專(zhuān)利名稱(chēng):?jiǎn)蜗喽嚯娖絧wm變換器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種單相多電平PWM變換器的并聯(lián)結(jié)構(gòu),適用于分布式電源、可再生能源發(fā)電并網(wǎng)、充放電及其儲(chǔ)能等系統(tǒng)。
背景技術(shù):
近年來(lái)電力電子技術(shù)不斷發(fā)展,被廣泛應(yīng)用于需要電能變換的各個(gè)領(lǐng)域。在低壓小功率的用電領(lǐng)域,電力電子技術(shù)趨于成熟,而在高壓大功率應(yīng)用領(lǐng)域,多電平功率變換技術(shù)逐漸成為研究的核心和熱點(diǎn)問(wèn)題。多電平變換技術(shù)是一種通過(guò)改進(jìn)變換器自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓大功率輸出的新型變換器,它無(wú)需升壓變壓器和均壓變壓電路。由于輸出電壓電平數(shù)增加,使得輸出波形具有更好的諧波頻譜,每個(gè)開(kāi)關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力減小。多電平變換技術(shù)已成為電力電子技術(shù)中,以高壓大功率變換為研究對(duì)象的一個(gè)新的研究領(lǐng)域。多電平變換器之所以成為高壓大功率變換的研究熱點(diǎn),是因?yàn)樗哂幸韵绿攸c(diǎn)
(1)每個(gè)功率器件僅承受1/(n-1)的母線電壓(η為電平數(shù));
(2)電平數(shù)的增加,改善了輸出電壓波形,減小了輸出電壓波形畸變(THD);
(3)可以以較低的開(kāi)關(guān)頻率獲得和高開(kāi)關(guān)頻率下兩電平變換器相同的輸出電壓波形, 從而降低了開(kāi)關(guān)損耗;
(4)無(wú)需輸出變壓器,大大減小了系統(tǒng)的體積和損耗。多電平PWM變換器可以有效抑制PWM控制所造成的高次諧波,PWM控制可以減少多電平PWM變換器輸出的階梯形電壓中含有的低次諧波,因此二者結(jié)合才能獲得最佳的頻譜特性。隨著分布式電源,可再生能源發(fā)電并網(wǎng),充放電及其儲(chǔ)能等技術(shù)的發(fā)展,多電平PWM 變換器應(yīng)用程度得到進(jìn)一步深化,大功率、規(guī)?;こ虘?yīng)用勢(shì)在必行。然而多電平PWM變換器采用積木方式并聯(lián)擴(kuò)大容量的方法遇到了問(wèn)題。由于多電平PWM變換器一般采用雙閉環(huán)控制策略,外環(huán)控制多電平PWM變換器的直流輸出電壓Udc,內(nèi)環(huán)控制變換器網(wǎng)側(cè)交流電流; 并且在滿足恒值控制直流電壓Ud。的目標(biāo)下,能量自動(dòng)雙向變換,即當(dāng)直流側(cè)電壓高于給定值時(shí),調(diào)節(jié)器作用的同時(shí),能量自動(dòng)從直流側(cè)流向變換器網(wǎng)側(cè);當(dāng)直流側(cè)電壓低于給定值時(shí),調(diào)節(jié)器作用的同時(shí),能量自動(dòng)從變換器網(wǎng)側(cè)流向直流側(cè)。由于各個(gè)變換器給定參數(shù)以及調(diào)節(jié)參數(shù)的分散性,可能造成給定參數(shù)的細(xì)小差異,以及調(diào)節(jié)參數(shù)的不一致,當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)多電平PWM變換器并聯(lián)時(shí),在同一時(shí)刻,將可能出現(xiàn)部分變換器工作在整流狀態(tài),部分變換器工作在逆變狀態(tài)。由于各多電平PWM變換器的內(nèi)阻均極小,這種部分整流、部分逆變的情形可能在并聯(lián)的多電平PWM變換器之間形成大的環(huán)流,輕則影響變換器的正常工作,影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,降低系統(tǒng)的性能;重則危害,甚至損壞三相多電平PWM變換器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)。因此,一般不允許多電平PWM變換器并聯(lián)工作。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠解決并聯(lián)多電平PWM變換器能量流向的一致性問(wèn)題,避免環(huán)流的產(chǎn)生,并且能夠解決多電平PWM變換器并聯(lián)均流難題的單相多電平PWM變換器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案
一種單相多電平PWM變換器的并聯(lián)結(jié)構(gòu),其包括2個(gè)以上的單相多電平PWM變換器及其控制電路單元、數(shù)字信號(hào)處理器和單相交流電源電路;其還包括1個(gè)公用的統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)器;所述各單相多電平PWM變換器及其控制電路單元的輸入端并聯(lián)后接所述單相交流電源電路,其輸出端并聯(lián)后接同一負(fù)載述統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)器由電壓采樣電路、電壓傳感器、第三加法器和外環(huán)電壓PI調(diào)節(jié)器組成;所述電壓采樣電路與所述負(fù)載&并聯(lián),所述電壓采樣電路的輸出端依次經(jīng)所述電壓傳感器、第三加法器接所述外環(huán)電壓PI調(diào)節(jié)器的輸入端,所述第三加法器的另一個(gè)輸入端接各單相多電平PWM變換器的直流輸出給定電壓 Udc*,所述外環(huán)電壓PI調(diào)節(jié)器的輸出端分別接所述各單相多電平PWM變換器及其控制電路單元中的控制電路的相應(yīng)輸入端。所述單相交流電源電路由單相交流電源的火線及零線、電阻R3、電感L1組成;所述單相多電平PWM變換器的第一橋臂的上下臂連接處a點(diǎn)依次經(jīng)電阻R3、電感L1接單相交流電源的火線,其第二橋臂的上下臂連接處b點(diǎn)接單相交流電源的零線。所述電壓采樣電路為由電阻隊(duì)與電阻&串聯(lián)組成的分壓電路,電阻隊(duì)與&串聯(lián)后與所述負(fù)載&并聯(lián),電阻R1和電阻&的節(jié)點(diǎn)接所述電壓傳感器的輸入端。本發(fā)明的有益效果如下
(1)將各并聯(lián)的單相多電平PWM變換器的外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器獨(dú)立出來(lái),形成一個(gè)公用的統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)器,解決了在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)各單相多電平P麗變換器能量流向的一致性問(wèn)題, 避免了環(huán)流的產(chǎn)生。(2)以統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)器的輸出控制電壓作為各并聯(lián)單相多電平PWM變換器有功電流給定分量,功率因數(shù)或網(wǎng)側(cè)無(wú)功功率換算為無(wú)功電流給定分量,各并聯(lián)單相多電平PWM 變換器采用閉環(huán)電流控制實(shí)現(xiàn)并聯(lián)均流控制,同時(shí)解決了各單相多電平PWM變換器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的均流問(wèn)題。(3)本發(fā)明適用于大功率、規(guī)模化電力電子變流應(yīng)用場(chǎng)合。
圖1為本發(fā)明的原理框圖2為典型單相三電平PWM變換器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖; 圖3為單相多電平PWM變換器的控制電路的原理框圖; 圖4為單相多電平PWM變換器多單元并聯(lián)的具體實(shí)施方式
框圖。
具體實(shí)施例方式本實(shí)施例為單相多電平PWM變換器(單相三電平PWM變換器)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)(參見(jiàn)圖 1-4)。如圖1所示,本實(shí)施例包括2個(gè)以上的單相多電平PWM變換器及其控制電路單元和數(shù)字信號(hào)處理器;還包括ι個(gè)公用的統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)器;所述各單相多電平PWM變換器及其控制電路單元的輸入端并聯(lián)后接同一單相交流電源電路,其輸出端并聯(lián)后接同一負(fù)載Rl ;所述統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)器由電壓采樣電路1、電壓傳感器2、第三加法器3和外環(huán)電壓PI調(diào)節(jié)器4組成;所述電壓采樣電路1與所述負(fù)載&并聯(lián),所述電壓采樣電路1的輸出端依次經(jīng)所述電壓傳感器2、第三加法器3接所述外環(huán)電壓PI調(diào)節(jié)器4的輸入端,所述第三加法器3 的另一個(gè)輸入端接各單相多電平PWM變換器的直流輸出給定電壓Udc*,所述外環(huán)電壓PI調(diào)節(jié)器4的輸出端分別接所述各單相多電平PWM變換器及其控制電路單元中的控制電路的相應(yīng)輸入端。。圖2為典型的單相多電平PWM變換器拓?fù)潆娐?,功率開(kāi)關(guān)管(V1 >8)為含有反并聯(lián)二極管的IGBT,V1和V3構(gòu)成第一上臂,V5和V7構(gòu)成第一下臂,V2和V4構(gòu)成第二上臂,V6 和V8構(gòu)成第二下臂,第一上臂和第一下臂串聯(lián)構(gòu)成第一橋臂,第二上臂和第二下臂串聯(lián)構(gòu)成第二橋臂,VD1和VD3為第一箝位二極管,VD2和VD4為第二箝位二極管,直流側(cè)濾波電容器Q、C2,交流電源火線依次經(jīng)電阻R3、線性電感L1接入第一橋臂的上下臂連接處a點(diǎn),零線直接接第二橋臂的上下臂連接處b點(diǎn)。所述單相多電平PWM變換器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)是指由并聯(lián)單元1、并聯(lián)單元2、…、并聯(lián)單元N并聯(lián)組成的電路,其中每個(gè)并聯(lián)單元由單相多電平PWM變換器及其控制電路組成。其特點(diǎn)是各個(gè)變流電路的交流側(cè)取自同一個(gè)交流電源電路,直流側(cè)并聯(lián)構(gòu)成直流母線,共同分擔(dān)直流負(fù)載&。圖3所示為單相多電平PWM變換器的控制框圖。控制方法基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制技術(shù),采用雙閉環(huán)控制,外環(huán)為電壓控制環(huán),內(nèi)環(huán)為網(wǎng)側(cè)電流控制環(huán)?,F(xiàn)詳細(xì)說(shuō)明如下
外環(huán)以直流輸出電壓信號(hào)作為電壓反饋量,經(jīng)R1, R2組成的分壓電路1分壓、電壓傳感器2獲得,以直流輸出給定電壓Ud:為恒值目標(biāo),經(jīng)外環(huán)電壓PI調(diào)節(jié)器4進(jìn)行比例-積分處理,輸出控制電流i/ ;內(nèi)環(huán)分為d軸電流調(diào)節(jié)器6和q軸電流調(diào)節(jié)器5,其過(guò)程是取變換
器交流側(cè)電流信號(hào),利用ijp信號(hào)
生成器10和α β/dq變換11,解耦得到與電壓合成矢量同方向的直流電流分量id、與電壓合成矢量垂直的直流電流分量i,;由于id與電壓合成矢量同方向,因此id稱(chēng)為電流有功分量,控制id可調(diào)節(jié)變換器的有功功率,而、稱(chēng)為電流無(wú)功分量,控制、可調(diào)節(jié)變換器的無(wú)功功率;取變換器交流側(cè)電壓接入鎖相環(huán)8和空間矢量相位計(jì)算環(huán)節(jié)9,空間矢量相位計(jì)算環(huán)節(jié)9輸出正弦、余弦信號(hào)(sine )、( C0s θ )至α β/dq變換器11和dq / α β變換器14, dq / α β變換器14再經(jīng)過(guò)串聯(lián)的α β/abc變換器15、SVPWM信號(hào)生成器16與多電平PWM
變換器連接;變換器交流側(cè)1&信號(hào)生成器10,再連接α β/dq變換器11,α β/dq變換器
11兩路輸出,其中i,信號(hào)經(jīng)第一加法器12、q軸電流調(diào)節(jié)器5與dq /α β變換器14變?yōu)?Ua輸出,id信號(hào)經(jīng)第二加法器13、d軸電流調(diào)節(jié)器6與dq /a β變換器14變?yōu)閁0輸出; Ua、Ue經(jīng)abc/a β變換器15生成11二111;、11。*;11二111;、11。*經(jīng)3¥ 麗信號(hào)發(fā)生器16后,輸出六路PWM逆變器橋臂功率管的控制信號(hào)。在直流正、負(fù)母線之間并聯(lián)R1A2組成的分壓電路 1,分壓電路1經(jīng)過(guò)電壓傳感器2、第三加法器3、外環(huán)電壓PI調(diào)節(jié)器4與第二加法器13連接。所述電壓傳感器2采用霍爾電壓傳感器,其型號(hào)為SKIT_V25V6。所述第三加法器3和外環(huán)電壓PI調(diào)節(jié)器4均由軟件實(shí)現(xiàn),所述軟件安裝在所述數(shù)字信號(hào)處理器中,所述數(shù)字信號(hào)處理器的型號(hào)為觀12。
具體運(yùn)算過(guò)程現(xiàn)詳細(xì)說(shuō)明如下
1.通過(guò)鎖相環(huán)電路8實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)e的相位,經(jīng)空間矢量相位計(jì)算環(huán)節(jié)9確定電壓定向矢量的位置角θ,求得正弦、余弦函數(shù)sine、C0s θ并將其輸出至α β/dq變換器11和dq / α β變換器14中。2. α β /dq變換器11根據(jù)輸入的θ的正弦、余弦函數(shù)sin θ、cos θ,實(shí)現(xiàn)α β 兩相靜止坐標(biāo)系至dq同步旋轉(zhuǎn)止坐標(biāo)系的變換,將靜止坐標(biāo)系下正弦分量ia、ie最終變換為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下直流分量id,、。3.以外環(huán)電壓PI調(diào)節(jié)器4的輸出i/作為d軸電流調(diào)節(jié)器6的給定參數(shù),交流電流解耦得到的直流分量id作為d軸電流調(diào)節(jié)器6的反饋,外環(huán)電壓PI調(diào)節(jié)器4的輸出i/ 與交流電流解耦得到的直流分量id先經(jīng)過(guò)第二加法器13、在經(jīng)過(guò)d軸電流調(diào)節(jié)器6運(yùn)算輸出控制電壓u/。4.以無(wú)功功率或功率因數(shù)換算的無(wú)功電流分量;作為q軸電流調(diào)節(jié)器5的給定參數(shù),交流電流解耦得到的直流分量、作為q軸電流調(diào)節(jié)器5的反饋,無(wú)功電流分量與交流電流解耦得到的直流分量、先經(jīng)過(guò)第一加法器12、在經(jīng)過(guò)q軸電流調(diào)節(jié)器5輸出控制電壓<"。5. dq / α β變換器14變換根據(jù)輸入的θ的正弦、余弦函數(shù)sin θ、cos θ,實(shí)現(xiàn) dq同步旋轉(zhuǎn)止坐標(biāo)系至α β兩相靜止坐標(biāo)系的變換,將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d軸電流調(diào)節(jié)器、q軸電流調(diào)節(jié)器輸出的控制電壓u/、u;變換為靜止坐標(biāo)系下正弦分量Ua、U0。6.兩相靜止坐標(biāo)系下正弦分量ua、ue進(jìn)一步經(jīng)abc/ α β變換器15將兩相靜止坐標(biāo)系變換為三相靜止坐標(biāo)系,得到預(yù)期的PWM變換器網(wǎng)側(cè)三相電壓iC,ub*, u;;再通過(guò) SVPWM信號(hào)生成器16脈寬調(diào)制后,輸出多電平PWM變換器橋臂功率管的控制信號(hào)。由于解耦之后,單相多電平PWM變換器的有功功率與d軸電流分量成正比,無(wú)功功率與q軸電流分量成正比,其規(guī)律滿足關(guān)系式(1 ),其中Ue為電網(wǎng)相電壓有效值。
因此,控制d軸電流分量可調(diào)節(jié)有功功率即直流母線電壓,控制q軸電流分量可調(diào)節(jié)無(wú)功功率或功率因數(shù),實(shí)現(xiàn)PWM變換器的直流電壓和網(wǎng)側(cè)無(wú)功功率的獨(dú)立控制,并使系統(tǒng)具有好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。 圖4為單相多電平PWM變換器并聯(lián)結(jié)構(gòu)的具體實(shí)施方式
框圖。所述多單元多電平 PWM變換器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)由并聯(lián)單元1、并聯(lián)單元2、···、并聯(lián)單元N組成。其中每個(gè)并聯(lián)單元由單相多電平PWM變換器及其控制電路組成。各多電平PWM變換器交流側(cè)并聯(lián)接同一交流電源;各多電平PWM變換器直流輸出并聯(lián)到直流母線,其并聯(lián)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)是
1.將各并聯(lián)的單相多電平PWM變換器的外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器獨(dú)立出來(lái),形成一個(gè)公用的統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)器,具體是以直流輸出電壓信號(hào)作為電壓反饋量,經(jīng)禮、&組成的分壓電路1 分壓、電壓傳感器2獲得電壓反饋量,以直流輸出給定電壓Ud:為恒值目標(biāo),經(jīng)外環(huán)電壓PI 調(diào)節(jié)器4進(jìn)行比例-積分處理后輸出控制電流i/,作為各并聯(lián)單相多電平PWM變換器閉環(huán)電流控制d軸電流調(diào)節(jié)器6的給定信號(hào);
2.并聯(lián)單元1的閉環(huán)電流控制分為d軸電流調(diào)節(jié)器6和q軸電流調(diào)節(jié)器5,以統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)器的輸出控制電流id*作為d軸電流調(diào)節(jié)器6的給定信號(hào),交流電流解耦得到的直流分量id作為d軸電流調(diào)節(jié)器6的反饋,經(jīng)d軸電流調(diào)節(jié)器6輸出控制電壓ud* ;以無(wú)功功率或功率因數(shù)換算的無(wú)功電流分量作為q軸電流調(diào)節(jié)器5的給定信號(hào),交流電流解耦得到的直流分量、作為q軸電流調(diào)節(jié)器5的反饋,經(jīng)q軸電流調(diào)節(jié)器5輸出控制電壓u,*, 并聯(lián)單元1的電流矢量控制過(guò)程具體與上述圖3中的單相多電平PWM變換器的內(nèi)環(huán)電流矢量控制相同。并聯(lián)單元2至并聯(lián)單元N的工作原理與并聯(lián)單元1相同。
這樣,一方面,克服了并聯(lián)單相多電平PWM變換器給定參數(shù)以及調(diào)節(jié)參數(shù)的分散性,避免了在并聯(lián)運(yùn)行過(guò)程中部分變換器工作在整流狀態(tài),部分變換器工作在有源逆變狀態(tài),排除了在所并聯(lián)的單相多電平PWM變換器之間形成環(huán)流的因素;另一方面,各并聯(lián)的單相多電平PWM變換器的控制策略簡(jiǎn)化為網(wǎng)側(cè)交流電流閉環(huán)控制,實(shí)質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)變換器間的均流控制,從而,本發(fā)明解決了在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)各單相多電平PWM變換器能量流向的一致性問(wèn)題,避免了環(huán)流的產(chǎn)生;同時(shí),也解決了單相多電平PWM變換器并聯(lián)的均流難題。單相多電平PWM變換器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)及其控制方法適用于大功率規(guī)模化電力電子變流應(yīng)用場(chǎng)
I=I O
權(quán)利要求
1.一種單相多電平PWM變換器的并聯(lián)結(jié)構(gòu),其包括2個(gè)以上的單相多電平PWM變換器及其控制電路單元、數(shù)字信號(hào)處理器和單相交流電源電路;其特征在于其還包括1個(gè)公用的統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)器;所述各單相多電平PWM變換器及其控制電路單元的輸入端并聯(lián)后接所述單相交流電源電路,其輸出端并聯(lián)后接同一負(fù)所述統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)器由電壓采樣電路(1)、電壓傳感器(2)、第三加法器(3)和外環(huán)電壓PI調(diào)節(jié)器(4)組成;所述電壓采樣電路 (1)與所述負(fù)載&并聯(lián),所述電壓采樣電路(1)的輸出端依次經(jīng)所述電壓傳感器(2)、第三加法器(3)接所述外環(huán)電壓PI調(diào)節(jié)器(4)的輸入端,所述第三加法器(3)的另一個(gè)輸入端接各單相多電平PWM變換器的直流輸出給定電壓Udc*,所述外環(huán)電壓PI調(diào)節(jié)器(4)的輸出端分別接所述各單相多電平PWM變換器及其控制電路單元中的控制電路的相應(yīng)輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相多電平PWM變換器的并聯(lián)結(jié)構(gòu),其特征在于所述單相交流電源電路由單相交流電源的火線及零線、電阻R3、電感L1組成;所述單相多電平PWM變換器的第一橋臂的上下臂連接處a點(diǎn)依次經(jīng)電阻R3、電感L1接單相交流電源的火線,其第二橋臂的上下臂連接處b點(diǎn)接單相交流電源的零線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述單相多電平PWM變換器的并聯(lián)結(jié)構(gòu),其特征在于所述電壓采樣電路(1)為由電阻隊(duì)與電阻&串聯(lián)組成的分壓電路,電阻隊(duì)與&串聯(lián)后與所述負(fù)載&并聯(lián),電阻隊(duì)和電阻&的節(jié)點(diǎn)接所述電壓傳感器(2)的輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三相多電平PWM變換器的并聯(lián)結(jié)構(gòu),其特征在于所述電壓傳感器(2)采用霍爾電壓傳感器,其型號(hào)為SKIT_V25V6。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種單相多電平PWM變換器的并聯(lián)結(jié)構(gòu),適用于分布式電源、可再生能源發(fā)電并網(wǎng)、充放電及其儲(chǔ)能等系統(tǒng)。本發(fā)明包括2個(gè)以上的單相多電平PWM變換器及其控制電路單元、數(shù)字信號(hào)處理器和單相交流電源電路;其還包括1個(gè)公用的統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)器;所述統(tǒng)一電壓調(diào)節(jié)器由電壓采樣電路、電壓傳感器、第三加法器和外環(huán)電壓PI調(diào)節(jié)器組成;所述電壓采樣電路與所述負(fù)載RL并聯(lián)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是解決了在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)各單相多電平PWM變換器能量流向的一致性問(wèn)題,避免了環(huán)流的產(chǎn)生,同時(shí)解決了各單相多電平PWM變換器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的均流問(wèn)題,本發(fā)明適用于大功率、規(guī)?;娏﹄娮幼兞鲬?yīng)用場(chǎng)合。
文檔編號(hào)H02M7/23GK102255532SQ20111018962
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月7日
發(fā)明者岳嘯鳴, 李鐵成, 潘瑾, 范輝 申請(qǐng)人:河北省電力研究院