[發明專利]單電感模塊化多電平變流器及其控制方法

有效

• 申請號: 201310217891.1
• 申請日: 2013-06-03
• 公開（公告）號: CN103326607A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發明（設計）人: 王曉新;雷鳴;葛瓊璇;李耀華;于洋
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: H02M7/49
• 分類號: H02M7/49
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發明涉及一種多電平電力電子變流器的拓撲結構及其控制方法。

背景技術

模塊化多電平變流器（Modular?Multilevel?Converter，MMC）是最近獲得廣泛關注的一種新型電力電子變流器，最早是由德國的A.Lesnicar和R.Marquardt在2002年左右提出的。模塊化多電平變流器模塊化且可以級聯的結構決定了其特別適用于中壓到高壓電力電子變流的應用場合。關于模塊化多電平變流器的控制方法，國內外相關研究機構已經進行了較多的研究。

如圖1所示，三相模塊化多電平變流器的基本拓撲結構是由三相六個橋臂構成。

每相由上下兩個橋臂和交流電抗器依次串聯構成，每個橋臂由若干個功率子模塊（SM）串聯構成。每個SM子模塊由一個半橋逆變單元和一個直流儲能電容構成，每個半橋逆變單元由兩只帶反并聯二極管的全控電力電子開關器件串聯而成。通過控制電力電子開關器件的導通與關斷，各SM子模塊兩端可輸出電壓0或電容電壓，設定SM子模塊輸出電壓0時，認定該子模塊導通，當SM子模塊輸出電容電壓值時，認定該子模塊關斷。那么通過控制各SM子模塊的導通與關斷即可實現直流電壓到交流電壓的變換。

變流器組成器件較多，成本較高。在變流器控制死區時間內，加在電抗器上的電壓很高，甚至接近直流母線電壓，對電抗器的額定工作電壓和絕緣水平都提出了較高的要求，因此組成變流器的橋臂交流電抗器十分昂貴。

發明內容

本發明的目的是克服現有三相模塊化多電平變流器成本費用高的缺點，提出一種單電感模塊化多電平變流器。

本發明單電感模塊化多電平變流器由三相六個橋臂構成，每相有上下兩個橋臂。每相上橋臂由一個橋臂電感和若干個結構相同的子模塊級聯而成，每相下橋臂僅由若干個結構相同的子模塊級聯而成。每個子模塊由一個半橋逆變單元和一個直流儲能電容并聯構成，所述的半橋逆變單元由兩只帶反并聯二極管的全控電力電子開關器件串聯組成，直流儲能電容與串聯的兩只全控電力電子開關器件并聯。

本發明針對單電感模塊化多電平變流器下橋臂僅由若干個結構相同的子模塊級聯而成的非對稱結構，提出了一種控制方法，本發明控制方法能夠使得這種非對稱結構的變流器上、下橋臂對稱運行。本發明控制方法包括以下步驟：

（1）用電流傳感器測量每相上橋臂和下橋臂電流，計算出各相電流i_out：

_iout＝i_up-i_down

其中i_up表示上橋臂電流，i_down表示下橋臂電流；

（2）根據能量守恒條件，計算出直流側輸入變流器電流的給定值i_in^*，直流側輸入變流器電流的給定值i_in^*的表達式為：

i_in^*＝P/U_dc

其中U_dc表示直流側母線電壓，用電壓傳感器測得，P表示交流側輸出的單相平均功率；

（3）計算出上、下橋臂各直流子模塊電壓之和的平均值，將上、下橋臂各直流子模塊電壓之和的平均值與直流側母線電壓值相減，將所得的差值送入PI調節器中，得到的結果作為變流器輸出電流的修正，加入到直流側輸入變流器電流的給定值中；

（4）根據上橋臂電流i_up與交流側輸出電流i_out，計算出直流側輸入變流器電流的實際值i_in，其表達式為：

i_in＝i_up-0.5i_out；

（5）將直流側輸入變流器電流的給定值i_in^*和實際值i_in之差送入PI調節器中，得到的結果為橋臂電壓的修正值Δ(u_up+u_down)，u_up與u_down分別表示上橋臂電壓與下橋臂電壓；

（6）用電壓傳感器測量上橋臂電壓u_L，送入帶通濾波器（Band?Pass）提取其中的基波分量u_L0，并計算出下橋臂電壓的補償分量u'_L,其表達式為：

u'_L＝u_L-2u_L0；