基于耦合电感的模块化三电平NPC变流器系统及控制方法与流程

本发明涉及一种基于耦合电感的模块化三电平npc变流器系统及控制方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

近年来，三电平变换器应用越来越广泛。与两电平变换器相比，三电平变换器使器件承受较小的开关应力，并且能大大改善输出波形。在典型的三电平变换器拓扑结构中，二极管钳位型三电平变换器得到了广泛的应用。由于开关管电流应力的限制，单台变换器的容量受限，已无法满足大功率应用场合的要求。对于大功率应用场合如空调系统、地铁轨道交通、分布式发电系统等，变换器并联将成为能量变换的主流形势。

然而，在大功率应用中，通常选用较低的开关频率来降低变换器系统的损耗，而常规的并联方式中开关频率的降低同样会引起输出电流电能质量的下降；同时，模块之间硬件不匹配、死区时间以及控制算法执行时间等差别会产生环流。环流会增加系统损耗和引起并网电流畸变，严重影响igbt开关管的寿命。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于耦合电感的模块化三电平npc变流器系统及控制方法，可以实现大功率多台变换器并联系统下的环流抑制，明显提高低开关频率工况下的输出电流电能质量。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种基于耦合电感的模块化三电平npc变流器系统，包括至少两个三电平变换器，所述三电平变换器包括并联的三相桥臂，每相桥臂包括四个串联的igbt管，各相桥臂使用二极管进行钳位到直流中点电容；

每两个三电平变换器的直流侧并联，交流侧每一相的桥臂中点通过耦合电感异名端并联，形成一个子模块，每个子模块通过输出电感与交流负载相连。

进一步地，多个子模块相互并联实现并联的拓展。

进一步地，还包括控制电路，所述控制电路包括：依次连接的调理电路、采样电路、控制器和驱动电路，控制器还与保护电路连接，所述驱动电路输出pwm信号驱动桥臂中igbt管的开通与关断。

进一步地，保护电路实现变换器系统的过压过流保护；调理电路将霍尔传感器测得的相关信号进行调理，得到采样电路可以接收的模拟信号；采样电路将调理好的模拟信号转换为数字量传送给控制器；控制器用来产生控制系统正常运行的驱动信号。

根据另外一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种基于耦合电感的模块化三电平npc变流器系统的控制方法，包括：每个子模块的三电平变换器的三角载波周期相同，且互差180度；n个子模块间中所有子模块的第一个三电平变换器之间的三角载波互差180/n度。

进一步地，使用基于无差拍环流控制器对三电平变换器间的环流进行控制，在调制波内加入当前三电平变换器与变换器系统第一个子模块中第一台三电平变换器零序调制波的差值及无差拍控制器的输出值来控制环流。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过改进的载波移相提高了在低开关频率下的总输出电流的电能质量；

2、通过加入无差拍环流控制器，降低了变换器间的环流；

3、可以减小交流侧滤波器设计容量，节约变换器并联系统成本；

4、对于变换器参数、工况不一致的情况下依然适用；

5、方法实现简单，对并联系统的拓展性强，应用简单，实用性强。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为实施例一中三电平变换器并联系统结构图；

图2为实施例一中并联三电平变换器的控制电路图；

图3为实施例二中三电平变换器并联系统的载波波形；

图4为实施例二中控制系统控制器框图；

图5(a)-(b)分别为实施例二中并联三电平变换器采用传统载波同步调制的并网电流波形和thd；

图6(a)-(b)为实施例二中并联三电平变换器采用载波交错的并网电流波形和thd；

图7为实施例二中并联三电平变换器不控制环流和无差拍控制器环流波形。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中提出了一种基于耦合电感的模块化三电平npc变流器系统，如图1所示，包括至少两个三电平变换器，三电平变换器包括并联的三相桥臂，每相桥臂包括四个串联的igbt管，各相桥臂使用二极管进行钳位到直流中点电容；

每两个三电平变换器的直流侧并联，交流侧每一相的桥臂中点通过耦合电感异名端并联，形成一个子模块，每个子模块通过输出电感与交流负载相连，系统输出端与电网相连。

将多个子模块相互并联以实现并联的拓展。

如图2所示为三电平变换器的控制电路图。控制电路包括保护电路、驱动电路、采样电路、调理电路，调理电路与采样电路连接，采样电路连接dsp模块，dsp模块与保护电路双向通信，dsp模块连接驱动电路，驱动电路输出pwm信号驱动桥臂中igbt管的开通与关断。

调理电路采集直流侧上、下电容电压值vp、vn以及滤波器输出的三相电流ia、ib、ic，滤波器分为模块内的耦合电感与输出电感两部分。

信号调理电路和控制电压具有过/欠压保护和过流保护；调理电路将霍尔传感器测得的相关信号进行调理，得到采样电路可以接收的模拟信号。

调理电路将霍尔传感器测得的相关信号(vp、vn、ia、ib、ic的测量值)进行调理，得到采样电路可以接收的模拟信号。ad转换器的采样与转换由dsp进行控制，将调理好的模拟信号转换为数字量。数字信号的处理以及spwm控制、pwm产生均由dsp实现，最终生成的pwm信号送给驱动电路去控制igbt管的开通与关断。

实施例二

基于实施例一中的基于耦合电感的模块化三电平npc变流器系统，提出一种控制方法，基于载波交错方法和无差拍方法实现对并联三电平变换器的控制。本实施例方法对于载波同相以及载波反相方法均适用，下面以载波同相的载波交错方法为例进行具体阐述。

图3为三电平变换器并联系统的载波波形，使用载波移相的方法提高输出电流的电能质量：每个子模块间的两台变换器的三角载波周期相同，且互差180度；n个子模块间中所有子模块的第一台变换器间的三角载波互差180/n度。

图4为控制系统控制框图，使用基于无差拍环流控制器对变换器间环流进行控制，无差拍控制器输入为等效电感，电流，电阻等参数。控制器主要是在调制波内加入当前变换器的零序调制波变换器系统第一个子模块中第一台三电平变换器零序调制波的差值及无差拍控制器的输出值来控制环流。

abc三相电流经过坐标变换得到id，iq和iz。id和iq经过pi控制器得到三相调制波。iz使用无差拍环流控制器对其控制，无差拍控制器输入为等效电感，电流，电阻等参数。控制器主要是在调制波内加入当前变换器的零序调制波与第一台变换器零序调制波的差值及无差拍控制器的输出值来控制环流。

其中无差拍控制器需要模块1的两台变换器环流信息iz1与iz2，与耦合电感的参数自感lsub1、互感msub1，输出电感的参数lgsub1，以及需要控制的模块k的两台变换器信息iz(2k-1)、iz(2k)、lsubk、msubk、lgsubk。模块k的两台变换器(第(2k-1)与(2k)台变换器)的无差拍控制器及零序调制波差值之和的输出madd(2k-1),madd(2k)的形式如下：

其中：ma、mb、mc为三相调制波的取值，udc为直流母线的电压值、msubk为变换器系统第k个子模块耦合电感互感值、lsubk为变换器系统第k个子模块耦合电感自感值、lgsubk为变换器系统第k个子模块输出电感值、mz(2k-1)为变换器系统第k个子模块第一台变换器的零序调制波、mz1变换器系统第一个子模块中第一台变换器零序调制波。

图5(a)-(b)为并联三电平变换器采用传统载波同步调制的电流波形和thd，其中开关频率为2.5khz。可以看出采用传统方法输出波形畸变严重，叠加有5khz分量。

图6(a)-(b)为本发明并联三电平变换器采用本发明的载波交错调制的电流波形和thd。电流波形畸变消失。

图7为本发明并联三电平变换器在工况不相同的情况下，不控制环流和无差拍控制器环流波形。从波形中可以看出，环流得到明显抑制。

采用本实施例方法可以减小交流侧滤波器设计容量，节约变换器并联系统成本；该方法对于变换器参数、工况不一致的情况下依然适用；该方法实现简单，对并联系统的拓展性强，应用简单，实用性强；在轨道交通吸收装置、光伏发电系统、风力发电系统、燃料电池等可再生能源领域前景广阔。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。