CN113422518B - 一种基于mmc的三相直接交交变换器拓扑及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于MMC的三相直接交交变换器拓扑及其控制方法；所述拓扑包括三相串联的输出桥臂、中间桥臂、输入桥臂和一个辅助桥臂；其中，输入桥臂与输出桥臂各由N个半桥子模块和一个桥臂电感级联，中间桥臂由N个全桥子模块和一个桥臂电感级联，辅助桥臂由N/2个半桥子模块级联，其两端分别与三相输入桥臂以及三相输出桥臂的公共点相连；本发明继承MMC优点，且所需开关器件、无源器件数量少，当电机转速变化时，模块电容电压波动能够限制在允许的范围内，既不增加开关器件的电流应力，也不会影响输入电网的电能质量，而且也不会在电机侧引起高幅值的共模电压，因此本文所提拓扑尤其适用于中/高压变频调速领域。

Description

一种基于MMC的三相直接交交变换器拓扑及其控制方法
技术领域
本发明涉及模块化多电平变换器和直接交交变换器领域，具体涉及一种基于MMC的三相直接交交变换器的新拓扑及其控制方法。
背景技术
近年来，模块化多电平变换器因其具有高度模块化的结构，可扩展性强，易于冗余控制以及输出电压谐波含量低等优势，得到了广泛的应用。在中/高压变频调速领域，目前主要有模块化交直交变换器和模块化交交变换器两种拓扑方案。当电机低速重载运行时，传统MMC逆变器存在模块电容电压波动大的问题，且随着输出频率的降低，模块电容电压波动越大，严重时会影响系统的稳定运行。
为了解决MMC低速重载时电容电压波动的问题，一种有效的解决方案是高频注入，即在MMC三相交流输出相对于直流电源中点之间注入相同的高频电压分量，同时在各相单元环流中注入与之相配合的同频率的高频电流分量，加快上下桥臂功率交换，进而抑制各桥臂电容电压的波动。但高频电压的注入会在电机侧产生共模电压，由此而产生的轴电流和电磁干扰等问题将对电机产生不利影响。为了同时解决电容电压波动和共模电压问题，本领域技术人员提出了多种改进的MMC拓扑，但现有的改进拓扑或者需要的开关器件和无源元件多，或者存在拓扑结构复杂的问题。所以，降低系统成本，减少变换器的模块数和控制的复杂性也是人们努力的目标。为此，研究适用于中/高压变频调速领域应用的拓扑是急需解决的事情。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于MMC的三相直接交交变换器拓扑及其控制方法。本发明的变换器具有所需开关器件和无源元件少，以及在抑制模块电容电压波动时不会在电机侧引入额外的共模电压的优点。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于MMC的直接交交变换器拓扑包括3个相单元和1个辅助单元，每个相单元包括输出桥臂，中间桥臂和输入桥臂共3个桥臂，其中，输出桥臂由N个正向接入的半桥子模块和一个桥臂电感级联(N>＝2)，中间桥臂由N个全桥子模块和一个桥臂电感级联，输入桥臂由N个反向接入的半桥子模块和一个桥臂电感级联。输入三相交流电源分别与三相的输入桥臂和中间桥臂连接点相连，输出三相负载分别与三相的输出桥臂和中间桥臂连接点相连。辅助单元包括一个辅助桥臂，由N/2个半桥子模块级联，辅助单元的两端分别与三相输入桥臂公共点以及三相输出桥臂公共点相连。
所述输入桥臂与输出桥臂均采用半桥子模块，其中输出桥臂为正向接入半桥子模块，输入桥臂为反向接入半桥子模块，即输出桥臂电压大于等于零，输入桥臂电压小于等于零；输入功率经过输入桥臂，辅助桥臂，输出桥臂传递给输出负载，中间桥臂用来承受输出相电压和输入相电压的差，平衡输入输出电压，不进行有功功率交换。
所述辅助桥臂包括以下工作模式：
1)电机运行在高速工况时，辅助桥臂旁路，辅助桥臂只为输入输出功率交换所需的零序环流提供通道，通过环流控制和电容值设计将各桥臂电容电压波动限制在合理范围内；
2)电机运行在低频大转矩工况时，辅助桥臂在反向接入和旁路两种状态间切换，同时配合控制环流在0和某一常值切换，将各桥臂电容电压波动限制在合理范围内，同时不会在负载侧引入额外的共模电压。
本发明相应提出了上述基于MMC的直接交交变换器拓扑的控制方法，当输出侧接电机负载时，所述基于MMC的直接交交变换器的控制，包括以下步骤：
1)为了保证系统的稳定运行，采用整体电容电压均衡控制外环对输入有功功率进行微调，以保持电容总能量恒定；电容电压参考值与各相单元输出桥臂电容电压实际值做差，经比例积分PI控制器输出，得到用于保持电容总能量恒定的输入功率调节量；
2)采用相单元平均电容电压平衡控制外环，使各臂平均电容电压在参考值附近波动。当输出频率低于30Hz时，应控制辅助桥臂在反向接入和旁路两种状态间切换，输出桥臂平均电压随输出频率降低而减小，电机低速时输出桥臂平均接入模块少，对于一定的输出电流，模块电容电压波动小，同时为了保证功率均衡，配合辅助桥臂不同工作状态，合理控制环流，在辅助桥臂反向接入时，控制环流为0；在辅助桥臂旁路时，控制环流为某一常值；通过控制直流环流与辅助桥臂两种工作状态的占空比来维持系统功率平衡；
当电机运行于高速区，即频率高于30Hz时，因输出电压频率升高，输出桥臂电容电压波动随之减小，则控制辅助桥臂旁路，使得输出桥臂直流电压分量等于输入桥臂直流电压分量，辅助桥臂电压为0。此时通过控制各相单元的环流来抵消各桥臂瞬时功率的直流分量，抑制其低频分量，从而调节电容电压，维持系统平衡。
为了实现电容电压的有效调节，应将各桥臂的电容电压误差乘以相应桥臂插入子模块的极性后相加，再加上环流前馈分量后得到环流参考值。
3)环流参考值与检测的环流实际值做差，经比例积分PI控制器输出，得到环流控制所需的电压分量，同时输入侧采用功率控制外环和电网电压定向坐标系下的输入电流控制内环，经PI控制器输出，得到输入电流控制所需的电压分量，电机侧采用转速外环，电流内环的矢量控制，得到输出电流控制所需的电压分量，电流环得到的电压分量计算得到各桥臂电压分量，结合各桥臂电容电压均值，计算出各桥臂导通模块数。
4)根据各桥臂的导通模块数，结合子模块电容电压均衡控制算法得到各子模块的开关信号。其中，各子模块的均衡算法与现有MMC家族变换器相同。
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
本发明基于MMC的三相直接交交变换器拓扑，能够直接实现交流到交流的变换，没有中间直流环节，转换效率高，与传统背靠背MMC相比，被控量少，控制复杂性降低，且所需开关器件和无源元件少，能够降低变换器体积和成本。当电机转速变化时，模块电容电压波动能够限制在允许的范围内，既不增加开关器件的电流应力，也不会影响输入电网的电能质量，而且也不会在电机侧引起高幅值的共模电压，因此相较于目前已有拓扑而言，本文所提拓扑尤其适用于中/高压变频调速领域。
附图说明
图1是本发明提出的基于MMC的三相直接交交变换器的电路拓扑图；
图2是本发明提出的基于MMC的三相直接交交变换器的的系统控制框图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
如图1所示，基于MMC的直接交交变换器拓扑包括3个相单元和1个辅助单元，其中：每个相单元包括输出桥臂，中间桥臂和输入桥臂共3个桥臂。输出桥臂由N个正向接入的半桥子模块和一个桥臂电感级联(N>＝2)，中间桥臂由N个全桥子模块和一个桥臂电感级联，输入桥臂由N个反向接入的半桥子模块和一个桥臂电感级联。输入三相交流电源分别与三相的输入桥臂和中间桥臂连接点相连，输出三相负载分别与三相的输出桥臂和中间桥臂连接点相连。辅助单元包括一个辅助桥臂，由N/2个半桥子模块级联，辅助单元的两端分别与三相输入桥臂公共点以及三相输出桥臂公共点相连。
其中，输入桥臂与输出桥臂均采用半桥子模块，其中输出桥臂为正向接入半桥子模块，输入桥臂为反向接入半桥子模块，即输出桥臂电压大于等于零，输入桥臂电压小于等于零；输入功率经过输入桥臂，辅助桥臂，输出桥臂传递给输出负载，中间桥臂用来承受输出相电压和输入相电压的差，平衡输入输出电压，不进行有功功率交换。
其中，辅助桥臂包括以下工作模式：
1)电机运行在高速工况时，辅助桥臂旁路，辅助桥臂只为输入输出功率交换所需的零序环流提供通道，通过环流控制和电容值设计将各桥臂电容电压波动限制在合理范围内；
2)电机运行在低频大转矩工况时，辅助桥臂在反向接入和旁路两种状态间切换，同时配合控制环流在0和某一常值切换，将各桥臂电容电压波动限制在合理范围内，同时不会在负载侧引入额外的共模电压。
如图2所示，上述实施例中的基于MMC的直接交交变换器拓扑的控制方法为，当输出侧接电机负载时，所述基于MMC的直接交交变换器的控制系统包括整体电容电压均衡控制反馈外环，和相单元平均电容电压平衡控制外环，同时还包括三相输入电流和三相环流内环，电机负载采用转速外环电流内环的矢量控制算法。
1)所述整体电容电压均衡控制反馈外环对输入有功功率进行微调，以保持电容总能量恒定，电容电压参考值与各相单元输出桥臂电容电压实际值做差，经比例积分PI控制器输出，得到用于保持电容总能量恒定的输入功率调节量。
2)所述相单元平均电容电压平衡控制外环使各臂平均电容电压在参考值附近波动。当输出频率低于30Hz时，应控制辅助桥臂在反向接入和旁路两种状态间切换，输出桥臂平均电压uPo′随输出频率降低而减小，则电机低速时输出桥臂平均接入模块少，对于一定的输出电流，模块电容电压波动小。同时为了保证功率均衡，配合辅助桥臂不同工作状态，合理控制环流icirx，在辅助桥臂反向接入时，控制环流为0；在辅助桥臂旁路时，控制环流为某一常值。通过控制直流环流与辅助桥臂两种工作状态的占空比D来维持系统平衡。
当电机运行于高速区，即频率高于30Hz时，因输出电压频率升高，输出桥臂电容电压波动随之减小，则控制辅助桥臂旁路，使得输出桥臂直流电压分量等于输入桥臂直流电压分量，辅助桥臂电压为0。此时通过控制各相单元的环流来抵消各桥臂瞬时功率的直流分量，抑制其低频分量，从而调节电容电压，维持系统平衡
在上述过程中，输出桥臂的直流电压分量uPo′表达式具体为：
uPo′＝uNo+uh
辅助桥臂电压uh表达式具体为：
Figure BDA0003140298680000041
环流icirx表达式具体为：
Figure BDA0003140298680000042
占空比D表达式具体为：
Figure BDA0003140298680000043
其中，uNo为输入桥臂公共点与电源中性点之间电压，P1为系统输入功率，I2为输出相电流有效值，V2为输出相电压效值，imx为中间桥臂电流，f2为输出频率，辅助桥臂反向接入时scom＝0，辅助桥臂旁路时scom＝1。
3)所述环流内环，输入电流内环，以及电机矢量控制环，如图2所示。环流参考值与检测的环流实际值做差，经比例积分PI控制器输出，得到环流控制所需的电压分量
Figure BDA0003140298680000044
同时输入侧采用电网电压定向坐标系下的输入电流控制内环，经PI控制器输出，得到输入电流控制所需的电压分量
Figure BDA0003140298680000045
电机侧采用转速外环，电流内环的矢量控制，得到输出电流控制所需的电压分量
Figure BDA0003140298680000046
根据系统电压平衡方程，利用电流环得到的电压分量计算得到各桥臂电压分量，结合各桥臂电容电压均值
Figure BDA0003140298680000047
计算出各桥臂导通模块数。
在上述过程中，系统电压平衡方程表达式具体为：
Figure BDA0003140298680000048
各桥臂导通模块数表达式具体为：
Figure BDA0003140298680000049
其中，
Figure BDA00031402986800000410
为输出桥臂电压参考值，
Figure BDA00031402986800000411
为中间桥臂电压参考值，
Figure BDA00031402986800000412
为输入桥臂电压参考值，
Figure BDA00031402986800000413
为输出、中间、输入桥臂导通模块数，
Figure BDA00031402986800000414
为辅助桥臂导通模块数。
4)根据各桥臂的导通模块数，结合子模块电容电压均衡控制算法得到各子模块的开关信号；其中，各子模块的均衡算法与现有MMC家族变换器相同。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于MMC的三相直接交交变换器拓扑，其特征在于：所述拓扑包括3个相单元和1个辅助单元，其中：
每个相单元包括输出桥臂，中间桥臂和输入桥臂共3个桥臂，输入三相交流电源分别与三相输入桥臂和中间桥臂连接点相连，输出三相负载分别与三相输出桥臂和中间桥臂连接点相连，输出桥臂由N个正向接入的半桥子模块和一个桥臂电感级联，中间桥臂由N个全桥子模块和一个桥臂电感级联，输入桥臂由N个反向接入的半桥子模块和一个桥臂电感级联；辅助单元包括一个辅助桥臂，由N/2个半桥子模块级联构成，辅助单元的两端分别与三相输入桥臂公共点以及三相输出桥臂公共点相连；其中：所述辅助桥臂包括以下两种工作模式：
1）电机运行在高速工况时，所述辅助桥臂被旁路，为输入输出功率交换所需的零序环流提供通道，通过环流控制和电容值设计将各桥臂电容电压波动限制在合理范围内；
2）电机运行在低频大转矩工况时，所述辅助桥臂在反向接入和旁路两种状态间切换，同时配合控制环流在0和某一常值切换，将各桥臂电容电压波动限制在合理范围内，同时不会在负载侧引入额外的共模电压。
2.如权利要求1所述的一种基于MMC的三相 直接交交变换器拓扑，其特征在于：
所述输入桥臂与输出桥臂均采用半桥子模块，其中输出桥臂为正向接入半桥子模块，输入桥臂为反向接入半桥子模块，即输出桥臂电压大于等于零，输入桥臂电压小于等于零；输入功率经过输入桥臂，辅助桥臂，输出桥臂传递给输出负载，中间桥臂用来承受输出相电压和输入相电压的差，平衡输入输出电压，不进行有功功率交换。
3.一种针对如权利要求1所述的基于MMC的三相 直接交交变换器拓扑进行控制方法，其特征在于，所述拓扑控制方法为多环反馈的闭环控制，包括整体电容电压均衡控制反馈外环，和相单元平均电容电压平衡控制外环，同时还包括三相输入电流和三相环流内环，电机负载采用转速外环电流内环的矢量控制算法；具体包括以下步骤：
1）所述整体电容电压均衡控制反馈外环对输入有功功率进行微调，以保持电容总能量恒定，电容电压参考值与各相单元输出桥臂电容电压实际值做差，经比例积分PI控制器输出，得到用于保持电容总能量恒定的输入功率调节量；
2）所述相单元平均电容电压平衡控制外环，使各桥臂平均电容电压在参考值附近波动，当输出频率高于30Hz时，辅助桥臂旁路，通过控制各相单元的环流来抵消各桥臂瞬时功率的直流分量，抑制其低频分量，从而平衡电容电压；当输出频率低于30Hz时，应控制辅助桥臂在反向接入和旁路两种状态间切换，输出桥臂平均电压随输出频率降低而减小，电机低速时输出桥臂平均接入模块少，对于一定的输出电流，模块电容电压波动小，同时为了保证功率均衡，配合辅助桥臂不同工作状态，合理控制环流，在辅助桥臂反向接入时，控制环流为0；在辅助桥臂旁路时，控制环流为某一常值；
3）所述环流内环的环流参考值与检测的环流实际值做差，经比例积分PI控制器输出，得到环流控制所需的电压分量；同时输入侧采用电网电压定向坐标系下的输入电流闭环控制，经PI控制器输出，得到输入电流控制所需的电压分量；电机侧采用转速外环，电流内环的矢量控制，得到输出电流控制所需的电压分量，根据各电流环得到的电压分量计算得到各桥臂电压分量，结合各桥臂电容电压均值，计算出各桥臂导通模块数；
4）根据各桥臂的导通模块数，结合子模块电容电压均衡控制算法得到各子模块的开关信号；其中，各子模块的均衡算法与现有MMC家族变换器相同。
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