适用于低频运行的混合型模块化多电平换流器及其控制方法
【专利摘要】适用于低频运行的混合型模块化多电平换流器及其控制方法，属于电力电子领域。为了解决MMC低频运行时存在的电容电压波动的问题。所述换流装置包括串联开关、缓冲电路、接地电路和模块化多电平换流器；所述串联开关串联在直流母线与模块化多电平换流器的直流侧之间，缓冲电路与接地电路分别并联在模块化多电平换流器的直流侧；模块化多电平换流器由三相电路构成，每一相电路包括上下两个桥臂，每个桥臂由一个电感器L和N个结构相同的子模块SM串联而成，每个子模块SM包括一个半桥功率单元和一个电容器C。本发明用于高压电机变频调速。
【专利说明】
适用于低频运行的混合型模块化多电平换流器及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于电力电子领域，具体涉及一种适用于低频运行的混合型模块化多电平 换流器及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)作为一种新型的高 压大功率电能变换技术，近年来在柔性直流输电与电能质量治理等领域得到了广泛的应 用。与此同时，人们也开始研究能否把MMC应用在高压电机变频调速领域中。因为相比传统 的级联H桥型变频器，MMC不但保留了其大部分优点（例如高效率、多电平电压输出、模块化 结构、安装维护容易），更重要的是，它能省去级联H桥变频器中成本高昂、体积笨重、损耗严 重的移相变压器，可直接通过公共直流母线供电。这使得系统整体结构灵活简单，扩展容 易，应用的电压/功率等级不再受限制。
[0003] 但目前MMC在高压电机变频调速应用中面临的一个瓶颈问题，即在每个子模块中 都需要采用大量的电容器作为功率支撑元件，以保证MMC在满载运行时其电容电压的波动 不超出允许范围。且随着电机转速的降低，该电容电压的波动将变得越大。从而当MMC拖动 电机大转矩低速运行时，务必要采用容量极大的电容器，造成换流器成本昂贵、体积庞大。 因此，如何降低MMC所需电容器的容量成为了制约模块化多电平换流器降低成本、增强可靠 性、以及推广其在高压电机变频调速领域中应用的关键问题。
[0004] 针对MMC低频运行时电容电压波动大的问题，葛琼璇等人的《模块化多电平变流器 低频运行的控制方法》(见专利CN201210507664.8)，王宝安等人的《一种模块化多电平变换 器的低频模式运行控制方法》(见专利CN201310234952.5)，以及罗安等人的《一种基于谐振 滤波电路的模块化多电平换流器低频控制方法》（见专利CN201410189491.9)，分别提及了 相应电容电压波动抑制方法，其本质思想都是依靠在MMC输出电压中注入共模电压，同时在 桥臂电流中引入相同频率的环流，使MMC上下桥臂间形成新的功率交换途径，令电容器能够 以更高的频率进行充放电，继而降低电容电压的波动。然而这些方法均存在两个严重的问 题:一是会对电机施加幅值非常大的共模电压，严重威胁电机的绝缘安全并会带来轴电流 问题影响电机寿命;另一个问题是桥臂中注入的环流会增大桥臂电流的幅值，加大MMC的损 耗、增加散热系统的成本，同时也不得不选用电流容量更大的半导体器件，大幅增加成本。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了解决MMC低频运行时存在的电容电压波动的问题，本发明提 供一种适用于低频运行的混合型模块化多电平换流装置及其控制方法。
[0006] 本发明的适用于低频运行的混合型模块化多电平换流装置，所述换流装置包括串 联开关、缓冲电路、接地电路和模块化多电平换流器；
[0007] 所述串联开关串联在直流母线与模块化多电平换流器的直流侧之间，缓冲电路与 接地电路分别并联在模块化多电平换流器的直流侧；
[0008] 模块化多电平换流器由三相电路构成，每一相电路包括上下两个桥臂，每个桥臂 由一个电感器L和N个结构相同的子模块SM串联而成，每个子模块SM包括一个半桥功率单元 和一个电容器C。
[0009] 串联开关采用全控型电力电子器件实现。
[0010] 串联开关为绝缘栅双极型晶体管或集成门极换流晶闸管或门极可关断晶闸管。 [0011]串联开关采用半控型电力电子器件实现。
[0012]所述缓冲电路由电阻Rs和电容Cs串联构成。
[0013]所述接地电路由接地电阻Rgl和接地电阻Rg2串联，并得至赌地点。
[0014] 所述方法包括如下步骤：
[0015] 步骤一:检测模块化多电平换流器中各个子模块的电容电压，计算其平均值Uavg， 并将该平均值与给定电压Udc/N比较，其差值送入第一 PI调节器，第一 PI调节器的输出经方 波发生器得到占空比为D的占空比信号；
[0016] 式中Udc为直流母线电压，N为模块化多电平换流器中每个桥臂中包含的子模块个 数；
[0017] 步骤二:将步骤一得到的占空比信号作用在串联开关上，控制串联开关的开通或 关断；
[0018] 步骤三：分别计算模块化多电平换流器每一相电路中子模块的电容电压平均值 Uavg」将与总的电容电压平均值Uavg比较，其差值送入第二PI调节器中，第二PI调节器的输出 与IcMratecO/3相加，得到各桥臂环流的给定幅值Icj;
[0019] 其中j表示A、B和C三相中的一相，Idc(rated)为模块化多电平换流器额定功率运行时 直流母线电流大小；
[0020] 步骤四：将步骤三获得的与步骤一得到的占空比信号相乘，得到最终的环流控 制指令ic/，并将ic/与检测得到的环流k比较，其差值经第三PI调节器得到电压控制信号 Ucj；
[0021 ]步骤五:将Ucj与电压偏置信号Uoffset相加后，再分别减去和加上交流输出电压信号 Uy，得到上桥臂电压的参考信号Ite0u与下桥臂电压的参考信号 [0022]其中电压偏置信号U ciffse3t由如下公式计算得到：
[0023]
[0024]且U。表示输出交流电压u。」的幅值；
[0025]步骤六:最后将Hlu与经载波移相调制，得到各子模块的驱动信号，控制相 应子模块中的开关器件。
[0026]所述步骤一中第一 PI调节器的作用是保证模块化多电平换流器总的能量平衡。 [0027]所述步骤三中第二PI调节器的作用是保证模块化多电平换流器的三相电路中的 能量相互均衡。
[0028]本发明的有益效果在于，本发明提出了一种混合型模块化多电平拓扑结构，以及 相应的运行控制方式，以大幅降低电容电压波动。相比其他现有方案，本发明可以保证桥臂 电流幅值在额定电流以内，避免了增加损耗，无需采用容量更大的半导体器件。更重要的 是，本发明不会对电机造成共模电压，有力的推广了 MMC在高压电机变频调速领域中的应 用。
【附图说明】
[0029] 图1是【具体实施方式】中串联开关第一种接线形式的混合型模块化多电平换流装置 的原理不意图；
[0030] 图2是【具体实施方式】中串联开关第二种接线形式的混合型模块化多电平换流装置 的原理不意图；
[0031] 图3是【具体实施方式】中串联开关第三种接线形式的混合型模块化多电平换流装置 的原理不意图；
[0032]图4是【具体实施方式】中基于IGBT的串联开关；
[0033]图5是【具体实施方式】中基于晶闸管的串联开关；
[0034]图6是【具体实施方式】中基于IGBT级联的串联开关；
[0035] 图7是【具体实施方式】中基于晶闸管级联的串联开关；
[0036] 图8是【具体实施方式】中模块化多电平换流器的原理示意图；
[0037]图9是【具体实施方式】中控制方法的原理示意图；
[0038]图10是【具体实施方式】工作在额定频率50Hz时的实例波形图；
[0039] 图11是【具体实施方式】工作在低频2Hz时的实例波形图；
[0040] 图12是【具体实施方式】中串联开关的驱动信号与电流实例波形图。
[0041] 图13是【具体实施方式】中电机共模电压实例波形图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0042] 一:结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的适用于低频运行的 混合型模块化多电平换流装置及其控制方法，原理如图1所示，该换流装置包括串联开关、 缓冲电路、接地电路和模块化多电平换流器；
[0043] 所述串联开关串联在直流母线与模块化多电平换流器的直流侧之间，缓冲电路与 接地电路分别并联在模块化多电平换流器的直流侧；
[0044] 模块化多电平换流器由三相电路构成，每一相电路包括上下两个桥臂，每个桥臂 由一个电感器L和N个结构相同的子模块SM串联而成，每个子模块SM包括一个半桥功率单元 和一个电容器C。
[0045] 串联开关可以有其他的接线形式，如图1、图2和图3所示。
[0046] 串联开关可以采用全控型电力电子器件，如绝缘栅双极型晶体管IGBT，如图4所 示，集成门极换流晶闸管IGCT，或门极可关断晶闸管GT0,也可为半控型电力电子器件，如晶 闸管，如图5所示。亦可以采用半导体器件的级联，如图6和图7所示。
[0047] 本实施方式的串联开关除串联在直流母线与模块化多电平换流器之间以外，还可 以集成在输入整流电路当中。
[0048] 缓冲电路由电阻Rs和电容Cs串联构成。
[0049]接地电路由接地电阻RgI和接地电阻Rg2串联，并得到接地点
[0050]模块化多电平换流器的结构，如图8所示，包括三相电路，每相电路包括上下两个 桥壁，共六个，上桥臂包括一个电感器L和模块ArmUj，下桥臂包括一个电感器L和模块Armwj， j=A，B，C，表示三相电路；
[0051 ]模块ArmUj或模块Armwj由N个结构相同的子模块SMn堆叠而成，η = 1，…N;每个子模 块SMn包括两个1681'(31与32)和一个电容器；
[0052]本实施方式还提供一种适用于低频运行的混合型模块化多电平换流装置的控制 方法，如图9所示，具体步骤如下：
[0053]步骤一:检测模块化多电平换流器中各个子模块的电容电压，计算其平均值Uavg， 并将该平均值与给定电压UdJN比较，其差值送入第一 PI调节器，第一 PI调节器的输出经方 波发生器得到占空比为D的占空比信号；
[0054]式中Udc为直流母线电压，N为模块化多电平换流器中每个桥臂中包含的子模块个 数；
[0055] 步骤二:将步骤一得到的占空比信号作用在串联开关上，控制串联开关的开通或 关断；
[0056] 步骤三：分别计算模块化多电平换流器每一相电路中子模块的电容电压平均值 Uavg」将与总的电容电压平均值Uavg比较，其差值送入第二PI调节器中，第二PI调节器的输出 与IcMratecO/3相加，得到各桥臂环流的给定幅值Icj;
[0057]其中j表示A、B和C三相中的一相，Idc(rated)为模块化多电平换流器额定功率运行时 直流母线电流大小；
[0058]步骤四：将步骤三获得的Icj与步骤一得到的占空比信号相乘，得到最终的环流控 制指令k*，并将与检测得到的环流k比较，其差值经第三PI调节器得到电压控制信号 Ucj；
[0059] 步骤五:将Ucj与电压偏置信号Uoffset相加后，再分别减去和加上交流输出电压信号 Uy，得到上桥臂电压的参考信号Ite0u与下桥臂电压的参考信号
[0060] 其中电压偏置信号Uciffset由如下公式计算得到：
[0061]
[0062]且U。表示输出交流电压u。」的幅值；
[0063]步骤六:最后将Hiu与uref』经载波移相调制，得到各子模块的驱动信号，控制相 应子模块中的开关器件。
[0064]步骤一中第一 PI调节器的作用是保证模块化多电平换流器总的能量平衡。
[0065]步骤三中第二PI调节器的作用是保证模块化多电平换流器的三相电路中的能量 相互均衡。
[0066]图10~13为采用上述混合型模块化多电平换流装置及控制方法获得的实验效果 图，其中直流母线电压Udc = 6kV，子模块个数N=6，子模块电容I OmF，桥臂电感ImH，串联开关 采用IGBT。图10所示为工作在额定频率50Hz时的波形，此时电容电压波动峰峰值为40V。图 11~13位工作在低频2Hz时的波形，此时由图11可见电容电压波动峰峰值约为200V，仅比低 频时增加5倍，电容电压波动仍在允许范围内，换流器可以平稳正常运行。图12所示为串联 开关IGBT的电流波形与驱动信号，可见串联开关实现了零电流开关，有助于降低损耗。图13 所示为电机侧的共模电压，可见共模电压限制在300V以内，保证了电机的绝缘安全和使用 寿命。
【主权项】
1. 一种适用于低频运行的混合型模块化多电平换流装置，其特征在于，所述换流装置 包括串联开关、缓冲电路、接地电路和模块化多电平换流器； 所述串联开关串联在直流母线与模块化多电平换流器的直流侧之间，缓冲电路与接地 电路分别并联在模块化多电平换流器的直流侧； 模块化多电平换流器由=相电路构成，每一相电路包括上下两个桥臂，每个桥臂由一 个电感器L和N个结构相同的子模块SM串联而成，每个子模块SM包括一个半桥功率单元和一 个电容器C。2. 根据权利要求1所述的适用于低频运行的混合型模块化多电平换流装置，其特征在 于，串联开关采用全控型电力电子器件实现。3. 根据权利要求2所述的适用于低频运行的混合型模块化多电平换流装置，其特征在 于，串联开关为绝缘栅双极型晶体管或集成口极换流晶闽管或口极可关断晶闽管。4. 根据权利要求3所述的适用于低频运行的混合型模块化多电平换流装置，其特征在 于，串联开关采用半控型电力电子器件实现。5. 根据权利要求1所述的适用于低频运行的混合型模块化多电平换流装置，其特征在 于，所述缓冲电路由电阻化和电容Cs串联构成。6. 根据权利要求1或5所述的适用于低频运行的混合型模块化多电平换流装置，其特征 在于，所述接地电路由接地电阻Rgi和接地电阻Rg2串联，并得到接地点。7. 权利要求1所述的适用于低频运行的混合型模块化多电平换流器的控制方法，其特 征在于，所述方法包括如下步骤： 步骤一:检测模块化多电平换流器中各个子模块的电容电压，计算其平均值Uavg,并将 该平均值与给定电压Udc/N比较，其差值送入第一 PI调节器，第一 PI调节器的输出经方波发 生器得到占空比为D的占空比信号； 式中Udc为直流母线电压，N为模块化多电平换流器中每个桥臂中包含的子模块个数； 步骤二:将步骤一得到的占空比信号作用在串联开关上，控制串联开关的开通或关断； 步骤分别计算模块化多电平换流器每一相电路中子模块的电容电压平均值Uavg」将 与总的电容电压平均值Uavg比较，其差值送入第二PI调节器中，第二PI调节器的输出与 Idc(rated)/3相加，得到各桥臂环流的给定幅值Icj ; 其中j表示A、B和CS相中的一相，Idc(rated)为模块化多电平换流器额定功率运行时直流 母线电流大小； 步骤四：将步骤=获得的Iw与步骤一得到的占空比信号相乘，得到最终的环流控制指 令ic/，并将i。/与检测得到的环流i。化较，其差值经第SPI调节器得到电压控制信号U。； 步骤五:将Ucj与电压偏置信号Uoffset相加后，再分别减去和加上交流输出电压信号U。」， 得到上桥臂电压的参考信号Uref_w与下桥臂电压的参考信号 其中电压偏置信号Offset由如下公式计算得到：且U。表示输出交流电压U。」的幅值； 步骤六:最后将Uref_u^Uref_l渔载波移相调制，得到各子模块的驱动信号，控制相应子 模块中的开关器件。8. 根据权利要求7所述的适用于低频运行的混合型模块化多电平换流器的控制方法， 其特征在于，所述步骤一中第一PI调节器的作用是保证模块化多电平换流器总的能量平 衡。9. 根据权利要求7所述的适用于低频运行的混合型模块化多电平换流器的控制方法， 其特征在于，所述步骤=中第二PI调节器的作用是保证模块化多电平换流器的=相电路中 的能量相互均衡。
【文档编号】H02M1/34GK105915090SQ201610255806
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】徐殿国, 李彬彬, 周少泽, 石绍磊, 关明旭
【申请人】哈尔滨工业大学