专利名称：三相多电平pwm变换器的并联结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种三相多电平PWM变换器的并联结构，适用于分布式电源、可再生能源发电并网、充放电及其储能等系统。
背景技术：
近年来电力电子技术不断发展，被广泛应用于需要电能变换的各个领域。在低压小功率的用电领域，电力电子技术趋于成熟，而在高压大功率应用领域，多电平功率变换技术逐渐成为研究的核心和热点问题。多电平变换技术是一种通过改进变换器自身拓扑结构来实现高压大功率输出的新型变换器，它无需升压变压器和均压变压电路。由于输出电压电平数增加，使得输出波形具有更好的谐波频谱，每个开关器件所承受的电压应力减小。多电平变换技术已成为电力电子技术中，以高压大功率变换为研究对象的一个新的研究领域。多电平变换器之所以成为高压大功率变换的研究热点，是因为它具有以下特点
(1)每个功率器件仅承受1/(n-1)的母线电压(η为电平数)；
(2)电平数的增加，改善了输出电压波形，减小了输出电压波形畸变(THD)；
(3)可以以较低的开关频率获得和高开关频率下两电平变换器相同的输出电压波形， 从而降低了开关损耗；
(4)无需输出变压器，大大减小了系统的体积和损耗。多电平PWM变换器可以有效抑制PWM控制所造成的高次谐波，PWM控制可以减少多电平PWM变换器输出的阶梯形电压中含有的低次谐波，因此二者结合才能获得最佳的频谱特性。随着分布式电源，可再生能源发电并网，充放电及其储能等技术的发展，多电平PWM 变换器应用程度得到进一步深化，大功率、规模化工程应用势在必行。然而多电平PWM变换器采用积木方式并联扩大容量的方法遇到了问题。由于多电平PWM变换器一般采用双闭环控制策略，外环控制多电平PWM变换器的直流输出电压Udc，内环控制变换器网侧交流电流； 并且在满足恒值控制直流电压Ud。的目标下，能量自动双向变换，即当直流侧电压高于给定值时，调节器作用的同时，能量自动从直流侧流向变换器网侧；当直流侧电压低于给定值时，调节器作用的同时，能量自动从变换器网侧流向直流侧。由于各个变换器给定参数以及调节参数的分散性，可能造成给定参数的细小差异，以及调节参数的不一致，当两个或多个多电平PWM变换器并联时，在同一时刻，将可能出现部分变换器工作在整流状态，部分变换器工作在逆变状态。由于各多电平PWM变换器的内阻均极小，这种部分整流、部分逆变的情形可能在并联的多电平PWM变换器之间形成大的环流，轻则影响变换器的正常工作，影响整个系统的稳定性，降低系统的性能；重则危害，甚至损坏三相多电平PWM变换器的并联结构。因此，一般不允许多电平PWM变换器并联工作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够解决并联多电平PWM变换器能量流向的一致性问题，避免环流的产生，并且能够解决多电平PWM变换器并联均流难题的三相多电平PWM变换器的并联结构。本发明解决其技术问题所采用的技术方案
一种三相多电平PWM变换器的并联结构，其包括2个以上的三相多电平PWM变换器及其控制电路单元、数字信号处理器和三相交流电源电路；其还包括1个公用的统一电压调节器；所述各三相多电平PWM变换器及其控制电路单元的输入端并联后接所述三相交流电源电路，其输出端并联后接同一负载述统一电压调节器由电压采样电路、电压传感器、第三加法器和外环电压PI调节器组成；所述电压采样电路与所述负载&并联，所述电压采样电路的输出端依次经所述电压传感器、第三加法器接所述外环电压PI调节器的输入端，所述第三加法器的另一个输入端接各三相多电平PWM变换器的直流输出给定电压 Udc*,所述外环电压PI调节器的输出端分别接所述各三相多电平PWM变换器及其控制电路单元中的控制电路的相应输入端。所述三相交流电源电路由三相交流电源的A相、B相、C相、电阻R3-I 5、电感L1-L3 组成；所述三相多电平PWM变换器的第一桥臂的上下臂连接处a点依次经电阻R3、电感L1 接A相，其第二桥臂的上下臂连接处b点依次经电阻R4、电感L2接B相，其第三桥臂的上下臂连接处c点依次经电阻R5、电感L3接C相，A相、B相、C相连接于中心点N。所述电压采样电路为由电阻队与电阻&串联组成的分压电路，电阻队与&串联后与所述负载&并联，电阻R1和电阻&的节点接所述电压传感器的输入端。本发明的有益效果如下
(1)将各并联的三相多电平PWM变换器的外环电压调节器独立出来，形成一个公用的统一电压调节器，解决了在并联运行时各三相多电平PWM变换器能量流向的一致性问题， 避免了环流的产生。(2)以统一电压调节器的输出控制电压作为各并联三相多电平PWM变换器有功电流给定分量，功率因数或网侧无功功率换算为无功电流给定分量，各并联三相多电平PWM 变换器采用闭环电流控制实现并联均流控制，同时解决了各三相多电平PWM变换器并联运行时的均流问题。(3)本发明适用于大功率、规模化电力电子变流应用场合。
图1为本发明的原理框图2为典型三相三电平PWM变换器主电路拓扑结构图； 图3为三相多电平PWM变换器的控制电路的原理框图； 图4为三相多电平PWM变换器多单元并联的具体实施方式
框图。
具体实施例方式本实施例为三相多电平PWM变换器(三相三电平PWM变换器)的并联结构(参见图 1-4)。如图1所示，本实施例包括2个以上的三相多电平PWM变换器及其控制电路单元和数字信号处理器；还包括ι个公用的统一电压调节器；所述各三相多电平PWM变换器及其控制电路单元的输入端并联后接同一三相交流电源电路，其输出端并联后接同一负载 Rl ；所述统一电压调节器由电压采样电路1、电压传感器2、第三加法器3和外环电压PI调节器4组成；所述电压采样电路1与所述负载&并联，所述电压采样电路1的输出端依次经所述电压传感器2、第三加法器3接所述外环电压PI调节器4的输入端，所述第三加法器3 的另一个输入端接各三相多电平PWM变换器的直流输出给定电压Udc*,所述外环电压PI调节器4的输出端分别接所述各三相多电平PWM变换器及其控制电路单元中的控制电路的相应输入端。。图2为三相三电平PWM变换器主电路的拓扑结构图，功率开关管V1 N12为含有反并联二极管的IGBT，V1和V4构成第一上臂，V7和Vltl构成第一下臂，V2和V5构成第二上臂， V8和V11构成第二下臂，V3和V6构成第三上臂，V9和V12构成第三下臂，第一上臂和第一下臂串联构成第一桥臂，第二上臂和第二下臂串联构成第二桥臂，第三上臂和第三下臂串联构成第三桥臂，直流侧接有滤波电容器CpC2，第一三相交流电源火线A经电阻R3、线性电感 L1接入第一桥臂的上下臂连接处a点，第二三相交流电源火线B经电阻R4、线性电感L2接入第二桥臂的上下臂连接处b点，第三三相交流电源火线C经电阻&、线性电感L3接入第三桥臂的上下臂连接处c点；三相电网电动势为ea、eb、e。，三个三相交流电源连接于中心点 N0所述三相多电平PWM变换器的并联结构是由N个三相多电平PWM变换器及其控制电路单元并联组成(见图3-4)。其特点是各个变流电路的交流侧取自同一个交流电源电路，直流侧并联构成直流母线，共同分担直流负载&。图3所示为三相多电平PWM变换器的控制电路的原理框图。控制方法基于电网电压定向的矢量控制技术，采用双闭环控制，外环为电压控制环，内环为网侧电流控制环。现详细说明如下
外环以直流输出电压信号作为电压反馈量，经R1和&组成的分压电路分压和电压传感器2获得，以直流测输出给定电压U:为恒值目标，在第三加法器3中进行比较，第三加法器3的输出经外环电压PI调节器4进行比例-积分处理，输出控制电流i/ ；内环分为d轴PID调节器6和q轴PID调节器5，其过程是先将三相瞬时交流电流ia, ib, i。经数学变换，解耦得到与电压合成矢量同方向的直流电流分量id、与电压合成矢量垂直的直流电流分量i,；由于id与电压合成矢量同方向，因此id称为电流有功分量，控制id可调节变换器的有功功率，而、称为电流无功分量，控制、可调节变换器的无功功率；以ea为例， 即取ea相电压接入锁相环8和空间矢量相位角计算环节9，空间矢量相位角计算环节9输出正弦量(sin θ，Sin( θ-120° ), sin( θ +120° ))、余弦量(cos θ，cos ( θ-120° ), cos (θ +120° ))至dq /abc变换器12，dq /abc变换器12经SVPWM信号生成器13与三相多电平PWM变换器主电路连接；在三相线性电感L1, L2, L3与PWM变换器主电路连接的各相火线7分别连接电流传感器10和abc/dq变换器ll，abc/dq变换器11有两路输出信号，其中 iq信号经第一加法器14、q轴PID调节器5输出U(；，id信号经第二加法器15、d轴PID调节器6输出u/ ；在直流正、负母线之间并联R1和&组成的分压电路，所述分压电路的输出经过电压传感器2、第三加法器3、外环电压PI调节器4和第二加法器15连接。所述电压传感器2采用霍尔电压传感器，其型号为SKIT_V25V6。所述第三加法器3和外环电压PI调节器4均由软件实现，所述软件安装在所述数字信号处理器中，所述数字信号处理器的型号为2812。具体运算过程现详细说明如下
1.首先选取电网三相合成电压矢量作为d轴矢量定向基准，通过锁相环(PLL)电路8实时检测电网A相电动势\的相位，经空间矢量相位角计算环节9确定电压定向矢量的位置角θ，求得正弦量(sine，sin(e-120° )，sin(e+120° ))、余弦量 (cos θ，cos ( θ-120° ), cos (θ+120° ))并将其输出至 abc/dq 变换器 11 和 dq/abc 变换器12中；
2.从各相火线7提取的交流电流ia、ib、i。，为电流反馈量，经电流传感器10后再通过abc/dq变换器11实现三相静止坐标系至两相同步旋转坐标系的变换，将相位互差120 的三相电流ia、ib、i。变换为相位互差90 的两相电流id、iq ；
3.abc/dq 变换器 11 根据输入的正弦量(sine，Sin( θ-120° ),sin(0+12O° ))、余弦量(cos θ，cos (θ-120° )，cos (θ+120° ))，实现abc三相静止坐标系至dq同步旋转止坐标系的变换，最终变换为同步旋转坐标系下直流分量id、、。4.以外环电压PI调节器4的输出i/作为d轴PID调节器6的给定参数，交流电流解耦得到的直流分量id作为d轴PID调节器6的反馈，外环电压PI调节器4的输出 i；与交流电流解耦得到的直流分量id先经过第二加法器15、再经过d轴PID调节器6比例-积分-微分运算输出控制电压‘；
5.以无功功率或功率因数换算的无功电流分量1<；作为q轴PID调节器5的给定参数， 交流电流解耦得到的直流分量、作为q轴PID调节器5的反馈，无功电流分量与交流电流解耦得到的直流分量、先经过第一加法器14，再经过q轴PID调节器5比例-积分-微分运算输出控制电压
6.dq /abc变换器12变换根据输入的正弦量(sin θ，sin( θ -120 ° )， sin( θ +120° ))、余弦量((308 9，(08(0-120° ) ,cos ( θ+120° ))，实现 dq 同步旋转坐标系至abc三相静止坐标系的变换，将同步旋转坐标系下d轴PID调节器6输出的控制电压 u；, q轴PID调节器5输出的控制电压 < 变换为三相静止坐标系下正弦分量iC、ub*. u；；
7.再通过SVPWM信号生成器13脉宽调制后，输出六路PWM逆变器桥臂功率管的控制信号。由于解耦之后，三相多电平PWM变换器的有功功率与d轴电流分量成正比，无功功率与q轴电流分量成正比，其规律满足下述关系式(1)，其中Ue为电网相电压有效值。
权利要求
1.一种三相多电平PWM变换器的并联结构，其包括2个以上的三相多电平PWM变换器及其控制电路单元、数字信号处理器和三相交流电源电路；其特征在于其还包括1个公用的统一电压调节器；所述各三相多电平PWM变换器及其控制电路单元的输入端并联后接所述三相交流电源电路，其输出端并联后接同一负所述统一电压调节器由电压采样电路(1)、电压传感器(2)、第三加法器(3)和外环电压PI调节器(4)组成；所述电压采样电路 (1)与所述负载&并联，所述电压采样电路(1)的输出端依次经所述电压传感器(2)、第三加法器(3)接所述外环电压PI调节器(4)的输入端，所述第三加法器(3)的另一个输入端接各三相多电平PWM变换器的直流输出给定电压Udc*,所述外环电压PI调节器(4)的输出端分别接所述各三相多电平PWM变换器及其控制电路单元中的控制电路的相应输入端。
2.根据权利要求1所述的三相多电平PWM变换器的并联结构，其特征在于所述三相交流电源电路由三相交流电源的A相、B相、C相、电阻R3-R5、电感L1-L3组成；所述三相多电平 PWM变换器的第一桥臂的上下臂连接处a点依次经电阻R3、电感L1接A相，其第二桥臂的上下臂连接处b点依次经电阻R4、电感L2接B相，其第三桥臂的上下臂连接处c点依次经电阻R5、电感L3接C相，A相、B相、C相连接于中心点N。
3.根据权利要求2所述三相多电平PWM变换器的并联结构，其特征在于所述电压采样电路(1)为由电阻队与电阻&串联组成的分压电路，电阻队与&串联后与所述负载&并联，电阻队和电阻&的节点接所述电压传感器(2)的输入端。
4.根据权利要求3所述的三相多电平PWM变换器的并联结构，其特征在于所述电压传感器(2)采用霍尔电压传感器，其型号为SKIT_V25V6。
全文摘要
本发明涉及一种三相多电平PWM变换器的并联结构，适用于分布式电源、可再生能源发电并网、充放电及其储能等系统。本发明包括2个以上的三相多电平PWM变换器及其控制电路单元、数字信号处理器和三相交流电源电路；其还包括1个公用的统一电压调节器；所述统一电压调节器由电压采样电路、电压传感器、第三加法器和外环电压PI调节器组成；所述电压采样电路与所述负载RL并联。本发明的优点是解决了在并联运行时各三相多电平PWM变换器能量流向的一致性问题，避免了环流的产生，同时解决了各三相多电平PWM变换器并联运行时的均流问题，本发明适用于大功率、规模化电力电子变流应用场合。
文档编号H02M7/23GK102291024SQ20111018961
公开日2011年12月21日 申请日期2011年7月7日 优先权日2011年7月7日
发明者岳啸鸣, 张波, 李铁成, 杨润武, 潘瑾, 范辉, 董清, 谷建成, 颜湘武 申请人:河北省电力研究院