專利名稱：一種模塊化多電平變換器的綜合控制系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種模塊化多電平變換器的綜合控制系統，屬于多電平電力電子功率變換器的控制技術領域。
背景技術：
模塊化多電平變換器拓撲采用級聯式、模塊化構造，無需功率器件直接串聯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/高壓大容量系統中具有廣闊的應用前景。該變換器拓撲結構如
圖1所示，圖中，上橋臂和下橋臂各有N個子模塊級聯而成，各子模塊為半橋結構，子模塊直流側并聯有相同的電容器。由于模塊化多電平變換器的各子模塊直流側電容處于懸浮狀態，運行時各子模塊電容會出現充放電差異， 因此會導致電容電壓的不平衡問題。電容電壓不平衡會直接威脅變換器的安全運行，因此該問題能否有效解決是模塊化多電平變換器安全、可靠運行的關鍵。在《中國電機工程學報》2004年第M卷第4期145-150頁刊登的“基于鏈式逆變器的50MVA靜止同步補償器的直流電壓平衡控制”一文(作者劉文華等)對級聯式靜止同步補償器的直流側子模塊電容平衡控制方法進行了研究，提出了采用在各子模塊直流側外加專用功率電路，通過控制直流側電容器的充放電來實現電容電壓平衡控制。但該方法需要額外增加外部復雜的專用功率電路，成本高、體積大、控制復雜。在《中國電機工程學報》2009年第四卷第30期1_6頁刊登的“新型多電平VSC子模塊電容參數與均壓策略”一文(作者丁冠軍等)提出了基于軟件排序進行電容電壓平衡控制的方法，該方法采用對各子模塊直流側電容電壓的大小進行比較、排序，再根據橋臂功率(或電流)方向，決定各個子模塊的投切狀態。當橋臂吸收功率時，投入電壓最低的子模塊；反之，當橋臂發出功率時，投入電壓最高的子模塊。這種方法對脈寬調制(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。公開號為CN1767345A的中國專利公開的《一種混合箝位型多電平變換器拓撲》 中，提出了一種通過有源器件和無源器件共同實現箝位的多電平拓撲，可以不需要附加電路實現中點電位平衡，解決了傳統多電平拓撲在高電平數情況下的電容電壓平衡難以實現的問題。但公開號為CN1767345A的中國專利公開的《一種混合箝位型多電平變換器拓撲》 屬于功率器件直接串聯結構的箝位型多電平拓撲結構，與圖1所示的模塊化多電平拓撲并不屬于同一種類型的多電平變換器拓撲，兩種拓撲結構存在本質區別，因此，該箝位型多電平變換器拓撲的電容電壓平衡技術不適合于圖1所示的模塊化多電平拓撲，并沒有解決模塊化多電平變換器各子模塊電容電壓的平衡問題。公開號為CN101546964A的中國專利公開的《模塊組合型多電平變換器》中，公開了一種組合型多電平變換器拓撲，提出通過使用功率單元的串并聯實現一種可用于中高壓大功率場合的變換器拓撲。但公開號為CN101546964A的中國專利公開的《模塊組合型多電平變換器》僅僅是公開了一種組合型多電平變換器拓撲，并沒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題。
實用新型內容本實用新型的目的就是為解決上述問題，提出一種模塊化多電平變換器的綜合控制系統，以解決該變換器的各子模塊電容電壓的平衡問題以及控制問題。該方法從功率平衡的角度，其基本思想是，通過調節該變換器的總有功功率，實現該變換器的上、下橋臂總電容電壓的平衡控制；通過調節上、下橋臂之間的有功功率分配，實現上、下橋臂之間的電容電壓平衡控制；通過微調同一橋臂上各子模塊之間的有功功率分配，實現同一橋臂上各子模塊之間的電容電壓平衡控制。該方法不僅實現了各子模塊電容電壓平衡控制，而且也實現了變換器的電流、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。為實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案一種模塊化多電平變換器的綜合控制方法，通過檢測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，以及交流側電源電壓，經過一個總控制器運算處理后得到上、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公共占空比經過上、下橋臂控制器運算處理，得到上、下橋臂各子模塊的PWM占空比；各子模塊的PWM占空比經過PWM信號發生器產生各子模塊的PWM控制信號，實現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)通過檢測模塊化多電平變換器上橋臂各N個子模塊電容電壓，得到上橋臂N個子模塊電容電壓檢測值Uapl、uap2,...和uapN，通過求平均值單元A，得到上橋臂子模塊平均電容電壓‘；通過檢測模塊化多電平變換器下橋臂各N個子模塊電容電壓，得到下橋臂N 個子模塊電容電壓檢測值uml、uan2、...和UanN，通過求平均值單元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)通過檢測交流側電源電壓Usa，經過歸一化單元A處理，得到相應單位幅值電源電壓、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行處理，得到的輸出值Iacm與單位幅值電源電壓Usau經乘法器1相乘后得到上 /下橋臂平衡調整電流Δ iAC,即Δ iAC = Iacm · Usau ；(5)將交流側電源參考電流is/、i0*. Δ iAC和環流單元產生的電流(送入運算單元A得到上橋臂參考電流r，即ζ=去(C+Ay+C+C;
opZ(6)將交流側電源參考電流is/、i0*. Δ iAC和環流單元產生的電流送入運算單元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個子模塊電容電壓檢測值Uapj，其中，j = 1,2,...，N-1，
送入到上橋臂第j個子模塊微調控制器APj進行處理，微調控制器APj的輸出Dmpj經過對應的乘法器APj與iapu相乘后再經過對應的加法器APj與上橋臂PWM公共占空比dap相加， 得到上橋臂第j個子模塊PWM占空比dapj ；(11)將N-I個上橋臂微調控制器API、微調控制器AP2、...和微調控制器AP (N_l) 的輸出Dmpl、Dmp2、...禾Π Ddip1m經過加法器AP求和后經反號器AP反向得到D_，再與iapu經乘法器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個子模塊PWM占
全比dapN ；(12)將&與下橋臂第j個子模塊電容電壓檢測值uanj，其中j = 1,2,...,N-1, 送入到下橋臂第j個子模塊微調控制器ANj進行處理，微調控制器ANj的輸出經過對應的乘法器ANj與i_相乘后再經過對應的加法器ANj與下橋臂PWM公共占空比Clan相加， 得到下橋臂第j個子模塊PWM占空比danj ；(13)將N-I個下橋臂微調控制器AN1、微調控制器AN2、...和微調控制器AN(N-I) 的輸出Dmnl、Dnm2,...禾Π Dmlfrl經過加法器AN求和后經反號器AN反向得到Drf，再與ianu經乘法器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 發生器單元，產生各子模塊的PWM控制信號。所述步驟⑵中，通過檢測交流側電源電壓Usa，采用公知的鎖相技術，得到與Usa 同頻同相的單位幅值正弦函數，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值iap，用下橋臂參考
電流Ci代替下橋臂電流檢測值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，環流單元產生的電流滿足廣UJ^dt = 0和
laLJo
Γu JiilCU = 0，其中，T表示交流側電源電壓周期，廣的幅值由交流側電源參考電流isa*大
0aL
小決定。所述步驟( 和(6)中，當模塊化多電平變換器直流母線外接負載而不是直流電源時，需要增加直流母線電壓閉環控制器，該控制器的輸出控制交流側電源參考電流isa*的有功分量幅值，該控制器的輸入來自直流母線電壓檢測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，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信號發生器連接；其中，所述各綜合控制裝置結構相同，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應相的PWM信號發生器連接。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均分別與運算單元 A、運算單元B連接，同時環流單元也與運算單元A、運算單元B連接；運算單元A、運算單元 B分別與對應的電流控制器AN、電流控制器AP連接；子模塊直流側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構相同，其中所述上橋臂控制器包括與各上橋臂N個子模塊電容電壓檢測值uapl、uapj、…和uapN 對應的微調控制器API、微調控制器APj、…微調控制器AP(N-I)；各微調控制器AP輸出端分別與對應的乘法器API、乘法器APj、…乘法器AP (N-I)連接；同時各微調控制器AP輸出端還與加法器AP連接，加法器AP依次與反號器AP、乘法器APN連接，各乘法器AP的輸出端與相應的加法器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個子模塊電容電壓檢測值uml、UaIu.、…和UanN 對應的微調控制器AN1、微調控制器ANj、…微調控制器AN(N-I)；各微調控制器AN輸出端分別與對應的乘法器AN1、乘法器ANj、…乘法器AN(N-I)連接；同時各微調控制器AN輸出端還與加法器AN連接，加法器AN依次與反號器AN、乘法器ANN連接，各乘法器AN的輸出端與相應的加法器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。本實用新型的理論依據是由圖2所示的單相模塊化多電平變換器可知，設交流側電源電壓為Usa，交流側電源電流為isa，上、下橋臂的各子模塊輸出總電壓開關周期平均值分別為uap、Uan，上、下橋臂的電流分別為iap、ian，交流側電源吸收的功率為PAe，直流母線發出的有功功率為PDe，上、下橋臂各子模塊吸收的總有功功率分別為Pap、Pan，設交流側電源周期為T。穩態時，如果忽略假設電感L的影響，則電壓關系為 Uj
1 (1) υ,
γ +Usa 電流關系為
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權利要求1.一種模塊化多電平變換器的綜合控制系統，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信號發生器連接；其中，所述各綜合控制裝置結構相同，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應相的PWM信號發生器連接。
2.如權利要求1所述的模塊化多電平變換器的綜合控制系統，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均分別與運算單元A、運算單元B連接， 同時環流單元也與運算單元A、運算單元B連接；運算單元A、運算單元B分別與對應的電流控制器AN、電流控制器AP連接；子模塊直流側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.如權利要求1所述的模塊化多電平變換器的綜合控制系統，其特征是，所述上橋臂控制器和下橋臂控制器結構相同，其中所述上橋臂控制器包括與各上橋臂N個子模塊電容電壓檢測值uapl、uapJ,…和uapN對應的微調控制器API、微調控制器APj、…微調控制器AP(N-I)；各微調控制器AP輸出端分別與對應的乘法器API、乘法器APj、…乘法器AP (N-I)連接；同時各微調控制器AP輸出端還與加法器AP連接，加法器AP依次與反號器AP、乘法器APN連接，各乘法器AP的輸出端與相應的加法器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個子模塊電容電壓檢測值Uanl、U_、...和uanN對應的微調控制器AN1、微調控制器ANj、…微調控制器AN(N-I)；各微調控制器AN輸出端分別與對應的乘法器AN1、乘法器ANj、…乘法器AN(N-I)連接；同時各微調控制器AN輸出端還與加法器AN連接，加法器AN依次與反號器AN、乘法器ANN連接，各乘法器AN的輸出端與相應的加法器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。
專利摘要本實用新型涉及一種模塊化多電平變換器的綜合控制系統，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信號發生器連接；所述各綜合控制裝置結構相同，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應相的PWM信號發生器連接。本實用新型適用于各種PWM方式；可靈活控制環流，滿足特殊需要；物理意義明確，理論依據充分。
文檔編號H02M7/483GK202076951SQ20112005353
公開日2011年12月14日 申請日期2011年3月3日 優先權日2011年3月3日
發明者張蘭華, 王廣柱 申請人:山東大學