一种模块化多电平逆变器及其无差拍控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明专利属于高压大功率电力电子技术领域，特别涉及一种模块化多电平逆变 器及其无差拍控制方法
【背景技术】
[0002] 近年来，随着电力系统的不断发展，传统的电网输配电系统已经不能满足社会需 求，对电力系统的控制能力、输送能力要求越来越高，高压大功率电力电子变换器件应运而 生；其次，随着高压大功率交流电机的广泛运用，为实现其调速，对高压变换开关器件的性 能提出了很高的要求，从而催生多电平逆变器的发展；再者，能源与环境问题日益严重，为 减少有害气体排放，常规电力系统向基于可再生能源的分布式发电过渡，尤以风电与光伏 发电为主，这种情况下采用高质量、高可控性的输电方式成为热点，由此推动了高压大功率 电力电子技术的发展。
[0003] 多电平逆变器的种类繁多，目前比较常见的拓扑结构主要分为三类：二极管钳位 型多电平逆变器、飞跨电容型多电平逆变器和级联Η桥型多电平逆变器。二极管钳位型多 电平逆变器同时具有多重化和脉宽调制的优点，但存在对二极管耐压要求高，所需二极管 数量庞大，开关器件导通负荷不一致，控制复杂等缺陷；飞跨电容型多电平逆变器的输出电 平数扩展简单，控制灵活，不需要钳位二极管，且只需一个独立直流电源供电，但也存在电 容数量大，器件的开关频率和开关损耗大，导通负荷不一致的问题；级联Η桥型多电平逆变 器无需大量钳位二极管和飞跨电容，输出电压谐波含量少，但需多个独立直流电源，不能四 象限运行。随着电力电子技术的进一步发展，一种新的多电平逆变器诞生，即模块化多电平 逆变器（MMC)，与之前的多电平逆变器相比，除了具有它们本身的优点之外，还展现出更多 的优势：模块化程度高，电路拓扑结构清晰，单一器件电流容量小，发生故障能快速切除等。
[0004] 对于模块化多电平逆变器，其控制方式主要包括：逆变器的功率控制，子模块的平 衡控制和逆变器的调制算法。其中，子模块的平衡控制包括均压控制和稳压控制，每个子模 块的稳压控制包括两个ΡΙ环节，每相桥的均压控制也包含一个ΡΙ环节。因此，系统中将出 现大量的ΡΙ环节，对于整个系统的调试相当困难。本发明只在系统中引入一个ΡΙ环节，即 可实现控制目的，很大程度上减轻了系统的调试工作，降低了运算复杂度，提高了系统响应 速度。
【发明内容】
[0005] 本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种模块化多电平逆变 器及其无差拍控制方法，这种控制方法减少了ΡΙ调节器，降低了运算复杂度，提高了系统 响应速度。
[0006] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
[0007] -种模块化多电平逆变器，采用三相六桥臂拓扑结构，每相包括上、下两个桥臂， 每个桥臂由Ν个SM子模块和1个电感L串联而成，上桥臂和下桥臂连接点引出相线；三条 相线接入公共电网；每相上桥臂的N个SM子模块依次记为SMpl，SMp2,…，SMpN;每相下桥臂 的N个SM子模块依次记为SMnl，SMn2，…，SMnN;
[0008] 每个SM子模块是一个半桥变流器，由两个IGBT管T1和T2、两个二极管D1和D2 和一个电容C构成；其中，IGBT管T1的发射极与IGBT管T2的集电极相连并构成SM的正 端，IGBT管T1的集电极与电容C的正极相连，IGBT管T2的发射极与电容的负极相连并构 成SM的负端；D1与T1反向并联，D2与T2反向并联；IGBT管T1和T2的门极均接收控制脉 冲信号；
[0009] 每相上桥臂的N个SM子模块和1个电感L依次串联，S卩SMpl的正端与直流侧正极 相连；处于中间的SMP^正端与SMpUυ的负端相连，SMP^负端与SMpU+1)的正端相连，i= 2,3，"·，Ν-1 ;SMP，、端与电感L一端相连，电感L另一端引出相线；
[0010] 每相下桥臂的电感L和N个SM子模块依次串联，即电感L一端引出相线，电感L另 一端与SMnl正端相连；处于中间的SMn^正端与SMnU1}的负端相连，SMn^负端与SMn(i+1) 的正端相连，i= 2,3，…，N-1 ;SMnN负端与直流侧负极相连；
[0011] 直流侧电源中点接地。
[0012] 一种模块化多电平逆变器的无差拍控制方法，所述模块化多电平逆变器为上述的 模块化多电平逆变器，无差拍控制方法包括环流控制和无差拍电流跟踪控制；
[0013] 对于三相（A相、B相和C相）中的任一相，所述环流控制方法为：
[0014] 1)依次检测该相的上桥臂和下桥臂各个SM子模块中电容的电压，记为，其中下 标i表示该相桥臂SM子模块的序号，i= 1，2,…，2N;得到该相上桥臂和下桥臂所有SM子 模块的电容电压平均值
其中，2N为该相上桥臂和下桥臂所有SM子模块 的个数；
[0015] 2)设每个SM子模块中电容电压的参考值为U_f，将1]"^与1]。作差后经过PI调节 器得到该相环流的参考值I"mf;所述无差拍电流跟踪控制方法为：
[0016] a)设该相输出电流参考值为I_f (1_油负载功率决定），分别根据以下公式计算 该相上桥臂和下桥臂的电流参考值Ipraf和Inraf:
[0017]Ipref=(21cirref+Iaref)/2
[0018] Inref= (21 cirref-Iaref)/2 ;
[0019] b)检测流过该相上桥臂和下桥臂的电流，分别记为IjpIn，根据以下公式计算得 到该相上桥臂和下桥臂的调制电压upraf和u_f:
[0020] Upref=(Udc/2) -Ua-L*(Ipref-IP)/T
[0021] Unref=(Udc/2)+Ua-L*(Inref-In)/T
[0022] 其中，Ud。为模块化多电平逆变器直流侧电源电压；Ua为模块化多电平逆变器该相 输出电压的测量值；L为模块化多电平逆变器桥臂电感值；T为控制周期；
[0023] c)对U_f和U_f采用最优电平逼近的方式进行调制，得到该相各SM子模块的控 制脉冲信号。
[0024] 所述步骤2)具体为：设每个SM子模块中电容电压的参考值为U_f，根据以下公式 计算该相环流的参考值Idmf:
[0026] 其中，2N为该相上桥臂和下桥臂所有SM子模块的个数，1/s为积分因子；Kp为比例 系数，Κρ= 1，Ki为积分系数，Κ50。
[0027] 作为本发明的一种实施例，所述电感L取值为5mH，控制周期T取值为0. 0001 秒，SM子模块中电容电压参考值U_f取值为100V，该相输出电流参考值I取值为 40sin(100πt)A，直流侧电源电压Ud。取值为900V，N取值为9。
[0028] 本发明的有益效果是：1)与传统的模块化多电平逆变器的控制方法相比较，减少 了大量的PI环节，只采用一个PI环节即可实现控制目的，简化了控制过程；2)降低了运算 复杂度，节省了系统的调试时间，提高了效率；3)缩短了系统的响应时间，加快了系统的响 应速度。
【附图说明】
[0029] 图1为模块化多电平逆变器拓扑结构图；
[0030] 图2为无差拍控制系统示意图；图2(a)为无差拍控制系统框图；图2(b)为环流控 制框图；
[0031] 图3为A相输出电流波形；
[0032] 图4为A相输出电流谐波畸变率；
[0033] 图5为A相环流波形；
[0034] 图6为A相上桥臂子模块电容电压波形；
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