专利名称：一种模块化多电平变换器的综合控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种模块化多电平变换器的综合控制系统，属于多电平电力电子功率变换器的控制技术领域。
背景技术：
模块化多电平变换器拓扑采用级联式、模块化构造，无需功率器件直接串联便可得到多电平的阶梯电压，具有较低的dU/dt和较低的电压谐波含量，在中/高压大容量系统中具有广阔的应用前景。该变换器拓扑结构如
图1所示，图中，上桥臂和下桥臂各有N个子模块级联而成，各子模块为半桥结构，子模块直流侧并联有相同的电容器。由于模块化多电平变换器的各子模块直流侧电容处于悬浮状态，运行时各子模块电容会出现充放电差异， 因此会导致电容电压的不平衡问题。电容电压不平衡会直接威胁变换器的安全运行，因此该问题能否有效解决是模块化多电平变换器安全、可靠运行的关键。在《中国电机工程学报》2004年第M卷第4期145-150页刊登的“基于链式逆变器的50MVA静止同步补偿器的直流电压平衡控制”一文(作者刘文华等)对级联式静止同步补偿器的直流侧子模块电容平衡控制方法进行了研究，提出了采用在各子模块直流侧外加专用功率电路，通过控制直流侧电容器的充放电来实现电容电压平衡控制。但该方法需要额外增加外部复杂的专用功率电路，成本高、体积大、控制复杂。在《中国电机工程学报》2009年第四卷第30期1_6页刊登的“新型多电平VSC子模块电容参数与均压策略”一文(作者丁冠军等)提出了基于软件排序进行电容电压平衡控制的方法，该方法采用对各子模块直流侧电容电压的大小进行比较、排序，再根据桥臂功率(或电流)方向，决定各个子模块的投切状态。当桥臂吸收功率时，投入电压最低的子模块；反之，当桥臂发出功率时，投入电压最高的子模块。这种方法对脉宽调制(Pulse-Width Modulation, PWM)方式有特殊要求，不适合于在多电平变换器中被普遍采用的载波移相式 PWM方式。公开号为CN1767345A的中国专利公开的《一种混合箝位型多电平变换器拓扑》 中，提出了一种通过有源器件和无源器件共同实现箝位的多电平拓扑，可以不需要附加电路实现中点电位平衡，解决了传统多电平拓扑在高电平数情况下的电容电压平衡难以实现的问题。但公开号为CN1767345A的中国专利公开的《一种混合箝位型多电平变换器拓扑》 属于功率器件直接串联结构的箝位型多电平拓扑结构，与图1所示的模块化多电平拓扑并不属于同一种类型的多电平变换器拓扑，两种拓扑结构存在本质区别，因此，该箝位型多电平变换器拓扑的电容电压平衡技术不适合于图1所示的模块化多电平拓扑，并没有解决模块化多电平变换器各子模块电容电压的平衡问题。公开号为CN101546964A的中国专利公开的《模块组合型多电平变换器》中，公开了一种组合型多电平变换器拓扑，提出通过使用功率单元的串并联实现一种可用于中高压大功率场合的变换器拓扑。但公开号为CN101546964A的中国专利公开的《模块组合型多电平变换器》仅仅是公开了一种组合型多电平变换器拓扑，并没有解决模块化多电平变换器
3各子模块电容电压的平衡问题。
实用新型内容本实用新型的目的就是为解决上述问题，提出一种模块化多电平变换器的综合控制系统，以解决该变换器的各子模块电容电压的平衡问题以及控制问题。该方法从功率平衡的角度，其基本思想是，通过调节该变换器的总有功功率，实现该变换器的上、下桥臂总电容电压的平衡控制；通过调节上、下桥臂之间的有功功率分配，实现上、下桥臂之间的电容电压平衡控制；通过微调同一桥臂上各子模块之间的有功功率分配，实现同一桥臂上各子模块之间的电容电压平衡控制。该方法不仅实现了各子模块电容电压平衡控制，而且也实现了变换器的电流、电压控制，是一种模块化多电平变换器的综合控制方法，物理意义明确，不需要使用电容器专用充放电功率电路，适用于各种PWM方式。为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案一种模块化多电平变换器的综合控制方法，通过检测模块化多电平变换器上、下桥臂各子模块电容电压，上、下桥臂电流，以及交流侧电源电压，经过一个总控制器运算处理后得到上、下桥臂PWM公共占空比；上、下桥臂各子模块电容电压与上述上、下桥臂PWM公共占空比经过上、下桥臂控制器运算处理，得到上、下桥臂各子模块的PWM占空比；各子模块的PWM占空比经过PWM信号发生器产生各子模块的PWM控制信号，实现各子模块电容电压平衡控制和变换器的电流、电压控制。它的具体步骤为 (1)通过检测模块化多电平变换器上桥臂各N个子模块电容电压，得到上桥臂N个子模块电容电压检测值Uapl、uap2,...和uapN，通过求平均值单元A，得到上桥臂子模块平均电容电压‘；通过检测模块化多电平变换器下桥臂各N个子模块电容电压，得到下桥臂N 个子模块电容电压检测值uml、uan2、...和UanN，通过求平均值单元B，得到下桥臂子模块平均电容电压G ;将上述上桥臂子模块平均电容电压‘和下桥臂子模块平均电容电压送入到求平均值单元C，得到上和下桥臂总平均电容电压^ ;(2)通过检测交流侧电源电压Usa，经过归一化单元A处理，得到相应单位幅值电源电压、au ；(3)将总平均电容电压G与电压参考Udc*送入到总电容电压控制器处理，得到总电容电压控制电流VS(4)将上桥臂子模块和下桥臂子模块平均电容电压‘和&送入到上/下桥臂平衡控制器进行处理，得到的输出值Iacm与单位幅值电源电压Usau经乘法器1相乘后得到上 /下桥臂平衡调整电流Δ iAC,即Δ iAC = Iacm · Usau ；(5)将交流侧电源参考电流is/、i0*. Δ iAC和环流单元产生的电流(送入运算单元A得到上桥臂参考电流r，即ζ=去(C+Ay+C+C;
opZ(6)将交流侧电源参考电流is/、i0*. Δ iAC和环流单元产生的电流送入运算单元B得到下桥臂参考电流广即C =^(Ci-Ai4e)-C-O
4[0017](7)将上桥臂电流检测值iap与参考电流ζ送入到电流控制器AP处理，得到上桥臂PWM公共占空比dap;(8)将下桥臂电流检测值ian与参考电流Ci送入到电流控制器AB处理，得到下桥臂PWM公共占空比dan；(9)将上桥臂电流检测值iap送入归一化单元AP处理，得到上桥臂单位幅值电流 iapu ；将下桥臂电流检测值ian送入归一化单元AN处理，得到下桥臂单位幅值电流i_ ；(10)将‘与上桥臂第j个子模块电容电压检测值Uapj，其中，j = 1,2,...，N-1，
送入到上桥臂第j个子模块微调控制器APj进行处理，微调控制器APj的输出Dmpj经过对应的乘法器APj与iapu相乘后再经过对应的加法器APj与上桥臂PWM公共占空比dap相加， 得到上桥臂第j个子模块PWM占空比dapj ；(11)将N-I个上桥臂微调控制器API、微调控制器AP2、...和微调控制器AP (N_l) 的输出Dmpl、Dmp2、...禾Π Ddip1m经过加法器AP求和后经反号器AP反向得到D_，再与iapu经乘法器APN相乘，然后与上桥臂PWM公共占空比dap相加，得到上桥臂第N个子模块PWM占
全比dapN ；(12)将&与下桥臂第j个子模块电容电压检测值uanj，其中j = 1,2,...,N-1, 送入到下桥臂第j个子模块微调控制器ANj进行处理，微调控制器ANj的输出经过对应的乘法器ANj与i_相乘后再经过对应的加法器ANj与下桥臂PWM公共占空比Clan相加， 得到下桥臂第j个子模块PWM占空比danj ；(13)将N-I个下桥臂微调控制器AN1、微调控制器AN2、...和微调控制器AN(N-I) 的输出Dmnl、Dnm2,...禾Π Dmlfrl经过加法器AN求和后经反号器AN反向得到Drf，再与ianu经乘法器ANN相乘，然后与下桥臂PWM公共占空比Clan相加，得到下桥臂第N个子模块PWM占
全比daI1N ；(14)将各子模块PWM占空比dapl、dap2、…和dapN及dml、dan2、…和danN送入到PWM 发生器单元，产生各子模块的PWM控制信号。所述步骤⑵中，通过检测交流侧电源电压Usa，采用公知的锁相技术，得到与Usa 同频同相的单位幅值正弦函数，代替单位幅值电源电压usau。所述步骤(9)中，用上桥臂参考电流ζ代替上桥臂电流检测值iap，用下桥臂参考
电流Ci代替下桥臂电流检测值ian ；即，将上桥臂参考电流 送入归一化单元AP处理，得
到上桥臂单位幅值电流iapu ；将下桥臂参考电流1:送入归一化单元AN处理，得到下桥臂单位幅值电流i_。所述步骤(5)和(6)中，环流单元产生的电流满足广UJ^dt = 0和
laLJo
Γu JiilCU = 0，其中，T表示交流侧电源电压周期，广的幅值由交流侧电源参考电流isa*大
0aL
小决定。所述步骤( 和(6)中，当模块化多电平变换器直流母线外接负载而不是直流电源时，需要增加直流母线电压闭环控制器，该控制器的输出控制交流侧电源参考电流isa*的有功分量幅值，该控制器的输入来自直流母线电压检测值和直流母线电压参考值。
5[0029]一种模块化多电平变换器的综合控制系统，它包括M相模块化多电平变换器，每一相模块化多电平变换器与各自的综合控制装置连接，各综合控制装置则与M相PWM信号发生器连接；其中，所述各综合控制装置结构相同，包括上桥臂控制器、总控制器和下桥臂控制器；每一相的模块化多电平变换器输出端分别与上桥臂控制器、总控制器和下桥臂控制器输入端连接；总控制器的输出端分别输出上桥臂PWM公共占空比dap到上桥臂控制器， 输出下桥臂PWM公共占空比Clan到下桥臂控制器；上桥臂控制器和下桥臂控制器输出端与对应相的PWM信号发生器连接。所述总控制器包括求平均值单元A、求平均值单元B，它们的输入端与模块化多电平变换器输出端连接，输出端则分别与求平均值单元C和上/下桥臂平衡控制器连接，求平均值单元C的输出端与总电容电压控制器连接，上/下桥臂平衡控制器输出端与乘法器I 连接，乘法器I还与归一化单元AN连接；总电容电压控制器和乘法器I均分别与运算单元 A、运算单元B连接，同时环流单元也与运算单元A、运算单元B连接；运算单元A、运算单元 B分别与对应的电流控制器AN、电流控制器AP连接；子模块直流侧电容参考电压送入总电容电压控制器输入端；模块化多电平变换器的相电源电压送入归一化单元AN ；下桥臂相电流送入电流控制器AN。所述上桥臂控制器和下桥臂控制器结构相同，其中所述上桥臂控制器包括与各上桥臂N个子模块电容电压检测值uapl、uapj、…和uapN 对应的微调控制器API、微调控制器APj、…微调控制器AP(N-I)；各微调控制器AP输出端分别与对应的乘法器API、乘法器APj、…乘法器AP (N-I)连接；同时各微调控制器AP输出端还与加法器AP连接，加法器AP依次与反号器AP、乘法器APN连接，各乘法器AP的输出端与相应的加法器API、…加法器APj、…加法器AP(N-I)、…加法器APN连接；上桥臂电流检测值iap送入归一化单元AP，归一化单元AP与各乘法器API、…乘法器APN连接；所述下桥臂控制器包括与各下桥臂N个子模块电容电压检测值uml、UaIu.、…和UanN 对应的微调控制器AN1、微调控制器ANj、…微调控制器AN(N-I)；各微调控制器AN输出端分别与对应的乘法器AN1、乘法器ANj、…乘法器AN(N-I)连接；同时各微调控制器AN输出端还与加法器AN连接，加法器AN依次与反号器AN、乘法器ANN连接，各乘法器AN的输出端与相应的加法器AN1、…加法器ANj、……加法器AN(N-l)、…加法器ANN连接；下桥臂电流检测值ian送入归一化单元AN，归一化单元AN与各乘法器AN1、…乘法器ANN连接。本实用新型的理论依据是由图2所示的单相模块化多电平变换器可知，设交流侧电源电压为Usa，交流侧电源电流为isa，上、下桥臂的各子模块输出总电压开关周期平均值分别为uap、Uan，上、下桥臂的电流分别为iap、ian，交流侧电源吸收的功率为PAe，直流母线发出的有功功率为PDe，上、下桥臂各子模块吸收的总有功功率分别为Pap、Pan，设交流侧电源周期为T。稳态时，如果忽略假设电感L的影响，则电压关系为 Uj
1 (1) υ,
γ +Usa 电流关系为
6[0039]
权利要求1.一种模块化多电平变换器的综合控制系统，其特征是，它包括M相模块化多电平变换器，每一相模块化多电平变换器与各自的综合控制装置连接，各综合控制装置则与M相 PWM信号发生器连接；其中，所述各综合控制装置结构相同，包括上桥臂控制器、总控制器和下桥臂控制器；每一相的模块化多电平变换器输出端分别与上桥臂控制器、总控制器和下桥臂控制器输入端连接；总控制器的输出端分别输出上桥臂PWM公共占空比dap到上桥臂控制器，输出下桥臂PWM公共占空比dan到下桥臂控制器；上桥臂控制器和下桥臂控制器输出端与对应相的PWM信号发生器连接。
2.如权利要求1所述的模块化多电平变换器的综合控制系统，其特征是，所述总控制器包括求平均值单元A、求平均值单元B，它们的输入端与模块化多电平变换器输出端连接，输出端则分别与求平均值单元C和上/下桥臂平衡控制器连接，求平均值单元C的输出端与总电容电压控制器连接，上/下桥臂平衡控制器输出端与乘法器I连接，乘法器I还与归一化单元AN连接；总电容电压控制器和乘法器I均分别与运算单元A、运算单元B连接， 同时环流单元也与运算单元A、运算单元B连接；运算单元A、运算单元B分别与对应的电流控制器AN、电流控制器AP连接；子模块直流侧电容参考电压送入总电容电压控制器输入端；模块化多电平变换器的相电源电压送入归一化单元AN ；下桥臂相电流送入电流控制器 AN0
3.如权利要求1所述的模块化多电平变换器的综合控制系统，其特征是，所述上桥臂控制器和下桥臂控制器结构相同，其中所述上桥臂控制器包括与各上桥臂N个子模块电容电压检测值uapl、uapJ,…和uapN对应的微调控制器API、微调控制器APj、…微调控制器AP(N-I)；各微调控制器AP输出端分别与对应的乘法器API、乘法器APj、…乘法器AP (N-I)连接；同时各微调控制器AP输出端还与加法器AP连接，加法器AP依次与反号器AP、乘法器APN连接，各乘法器AP的输出端与相应的加法器API、…加法器APj、…加法器AP (N-I)、…加法器APN连接；上桥臂电流检测值iap送入归一化单元AP，归一化单元AP与各乘法器API、…乘法器APN连接；所述下桥臂控制器包括与各下桥臂N个子模块电容电压检测值Uanl、U_、...和uanN对应的微调控制器AN1、微调控制器ANj、…微调控制器AN(N-I)；各微调控制器AN输出端分别与对应的乘法器AN1、乘法器ANj、…乘法器AN(N-I)连接；同时各微调控制器AN输出端还与加法器AN连接，加法器AN依次与反号器AN、乘法器ANN连接，各乘法器AN的输出端与相应的加法器AN1、…加法器ANj、……加法器AN(N-I)、…加法器ANN连接；下桥臂电流检测值ian送入归一化单元AN，归一化单元AN与各乘法器AN1、…乘法器ANN连接。
专利摘要本实用新型涉及一种模块化多电平变换器的综合控制系统，它包括M相模块化多电平变换器，每一相模块化多电平变换器与各自的综合控制装置连接，各综合控制装置与M相PWM信号发生器连接；所述各综合控制装置结构相同，包括上桥臂控制器、总控制器和下桥臂控制器；每一相的模块化多电平变换器输出端分别与上桥臂控制器、总控制器和下桥臂控制器输入端连接；总控制器的输出端分别输出上桥臂PWM公共占空比dap到上桥臂控制器，输出下桥臂PWM公共占空比dan到下桥臂控制器；上桥臂控制器和下桥臂控制器输出端与对应相的PWM信号发生器连接。本实用新型适用于各种PWM方式；可灵活控制环流，满足特殊需要；物理意义明确，理论依据充分。
文档编号H02M7/483GK202076951SQ20112005353
公开日2011年12月14日 申请日期2011年3月3日 优先权日2011年3月3日
发明者张兰华, 王广柱 申请人:山东大学