[發明專利]一種模塊化多電平四象限變頻器及其控制方法

在審

• 申請號: 201910044520.5
• 申請日: 2019-01-17
• 公開（公告）號: CN109474187A
• 公開（公告）日: 2019-03-15
• 發明（設計）人: 李彬彬;周少澤;王景坤;王冠;徐殿國
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H02M5/458
• 分類號: H02M5/458;H02J3/36
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 高倩

本發明的一種模塊化多電平四象限變頻器及其控制方法，能夠有效抑制低速下的子模塊電容電壓波動、減少體積和成本，屬于電力電子領域。本發明包括網側模塊化多電平換流器、機側模塊化多電平換流器和雙向開關，雙向開關包括正向開關和反向開關；正向開關和反向開關分別串聯在網側模塊化多電平換流器和機側模塊化多電平換流器之間的直流母線上。正向開關采用全控型電力電子器件，則反向開關采用半控型電力電子器件或不可控器件；或者：正向開關采用半控型電力電子器件，則反向開關采用全控型電力電子器件或半控型電力電子器件或不可控器件。本發明避免了在電機端引入共模電壓，不會額外增大橋臂電流應力，直流側也無需額外的濾波裝置。

技術領域

本發明涉及一種模塊化多電平換流器，特別涉及一種模塊化多電平四象限變頻器及其控制方法，屬于電力電子領域。

背景技術

抽水蓄能電站具有運行靈活、快速、可靠等特點，在電網中承擔著調峰填谷、調頻調相等重要任務。傳統的抽水蓄能機組多為同步發電電動機組，其存在調速或水輪發電機變速困難等問題。采用四象限變頻器可有效實現抽水蓄能機組的變速運行，提高系統效率和穩定性。模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)因其模塊化結構、多電平電壓輸出、方便擴展、模塊數目與功率等級不受限制等優勢，特別適用于抽水蓄能這類高壓大功率變頻應用。目前基于MMC型的四象限變頻器，大多是直接將兩臺MMC背靠背連接，利用網側MMC實現對電網有功、無功功率調節，利用機側MMC實現變頻調速，如孟昭軍等人的《基于MMC的全功率可變速抽水蓄能系統》(詳見專利CN 108539779A)。但是機側MMC應用于變頻調速時，由于MMC子模塊電容器是獨立懸浮的，電容會上存在一個近似與輸出電流幅值成正比、與運行頻率成反比的電壓波動。因此在驅動電機大轉矩低速運行時，需采用極大容量的電容將電壓波動限制在合理范圍，增加了變頻器的體積和成本。

對于MMC低速下的電容電壓波動問題目前有兩種主流解決方案：一種是在MMC的橋臂及輸出端引入高頻的共模電流及電壓，加快電容充放電的頻率實現降低波動，如公開號為CN103337977的發明專利《一種模塊化多電平變換器的低頻模式運行控制方法》；另一種是在低速時降低MMC的直流母線電壓，從而降低子模塊電容的輸入功率，實現電容電壓波動的減小，如公開號為CN105915090A的發明專利《適用于低頻運行的混合型模塊化多電平換流器及其控制方法》。但是前者會在電機端帶來嚴重的共模電壓問題，同時引入的共模電流會增大MMC橋臂電流應力，加劇損耗；而后者會使直流側電流斷續，帶來嚴重的諧波問題，需要在直流側增加額外的濾波裝置。此外，這些方案也都未考慮四象限運行的情況。

發明內容

針對上述不足，本發明提供一種能夠有效抑制低速下的子模塊電容電壓波動、減少體積和成本的模塊化多電平四象限變頻器及其控制方法。

本發明的一種模塊化多電平四象限變頻器，所述變頻器包括網側模塊化多電平換流器和機側模塊化多電平換流器，其特征在于，所述變頻器還包括雙向開關，所述雙向開關包括正向開關和反向開關；正向開關和反向開關分別串聯在網側模塊化多電平換流器和機側模塊化多電平換流器之間的直流母線上。

優選的是，所述正向開關采用全控型電力電子器件，則反向開關采用半控型電力電子器件或不可控器件；

或者：所述正向開關采用半控型電力電子器件，則反向開關采用全控型電力電子器件或半控型電力電子器件或不可控器件。

優選的是，所述正向開關和反向開關各采用多個器件串聯而成，正向開關和反向開關中串聯的器件數量相同。

優選的是，正向開關串聯在直流母線的正母線上或負母線上；反向開關串聯在直流母線的正母線上或負母線上；

當正向開關和反向開關同時串聯在正母線或負母線上時，正向開關和反向開關并聯。