[發明專利]無有源前端的兩電機驅動級聯多電平逆變系統及控制方法

有效

• 申請號: 201410173811.1
• 申請日: 2014-04-28
• 公開（公告）號: CN103944439A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 劉飛;查曉明;鄧凱;姚俊濤;宮金武
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: H02M7/797
• 分類號: H02M7/797;H02P5/74;H02P3/18
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

技術領域

本發明屬于電力電子技術領域，尤其涉及一種無有源前端的兩電機驅動級聯多電平逆變系統及控制方法。

背景技術

隨著電力電子技術發展，高壓變頻器作為電力電子技術發展的主要成果之一，由于其功率因數高、效率高、精度高、調速范圍寬，已廣泛應用于生產、生活、交通、醫療衛生等各個領域，以驅動電動機運行，并發揮著越來越重要的作用。

目前，市場上通用的高壓變頻器多由基于三相不控整流電路的功率單元構成的級聯多電平逆變電路結構，傳統級聯型高壓變頻器的電路拓撲結構見圖1，基于三相不控整流電路的功率單元電路拓撲結果見圖2，從圖1～2中可以看出：傳統級聯型高壓變頻器輸入側采用的是二極管整流電路，二極管整流電路不能直接用于需要快速起動、制動和頻繁正反轉的調速場合。因為當電動機減速制動時，電動機處于再生發電狀態，頻繁正反轉的調速系統要求電動機四象限運行。圖2所示功率單元中的能量傳輸是不可逆的，只能從電網傳遞到電動機，電動機再生制動產生的能量只能傳輸到功率單元直流側的儲能兼濾波電容C上，形成泵升電壓，若不及時釋放，勢必會引起變頻器過壓保護動作或造成主回路大功率器件的過壓損壞。

為避免再生制動發電時變頻器主電路發生過電壓，現有的處理方案是在功率單元的直流回路中并聯大功率電阻將再生的能量以熱的形式消耗掉。這種方式不僅造成能量的浪費，還將使得功率單元溫度上升，成為故障隱患。

除此之外，還有人提出了基于三相不控整流電路的功率單元和基于三相PWM整流電路的功率單元級聯構成的能實現能量回饋的級聯多電平逆變電路。雖然能夠滿足能量雙向流動的性能要求，但是引入PWM整流電路需要繞制結構更加復雜的移相變壓器，而移相變壓器的成本較高，不利于工業上的大規模應用。此外，PWM整流器控制電路需要檢測交流側電流和直流側電壓等信息量用來實現PWM整流控制算法，既增加檢測環節的成本，又增加控制系統的復雜性性。此外，三相PWM整流電路(即有源前端)連接電網，在將能量回饋到電網的同時，還將部分諧波注入電網，給系統的可靠性帶來了不利影響。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明提供了一種不增加系統復雜性、成本低、無有源前端的兩電機驅動級聯多電平逆變系統及控制方法，該系統可實現電機再生制動能量回饋到蓄電池以及釋放蓄電池儲能驅動電機運行。

為解決上述技術問題，本發明采用如下的技術方案：

一、無有源前端的兩電機驅動級聯多電平逆變系統，在第一級聯多電平逆變器和第二級聯多電平逆變器的A相功率單元間級聯能量回饋耦合單元；所述的能量回饋耦合單元包括第一逆變電路、第二逆變電路、中間直壓電容、電流可逆斬波電路、緩沖電感、緩沖電阻和蓄電池，電流可逆斬波電路進一步包括降壓斬波電路和升壓斬波電路，可根據中間直壓電容兩端電壓大小選擇運行降壓斬波模式或升壓斬波模式；

第一逆變電路和第二逆變電路共中間直壓電容并聯連接構成逆變電路組合，逆變電路組合通過電流可逆斬波電路與緩沖電感、緩沖電阻和蓄電池串聯；能量回饋耦合單元通過第一逆變電路與第一級聯多電平逆變器A相功率單元中的逆變電路級聯連接，能量回饋耦合單元通過第二逆變電路與第二級聯多電平逆變器A相功率單元中的逆變電路級聯連接。

上述第一逆變電路和第二逆變電路均為H橋逆變電路。

上述電流可逆斬波電路的一種具體實施方式為：包括第一絕緣柵雙極型晶體管、第二絕緣柵雙極型晶體管、第一續流二極管和第二續流二極管，其中，第一絕緣柵雙極型晶體管集電極連接第二續流二極管陰極，第二絕緣柵雙極型晶體管發射極連接第一續流二極管陽極，第一絕緣柵雙極型晶體管發射極、第二續流二極管陽極、第二絕緣柵雙極型晶體管集電極和第一續流二極管陰極相連。

二、無有源前端的兩電機驅動級聯多電平逆變系統的控制方法，包括：

電動機工作在制動狀態時，使電動機回饋能量通過能量回饋耦合單元的逆變電路儲存到中間直壓電容，其兩端電壓升高，當中間直壓電容兩端電壓大于第一預設值時，使電流可逆斬波電路運行在降壓斬波模式；

電動機工作在電動狀態時，使能量回饋耦合單元中間直壓電容儲能通過逆變電路傳輸至電動機，其兩端電壓降低，當中間直壓電容兩端電壓小于第二預設值時，使電流可逆斬波電路運行在升壓斬波模式。

作為優選，第一預設值為中間直壓電容的額定電壓和直壓偏差之和。

作為優選，第二預設值為中間直壓電容的額定電壓和直壓偏差之差。

上述使電流可逆斬波電路運行在降壓斬波模式具體為：