低頻工況下模塊化多電平變流器電容電壓波動抑制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種低頻工況下模塊化多電平變流器電容電壓波動抑制方法，屬于電力電子和電機傳動【技術領域】。本方法通過對模塊化多電平變流器交流側三相相電流進行閉環(huán)控制，得到滿足低頻工作需求的交流側三相相電流；通過對三相環(huán)流進行閉環(huán)控制，使環(huán)流中只含直流分量和高頻交流分量，通過在直流側中點電位疊加高頻電壓，使橋臂電壓中含有高頻零序分量；通過運算得到環(huán)流高頻交流分量以及橋臂電壓高頻零序分量的幅值、頻率、相位，使交流側相電壓、相電流中不含高頻諧波，且使子模塊充、放電的周期減小，起到抑制子模塊電容電壓波動的作用；通過對橋臂能量進行平衡控制，使各橋臂電氣量保持對稱，保證模塊化多電平變流器的對稱、平穩(wěn)運行。
【專利說明】低頻工況下模塊化多電平變流器電容電壓波動抑制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低頻工況下模塊化多電平變流器電容電壓波動抑制方法，屬于電力電子和電機傳動【技術領域】。
【背景技術】
[0002]高壓變頻技術是通過改變頻率的方式實現(xiàn)對交流電源控制的技術，變頻調速系統(tǒng)因其優(yōu)良的節(jié)能功效、高可靠性、高精度等特性，對我國節(jié)約能源和提高工業(yè)自動化水平和產品質量有著重要意義。高壓變頻器的實現(xiàn)方式較多，傳統(tǒng)上通過“高一低一高”的電路實現(xiàn)，兩側采用兩個變壓器，使得變頻器外的高電壓等級降至低壓，兩個變壓器與低壓變頻器相接，在較低電壓等級下完成頻率的變換。這種結構兩側均需要大型變壓器，體積大、成本高，輸出頻率范圍受變壓器的影響，性能不理想。
[0003]采用功率開關器件直接串聯(lián)的高壓變頻器要求功率器件特性相同，以現(xiàn)有的工業(yè)技術水平較難實現(xiàn)，對功率器件的均壓控制提出了很高要求，采用的兩電平變流器諧波分量高，會對電機壽命產生影響。
[0004]近些年發(fā)展起來的多電平變頻技術，在一些方面改進了兩電平變流器的不足，具有諧波分量低、du/dt小、功率因數高等優(yōu)點，取得了較快的發(fā)展。然而應用中點箝位型(NPC)多電平變流器和電容箝位型(FC)多電平變流器的變頻技術存在拓撲結構復雜、技術不統(tǒng)一、故障時不能持續(xù)運行等缺點。H橋級聯(lián)型多電平變流器目前應用較廣，級聯(lián)結構使其易于向更高電壓等級擴展，然而這種拓撲需要多繞組變壓器，占地面積大，成本高。
[0005]模塊化多電平變流器(Modular Multilevel Converter),作為一種多電平拓撲結構，具有多電平變流器的一般優(yōu)勢。此外，還具有高度模塊化，功率單元有極強的互換性等特點。模塊化多電平變流器采用IGBT可控功率開關，耐壓水平和開關頻率得到提高。模塊化多電平變流器可實現(xiàn)四象限運行，無需變壓器，可應用于高壓直流輸電、柔性直流輸電、STATC0M等?？伤南笙捱\行的模塊化多電平變流器的拓撲結構如圖1。
[0006]將模塊化多電平變流器應用于高壓變頻調速系統(tǒng)，可以減少諧波含量以增加電機壽命，因其高度的模塊化，支持冗余設計，可以在模塊化多電平變流器發(fā)生故障時從電路中切除故障子模塊并迅速投入備用模塊，降低故障損失。高壓變頻系統(tǒng)要求模塊化多電平變流器在低頻率工況下能夠正常運行，需要對模塊化多電平變流器的低頻控制方法進行研究。除了在高壓變頻領域，模塊化多電平變流器的低頻控制還可以應用于阻尼低頻、抑制次同步諧振等方面。
[0007]當模塊化多電平變流器應用于電機驅動、針對低頻交流系統(tǒng)領域的輕型直流輸電以及不同區(qū)域電力系統(tǒng)的“背靠背”連接等應用場合時，均存在低頻工況下電容電壓波動較大的問題。2010年清華大學劉鐘淇博士學位論文《基于模塊化多電平變流器的輕型直流輸電系統(tǒng)研究》在第20-25頁分析了電容電壓的波動規(guī)律，指出低頻工況下電容電壓的充電功率頻率較低，電容長時間保持在充電或放電狀態(tài)，電容電壓波動幅度較大。如果不采用控制手段，為抑制低頻下子模塊電容電壓的波動，只能選用容值較高的電容。由于模塊化多電平變流器子模塊數較多，增大子模塊電容容值將使裝置成本大幅增加。
[0008]在《電工技術學報》2011年第26卷第5期8_14頁刊登的《新型模塊化多電平變換器電容電壓波動規(guī)律及抑制方法》提出了一種在模塊化多電平變流器橋臂中疊加高頻零序電壓和橋臂環(huán)流的方法，用于抑制電容電壓波動。但該文獻對零序電壓的頻率、幅值未做限定，該方法會造成輸出相電壓和相電流含有高頻零序諧波，且會造成模塊化多電平變流器橋臂之間電氣量的不對稱，影響模塊化多電平變流器的輸出特性和平穩(wěn)運行。同時，該文獻對疊加的高頻環(huán)流未做閉環(huán)控制，當調制環(huán)節(jié)存在誤差時控制效果不佳，橋臂電流難以確保得到有效控制，甚至可能超出器件的耐受值；環(huán)流中除對抑制電容電壓波動有益的高頻分量之外，還含有二倍頻環(huán)流，裝置損耗較大。

【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明的目的是提出一種低頻工況下模塊化多電平變流器電容電壓波動抑制方法，以克服現(xiàn)有技術的不足，滿足模塊化多電平變流器在小于30Hz的低頻電氣工況下的運行要求，有效抑制模塊化多電平變流器內各子模塊電容電壓波動幅度，保證模塊化多電平變流器的對稱、平穩(wěn)運行。
[0010]本發(fā)明提出的低頻工況下模塊化多電平變流器電容電壓波動抑制方法，包括以下步驟:
[0011](1)根據模塊化多電平變流器的運行控制目標計算得到交流側端口三相相電流參考值實時測量得到模塊化多電平變流器交流側端口三相相電流的瞬時值L和交流側三相相電壓Uj，通過計算變流器交流側端口三相相電流參考值i#與三相相電流的瞬時值L之間的差值ijfij，對該差值進行比例積分運算，將計算結果與上述實時測量的交流側三相相電壓Uj作和，得到模塊化多電平變流器的交流側三相相電壓參考值Uy其中j代表三相相序，j =a,b,c,下標r代表參考值；
[0012](2)分別計算模塊化多電平變流器的各相環(huán)流參考值和零序電壓參考值ute，具體過程包括以下步驟:
[0013]( 2-1)實時測量模塊化多電平變流器的交流側三相相電壓Uj的峰值Um和頻率f，以及模塊化多電平變流器的交流側功率因數角φ，并根據模塊化多電平變流器的直流側電
壓Ud。，利用下式計算模塊化多電平變流器的零序電壓參考值Ute:
[0014]
【權利要求】
1.一種低頻工況下模塊化多電平變流器電容電壓波動抑制方法，其特征在于該方法包括以下步驟: (1)根據模塊化多電平變流器的運行控制目標計算得到交流側端口三相相電流參考值iJr,實時測量得到模塊化多電平變流器交流側端口三相相電流的瞬時值ij和交流側三相相電壓Uj，通過計算變流器交流側端口三相相電流參考值與三相相電流的瞬時值ij之間的差值\-1j，對該差值進行比例積分運算，將計算結果與上述實時測量的交流側三相相電壓Uj作和，得到模塊化多電平變流器的交流側三相相電壓參考值Uf其中j代表三相相序，j = a, b, c,下標r代表參考值； (2)分別計算模塊化多電平變流器的各相環(huán)流參考值和零序電壓參考值Ute，具體過程包括以下步驟: (2-1)實時測量模塊化多電平變流器的交流側三相相電壓Uj的峰值Um和頻率f，以及模塊化多電平變流器的交流側功率因數角Ψ，并根據模塊化多電平變流器的直流側電壓Ud。，利用下式計算模塊化多電平變流器的零序電壓參考值IW:
【文檔編號】H02M7/49GK103701350SQ201410014141
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2014年1月13日 優(yōu)先權日:2014年1月13日
【發(fā)明者】姜齊榮, 魏應冬, 于心宇, 劉國偉 申請人:清華大學, 江蘇清電電氣有限公司