CN111934571A - 一种模块化多电平变换器及其控制方法 - Google Patents

一种模块化多电平变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种模块化多电平变换器及其控制方法，由三个支路并联组成，每个支路由上桥臂和下桥臂串联组成；所述三个支路间的并联连接点用于接入直流母线；每个支路中上桥臂和下桥臂的连接点通过隔离变压器接入交流母线；所述上桥臂或下桥臂均由子模块阀组和电抗器串联组成，所述子模块阀组由多个具有机械开关的子模块级联组成；本发明的方案降低了变换器在非故障状态下的导通损耗，提高了变换器的转换效率。

Description

一种模块化多电平变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及直流输配电技术领域，具体涉及一种模块化多电平变换器及其控制方法。
背景技术
直流电网拓扑结构复杂，运行模式多样，新能源接入点不确定以及接入功率波动性较大，控制保护配置原则的确定需要考虑多重约束条件；且直流电网系统本身运行惯量低，故障发生后故障传播速度快，对故障控制保护策略提出了快速性要求，对直流电网故障保护的选择性提出。针对直流电网中故障保护方式，目前主要有以下两种解决方案：电力电子变换器阻断和直流断路器开断。
基于链式模块串的模块化多电平变换器具有冗余性高、开关电压数量多和易于串联应用于高压大容量场合的优点，成为直流变换器中输电设备的主流拓扑结构。不同类型的AC/DC变换器均是通过内部的全桥型子模块或其衍生拓扑实现阻断直流侧故障电流的功能。但是全桥子模块对比于半桥子模块，提高了变换器的导通损耗，降低了变换器的转换效率，提高了系统的输电成本。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种含有机械开关的变换器，降低故障状态下变换器的导通损耗，提高变换器的转换效率。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种模块化多电平变换器，其改进之处在于，所述模块化多电平变换器由三个支路并联组成，每个支路由上桥臂和下桥臂串联组成；
所述三个支路间的并联连接点用于接入直流母线；
每个支路中上桥臂和下桥臂的连接点通过隔离变压器接入交流母线；
所述上桥臂或下桥臂均由子模块阀组和电抗器串联组成，所述子模块阀组由多个具有机械开关的子模块级联组成。
优选的，所述子模块包括：第一全控型功率器件、第二全控型功率器件、第一二极管、第二二极管、电容、第三二极管和机械开关；
所述第一全控型功率器件的发射极与所述第二全控型功率器件的集电极连接；
所述第一二极管的阳极与所述第一全控型功率器件的发射极连接，所述第一二极管的阴极与所述第一全控型功率器件的集电极连接；
所述第二二极管的阳极与所述第二全控型功率器件的发射极连接，所述第二二极管的阴极与所述第二全控型功率器件的集电极连接；
所述电容的一端与所述第一全控型功率器件的集电极连接，所述电容的另一端与所述第二全控型功率器件的发射极连接；
所述第三二极管的阴极与所述第一全控型功率器件的集电极连接，所述第三二极管的阳极与所述机械开关的一端连接，所述机械开关的另一端与所述第二全控型功率器件的发射极连接；
其中，所述第一全控型功率器件的发射极与所述第二全控型功率器件的集电极的连接点为所述子模块的正极级联端口，所述第三二极管的阳极与所述机械开关的一端的连接点为所述子模块的负极级联端口。
优选的，所述电抗器由电感和电阻串联组成。
基于同一发明构思，本发明还提供一种模块化多电平变换器的控制方法，其改进之处在于，包括：
采集模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流、三相电压和直流母线侧的电压；
根据所述模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流、三相电压和直流母线侧的电压控制所述模块化多电平变换器中各子模块。
进一步的，所述根据所述模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流、三相电压和直流母线侧的电压控制所述模块化多电平变换器中各子模块，包括：
当模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流不大于故障电流保护限定值时，闭合模块化多电平变换器中各子模块的机械开关，并基于模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流、三相电压和直流母线侧的电压控制模块化多电平变换器中各子模块的第一全控型功率器件和第二全控型功率器件互补导通；
当模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流大于故障电流保护限定值时，断开模块化多电平变换器中各子模块的机械开关以及第一全控型功率器件和第二全控型功率器件。
进一步的，所述基于模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流、三相电压和直流母线侧的电压控制模块化多电平变换器中各子模块的第一全控型功率器件和第二全控型功率器件互补导通，包括：
利用锁相环算法获得模块化多电平变换器交流母线侧的三相电压的旋转角度；
基于所述旋转角度对模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流做Park变换，获得模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流对应的d轴电流和q轴电流；
基于模块化多电平变换器直流母线侧的电压获得模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流对应的d轴电流的参考值；
基于所述d轴电流、d轴电流的参考值、q轴电流和q轴电流的参考值获得控制模块化多电平变换器中子模块的第一全控型功率器件和第二全控型功率器件的驱动信号；
利用所述驱动信号控制模块化多电平变换器中子模块的第一全控型功率器件和第二全控型功率器件互补导通。
进一步的，所述基于模块化多电平变换器直流母线侧的电压获得模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流对应的d轴电流的参考值，包括：
将模块化多电平变换器直流侧的电压和电压参考值输入第三加法器；
将第三加法器的输出量输入第三PI控制器，获得所述d轴电流的参考值。
进一步的，所述q轴电流的参考值为0。
进一步的，所述基于所述d轴电流、d轴电流的参考值、q轴电流和q轴电流的参考值获得控制模块化多电平变换器中子模块的第一全控型功率器件和第二全控型功率器件的驱动信号，包括：
将d轴电流和d轴电流的参考值输入第一加法器，以及将q轴电流和q轴电流的参考值输入第二加法器；
将第一加法器的输出量输入第一PI控制器，以及将第二加法器的输出量输入第二PI控制器；
将第一PI控制器和第二PI控制器的输出量输入脉冲宽度调制器，获得所述脉冲宽度调制器输出的驱动信号。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明涉及一种模块化多电平变换器及其控制方法，由三个支路并联组成，每个支路由上桥臂和下桥臂串联组成；所述三个支路间的并联连接点用于接入直流母线；每个支路中上桥臂和下桥臂的连接点通过隔离变压器接入交流母线；所述上桥臂或下桥臂均由子模块阀组和电抗器串联组成，所述子模块阀组由多个具有机械开关的子模块级联组成；本发明的方案降低了变换器在非故障状态下的导通损耗，提高了变换器的转换效率；
其中，在获取子模块的控制信号时，考虑了变换器直流侧的电流，使变换器具备了直流侧故障阻断的功能。
附图说明
图1是本发明模块化多电平变换器的拓扑结构图；
图2是本发明实施例中模块化多电平变换器的子模块拓扑结构图；
图3是本发明模块化多电平变换器的控制方法流程图；
图4是本发明实施例中获取模块化多电平变换器子模块控制信号的控制器结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种模块化多电平变换器，如图1所示，所述模块化多电平变换器由三个支路并联组成，每个支路由上桥臂和下桥臂串联组成；
所述三个支路间的并联连接点用于接入直流母线；
每个支路中上桥臂和下桥臂的连接点通过隔离变压器接入交流母线；
所述上桥臂或下桥臂均由子模块阀组和电抗器串联组成，所述子模块阀组由多个具有机械开关的子模块级联组成。
图1中，SM1～SMn表示子模块阀组中的各子模块，R表示与子模块阀组连接的电抗器，A\B\C表示电网的三相线路端口，T1表示隔离变压器。
为了更加清楚地表明本发明的目的，下面结合具体实施例对本发明的方案做进一步说明。
在本发明的实施例中，如图2所示，上述子模块包括：第一全控型功率器件Q1、第二全控型功率器件Q2、第一二极管e1、第二二极管e2、电容C1、第三二极管D1和机械开关S1；
所述第一全控型功率器件的发射极与所述第二全控型功率器件的集电极连接；
所述第一二极管的阳极与所述第一全控型功率器件的发射极连接，所述第一二极管的阴极与所述第一全控型功率器件的集电极连接；
所述第二二极管的阳极与所述第二全控型功率器件的发射极连接，所述第二二极管的阴极与所述第二全控型功率器件的集电极连接；
所述电容的一端与所述第一全控型功率器件的集电极连接，所述电容的另一端与所述第二全控型功率器件的发射极连接；
所述第三二极管的阴极与所述第一全控型功率器件的集电极连接，所述第三二极管的阳极与所述机械开关的一端连接，所述机械开关的另一端与所述第二全控型功率器件的发射极连接；
其中，所述第一全控型功率器件的发射极与所述第二全控型功率器件的集电极的连接点为所述子模块的正极级联端口，所述第三二极管的阳极与所述机械开关的一端的连接点为所述子模块的负极级联端口。
在本发明的实施例中，电抗器由串联的电感和电阻组成。
基于同一发明构思，本发明还提供一种模块化多电平变换器的控制方法，如图3所示，包括：
采集模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流、三相电压和直流母线侧的电压；
根据所述模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流、三相电压和直流母线侧的电压控制所述模块化多电平变换器中各子模块。
在本发明的实施例中，上述根据所述模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流、三相电压和直流母线侧的电压控制所述模块化多电平变换器中各子模块，包括：
当模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流不大于故障电流保护限定值时，闭合模块化多电平变换器中各子模块的机械开关，并基于模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流、三相电压和直流母线侧的电压控制模块化多电平变换器中各子模块的第一全控型功率器件和第二全控型功率器件互补导通；
当模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流大于故障电流保护限定值时，断开模块化多电平变换器中各子模块的机械开关以及第一全控型功率器件和第二全控型功率器件。
具体的，基于模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流、三相电压和直流母线侧的电压控制模块化多电平变换器中各子模块的第一全控型功率器件和第二全控型功率器件互补导通，包括：
利用锁相环算法获得模块化多电平变换器交流母线侧的三相电压的旋转角度；
基于所述旋转角度对模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流做Park变换，获得模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流对应的d轴电流和q轴电流；
基于模块化多电平变换器直流母线侧的电压获得模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流对应的d轴电流的参考值；
基于所述d轴电流、d轴电流的参考值、q轴电流和q轴电流的参考值获得控制模块化多电平变换器中子模块的第一全控型功率器件和第二全控型功率器件的驱动信号；
利用所述驱动信号控制模块化多电平变换器中子模块的第一全控型功率器件和第二全控型功率器件互补导通。
其中，基于模块化多电平变换器直流母线侧的电压获得模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流对应的d轴电流的参考值，包括：
将模块化多电平变换器直流侧的电压和电压参考值输入第三加法器；
将第三加法器的输出量输入第三PI控制器，获得所述d轴电流的参考值。
进一步的，所述q轴电流的参考值为0。
如图4所示，基于所述d轴电流、d轴电流的参考值、q轴电流和q轴电流的参考值获得控制模块化多电平变换器中子模块的第一全控型功率器件和第二全控型功率器件的驱动信号，包括：
将d轴电流和d轴电流的参考值输入第一加法器，以及将q轴电流和q轴电流的参考值输入第二加法器；
将第一加法器的输出量输入第一PI控制器，以及将第二加法器的输出量输入第二PI控制器；
将第一PI控制器和第二PI控制器的输出量输入脉冲宽度调制器，获得所述脉冲宽度调制器输出的驱动信号。
综上所述，本发明提供的一种模块化多电平变换器及其控制方法，由三个支路并联组成，每个支路由上桥臂和下桥臂串联组成；所述三个支路间的并联连接点用于接入直流母线；每个支路中上桥臂和下桥臂的连接点通过隔离变压器接入交流母线；所述上桥臂或下桥臂均由子模块阀组和电抗器串联组成，所述子模块阀组由多个具有机械开关的子模块级联组成；本发明的方案降低了变换器在非故障状态下的导通损耗，提高了变换器的转换效率；
其中，在获取子模块的控制信号时，考虑了变换器直流侧的电流，使变换器具备了直流侧故障阻断的功能。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模块化多电平变换器，其特征在于，所述模块化多电平变换器由三个支路并联组成，每个支路由上桥臂和下桥臂串联组成；
所述三个支路间的并联连接点用于接入直流母线；
每个支路中上桥臂和下桥臂的连接点通过隔离变压器接入交流母线；
所述上桥臂或下桥臂均由子模块阀组和电抗器串联组成，所述子模块阀组由多个具有机械开关的子模块级联组成。
2.如权利要求1所述的模块化多电平变换器，其特征在于，所述子模块包括：第一全控型功率器件、第二全控型功率器件、第一二极管、第二二极管、电容、第三二极管和机械开关；
所述第一全控型功率器件的发射极与所述第二全控型功率器件的集电极连接；
所述第一二极管的阳极与所述第一全控型功率器件的发射极连接，所述第一二极管的阴极与所述第一全控型功率器件的集电极连接；
所述第二二极管的阳极与所述第二全控型功率器件的发射极连接，所述第二二极管的阴极与所述第二全控型功率器件的集电极连接；
所述电容的一端与所述第一全控型功率器件的集电极连接，所述电容的另一端与所述第二全控型功率器件的发射极连接；
所述第三二极管的阴极与所述第一全控型功率器件的集电极连接，所述第三二极管的阳极与所述机械开关的一端连接，所述机械开关的另一端与所述第二全控型功率器件的发射极连接；
其中，所述第一全控型功率器件的发射极与所述第二全控型功率器件的集电极的连接点为所述子模块的正极级联端口，所述第三二极管的阳极与所述机械开关的一端的连接点为所述子模块的负极级联端口。
3.如权利要求1所述的模块化多电平变换器，其特征在于，所述电抗器由电感和电阻串联组成。
4.一种如权利要求1～3任一所述模块化多电平变换器的控制方法，其特征在于，包括：
采集模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流、三相电压和直流母线侧的电压；
根据所述模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流、三相电压和直流母线侧的电压控制所述模块化多电平变换器中各子模块。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流、三相电压和直流母线侧的电压控制所述模块化多电平变换器中各子模块，包括：
当模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流不大于故障电流保护限定值时，闭合模块化多电平变换器中各子模块的机械开关，并基于模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流、三相电压和直流母线侧的电压控制模块化多电平变换器中各子模块的第一全控型功率器件和第二全控型功率器件互补导通；
当模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流大于故障电流保护限定值时，断开模块化多电平变换器中各子模块的机械开关以及第一全控型功率器件和第二全控型功率器件。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流、三相电压和直流母线侧的电压控制模块化多电平变换器中各子模块的第一全控型功率器件和第二全控型功率器件互补导通，包括：
利用锁相环算法获得模块化多电平变换器交流母线侧的三相电压的旋转角度；
基于所述旋转角度对模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流做Park变换，获得模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流对应的d轴电流和q轴电流；
基于模块化多电平变换器直流母线侧的电压获得模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流对应的d轴电流的参考值；
基于所述d轴电流、d轴电流的参考值、q轴电流和q轴电流的参考值获得控制模块化多电平变换器中子模块的第一全控型功率器件和第二全控型功率器件的驱动信号；
利用所述驱动信号控制模块化多电平变换器中子模块的第一全控型功率器件和第二全控型功率器件互补导通。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于模块化多电平变换器直流母线侧的电压获得模块化多电平变换器交流母线侧的三相电流对应的d轴电流的参考值，包括：
将模块化多电平变换器直流侧的电压和电压参考值输入第三加法器；
将第三加法器的输出量输入第三PI控制器，获得所述d轴电流的参考值。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述q轴电流的参考值为0。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于所述d轴电流、d轴电流的参考值、q轴电流和q轴电流的参考值获得控制模块化多电平变换器中子模块的第一全控型功率器件和第二全控型功率器件的驱动信号，包括：
将d轴电流和d轴电流的参考值输入第一加法器，以及将q轴电流和q轴电流的参考值输入第二加法器；
将第一加法器的输出量输入第一PI控制器，以及将第二加法器的输出量输入第二PI控制器；
将第一PI控制器和第二PI控制器的输出量输入脉冲宽度调制器，获得所述脉冲宽度调制器输出的驱动信号。
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