一種模塊化多電平逆變器及其無差拍控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明專利屬于高壓大功率電力電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種模塊化多電平逆變 器及其無差拍控制方法
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的電網(wǎng)輸配電系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足社會需 求，對電力系統(tǒng)的控制能力、輸送能力要求越來越高，高壓大功率電力電子變換器件應(yīng)運而 生；其次，隨著高壓大功率交流電機的廣泛運用，為實現(xiàn)其調(diào)速，對高壓變換開關(guān)器件的性 能提出了很高的要求，從而催生多電平逆變器的發(fā)展；再者，能源與環(huán)境問題日益嚴重，為 減少有害氣體排放，常規(guī)電力系統(tǒng)向基于可再生能源的分布式發(fā)電過渡，尤以風電與光伏 發(fā)電為主，這種情況下采用高質(zhì)量、高可控性的輸電方式成為熱點，由此推動了高壓大功率 電力電子技術(shù)的發(fā)展。
[0003] 多電平逆變器的種類繁多，目前比較常見的拓撲結(jié)構(gòu)主要分為三類：二極管鉗位 型多電平逆變器、飛跨電容型多電平逆變器和級聯(lián)Η橋型多電平逆變器。二極管鉗位型多 電平逆變器同時具有多重化和脈寬調(diào)制的優(yōu)點，但存在對二極管耐壓要求高，所需二極管 數(shù)量龐大，開關(guān)器件導通負荷不一致，控制復雜等缺陷；飛跨電容型多電平逆變器的輸出電 平數(shù)擴展簡單，控制靈活，不需要鉗位二極管，且只需一個獨立直流電源供電，但也存在電 容數(shù)量大，器件的開關(guān)頻率和開關(guān)損耗大，導通負荷不一致的問題；級聯(lián)Η橋型多電平逆變 器無需大量鉗位二極管和飛跨電容，輸出電壓諧波含量少，但需多個獨立直流電源，不能四 象限運行。隨著電力電子技術(shù)的進一步發(fā)展，一種新的多電平逆變器誕生，即模塊化多電平 逆變器（MMC)，與之前的多電平逆變器相比，除了具有它們本身的優(yōu)點之外，還展現(xiàn)出更多 的優(yōu)勢：模塊化程度高，電路拓撲結(jié)構(gòu)清晰，單一器件電流容量小，發(fā)生故障能快速切除等。
[0004] 對于模塊化多電平逆變器，其控制方式主要包括：逆變器的功率控制，子模塊的平 衡控制和逆變器的調(diào)制算法。其中，子模塊的平衡控制包括均壓控制和穩(wěn)壓控制，每個子模 塊的穩(wěn)壓控制包括兩個ΡΙ環(huán)節(jié)，每相橋的均壓控制也包含一個ΡΙ環(huán)節(jié)。因此，系統(tǒng)中將出 現(xiàn)大量的ΡΙ環(huán)節(jié)，對于整個系統(tǒng)的調(diào)試相當困難。本發(fā)明只在系統(tǒng)中引入一個ΡΙ環(huán)節(jié)，即 可實現(xiàn)控制目的，很大程度上減輕了系統(tǒng)的調(diào)試工作，降低了運算復雜度，提高了系統(tǒng)響應(yīng) 速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種模塊化多電平逆變 器及其無差拍控制方法，這種控制方法減少了ΡΙ調(diào)節(jié)器，降低了運算復雜度，提高了系統(tǒng) 響應(yīng)速度。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種模塊化多電平逆變器，采用三相六橋臂拓撲結(jié)構(gòu)，每相包括上、下兩個橋臂， 每個橋臂由Ν個SM子模塊和1個電感L串聯(lián)而成，上橋臂和下橋臂連接點引出相線；三條 相線接入公共電網(wǎng)；每相上橋臂的N個SM子模塊依次記為SMpl，SMp2,…，SMpN;每相下橋臂 的N個SM子模塊依次記為SMnl，SMn2，…，SMnN;
[0008] 每個SM子模塊是一個半橋變流器，由兩個IGBT管T1和T2、兩個二極管D1和D2 和一個電容C構(gòu)成；其中，IGBT管T1的發(fā)射極與IGBT管T2的集電極相連并構(gòu)成SM的正 端，IGBT管T1的集電極與電容C的正極相連，IGBT管T2的發(fā)射極與電容的負極相連并構(gòu) 成SM的負端；D1與T1反向并聯(lián)，D2與T2反向并聯(lián)；IGBT管T1和T2的門極均接收控制脈 沖信號；
[0009] 每相上橋臂的N個SM子模塊和1個電感L依次串聯(lián)，S卩SMpl的正端與直流側(cè)正極 相連；處于中間的SMP^正端與SMpUυ的負端相連，SMP^負端與SMpU+1)的正端相連，i= 2,3，"·，Ν-1 ;SMP，、端與電感L一端相連，電感L另一端引出相線；
[0010] 每相下橋臂的電感L和N個SM子模塊依次串聯(lián)，即電感L一端引出相線，電感L另 一端與SMnl正端相連；處于中間的SMn^正端與SMnU1}的負端相連，SMn^負端與SMn(i+1) 的正端相連，i= 2,3，…，N-1 ;SMnN負端與直流側(cè)負極相連；
[0011] 直流側(cè)電源中點接地。
[0012] 一種模塊化多電平逆變器的無差拍控制方法，所述模塊化多電平逆變器為上述的 模塊化多電平逆變器，無差拍控制方法包括環(huán)流控制和無差拍電流跟蹤控制；
[0013] 對于三相（A相、B相和C相）中的任一相，所述環(huán)流控制方法為：
[0014] 1)依次檢測該相的上橋臂和下橋臂各個SM子模塊中電容的電壓，記為，其中下 標i表示該相橋臂SM子模塊的序號，i= 1，2,…，2N;得到該相上橋臂和下橋臂所有SM子 模塊的電容電壓平均值
其中，2N為該相上橋臂和下橋臂所有SM子模塊 的個數(shù)；
[0015] 2)設(shè)每個SM子模塊中電容電壓的參考值為U_f，將1]"^與1]。作差后經(jīng)過PI調(diào)節(jié) 器得到該相環(huán)流的參考值I"mf;所述無差拍電流跟蹤控制方法為：
[0016] a)設(shè)該相輸出電流參考值為I_f (1_油負載功率決定），分別根據(jù)以下公式計算 該相上橋臂和下橋臂的電流參考值Ipraf和Inraf:
[0017]Ipref=(21cirref+Iaref)/2
[0018] Inref= (21 cirref-Iaref)/2 ;
[0019] b)檢測流過該相上橋臂和下橋臂的電流，分別記為IjpIn，根據(jù)以下公式計算得 到該相上橋臂和下橋臂的調(diào)制電壓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。為模塊化多電平逆變器直流側(cè)電源電壓；Ua為模塊化多電平逆變器該相 輸出電壓的測量值；L為模塊化多電平逆變器橋臂電感值；T為控制周期；
[0023] c)對U_f和U_f采用最優(yōu)電平逼近的方式進行調(diào)制，得到該相各SM子模塊的控 制脈沖信號。
[0024] 所述步驟2)具體為：設(shè)每個SM子模塊中電容電壓的參考值為U_f，根據(jù)以下公式 計算該相環(huán)流的參考值Idmf:
[0026] 其中，2N為該相上橋臂和下橋臂所有SM子模塊的個數(shù)，1/s為積分因子；Kp為比例 系數(shù)，Κρ= 1，Ki為積分系數(shù)，Κ50。
[0027] 作為本發(fā)明的一種實施例，所述電感L取值為5mH，控制周期T取值為0. 0001 秒，SM子模塊中電容電壓參考值U_f取值為100V，該相輸出電流參考值I取值為 40sin(100πt)A，直流側(cè)電源電壓Ud。取值為900V，N取值為9。
[0028] 本發(fā)明的有益效果是：1)與傳統(tǒng)的模塊化多電平逆變器的控制方法相比較，減少 了大量的PI環(huán)節(jié)，只采用一個PI環(huán)節(jié)即可實現(xiàn)控制目的，簡化了控制過程；2)降低了運算 復雜度，節(jié)省了系統(tǒng)的調(diào)試時間，提高了效率；3)縮短了系統(tǒng)的響應(yīng)時間，加快了系統(tǒng)的響 應(yīng)速度。
【附圖說明】
[0029] 圖1為模塊化多電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)圖；
[0030] 圖2為無差拍控制系統(tǒng)示意圖；圖2(a)為無差拍控制系統(tǒng)框圖；圖2(b)為環(huán)流控 制框圖；
[0031] 圖3為A相輸出電流波形；
[0032] 圖4為A相輸出電流諧波畸變率；
[0033] 圖5為A相環(huán)流波形；
[0034] 圖6為A相上橋臂子模塊電容電壓波形；
【