[發明專利]部分單元能量回饋級聯型變頻器中能量回饋單元配置方法

有效

• 申請號: 201410359132.3
• 申請日: 2014-07-25
• 公開（公告）號: CN104104240B
• 公開（公告）日: 2017-01-04
• 發明（設計）人: 姚俊濤;鄧凱;劉飛;宮金武;熊蘭;查曉明
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: H02M5/458
• 分類號: H02M5/458;H02J3/38
• 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: 胡艷

技術領域

本發明屬于電力電子技術領域，尤其涉及一種部分單元能量回饋級聯型變頻器及能量回饋單元配置方法。

背景技術

H橋級聯型變頻器以其輸出諧波含量低、模塊化的結構、易于電壓和容量的擴展、易于制造和替換等優點，廣泛應用于高壓大容量電機驅動的場合。

電機在制動過程中處于再生發電狀態時，機械能將轉換成電能，由于傳統的H橋級聯型多電平變頻器采用二極管不控整流橋，使得這些電能只能堆積在直流電容上，造成直流電容電壓泵升。特別是對于快速制動、頻繁正反轉的交流調速系統，這一問題更加嚴重，甚至會引起電容爆炸，形成安全隱患，因而需要變頻器具備向電網回饋能量的功能。目前，實現變頻器的能量回饋主要有兩種方法：改造功率單元整流器和增加能量回饋支路。

改造功率單元整流器，即將傳統的二極管整流器替換為PWM整流器，通過雙PWM結構的功率單元實現能量的雙向流動。其中，基于三相PWM整流器的變頻器得到較多研究，其控制性能和輸入輸出性能較好，但改造成本較高。整流器還可以采用單相全橋或單相半橋PWM整流器，整流器的開關數目有所減少，改造成本有所降低，但是增加了直流電壓的紋波，變頻器輸入輸出的電能質量受到影響。

增加能量回饋支路，即在電機機端中性點與多繞組變壓器的二次側跨接能量回饋支路。在電機減速過程中，控制變頻器輸出零序電壓分量，使回饋支路導通回饋制動產生的電能。由于不利于電機轉子絕緣和接地保護，零序電壓幅值不宜過大，這就限制了回饋功率的極限，須低于額定功率的20％。此外，該方案需要增加變壓器繞組數量，改造成本也比較高。

公告號為CN102355140A的中國專利提出了一種能實現能量回饋的級聯多電平逆變電路及其控制方法，將部分基于三相不控整流電路的功率單元由基于三相PWM整流電路的功率單元替代，由基于三相PWM整流電路的功率單元將電機再生能量回饋到電網。該方法僅替換部分功率單元的整流橋，未改造功率單元的直流側，由于功率單元原有直流側電容耐壓和容量的限制，使得基于三相PWM整流電路的功率單元的回饋功率極限受到限制，無法滿足較大的電機降頻速率要求。因而，基于此種方法，為滿足較高降頻速率的回饋功率需求就需要增加基于三相PWM整流電路的功率單元數量，但是這將導致變頻器改造成本的大幅度提高。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明通過改造能量回饋單元直流側，提供了一種部分單元能量回饋級聯型變頻器及能量回饋單元配置方法。

為解決上述技術問題，本發明采用如下的技術方案：

一、一種部分單元能量回饋級聯型變頻器，由基于三相不控整流電路的功率單元和能量回饋單元級聯構成，其中，能量回饋單元為基于三相PWM整流電路的功率單元，由絕緣柵雙極型晶體管構成的逆變電路、中間直壓電路和三相PWM整流電路并聯構成，所述的中間直壓電路包括第一電容、第二電容、第三電容和第四電容，第一電容和第二電容并聯構成第一并聯支路，第三電容和第四電容并聯構成第二并聯支路，第一并聯支路和第二并聯支路串聯。

上述基于三相不控整流電路的功率單元由絕緣柵雙極型晶體管構成的逆變電路、中間直壓電路和三相不控整流電路并聯構成。基于三相不控整流電路的功率單元和能量回饋單元通過逆變電路級聯。

本發明提出的部分能量回饋級聯型變頻器通過改造能量回饋單元的直流環節，利用第一電容、第二電容、第三電容和第四電容間的串并聯，適當提高能量回饋單元中直流電容的耐壓和容量，從而提高能量回饋單元的回饋功率上限，使變頻器能滿足更高降頻速率的能量回饋要求。

二、上述部分單元能量回饋級聯型變頻器中能量回饋單元配置方法，包括步驟：

步驟1，在不同降頻速率下模擬電機制動過程，獲得各降頻速率對應的功率因數角極限值，經擬合獲得降頻速率與功率因數角極限值的函數關系；

步驟2，設定能量回饋單元直流側電壓值，計算不同功率單元配置比下能量回饋級聯型變頻器輸出的移相角極限值，根據移相角極限值獲得能實現能量回饋的功率因數角極限值，所述的功率單元配置比指級聯型變頻器中能量回饋單元數量和基于三相不控整流電路的功率單元數量的比值；

步驟3，將步驟2獲得的功率因數極限值代入步驟1獲得的降頻速率與功率因數角極限值的函數關系中，得到功率因數極限值對應的降頻速率，即可得到不同功率單元配置比下能實現能量回饋的降頻速率極限值；

步驟4，根據電機的實際降頻速率需求及功率單元配置比與降頻速率極限值的對應關系，選取級聯型變頻器的單元配置比。

步驟1中所述的模擬電機制動過程采用Matlab/Simulink仿真進行。