一种具有部分储能单元的混合级联多电平变换器及其控制方法与流程

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种具有部分储能单元的混合级联多电平变换器及其控制方法。

背景技术：

对于中高压大容量电机驱动系统，目前通常采用传统级联H桥多电平变换器。每相结构相同，均采用传统不控整流功率单元级联而成，结构简单，易于扩展和更换。但由于前端二极管的限制，电机制动产生的再生能量无法回馈，容易造成单元直压泵升。同时由于级联单元个数较多，输入侧移相变压器体积庞大，绕组数多且制造工艺复杂。随着能源危机的日益严峻，节能要求逐渐提高。近年来，超级电容价格逐渐下降，采用储能系统实现再生能量的回收利用成为一种发展趋势。为此，在传统级联H桥变换器结构基础上，进行简单改造，设计一套既可实现电机再生能量存储再利用又可满足原有功能的变换器具有重要意义。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中的问题，提供一种具有部分储能单元的混合级联多电平变换器及其控制方法，不仅降低了传统变换器的前端整流器及移相变压器绕组数量，同时可实现电机再生能量的回收再利用，有效节能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种具有部分储能单元的混合级联多电平变换器，该混合级联多电平变换器采用三相Y型结构，每相结构相同，均由不控整流单元与储能功率单元混合级联而成，共同分担电压等级；不控整流单元由三相二极管不控整流桥、直压电容、H桥逆变器构成，送入不控整流单元的交流电，经三相二极管不控整流桥变换为6脉波直流电，经直压电容滤波稳压后，再通过H桥逆变器变换为变压变频的交流电；储能功率单元由超级电容与H桥逆变器构成，多个超级电容串并联组合后并接在H桥逆变器的直流侧。相比传统不控整流单元，储能功率单元无需前端整流桥，有效减少了功率器件及移相变压器绕组数量。不控整流单元个数及储能功率单元个数应根据电机、功率开关、直压等参数具体设定。

本发明中还提供一种具有部分储能单元的混合级联多电平变换器控制方法，包括以下步骤，步骤一，设定电机频率及初相位，根据恒压频比控制方法设计相电压幅值；步骤二，检测电机端电压及电流，计算出功率因素角；步骤三，得到不控整流单元与储能功率单元的电压参考指令信号；步骤四，经载波移相PWM调制处理后，分别送入储能功率单元及不控整流单元的H桥逆变器的各功率开关器件。

按照上述方案，所述步骤三具体为，根据三种控制模式下的相量关系，得出不控整流单元与储能功率单元的电压参考指令信号，其中三种控制模式具体为：控制模式一，当电机正常运行时，储能功率单元仅提供无功功率，不控整流单元提供全部的有功功率和一部分的无功功率；控制模式二，当电机减速运行时，电机产生再生能量全部回馈至储能功率单元，不控整流单元仅交换无功功率；控制模式三，当电机加速或再次电动运行时，设定判据，使储能功率单元释放有功功率，与不控整流单元共同提供负载所需能量，补偿电机突然加速时所需的瞬时尖峰功率，待电容直压降至设定值，储能功率单元停止输出有功，重新工作于正常状态，仅交换无功功率。

本发明产生的有益效果是：第一，本发明中部分储能功率单元无需前端整流桥，有效减少了功率器件及移相变压器绕组数量，降低了设备造价及体积。第二，本发明可回收再利用电机减速或携带位能性负载时产生的再生能量，此能量可用于补偿电机启动或加速过程时所需的瞬时尖峰功率，也可用于电动运行需求。该变换器具有四象限运行能力，对于需频繁启制动的电机驱动系统具有节能意义。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例变换器的具体拓扑结构图；

图2为本发明实施例变换器的每相2储能功率单元与2不控整流单元混合级联的变换器A相拓扑结构图；

图3为控制模式一情况下两功率单元与电机间的有功、无功功率分配示意图；

图4为控制模式二情况下两功率单元与电机间的有功、无功功率分配示意图；

图5为控制模式三情况下两功率单元与电机间的有功、无功功率分配示意图；

图6为控制模式一情况下变换器每相输出电压、电流与两种功率单元电压相量关系；

图7为控制模式二情况下变换器每相输出电压、电流与两种功率单元电压相量关系；

图8为控制模式三情况下变换器每相输出电压、电流与两种功率单元电压相量关系；

图9为本发明实施例混合级联多电平变换器控制方法总控制框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，首先提供一种具有部分储能单元的混合级联多电平变换器，该混合级联多电平变换器采用三相Y型结构，每相结构相同，均由不控整流单元与储能功率单元混合级联而成，共同分担电压等级；不控整流单元由三相二极管不控整流桥、直压电容、H桥逆变器构成，送入不控整流单元的交流电，经三相二极管不控整流桥变换为6脉波直流电，经直压电容滤波稳压后，再通过H桥逆变器变换为变压变频的交流电；储能功率单元由超级电容与H桥逆变器构成，多个超级电容串并联组合后并接在H桥逆变器的直流侧。相比传统不控整流单元，储能功率单元无需前端整流桥，有效减少了功率器件及移相变压器绕组数量。

本发明中还提供一种具有部分储能单元的混合级联多电平变换器控制方法，包括以下步骤，步骤一，设定电机频率及初相位，根据恒压频比控制方法设计相电压幅值；步骤二，检测电机端电压及电流，计算出功率因素角；步骤三，得到不控整流单元与储能功率单元的电压参考指令信号；步骤四，经载波移相PWM调制处理后，分别送入储能功率单元及不控整流单元的H桥逆变器的各功率开关器件。

进一步地，所述步骤三具体为，根据三种控制模式下的相量关系，得出不控整流单元与储能功率单元的电压参考指令信号，其中三种控制模式具体为：控制模式一，当电机正常运行时，储能功率单元仅提供无功功率，不控整流单元提供全部的有功功率和一部分的无功功率；控制模式二，当电机减速运行时，电机产生再生能量全部回馈至储能功率单元，不控整流单元仅交换无功功率；控制模式三，当电机加速或再次电动运行时，设定判据，使储能功率单元释放有功功率，与不控整流单元共同提供负载所需能量，补偿电机突然加速时所需的瞬时尖峰功率，待电容直压降至设定值，储能功率单元停止输出有功，重新工作于正常状态，仅交换无功功率。

不控整流单元与储能功率单元个数均可灵活配置，具体设计根据电机容量，器件功率以及直压等参数详细计算。

本发明实施例混合级联多电平变换器控制方法针对电机的不同运行状态，采用功率分段控制，通过对两种功率单元与电机间的有功和无功功率分配，实现电机再生能量的存储和再利用，同时使得两种单元的直压保持在稳定范围。本发明可充分回收再利用电机制动过程中的再生能量，且可高效补偿电机启动过程时所需的瞬时尖峰功率。该变换器具有四象限运行能力，对于需频繁启制动的电机驱动系统具有节能意义。同时，由于储能单元无需前端整流桥，有效减少了功率器件及移相变压器绕组数量，降低了设备体积及成本。

参照图1所示，一种具有部分储能单元的混合级联多电平变换器，每相设计m个储能功率单元与n个二极管不控整流功率单元级联而成。A、B、C三相构成Y型结构为电机供电。变换器中两种功率单元的个数由电机额定功率、回馈功率以及功率器件的容量等级综合设定。所有不控整流单元输入侧通过移相变压器，与电网相连。

参照图2所示，每相2个不控整流单元与2个储能功率单元混合级联的变换器A相拓扑，图中A1、A2为储能功率单元，A3、A4为不控整流单元。储能功率单元由超级电容与H桥逆变器构成，不控整流单元由三相二极管不控整流桥、直压电容、H桥逆变器构成。此时移相变压器二次侧绕组数量相对于传统变换器减少了一半，移相角度依次为0°、30°，与传统的±22.5°、±7.5°相比，工艺复杂度降低。

参照图3-5所示，三种控制模式，两功率单元与电机间的有功无功功率分配关系：控制模式一，当电机正常运行时，储能功率单元仅提供无功功率，不控整流单元提供全部的有功功率和一部分的无功功率；控制模式二，当电机减速运行时，电机产生再生能量全部回馈至储能单元，不控整流单元仅交换无功功率；控制模式三，当电机加速或再次电动运行时，设定判据，使储能功率单元释放有功功率，与不控整流单元共同提供负载所需能量，补偿电机突然加速时所需的瞬时尖峰功率。待电容直压降至设定值，储能功率单元停止输出有功，重新工作于正常状态，仅交换无功功率。

参照图6-8所示，对应变换器三种控制模式有功无功功率分配思想，设计每相输出电压、电流与两种功率单元电压相量关系。图中分别为A相输出电压、电流相量，为A相储能功率单元、不控整流单元的总输出电压相量。θ为储能功率单元输出电压超前A相电压角度，β为不控单元输出电压滞后A相电压角度，角为电流相量滞后电压相量角度。控制模式一，为维持直压稳定，储能功率单元仅交换无功功率，故应使储能功率单元输出电压相量与电流相量垂直。控制模式二，电机减速制动状态，为使再生能量全部回馈至储能单元，不控单元仅交换无功功率，应使控制模式三，为使储能单元存储的再生能量能够再利用，相量与相电流夹角γ应为锐角，使储能单元可辅助输出一定的有功功率。由此根据三角函数关系，可确定两种功率单元电压与单相电压幅值与相位角度关系。

参照图9所示，为本发明方法总控制框图。步骤一，设定电机频率及初相位，根据恒压频比控制方法设计相电压幅值；步骤二，检测电机端电压及电流计算出功率因素角；步骤三，根据三种控制模式下的相量关系，得出不控整流单元与储能功率单元的电压参考指令信号；步骤四，经载波移相PWM调制处理后，分别送入储能功率单元及不控整流单元的H桥逆变器各功率开关器件。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。