專利名稱：一種模塊化多電平變換器的綜合控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種模塊化多電平變換器的綜合控制系統(tǒng)，屬于多電平電力電子功率變換器的控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
模塊化多電平變換器拓?fù)洳捎眉?jí)聯(lián)式、模塊化構(gòu)造，無(wú)需功率器件直接串聯(lián)便可得到多電平的階梯電壓，具有較低的dU/dt和較低的電壓諧波含量，在中/高壓大容量系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。該變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如

圖1所示，圖中，上橋臂和下橋臂各有N個(gè)子模塊級(jí)聯(lián)而成，各子模塊為半橋結(jié)構(gòu)，子模塊直流側(cè)并聯(lián)有相同的電容器。由于模塊化多電平變換器的各子模塊直流側(cè)電容處于懸浮狀態(tài)，運(yùn)行時(shí)各子模塊電容會(huì)出現(xiàn)充放電差異， 因此會(huì)導(dǎo)致電容電壓的不平衡問(wèn)題。電容電壓不平衡會(huì)直接威脅變換器的安全運(yùn)行，因此該問(wèn)題能否有效解決是模塊化多電平變換器安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。在《中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)》2004年第M卷第4期145-150頁(yè)刊登的“基于鏈?zhǔn)侥孀兤鞯?0MVA靜止同步補(bǔ)償器的直流電壓平衡控制”一文(作者劉文華等)對(duì)級(jí)聯(lián)式靜止同步補(bǔ)償器的直流側(cè)子模塊電容平衡控制方法進(jìn)行了研究，提出了采用在各子模塊直流側(cè)外加專用功率電路，通過(guò)控制直流側(cè)電容器的充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)電容電壓平衡控制。但該方法需要額外增加外部復(fù)雜的專用功率電路，成本高、體積大、控制復(fù)雜。在《中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)》2009年第四卷第30期1_6頁(yè)刊登的“新型多電平VSC子模塊電容參數(shù)與均壓策略”一文(作者丁冠軍等)提出了基于軟件排序進(jìn)行電容電壓平衡控制的方法，該方法采用對(duì)各子模塊直流側(cè)電容電壓的大小進(jìn)行比較、排序，再根據(jù)橋臂功率(或電流)方向，決定各個(gè)子模塊的投切狀態(tài)。當(dāng)橋臂吸收功率時(shí)，投入電壓最低的子模塊；反之，當(dāng)橋臂發(fā)出功率時(shí)，投入電壓最高的子模塊。這種方法對(duì)脈寬調(diào)制(Pulse-Width Modulation, PWM)方式有特殊要求，不適合于在多電平變換器中被普遍采用的載波移相式 PWM方式。公開(kāi)號(hào)為CN1767345A的中國(guó)專利公開(kāi)的《一種混合箝位型多電平變換器拓?fù)洹?中，提出了一種通過(guò)有源器件和無(wú)源器件共同實(shí)現(xiàn)箝位的多電平拓?fù)?，可以不需要附加電路?shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位平衡，解決了傳統(tǒng)多電平拓?fù)湓诟唠娖綌?shù)情況下的電容電壓平衡難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。但公開(kāi)號(hào)為CN1767345A的中國(guó)專利公開(kāi)的《一種混合箝位型多電平變換器拓?fù)洹?屬于功率器件直接串聯(lián)結(jié)構(gòu)的箝位型多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與圖1所示的模塊化多電平拓?fù)洳⒉粚儆谕环N類(lèi)型的多電平變換器拓?fù)?，兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在本質(zhì)區(qū)別，因此，該箝位型多電平變換器拓?fù)涞碾娙蓦妷浩胶饧夹g(shù)不適合于圖1所示的模塊化多電平拓?fù)?，并沒(méi)有解決模塊化多電平變換器各子模塊電容電壓的平衡問(wèn)題。公開(kāi)號(hào)為CN101546964A的中國(guó)專利公開(kāi)的《模塊組合型多電平變換器》中，公開(kāi)了一種組合型多電平變換器拓?fù)?，提出通過(guò)使用功率單元的串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)一種可用于中高壓大功率場(chǎng)合的變換器拓?fù)?。但公開(kāi)號(hào)為CN101546964A的中國(guó)專利公開(kāi)的《模塊組合型多電平變換器》僅僅是公開(kāi)了一種組合型多電平變換器拓?fù)?，并沒(méi)有解決模塊化多電平變換器
3各子模塊電容電壓的平衡問(wèn)題。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是為解決上述問(wèn)題，提出一種模塊化多電平變換器的綜合控制系統(tǒng)，以解決該變換器的各子模塊電容電壓的平衡問(wèn)題以及控制問(wèn)題。該方法從功率平衡的角度，其基本思想是，通過(guò)調(diào)節(jié)該變換器的總有功功率，實(shí)現(xiàn)該變換器的上、下橋臂總電容電壓的平衡控制；通過(guò)調(diào)節(jié)上、下橋臂之間的有功功率分配，實(shí)現(xiàn)上、下橋臂之間的電容電壓平衡控制；通過(guò)微調(diào)同一橋臂上各子模塊之間的有功功率分配，實(shí)現(xiàn)同一橋臂上各子模塊之間的電容電壓平衡控制。該方法不僅實(shí)現(xiàn)了各子模塊電容電壓平衡控制，而且也實(shí)現(xiàn)了變換器的電流、電壓控制，是一種模塊化多電平變換器的綜合控制方法，物理意義明確，不需要使用電容器專用充放電功率電路，適用于各種PWM方式。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案一種模塊化多電平變換器的綜合控制方法，通過(guò)檢測(cè)模塊化多電平變換器上、下橋臂各子模塊電容電壓，上、下橋臂電流，以及交流側(cè)電源電壓，經(jīng)過(guò)一個(gè)總控制器運(yùn)算處理后得到上、下橋臂PWM公共占空比；上、下橋臂各子模塊電容電壓與上述上、下橋臂PWM公共占空比經(jīng)過(guò)上、下橋臂控制器運(yùn)算處理，得到上、下橋臂各子模塊的PWM占空比；各子模塊的PWM占空比經(jīng)過(guò)PWM信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生各子模塊的PWM控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)各子模塊電容電壓平衡控制和變換器的電流、電壓控制。它的具體步驟為 (1)通過(guò)檢測(cè)模塊化多電平變換器上橋臂各N個(gè)子模塊電容電壓，得到上橋臂N個(gè)子模塊電容電壓檢測(cè)值Uapl、uap2,...和uapN，通過(guò)求平均值單元A，得到上橋臂子模塊平均電容電壓‘；通過(guò)檢測(cè)模塊化多電平變換器下橋臂各N個(gè)子模塊電容電壓，得到下橋臂N 個(gè)子模塊電容電壓檢測(cè)值uml、uan2、...和UanN，通過(guò)求平均值單元B，得到下橋臂子模塊平均電容電壓G ;將上述上橋臂子模塊平均電容電壓‘和下橋臂子模塊平均電容電壓送入到求平均值單元C，得到上和下橋臂總平均電容電壓^ ;(2)通過(guò)檢測(cè)交流側(cè)電源電壓Usa，經(jīng)過(guò)歸一化單元A處理，得到相應(yīng)單位幅值電源電壓、au ；(3)將總平均電容電壓G與電壓參考Udc*送入到總電容電壓控制器處理，得到總電容電壓控制電流VS(4)將上橋臂子模塊和下橋臂子模塊平均電容電壓‘和&送入到上/下橋臂平衡控制器進(jìn)行處理，得到的輸出值Iacm與單位幅值電源電壓Usau經(jīng)乘法器1相乘后得到上 /下橋臂平衡調(diào)整電流Δ iAC,即Δ iAC = Iacm · Usau ；(5)將交流側(cè)電源參考電流is/、i0*. Δ iAC和環(huán)流單元產(chǎn)生的電流(送入運(yùn)算單元A得到上橋臂參考電流r，即ζ=去(C+Ay+C+C;
opZ(6)將交流側(cè)電源參考電流is/、i0*. Δ iAC和環(huán)流單元產(chǎn)生的電流送入運(yùn)算單元B得到下橋臂參考電流廣即C =^(Ci-Ai4e)-C-O
4[0017](7)將上橋臂電流檢測(cè)值iap與參考電流ζ送入到電流控制器AP處理，得到上橋臂PWM公共占空比dap;(8)將下橋臂電流檢測(cè)值ian與參考電流Ci送入到電流控制器AB處理，得到下橋臂PWM公共占空比dan；(9)將上橋臂電流檢測(cè)值iap送入歸一化單元AP處理，得到上橋臂單位幅值電流 iapu ；將下橋臂電流檢測(cè)值ian送入歸一化單元AN處理，得到下橋臂單位幅值電流i_ ；(10)將‘與上橋臂第j個(gè)子模塊電容電壓檢測(cè)值Uapj，其中，j = 1,2,...，N-1，
送入到上橋臂第j個(gè)子模塊微調(diào)控制器APj進(jìn)行處理，微調(diào)控制器APj的輸出Dmpj經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)的乘法器APj與iapu相乘后再經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)的加法器APj與上橋臂PWM公共占空比dap相加， 得到上橋臂第j個(gè)子模塊PWM占空比dapj ；(11)將N-I個(gè)上橋臂微調(diào)控制器API、微調(diào)控制器AP2、...和微調(diào)控制器AP (N_l) 的輸出Dmpl、Dmp2、...禾Π Ddip1m經(jīng)過(guò)加法器AP求和后經(jīng)反號(hào)器AP反向得到D_，再與iapu經(jīng)乘法器APN相乘，然后與上橋臂PWM公共占空比dap相加，得到上橋臂第N個(gè)子模塊PWM占
全比dapN ；(12)將&與下橋臂第j個(gè)子模塊電容電壓檢測(cè)值uanj，其中j = 1,2,...,N-1, 送入到下橋臂第j個(gè)子模塊微調(diào)控制器ANj進(jìn)行處理，微調(diào)控制器ANj的輸出經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)的乘法器ANj與i_相乘后再經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)的加法器ANj與下橋臂PWM公共占空比Clan相加， 得到下橋臂第j個(gè)子模塊PWM占空比danj ；(13)將N-I個(gè)下橋臂微調(diào)控制器AN1、微調(diào)控制器AN2、...和微調(diào)控制器AN(N-I) 的輸出Dmnl、Dnm2,...禾Π Dmlfrl經(jīng)過(guò)加法器AN求和后經(jīng)反號(hào)器AN反向得到Drf，再與ianu經(jīng)乘法器ANN相乘，然后與下橋臂PWM公共占空比Clan相加，得到下橋臂第N個(gè)子模塊PWM占
全比daI1N ；(14)將各子模塊PWM占空比dapl、dap2、…和dapN及dml、dan2、…和danN送入到PWM 發(fā)生器單元，產(chǎn)生各子模塊的PWM控制信號(hào)。所述步驟⑵中，通過(guò)檢測(cè)交流側(cè)電源電壓Usa，采用公知的鎖相技術(shù)，得到與Usa 同頻同相的單位幅值正弦函數(shù)，代替單位幅值電源電壓usau。所述步驟(9)中，用上橋臂參考電流ζ代替上橋臂電流檢測(cè)值iap，用下橋臂參考
電流Ci代替下橋臂電流檢測(cè)值ian ；即，將上橋臂參考電流 送入歸一化單元AP處理，得
到上橋臂單位幅值電流iapu ；將下橋臂參考電流1:送入歸一化單元AN處理，得到下橋臂單位幅值電流i_。所述步驟(5)和(6)中，環(huán)流單元產(chǎn)生的電流滿足廣UJ^dt = 0和
laLJo
Γu JiilCU = 0，其中，T表示交流側(cè)電源電壓周期，廣的幅值由交流側(cè)電源參考電流isa*大
0aL
小決定。所述步驟( 和(6)中，當(dāng)模塊化多電平變換器直流母線外接負(fù)載而不是直流電源時(shí)，需要增加直流母線電壓閉環(huán)控制器，該控制器的輸出控制交流側(cè)電源參考電流isa*的有功分量幅值，該控制器的輸入來(lái)自直流母線電壓檢測(cè)值和直流母線電壓參考值。
5[0029]一種模塊化多電平變換器的綜合控制系統(tǒng)，它包括M相模塊化多電平變換器，每一相模塊化多電平變換器與各自的綜合控制裝置連接，各綜合控制裝置則與M相PWM信號(hào)發(fā)生器連接；其中，所述各綜合控制裝置結(jié)構(gòu)相同，包括上橋臂控制器、總控制器和下橋臂控制器；每一相的模塊化多電平變換器輸出端分別與上橋臂控制器、總控制器和下橋臂控制器輸入端連接；總控制器的輸出端分別輸出上橋臂PWM公共占空比dap到上橋臂控制器， 輸出下橋臂PWM公共占空比Clan到下橋臂控制器；上橋臂控制器和下橋臂控制器輸出端與對(duì)應(yīng)相的PWM信號(hào)發(fā)生器連接。所述總控制器包括求平均值單元A、求平均值單元B，它們的輸入端與模塊化多電平變換器輸出端連接，輸出端則分別與求平均值單元C和上/下橋臂平衡控制器連接，求平均值單元C的輸出端與總電容電壓控制器連接，上/下橋臂平衡控制器輸出端與乘法器I 連接，乘法器I還與歸一化單元AN連接；總電容電壓控制器和乘法器I均分別與運(yùn)算單元 A、運(yùn)算單元B連接，同時(shí)環(huán)流單元也與運(yùn)算單元A、運(yùn)算單元B連接；運(yùn)算單元A、運(yùn)算單元 B分別與對(duì)應(yīng)的電流控制器AN、電流控制器AP連接；子模塊直流側(cè)電容參考電壓送入總電容電壓控制器輸入端；模塊化多電平變換器的相電源電壓送入歸一化單元AN ；下橋臂相電流送入電流控制器AN。所述上橋臂控制器和下橋臂控制器結(jié)構(gòu)相同，其中所述上橋臂控制器包括與各上橋臂N個(gè)子模塊電容電壓檢測(cè)值uapl、uapj、…和uapN 對(duì)應(yīng)的微調(diào)控制器API、微調(diào)控制器APj、…微調(diào)控制器AP(N-I)；各微調(diào)控制器AP輸出端分別與對(duì)應(yīng)的乘法器API、乘法器APj、…乘法器AP (N-I)連接；同時(shí)各微調(diào)控制器AP輸出端還與加法器AP連接，加法器AP依次與反號(hào)器AP、乘法器APN連接，各乘法器AP的輸出端與相應(yīng)的加法器API、…加法器APj、…加法器AP(N-I)、…加法器APN連接；上橋臂電流檢測(cè)值iap送入歸一化單元AP，歸一化單元AP與各乘法器API、…乘法器APN連接；所述下橋臂控制器包括與各下橋臂N個(gè)子模塊電容電壓檢測(cè)值uml、UaIu.、…和UanN 對(duì)應(yīng)的微調(diào)控制器AN1、微調(diào)控制器ANj、…微調(diào)控制器AN(N-I)；各微調(diào)控制器AN輸出端分別與對(duì)應(yīng)的乘法器AN1、乘法器ANj、…乘法器AN(N-I)連接；同時(shí)各微調(diào)控制器AN輸出端還與加法器AN連接，加法器AN依次與反號(hào)器AN、乘法器ANN連接，各乘法器AN的輸出端與相應(yīng)的加法器AN1、…加法器ANj、……加法器AN(N-l)、…加法器ANN連接；下橋臂電流檢測(cè)值ian送入歸一化單元AN，歸一化單元AN與各乘法器AN1、…乘法器ANN連接。本實(shí)用新型的理論依據(jù)是由圖2所示的單相模塊化多電平變換器可知，設(shè)交流側(cè)電源電壓為Usa，交流側(cè)電源電流為isa，上、下橋臂的各子模塊輸出總電壓開(kāi)關(guān)周期平均值分別為uap、Uan，上、下橋臂的電流分別為iap、ian，交流側(cè)電源吸收的功率為PAe，直流母線發(fā)出的有功功率為PDe，上、下橋臂各子模塊吸收的總有功功率分別為Pap、Pan，設(shè)交流側(cè)電源周期為T(mén)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，如果忽略假設(shè)電感L的影響，則電壓關(guān)系為 Uj
1 (1) υ,
γ +Usa 電流關(guān)系為
6[0039]
權(quán)利要求1.一種模塊化多電平變換器的綜合控制系統(tǒng)，其特征是，它包括M相模塊化多電平變換器，每一相模塊化多電平變換器與各自的綜合控制裝置連接，各綜合控制裝置則與M相 PWM信號(hào)發(fā)生器連接；其中，所述各綜合控制裝置結(jié)構(gòu)相同，包括上橋臂控制器、總控制器和下橋臂控制器；每一相的模塊化多電平變換器輸出端分別與上橋臂控制器、總控制器和下橋臂控制器輸入端連接；總控制器的輸出端分別輸出上橋臂PWM公共占空比dap到上橋臂控制器，輸出下橋臂PWM公共占空比dan到下橋臂控制器；上橋臂控制器和下橋臂控制器輸出端與對(duì)應(yīng)相的PWM信號(hào)發(fā)生器連接。
2.如權(quán)利要求1所述的模塊化多電平變換器的綜合控制系統(tǒng)，其特征是，所述總控制器包括求平均值單元A、求平均值單元B，它們的輸入端與模塊化多電平變換器輸出端連接，輸出端則分別與求平均值單元C和上/下橋臂平衡控制器連接，求平均值單元C的輸出端與總電容電壓控制器連接，上/下橋臂平衡控制器輸出端與乘法器I連接，乘法器I還與歸一化單元AN連接；總電容電壓控制器和乘法器I均分別與運(yùn)算單元A、運(yùn)算單元B連接， 同時(shí)環(huán)流單元也與運(yùn)算單元A、運(yùn)算單元B連接；運(yùn)算單元A、運(yùn)算單元B分別與對(duì)應(yīng)的電流控制器AN、電流控制器AP連接；子模塊直流側(cè)電容參考電壓送入總電容電壓控制器輸入端；模塊化多電平變換器的相電源電壓送入歸一化單元AN ；下橋臂相電流送入電流控制器 AN0
3.如權(quán)利要求1所述的模塊化多電平變換器的綜合控制系統(tǒng)，其特征是，所述上橋臂控制器和下橋臂控制器結(jié)構(gòu)相同，其中所述上橋臂控制器包括與各上橋臂N個(gè)子模塊電容電壓檢測(cè)值uapl、uapJ,…和uapN對(duì)應(yīng)的微調(diào)控制器API、微調(diào)控制器APj、…微調(diào)控制器AP(N-I)；各微調(diào)控制器AP輸出端分別與對(duì)應(yīng)的乘法器API、乘法器APj、…乘法器AP (N-I)連接；同時(shí)各微調(diào)控制器AP輸出端還與加法器AP連接，加法器AP依次與反號(hào)器AP、乘法器APN連接，各乘法器AP的輸出端與相應(yīng)的加法器API、…加法器APj、…加法器AP (N-I)、…加法器APN連接；上橋臂電流檢測(cè)值iap送入歸一化單元AP，歸一化單元AP與各乘法器API、…乘法器APN連接；所述下橋臂控制器包括與各下橋臂N個(gè)子模塊電容電壓檢測(cè)值Uanl、U_、...和uanN對(duì)應(yīng)的微調(diào)控制器AN1、微調(diào)控制器ANj、…微調(diào)控制器AN(N-I)；各微調(diào)控制器AN輸出端分別與對(duì)應(yīng)的乘法器AN1、乘法器ANj、…乘法器AN(N-I)連接；同時(shí)各微調(diào)控制器AN輸出端還與加法器AN連接，加法器AN依次與反號(hào)器AN、乘法器ANN連接，各乘法器AN的輸出端與相應(yīng)的加法器AN1、…加法器ANj、……加法器AN(N-I)、…加法器ANN連接；下橋臂電流檢測(cè)值ian送入歸一化單元AN，歸一化單元AN與各乘法器AN1、…乘法器ANN連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種模塊化多電平變換器的綜合控制系統(tǒng)，它包括M相模塊化多電平變換器，每一相模塊化多電平變換器與各自的綜合控制裝置連接，各綜合控制裝置與M相PWM信號(hào)發(fā)生器連接；所述各綜合控制裝置結(jié)構(gòu)相同，包括上橋臂控制器、總控制器和下橋臂控制器；每一相的模塊化多電平變換器輸出端分別與上橋臂控制器、總控制器和下橋臂控制器輸入端連接；總控制器的輸出端分別輸出上橋臂PWM公共占空比dap到上橋臂控制器，輸出下橋臂PWM公共占空比dan到下橋臂控制器；上橋臂控制器和下橋臂控制器輸出端與對(duì)應(yīng)相的PWM信號(hào)發(fā)生器連接。本實(shí)用新型適用于各種PWM方式；可靈活控制環(huán)流，滿足特殊需要；物理意義明確，理論依據(jù)充分。
文檔編號(hào)H02M7/483GK202076951SQ20112005353
公開(kāi)日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月3日
發(fā)明者張?zhí)m華, 王廣柱 申請(qǐng)人:山東大學(xué)