一种模块化多电平四象限变频器及其控制方法与流程

本发明涉及一种模块化多电平换流器，特别涉及一种模块化多电平四象限变频器及其控制方法，属于电力电子领域。

背景技术：

抽水蓄能电站具有运行灵活、快速、可靠等特点，在电网中承担着调峰填谷、调频调相等重要任务。传统的抽水蓄能机组多为同步发电电动机组，其存在调速或水轮发电机变速困难等问题。采用四象限变频器可有效实现抽水蓄能机组的变速运行，提高系统效率和稳定性。模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,mmc)因其模块化结构、多电平电压输出、方便扩展、模块数目与功率等级不受限制等优势，特别适用于抽水蓄能这类高压大功率变频应用。目前基于mmc型的四象限变频器，大多是直接将两台mmc背靠背连接，利用网侧mmc实现对电网有功、无功功率调节，利用机侧mmc实现变频调速，如孟昭军等人的《基于mmc的全功率可变速抽水蓄能系统》(详见专利cn108539779a)。但是机侧mmc应用于变频调速时，由于mmc子模块电容器是独立悬浮的，电容会上存在一个近似与输出电流幅值成正比、与运行频率成反比的电压波动。因此在驱动电机大转矩低速运行时，需采用极大容量的电容将电压波动限制在合理范围，增加了变频器的体积和成本。

对于mmc低速下的电容电压波动问题目前有两种主流解决方案：一种是在mmc的桥臂及输出端引入高频的共模电流及电压，加快电容充放电的频率实现降低波动，如公开号为cn103337977的发明专利《一种模块化多电平变换器的低频模式运行控制方法》；另一种是在低速时降低mmc的直流母线电压，从而降低子模块电容的输入功率，实现电容电压波动的减小，如公开号为cn105915090a的发明专利《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》。但是前者会在电机端带来严重的共模电压问题，同时引入的共模电流会增大mmc桥臂电流应力，加剧损耗；而后者会使直流侧电流断续，带来严重的谐波问题，需要在直流侧增加额外的滤波装置。此外，这些方案也都未考虑四象限运行的情况。

技术实现要素：

针对上述不足，本发明提供一种能够有效抑制低速下的子模块电容电压波动、减少体积和成本的模块化多电平四象限变频器及其控制方法。

本发明的一种模块化多电平四象限变频器，所述变频器包括网侧模块化多电平换流器和机侧模块化多电平换流器，其特征在于，所述变频器还包括双向开关，所述双向开关包括正向开关和反向开关；正向开关和反向开关分别串联在网侧模块化多电平换流器和机侧模块化多电平换流器之间的直流母线上。

优选的是，所述正向开关采用全控型电力电子器件，则反向开关采用半控型电力电子器件或不可控器件；

或者：所述正向开关采用半控型电力电子器件，则反向开关采用全控型电力电子器件或半控型电力电子器件或不可控器件。

优选的是，所述正向开关和反向开关各采用多个器件串联而成，正向开关和反向开关中串联的器件数量相同。

优选的是，正向开关串联在直流母线的正母线上或负母线上；反向开关串联在直流母线的正母线上或负母线上；

当正向开关和反向开关同时串联在正母线或负母线上时，正向开关和反向开关并联。

优选的是，网侧模块化多电平换流器包括三相电路，每一相包括上下两个桥臂，每个桥臂由n个子模块和一个电感器l串联构成，每个子模块均为半桥结构；

机侧模块化多电平换流器与网侧模块化多电平换流器结构相同。

本发明还提供了所述模块化多电平四象限变频器的控制方法，包括：

当电机工作在电动机状态时，正向开关工作，反向开关始终断开，且当idc＝idc时，正向开关导通；当idc＝0时，正向开关断开；idc表示直流母线电流，idc表示额定功率下、占空比为1时的直流电流idc的幅值；

当电机工作在发电机状态时，反向开关工作，正向开关始终断开，且当idc＝-idc时，反向开关导通；当idc＝0时，反向开关断开。

优选的是，正向开关/反向开关的关断与导通通过控制机侧模块化多电平换流器的直流侧输出电压udcm实现。

优选的是，所述方法还包括：

在正向开关和反向开关均断开时，将机侧模块化多电平换流器的直流侧输出电压udcm降低至2um，um表示电机定子电压um的幅值。

本发明的有益效果，本发明相比传统背靠背模块化多电平换流器，所提拓扑结构可有效抑制低速下的电容电压波动，显著减小变频器成本与体积，十分适用于抽水蓄能等高压大功率的四象限变频应用场合。此外，本发明避免了在电机端引入共模电压，不会额外增大桥臂电流应力，直流侧也无需额外的滤波装置。

附图说明

图1是本发明提出的模块化多电平四象限变频器的结构示意图；

图2是本发明提出的模块化多电平四象限变频器的一种接线形式示意图；

图3是本发明提出的模块化多电平四象限变频器的一种接线形式示意图；

图4是本发明提出的模块化多电平四象限变频器的一种接线形式示意图；

图5是正向开关采用igbt、反向开关采用晶闸管的示意图；

图6是正向开关采用igbt、反向开关采用二极管的示意图；

图7是正向开关采用晶闸管、反向开关采用igbt的示意图；

图8是正向开关采用晶闸管、反向开关采用晶闸管的示意图；

图9是正向开关采用晶闸管、反向开关采用二极管的示意图；

图10是正向开关采用igbt串联、反向开关采用晶闸管串联的示意图；

图11是正向开关采用igbt串联、反向开关采用二极管串联的示意图；

图12是正向开关采用晶闸管串联、反向开关采用igbt串联的示意图；

图13是正向开关采用晶闸管串联、反向开关采用晶闸管串联的示意图；

图14是正向开关采用晶闸管串联、反向开关采用二极管串联的示意图；

图15是模块化多电平换流器的示意图；

图16是本发明工作在低速电动机模式下网侧mmc的实例波形，机侧mmc输出频率5hz；

图17为本发明工作在低速电动机模式下机侧mmc的实例波形，机侧mmc输出频率5hz；

图18为本发明工作在低速发电机模式下网侧mmc的实例波形，网侧mmc输出频率5hz；

图19为本发明工作在低速发电机模式下网侧mmc的实例波形，机侧mmc输出频率5hz。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施方式的一种模块化多电平四象限变频器，所述变频器包括网侧模块化多电平换流器(网侧mmc)和机侧模块化多电平换流器(机侧mmc)，所述变频器还包括双向开关，所述双向开关包括正向开关和反向开关；正向开关和反向开关各串联在网侧mmc和机侧mmc之间，具体为：网侧mmc交流端与电网相连，网侧mmc直流端与双向开关的一端连接，机侧mmc交流端与电机相连，直流端与双向开关的另一端连接；

本实施方式的正向开关和反向开关与网侧mmc和机侧mmc的接线方式有多种，正向开关串联在直流母线的正母线上或负母线上；反向开关串联在直流母线的正母线上或负母线上；当正向开关和反向开关同时串联在正母线或负母线上时，正向开关和反向开关并联，如图1、图2、图3和图4。

本实施方式能够有效抑制低速下的子模块电容电压波动，显著减少电容容量，降低变频器的体积和成本。不会在电机端产生有害的共模电压，对电机好。mmc直流侧不需要额外的滤波装置。具备四象限运行能力，实现功率从电机回馈至电网，节能环保。优选实施例中本实施方式的正向开关采用全控型电力电子器件，则反向开关采用半控型电力电子器件或不可控器件；

当正向开关采用全控型电力电子器件时，如金属-氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)、绝缘栅双极型晶体管(igbt)、集成门极换流晶闸管(igct)或门极可关断晶闸管(gto))，反向开关可采用半控型电力电子器件，如晶闸管，如图5所示，或不可控器件，如二极管，如图6所示。

或者：所述正向开关采用半控型电力电子器件，则反向开关采用全控型电力电子器件或半控型电力电子器件或不可控器件。

当正向开关采用半控型电力电子器件时，如晶闸管，反向开关可采用全控型电力电子器件，如igbt、igct、gto，如图7所示，或半控型器件，如晶闸管，如图8所示，或不可控器件，如二极管，如图9所示。

本实施方式的正向开关和反向开关可以是以上单个器件，也可以是多个器件串联，正向开关和反向开关中串联的器件数量相同，如图10、图11、图12、图13、图14所示。

本实施方式的网侧mmc包括三相电路，每一相包括上下两个桥臂，每个桥臂包括n个子模块和一个电感器l，每个子模块均为半桥结构，n个子模块和一个电感器l串联连接；

机侧mmc与网侧mmc结构相同。

本实施方式的模块化多电平四象限变频器需分别对网侧mmc和机侧mmc进行控制。其中网侧mmc的作用是在确保电网电压ug恒定的基础上，通过调节电网电流ig，实现有功功率的平衡并确保电网单位功率因数；另一方面，网侧mmc需要控制直流母线电压，通过调节各个桥臂输出电压的直流成分，使其直流侧输出电压udcg始终等于直流母线电压的额定值udc。

机侧mmc主要实现两个功能：一是控制电机定子的电压um对电机进行速度和转矩控制；二是将直流母线电流idc控制为幅值恒定、占空比可调的方波。其中idc的幅值为额定功率下、占空比为1时的直流电流幅值idc。当驱动恒转矩负载调速时，电机定子端的有功功率随转速变化，通过调节idc的占空比实现机侧mmc直流侧与交流侧有功功率平衡。

本实施方式中模块化多电平四象限变频器的控制方法，包括：

当电机工作在电动机状态时，有功功率从网侧mmc传向机侧mmc，正向开关工作，反向开关始终断开，且当idc＝idc时，正向开关导通；当idc＝0时，正向开关断开；idc表示直流母线电流，idc表示额定功率下、占空比为1时的直流电流idc的幅值；

当电机工作在发电机状态时，有功功率从机侧mmc传向网侧mmc，反向开关工作，正向开关始终断开，且当idc＝-idc时，反向开关导通；当idc＝0时反向开关断开。

正向开关/反向开关的关断与导通通过控制机侧mmc的直流侧输出电压udcm实现。

在双向开关断开后，降低udcm可减小机侧mmc桥臂吸收的功率波动，从而实现子模块电容电压波动抑制，而udcm至少需提供足够电压驱动电机，即udcm最低为2um，um是电机定子电压um的幅值。当电机转速很低时，um通常很小，电容电压波动抑制效果显著。

图16、图17、图18和图19为所述的新型模块化多电平四象限变频器实施实例。其中直流母线电压udc＝20kv，子模块个数n＝20,子模块电容34mf，桥臂电感1mh，正向开关与反向开关均采用晶闸管级联，图13所示。图16和图17为电机工作在低速电动机模式，这时网侧mmc运行频率与电网50hz相同，网侧mmc直流电压udcg为20kv，直流电流idc为方波且恒大于等于零，表明有功功率从网侧传向机侧。而机侧mmc运行频率为5hz，其直流电压udcm为方波，电容电压波动幅值仅为150v左右，变频器可正常稳定运行。图18和图19为电机工作在低速发电机模式的波形，此时直流电流idc变为恒小于等于零的方波，表明电机向电网回馈有功功率。机侧mmc运行频率仍为5hz，其电容电压波动幅值仅有120v左右，变频器依旧能够正常稳定运行。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。