[发明专利]低频工况下模块化多电平变流器电容电压波动抑制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低频工况下模块化多电平变流器电容电压波动抑制方法，属于电力电子和电机传动技术领域。

背景技术

高压变频技术是通过改变频率的方式实现对交流电源控制的技术，变频调速系统因其优良的节能功效、高可靠性、高精度等特性，对我国节约能源和提高工业自动化水平和产品质量有着重要意义。高压变频器的实现方式较多，传统上通过“高—低—高”的电路实现，两侧采用两个变压器，使得变频器外的高电压等级降至低压，两个变压器与低压变频器相接，在较低电压等级下完成频率的变换。这种结构两侧均需要大型变压器，体积大、成本高，输出频率范围受变压器的影响，性能不理想。

采用功率开关器件直接串联的高压变频器要求功率器件特性相同，以现有的工业技术水平较难实现，对功率器件的均压控制提出了很高要求，采用的两电平变流器谐波分量高，会对电机寿命产生影响。

近些年发展起来的多电平变频技术，在一些方面改进了两电平变流器的不足，具有谐波分量低、du/dt小、功率因数高等优点，取得了较快的发展。然而应用中点箝位型（NPC）多电平变流器和电容箝位型（FC）多电平变流器的变频技术存在拓扑结构复杂、技术不统一、故障时不能持续运行等缺点。H桥级联型多电平变流器目前应用较广，级联结构使其易于向更高电压等级扩展，然而这种拓扑需要多绕组变压器，占地面积大，成本高。

模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter），作为一种多电平拓扑结构，具有多电平变流器的一般优势。此外，还具有高度模块化，功率单元有极强的互换性等特点。模块化多电平变流器采用IGBT可控功率开关，耐压水平和开关频率得到提高。模块化多电平变流器可实现四象限运行，无需变压器，可应用于高压直流输电、柔性直流输电、STATCOM等。可四象限运行的模块化多电平变流器的拓扑结构如图1。

将模块化多电平变流器应用于高压变频调速系统，可以减少谐波含量以增加电机寿命，因其高度的模块化，支持冗余设计，可以在模块化多电平变流器发生故障时从电路中切除故障子模块并迅速投入备用模块，降低故障损失。高压变频系统要求模块化多电平变流器在低频率工况下能够正常运行，需要对模块化多电平变流器的低频控制方法进行研究。除了在高压变频领域，模块化多电平变流器的低频控制还可以应用于阻尼低频、抑制次同步谐振等方面。

当模块化多电平变流器应用于电机驱动、针对低频交流系统领域的轻型直流输电以及不同区域电力系统的“背靠背”连接等应用场合时，均存在低频工况下电容电压波动较大的问题。2010年清华大学刘钟淇博士学位论文《基于模块化多电平变流器的轻型直流输电系统研究》在第20-25页分析了电容电压的波动规律，指出低频工况下电容电压的充电功率频率较低，电容长时间保持在充电或放电状态，电容电压波动幅度较大。如果不采用控制手段，为抑制低频下子模块电容电压的波动，只能选用容值较高的电容。由于模块化多电平变流器子模块数较多，增大子模块电容容值将使装置成本大幅增加。

在《电工技术学报》2011年第26卷第5期8-14页刊登的《新型模块化多电平变换器电容电压波动规律及抑制方法》提出了一种在模块化多电平变流器桥臂中叠加高频零序电压和桥臂环流的方法，用于抑制电容电压波动。但该文献对零序电压的频率、幅值未做限定，该方法会造成输出相电压和相电流含有高频零序谐波，且会造成模块化多电平变流器桥臂之间电气量的不对称，影响模块化多电平变流器的输出特性和平稳运行。同时，该文献对叠加的高频环流未做闭环控制，当调制环节存在误差时控制效果不佳，桥臂电流难以确保得到有效控制，甚至可能超出器件的耐受值；环流中除对抑制电容电压波动有益的高频分量之外，还含有二倍频环流，装置损耗较大。

发明内容

本发明的目的是提出一种低频工况下模块化多电平变流器电容电压波动抑制方法，以克服现有技术的不足，满足模块化多电平变流器在小于30Hz的低频电气工况下的运行要求，有效抑制模块化多电平变流器内各子模块电容电压波动幅度，保证模块化多电平变流器的对称、平稳运行。

本发明提出的低频工况下模块化多电平变流器电容电压波动抑制方法，包括以下步骤：