[发明专利]基于分数阶控制的双PWM变频器一体化协调控制系统

说明书

技术领域

本发明属于电力电子与电力传动技术领域，具体涉及一种基于分数阶控制的双PWM变频器一体化协调控制系统。

背景技术

随着电力电子器件、现代控制理论、计算机技术的发展，交流电机变频调速技术的控制性能得到大幅度地提高，变频调速已成为当代交流电机调速的潮流，在工业控制的各个领域得到广泛的应用。

目前高压多电平交-直-交变频器的逆变电路拓扑主要有：功率器件串联结构、二极管箝位型结构、飞跨电容型结构、单元串联级联结构。功率器件串联结构是满足系统容量要求的一个简单直观的方法，但存在动态均压问题，使系统损耗增加、效率下降，且较大的共模电压影响电动机的绝缘；二极管箝位型结构虽解决了功率器件串联的均压问题，输出电压和电流总谐波畸变率也都大大减小，但存在箝位二极管耐压要求高，不利于实现更高电平，另外由于存在开关器件的导通负荷不一致，致使各个电容的充电时间不同，将形成不平衡的电容电压；飞跨电容型结构是采用直流电容代替箝位二极管，通过在同一电平上不同开关的组合，使直流侧电容电压保持均衡，但这种结构随着电平数量的增加，所需电容的个数剧增，另外纯无功负载时，存在飞跨电容电压不平衡问题。上述拓扑结构因受功率器件耐压等级的限制，输出电压的等级不高，难以适用于6～10kV的高压电机。

级联型高压变换器通过若干低压功率单元的串联、冗余设计，可合成输出所期望的高电压。由于电路结构高度模块化，且模块具有互换性，这些特点使级联型变换电路具有很强的扩展性和灵活性，因此在高压大容量的电气传动应用领域成为近十年来持续研究热点。其中，级联型H桥逆变器作为多电平变频器的主流拓扑，在冶金、矿山、造纸等行业得到应用。级联型H桥每个功率单元均需要独立的低压直流工作电源，因此需要由多绕组输出的移相变压器来提供独立电源，尽管移相变压器能够使变流器与电网之间电气隔离，并通过多重化技术大大改善电网侧的电流谐波，但电平数越多，需要变压器副边绕组也越多，而多绕组变压器体积大，制造困难，增加了工程应用成本，尤其在船舶、机车等一些空间、体积甚至重量都有要求的场合，成为制约其广泛应用的一个重要因素。无工频变压器级联式多电平变换器采用的电路拓扑取消了输入端的工频变压器，输入端通过整流模块直接级联，在整流模块后利用可实现双向流动的高频DC-DC变换电路实现输入和输出的隔离与变换，由于高频变压器的铁芯小、功率密度大，使得整个变流器体积大大减小，但是增加的DC-DC环节会使整个变换器的损耗增大，控制也更加复杂。

近几年，模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)受到了越来越广泛的关注，它秉承了H桥级联结构模块化的优点，通过功率单元的级联实现多电平输出。每个功率单元由一个两电平桥臂构成，且所有的电容处于悬浮状态，由于存在公共直流母线，可采用单一直流电压而不需要多绕组变压器。MMC每个桥臂子模块可以进行有选择的控制，从而可将其等效为一个可控电压源，MMC的每相中两个桥臂的电压之和等于直流母线电压，通过控制每个桥臂子模块导通状态，就可以在输出端得到所需的正弦电压。

目前电压源型交-直-交高压变频器，其整流侧大都采用多重化技术以实现高压直流输出，整流单元采用大功率二极管，因能量不能反馈至电网，这种变频器不能直接用于像高速电梯，矿用提升机等需要快速启动、制动，频繁正反转的调速系统，同时还存在网侧电流波形畸变严重，含有大量的低次谐波，形成电力公害等问题。

目前应用的通用型变频器，存在着网侧电流谐波污染大、能量不可逆，直流侧电容体积庞大、容易损坏等问题。并且，目前双PWM变频器其整流侧与逆变侧的控制系统是两个相互独立的系统，整流侧的控制以实现网侧电流正弦化和直流侧电压稳定为目的，而逆变侧的控制以实现交流电机高性能的变频调速技术。两系统依靠中间直流环节相联系，在负载出现大的波动或频繁启、制动过程中，负载的变化信息无法及时反映到整流侧控制中，只能依赖中间大容量的电容实现功率的平衡。由于大容量电容的存在，影响了系统动态快速性能和可靠性等。