
背景技术
近年来，随着中高压电机群负荷驱动的概念被提出并得到广泛的研究。作为其核心技术的多端口变换器应运而生。通过对原有多个分立变换器的集成，多端口变换器可实现电网、多个电机间的能量传递，对能量进行统一的管理和控制，因此其具有高集成度、高效率、低体积和低成本等优势。
传统的多端口变换器通常是由多个二端口变换器共用交流或者直流母线形成多端口结构。一定程度上减少了成本，提高了效率和集成度。但是为了进一步提高效率、减少成本及提高集成度。采用模块或器件复用方式形成多端口结构是一种重要的方法。许多文献已经探讨过这种方法。
将多个二端口变换器依次串联形成多边形变换器，通过功率模块复用，所需的器件大为减少。目前已有学者提出六边形三端口变换器，该拓扑结构使用六个桥臂实现三端口交流能量交换，不需要高压直流母线。但是该拓扑结构仍需要移相变压器，并且每个桥臂内单相H桥逆变器前都增加了整流器，输入侧的器件并未减少，经济效益并未有明显提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于驱动两台中高压大功率电机同时运行的三端口九边形模块化多电平转换器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种三端口九边形模块化多电平变换器拓扑结构，包括九组桥臂，九组桥臂首尾相连形成九边形环形结构，九边形环形结构的九个顶点按顺时针方向依次为R、W、X、S、U、Y、T、V、Z；其中XYZ组成第一端口，作为输入端口与交流电网相连，RST、UVW分别组成第二端口、第三端口，作为输出端口分别连接第一电机和第二电机。
在上述的三端口九边形模块化多电平变换器拓扑结构中，九组桥臂按顺时针方向分别设为A-I；九组桥臂结构均相同，每组桥臂包括N个H桥模块与电感串联，H桥模块包括一个单相H桥逆变器与电容器并联；单相H桥逆变器包括两个桥臂，每个桥臂包括两个IGBT和其反向并联二极管模块串联；单相H桥逆变器输出三个电平+Vdc、0、-Vdc；N个H桥模块的单相电路形成2N+1个电平。
在上述的三端口九边形模块化多电平变换器拓扑结构的控制方法中，包括环流控制和直压平衡控制，环流控制是通过控制第一、第二、第三端口的中性点偏移电压从而间接控制九组桥臂之间的环流大小，实现功率平衡；直压平衡控制是将检测到的各H桥模块直压侧电容电压与同一桥臂上所有H桥模块电容电压的均值比较，然后进行比例控制，所得结果再与该桥臂电流相乘，得到该H桥模块调制信号的偏差值。
在上述的三端口九边形模块化多电平变换器拓扑结构的控制方法中，，所述环流控制包括以下具体步骤：
步骤1、获取交流电网与第一、第二电机第一、第二、第三端口的相电压控制信号；
步骤2、将检测到的各H桥模块直压侧电容电压与同一桥臂上所有H桥模块电容电压的均值比较，得到每个桥臂的最大偏差值，从而得到中性点偏移电压控制信号；
步骤3、根据第一、第二、第三端口的相电压控制信号及中性点偏移电压控制信号计算出各组桥臂电压控制信号，通过移相PWM调制生成各H桥模块开关信号。
本发明的有益效果是：可减少传统电机驱动系统中变换器数目，且无需高压直流母线及移相变压器，从而降低建设与维护成本，减少能量损耗，提高系统集成度。为确保该双机系统稳定运行，还提出了环流控制和直压平衡控制，以实现电网与两台电机间能量的灵活交换。
附图说明
图1为本发明一个实施例一种三端口九边形模块化多电平变换器拓扑结构；
图2为本发明一个实施例一种三端口九边形模块化多电平变换器拓扑结构等效数学模型；
图3(a)为本发明一个实施例一种三端口九边形模块化多电平变换器拓扑结构二次等效数学模型三角形电源X、Y、Z；
图3(b)为本发明一个实施例一种三端口九边形模块化多电平变换器拓扑结构二次等效数学模型三角形电源R、S、T；
图3(c)为本发明一个实施例一种三端口九边形模块化多电平变换器拓扑结构二次等效数学模型三角形电源U、V、W；
图4为本发明一个实施例一种三端口九边形模块化多电平变换器拓扑结构的控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本实施例提出了一种三端口九边形模块化多电平变换器拓扑结构，并对此拓扑结构提出了环流控制和直压平衡控制方法，以灵活地实现交流电网与两台电机间能量传输。
如图1所示，一种三端口九边形模块化多电平变换器拓扑结构。该拓扑结构为由九组桥臂(A～I)首尾相连形成九边形环形结构，九组桥臂的结构均相同，每组桥臂由多个H桥模块与电感串联形成，其中H桥模块由一个单相H桥逆变器与电容器并联组成。
单相H桥逆变器由两个桥臂组成，每个桥臂由两个IGBT和其反向并联二极管模块串联而成。每个单相H桥逆变器输出三个电平+Vdc、0、-Vdc，则N个H桥级联的单相电路可形成2N+1个电平。
该拓扑结构九个顶点按顺时针方向依次命名为R、W、X、S、U、Y、T、V、Z。其中XYZ组成第一端口，作为输入端口与交流电网相连，RST、UVW、分别组成第二端口、第三端口，作为输出端口分别连接第一、第二电机。
如图2所示，本实施例提出了基于该拓扑结构的等效数学模型。在等效数学模型中，每组桥臂等效为可控交流电压源与阻抗串联结构，交流电网等效为三相对称电压源，第一、第二电机等效为三相对称阻抗。每桥臂等效电压源电压分别为va，vb，vc，vd，ve，vf，vg，vh，vi。桥臂电流为ia，ib，ic，id，ie，if，ig，ih，ii。第一端口相电压为vx，vy，vz。第二端口相电压为vr，vs，vt。第三端口相电压为vu，vv，vw。第一端口相电流为ix，iy，iz。第二端口相电流为ir，is，it。第三端口相电流为iu，iv，iw。流经九组桥臂的电流为icir。O，N1，N2分别为第一端口，第二端口，第三端口的中性点。vN1，vN2分别为第二端口与第一端口中性点电压差，第三端口与第一端口中性点电压差。
图2所示的等效数学模型中三相邻桥臂为一交流端口提供线电压，故为了方便各桥臂电流分析计算，对该拓扑结构进行二次等效，将该拓扑空间等效为三组假想的独立对称三角形电源，将本实施例的拓扑结构二次等效为假想的独立对称三角形电源X、Y、Z，如图3(a)所示，R、S、T，如图3(b)所示，U、V、W，如图3(c)所示，分别为第一、第二、第三端口提供线电压，从而方便各桥臂电流分析计算。
为了实现各桥臂间的功率平衡，对于一种三端口九边形模块化多电平变换器拓扑结构，提出了环流控制方法。如图4中(a)部分框图所示，为了使每条桥臂内直流功率分量为零，通过控制第一、第二、第三端口的中性点偏移电压从而间接控制九组桥臂之间的环流大小，实现功率平衡。该控制方法具体包括如下步骤：
(1)、获取交流电网与第一、第二电机第一、第二、第三端口的相电压控制信号；
(2)、将检测到的各H桥模块直压侧电容电压与同一桥臂上所有H桥模块电容电压的均值比较，得到每个桥臂的最大偏差值，从而得到中性点偏移电压控制信号；
(3)、根据第一、第二、第三端口的相电压控制信号及中性点偏移电压控制信号计算出各组桥臂电压控制信号，通过移相PWM调制生成各H桥模块开关信号。
如图4中(b)部分框图所示的直压平衡控制方法，将检测到的各H桥模块直压侧电容电压与同一桥臂上所有H桥模块电容电压的均值比较，随后进行比例控制，所得到的结果再与该桥臂电流相乘即可得到该H桥模块调制信号的偏差值。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (2)

1.一种三端口九边形模块化多电平变换器，其特征是，包括九组桥臂，九组桥臂首尾相连形成九边形环形结构，九边形环形结构的九个顶点按顺时针方向依次为R、W、X、S、U、Y、T、V、Z；其中XYZ组成第一端口，作为输入端口与交流电网相连，RST、UVW分别组成第二端口、第三端口，作为输出端口分别连接第一电机和第二电机；
九组桥臂按顺时针方向分别设为A-I；九组桥臂结构均相同，每组桥臂包括N个H桥模块与电感串联，H桥模块包括一个单相H桥逆变器与电容器并联；单相H桥逆变器包括两个桥臂，每个桥臂包括两个串联连接的IGBT，每个IGBT反向并联一个二极管；单相H桥逆变器输出三个电平+Vdc、0、- Vdc；N个H桥模块的单相电路形成2N+1个电平。
2.如权利要求1所述的三端口九边形模块化多电平变换器的控制方法，其特征是，包括环流控制和直压平衡控制，环流控制是通过控制第一、第二、第三端口的中性点偏移电压从而间接控制九组桥臂之间的环流大小，实现功率平衡；直压平衡控制是将检测到的各H桥模块直压侧电容电压与同一桥臂上所有H桥模块电容电压的均值比较，然后进行比例控制，所得结果再与该桥臂电流相乘，得到该H桥模块调制信号的偏差值；
所述环流控制包括以下具体步骤：
步骤1、获取交流电网与第一、第二电机第一、第二、第三端口的相电压控制信号；
步骤2、将检测到的各H桥模块直压侧电容电压与同一桥臂上所有H桥模块电容电压的均值比较，得到每个桥臂的最大偏差值，从而得到中性点偏移电压控制信号；
步骤3、根据第一、第二、第三端口的相电压控制信号及中性点偏移电压控制信号计算出各组桥臂电压控制信号，将上述H桥模块调制信号的偏差值与各组桥臂电压控制信号相加，通过移相PWM调制生成各H桥模块开关信号。
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