可驱动双电机异步运行的级联多电平变换器及控制方法与流程

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种可驱动双电机异步运行的级联多电平变换器及控制方法。

背景技术：

随着能源危机的日益严峻，中高压大容量电机群负载的节能需求逐渐提高。目前通用的级联H桥变频器，虽可有效实现电机节能，但电机制动过程中产生的电能仍有待开发。针对再生能量的回收，通常主要有两种方式：将能量回馈电网或采用储能设备回收再利用。前者必须采用全控器件构建回馈单元，控制复杂度显著增加，成本也相应提高，同时对电网电能质量也会造成一定干扰。后者必须大量采用储能设备，因工业现场，电机功率巨大，储能容量需求较高，故设备成本及体积大幅增加。

鉴于工业应用中，往往需要多台电机配合工作，电机运行状态时有变化，若能将制动电机再生的电能直接提供至电动运行电机，即可有效利用回馈能量且避免对电网造成不良影响。目前，中高压大功率电机的驱动应用通常由一台变换器驱动一台电机，或者一台变换器拖动多台电机同步运行。前者，多电机间，能量独立，无法实现能量互动。后者则必须同步运行，多电机只能工作于相同运行状态。为此，设计一套可同时驱动多电机不同步运行，且可将电机间制动能量直接吸收利用的变换器具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可驱动双电机异步运行的级联多电平变换器及控制方法，该变换器既可同时驱动两台电机不同步运行，又能高效地回收利用电机制动过程中的再生能量。

为达到上述目的，本发明提供的一种可驱动双电机异步运行的级联多电平变换器，包括由6个电路结构相同的桥臂和6个滤波电感间隔着串联构成的拓扑电路，各桥臂均由若干不控整流功率单元级联构成；拓扑电路中桥臂顺次记为A桥臂、B桥臂、C桥臂、D桥臂、E桥臂和F桥臂，拓扑电路中桥臂和滤波电感的连接点顺次记为R、W、S、U、T、V，R、S、T构成第一三相输出端口，U、V、W构成第二三相输出端口；第一三相输出端口和第二三相输出端口作为两负载端口分别连接不同电机；桥臂中各不控整流功率单元的前端输入通过移相变压器与本地电网相连，移相变压器的一次侧绕组共用，其二次侧绕组依次相错60°/m的角度，m为桥臂中不控整流功率单元的数量。

本发明级联多电平变换器可驱动两台电机异步运行，依据恒压频比控制，分别对两负载端口给定不同指令，从而同时驱动双电机异步运行，且可实现两电机间的能量交互。

本发明还提供了一种上述级联多电平变换器的控制方法，包括：

(1)根据电机转速要求，分别设定两负载端口的频率指令；

(2)根据能量传递需求，分别设定两负载端口的初始相位指令，并令两负载端口的初始相位相错180°；

(3)综合两负载端口的频率指令和初始相位指令，基于恒压频比控制生成两负载端口的三相电压参考指令；

(4)根据两负载端口的三相电压参考指令，采用KVL方程得出各桥臂的电压参考指令；

(5)根据各桥臂的电压参考指令，结合直压平衡控制生成桥臂中各不控整流功率单元的电压参考指令；

(6)各不控整流功率单元的电压参考指令经载波移相调制送入各不控整流功率单元的功率开关，即可驱动双电机异步运行。

步骤(5)具体为：

A桥臂、C桥臂和E桥臂等效为第一组三相对称桥臂电源，B桥臂、D桥臂和F桥臂等效为第二组三相对称桥臂电源，两组三相对称桥臂电源中各桥臂的电压相位依次相错120°；

对两组三相对称桥臂电源分别进行各桥臂内的直压平衡控制和桥臂间的平衡控制，以确保每个桥臂内各不控整流功率单元间的直压平衡和每组三相对称桥臂电源三桥臂间的三相对称；

检测各不控整流功率单元直压，分别与各桥臂直压平均值和各组三相对称桥臂电源直压平均值比较后生成误差，经比例积分正弦化形成直压平衡调节量，对应加入桥臂的电压参考指令，即生成各不控整流功率单元的电压参考指令。

与现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：

(1)可同时驱动两台电机异步运行，相对于工业现场多电机运行多变换器驱动系统，减小了设备体积，降低了造价成本。

(2)本发明可实现两输出端口间的能量交互，即当一台电机制动时，其再生能量可直接供给另一台电动运行电机使用，从而可高效利用电机回馈能量，降低直压泵升，对于需频繁启制动的多电机驱动系统具有节能意义。

附图说明

图1为级联多电平变换器的具体拓扑结构图；

图2为实施例给出的A桥臂及不控整流功率单元的拓扑结构图；

图3为本发明级联多电平变换器的三种典型工作模式；

图4为本发明总控制框图。

具体实施方式

为使本发明目的、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。

参照图1，6个桥臂和6个滤波电感间隔着串联构成六边形拓扑结构，六边依次记为A、B、C、D、E、F桥臂，其中，各桥臂均由m个不控整流功率单元级联构成，滤波电感用于六边形拓扑结构的环流抑制。六边形相隔顶点依次构成R、S、T三相输出和U、V、W三相输出，作为两负载端口，分别连接电机1与电机2。m值根据电机及桥臂的功率开关、中间直压电路等参数综合设定。桥臂各不控整流功率单元的前端输入通过移相变压器与本地电网相连，移相变压器的一次侧绕组共用，其二次侧绕组依次相错60°/m的角度，以此降低输入侧电流谐波含量。

参照图2，本实施例中，A桥臂由2个不控整流功率单元A1和A2级联构成，此时移相变压器二次侧绕组依次相错30°。右图为不控整流功率单元的拓扑结构图，其包括三相二极管不控整流电路、中间直压电路和H桥逆变电路，其结构简单，易更换维护。

参照图3，图(a)为本发明级联多电平变换器典型工作模式一，该工作模式下，两电机同时电动运行，本地电网为两电机供能。此时本地电网输出的有功功率p_in＞0，两电机有功功率p_m1＞0，p_m2＞0，且p_in＝p_m1+p_m2，各桥臂直压保持稳定。其中，p_m1和p_m2分别表示电极1和电机2的有功功率。

图(b)所示为工作模式二，该工作模式下，电机1电动运行，电机2制动，p_m2＜0，p_m1＞0。此时，再生能量通过桥臂直接流入电机1。当|p_m2|＞|p_m1|时，富余能量将会累积在不控整流功率单元的中间直压电路，直压略有上升，本地电网停止供能，即p_in＝0。随着电机1的能量消耗，直压逐渐恢复，其后本地电网重新恢复供能。

图(c)所示为工作模式三，该工作模式下，两电机同时制动，p_m1＜0，p_m2＜0。此时两电机再生能量全部回馈至桥臂各不控整流功率单元的中间直压电路，造成直压严重泵升。故应避免此种情况出现，可通过控制程序设计，禁止两电机的同时制动。

参照图4，为实现两电机的独立运行，基于恒V/F控制(恒压频比控制)设计控制策略，具体为：

(1)根据电机转速要求，设定两负载端口的频率指令。

(2)根据能量传递需求，设定两负载端口的初始相位指令，并令两负载端口的初始相位相错180°。

(3)综合两负载端口的频率指令和初始相位指令，基于恒压频比控制生成两负载端口的三相电压参考指令。

(4)根据两负载端口的三相电压参考指令，采用KVL方程得出各桥臂的电压参考指令。

(5)根据各桥臂的电压参考指令，结合直压平衡控制生成桥臂中各不控整流功率单元的电压参考指令。

(6)各不控整流功率单元的电压参考指令经载波移相调制送入各不控整流功率单元的功率开关，即可驱动双电机异步运行。

直压平衡控制中，根据能量分配分析，六桥臂的能量分配规律为：A桥臂、C桥臂和E桥臂的能量分配一致，B桥臂、D桥臂、F桥臂的能量分配一致，且对应各桥臂的电压相位依次相错120°，故可等效为两组三相对称桥臂电源。因此直压平衡分为两组设计，分别对由A桥臂、C桥臂和E桥臂构成的第一组三相对称桥臂电源和由B桥臂、D桥臂和F桥臂构成的第二组三相对称桥臂电源设计两层控制：对两组三相对称桥臂电源分别进行各桥臂内的直压平衡控制和桥臂间的平衡控制，以确保每个桥臂内各不控整流功率单元间的直压平衡和每组三相对称桥臂电源三桥臂间的三相对称；检测各不控整流功率单元直压，分别与各桥臂直压平均值和各组三相对称桥臂电源直压平均值比较后生成误差，经比例积分正弦化形成直压平衡调节量，对应加入桥臂的电压参考指令，即生成各不控整流功率单元的电压参考指令。

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。