一种带有飞跨电容辅助桥臂的钳位型五电平背靠背变流器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种变流器系统及其控制方法，特别涉及五电平整流器的控制及电容 电压不平衡控制办法。
【背景技术】
[0002] 目前，大功率直驱风力发电系统都是采用直驱永磁发电机+全功率变流器的技术 方案。其中全功率变流器作为永磁风力发电机和电网之间的接口，其容量与系统的额定容 量相同。随着发电机组容量等级的不断增大，变流器的容量等级也必须随之提高，这就要求 变流器自身及开关器件具备更高的电压和功率等级，然而受功率半导体材料的制造工艺和 耐压极限的限制，传统的两电平变流器已经无法满足要求。除此之外，全功率变流器还必须 同时满足电机和电网的要求。其中电机侧变流器需要具备对电机进行变速恒频控制能力， 在实现最大功率追踪的同时尽可能提尚输入功率因数，以减小损耗，提尚系统的运彳丁效率。 网侧变流器需要具备提供满足电网要求的高质量的电能；快速的有功响应能力和长时间的 有功和无功支持能力；在电网发生跌落或不对称故障时具有很好的适应能力以及隔离电网 故障的能力。由此说明在中高压大功率场合，功率变流器的拓扑选择就显得十分关键。因 此，目前亟需提出一种应用于中高压大功率场合，满足对于电压等级、高功率因数以及高电 能质量等方面的要求的功率变流器的拓扑。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种带有飞跨电容辅助桥臂的钳位型五电平背靠背变流 器。
[0004] 为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0005] 包括5L-Vienna整流器、直流母线分压电容、中点平衡辅助桥臂以及5L-NPC逆变 器；所述5L-Vienna整流器以及5L-NPC逆变器均与直流母线的PN点相连，P点为直流母线 正端，N点为直流母线负端；所述直流母线分压电容为串联于直流母线PN点之间的四个相 同的电容；所述中点平衡辅助桥臂包括接在PO点之间的上三电平飞跨电容辅助桥臂以及 接在ON点之间的下三电平飞跨电容辅助桥臂，0点为所述四个相同的电容的中点，上三电 平飞跨电容辅助桥臂的中点A、所述0点以及下三电平飞跨电容辅助桥臂的中点B分别与 5L-NPC逆变器以及5L-Vienna整流器相连。
[0006] 所述5L-Vienna整流器的控制策略包括电流闭环控制和实现0点电压平衡两部 分；
[0007] 电流闭环控制工作过程如下：采集5L-Vienna整流器交流侧三相电流，通过三相 空间坐标轴与两极直交坐标轴变换将三相电流表示为ia、ip两个旋转电流分量，并取得旋 转电流的初始旋转角0i，再通过固定坐标轴与旋转坐标轴变换，使得两个旋转电流分量转 换为一个相对固定坐标轴静止的直流电流分量i;将直流电流分量i与给定电流进行偏 差比较，比较所得差值经电流调节器之后得到电压给定u%将电压给定u#有效值除以VPQ与 Vw之和，然后进行归一化处理得调制度m，最后将m和初始旋转角0i送入SVM调制器求取 5L-Vienna整流器输出电压矢量；
[0008] 0点电压平衡控制方法如下：SVM调制器依据m和0i获得5L-Vienna整流器开关 动作状态，结合三相电流获得流经〇点的净电流in。的方向，获取P、〇之间电压V与0、N之 间电压\的差值，将差值除以V^与V_的平均值，然后进行归一化处理并结合流经0点的 净电流in。的方向得规范化的控制变量a，控制变量a经差分计算获得冗余矢量对的占空 比以及，通过对冗余矢量的调制保持0点的电压平衡。
[0009] 所述5L-Vienna整流器的调制策略包括以下步骤：
[0010] 通过分析5L-Vienna整流器的SVM开关矢量图中每个点对应的开关矢量，从中寻 找能够对流经0点电流进行控制的冗余矢量对，通过调整该冗余矢量对的占空比分配，进 而产生净控制电流抵消0点失衡电流，当调制度大于0. 5时，以包含小三角形的大三角形的 三个顶点对应的开关矢量进行调制，所述小三角以相邻的3组开关矢量构成，同时将大三 角形每边中点对应的开关矢量作为调制过程的中间过渡状态，以减小开关状态切换时的电 压台阶，选择在此大三角范围内的冗余矢量来调节〇点电流，保持〇点平衡。
[0011] 上三电平飞跨电容辅助桥臂包括有源开关Si?S4和飞跨电容Cfl，有源开关Si? 34依次串联，有源开关S:接P点，有源开关S4接0点，飞跨电容Cfl跨接在S2和S3上；下三 电平飞跨电容辅助桥臂包括有源开关S5?S8和飞跨电容Cf2，有源开关S5?S8依次串联， 有源开关35接0点，有源开关S8接N点，飞跨电容Cf2跨接在S6和S7上。
[0012] 所述A点、B点电位平衡的控制方法包括以下步骤：当上三电平飞跨电容辅助桥臂 工作于开关状态仏时，有源开关si以及S3导通，有源开关S2以及S4关断，飞跨电容cfl通 过流经点A的净电流iji行充电；当上三电平飞跨电容辅助桥臂工作于开关状态〇2时，有 源开关Si以及S3关断，有源开关S2以及S4导通，飞跨电容Cfl通过流经点A的净电流ina放 电，从而实现飞跨电容Cfl的电压恒定为UDC/4，UDC表示直流母线电压；当下三电平飞跨电容 辅助桥臂工作于开关状态(^时，有源开关S5以及S7导通，有源开关S6以及S8关断，飞跨电 容Cf2通过流经点B的净电流inb进行放电；当下三电平飞跨电容辅助桥臂工作于开关状态 〇2时，有源开关S5以及S7关断，有源开关S6以及S8导通，飞跨电容Cf2通过流经点B的净 电流inb进行充电，从而实现飞跨电容Cf2的电压恒定为Udc/4。
[0013] 本发明具有如下技术特点：
[0014] (1)5L-Vienna整流器可以实现更高的耐压等级，且减少了有源器件的数量，没有 直通短路问题，提高了可靠性。
[0015] (2)在不同的调制度时，调整5L-Vienna整流器的调制侧策略，通过整流器提供的 控制电流来抵消〇点的失衡电流，维持〇点平衡。
[0016] (3) 5L_Vienna整流器能够实现单位功率因数变速控制策略，且发电机电流可以被 控制成正弦波，降低了谐波影响。
[0017] (4)引入两个串联的3L飞跨电容桥臂，构成一个不平衡电流的流动路径，将不平 衡电流馈送到母线的P，N和0点上，从而解决A点和B点的直流不平衡问题。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明变流器系统的整体拓扑结构图；图中?^^^表示整流器三相电路， A2、B2、(：2表示逆变器三相电路；sval、sva2、svbl、svb2、svel、sve2分别表示整流器三相电路的有源 开关；ial、ibl、'表示整流器交流侧三相电流；Lfl、Lf2表示滤波电感，C表示滤波电容；
[0019] 图2为5L_Vienna整流器的调制原理图；（a)为总的开关矢量；(b)为以图（a)中 区域一部分为例的示例图；
[0020] 图3为5L-Vienna整流器的控制原理图；SV1、SV2为冗余矢量对吨为冗余矢量对 的总占空比；djPdSV1和SV2的占空比分配；
[0021] 图4为5L-NPC逆变器的控制框图；SVi?SV4为电压空间矢量；(^?(14为电压空 间矢量占空比；dM和cU为上三电平飞跨电容辅助桥臂(^和?状态的占空比；d' ^和d'm 为下三电平飞跨电容辅助桥臂仏和^状态的占空比；
[0022] 图5为飞跨电容辅助桥臂的四种工作模式及电流换流图；iA1、iB1表示整流器输出 流经A、B点的电流，iA2、iB2表示流过A、B点至逆变器的电流；(a)状态1 :上桥臂-0i，下桥 臂