[发明专利]一种模块化多电平逆变器及其无差拍控制方法

说明书

技术领域

本发明专利属于高压大功率电力电子技术领域，特别涉及一种模块化多电平逆变器及其无差拍控制方法

背景技术

近年来，随着电力系统的不断发展，传统的电网输配电系统已经不能满足社会需求，对电力系统的控制能力、输送能力要求越来越高，高压大功率电力电子变换器件应运而生；其次，随着高压大功率交流电机的广泛运用，为实现其调速，对高压变换开关器件的性能提出了很高的要求，从而催生多电平逆变器的发展；再者，能源与环境问题日益严重，为减少有害气体排放，常规电力系统向基于可再生能源的分布式发电过渡，尤以风电与光伏发电为主，这种情况下采用高质量、高可控性的输电方式成为热点，由此推动了高压大功率电力电子技术的发展。

多电平逆变器的种类繁多，目前比较常见的拓扑结构主要分为三类：二极管钳位型多电平逆变器、飞跨电容型多电平逆变器和级联H桥型多电平逆变器。二极管钳位型多电平逆变器同时具有多重化和脉宽调制的优点，但存在对二极管耐压要求高，所需二极管数量庞大，开关器件导通负荷不一致，控制复杂等缺陷；飞跨电容型多电平逆变器的输出电平数扩展简单，控制灵活，不需要钳位二极管，且只需一个独立直流电源供电，但也存在电容数量大，器件的开关频率和开关损耗大，导通负荷不一致的问题；级联H桥型多电平逆变器无需大量钳位二极管和飞跨电容，输出电压谐波含量少，但需多个独立直流电源，不能四象限运行。随着电力电子技术的进一步发展，一种新的多电平逆变器诞生，即模块化多电平逆变器(MMC)，与之前的多电平逆变器相比，除了具有它们本身的优点之外，还展现出更多的优势：模块化程度高，电路拓扑结构清晰，单一器件电流容量小，发生故障能快速切除等。

对于模块化多电平逆变器，其控制方式主要包括：逆变器的功率控制，子模块的平衡控制和逆变器的调制算法。其中，子模块的平衡控制包括均压控制和稳压控制，每个子模块的稳压控制包括两个PI环节，每相桥的均压控制也包含一个PI环节。因此，系统中将出现大量的PI环节，对于整个系统的调试相当困难。本发明只在系统中引入一个PI环节，即可实现控制目的，很大程度上减轻了系统的调试工作，降低了运算复杂度，提高了系统响应速度。

发明内容

本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种模块化多电平逆变器及其无差拍控制方法，这种控制方法减少了PI调节器，降低了运算复杂度，提高了系统响应速度。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种模块化多电平逆变器，采用三相六桥臂拓扑结构，每相包括上、下两个桥臂，每个桥臂由N个SM子模块和1个电感L串联而成，上桥臂和下桥臂连接点引出相线；三条相线接入公共电网；每相上桥臂的N个SM子模块依次记为SM_p1,SM_p2,…,SM_pN；每相下桥臂的N个SM子模块依次记为SM_n1,SM_n2,…,SM_nN；

每个SM子模块是一个半桥变流器，由两个IGBT管T1和T2、两个二极管D1和D2和一个电容C构成；其中，IGBT管T1的发射极与IGBT管T2的集电极相连并构成SM的正端，IGBT管T1的集电极与电容C的正极相连，IGBT管T2的发射极与电容的负极相连并构成SM的负端；D1与T1反向并联，D2与T2反向并联；IGBT管T1和T2的门极均接收控制脉冲信号；

每相上桥臂的N个SM子模块和1个电感L依次串联，即SM_p1的正端与直流侧正极相连；处于中间的SM_pi的正端与SM_p(i-1)的负端相连，SM_pi的负端与SM_p(i+1)的正端相连，i＝2，3，…，N-1；SM_pN负端与电感L一端相连，电感L另一端引出相线；

每相下桥臂的电感L和N个SM子模块依次串联，即电感L一端引出相线，电感L另一端与SM_n1正端相连；处于中间的SM_ni的正端与SM_n(i-1)的负端相连，SM_ni的负端与SM_n(i+1)的正端相连，i＝2，3，…，N-1；SM_nN负端与直流侧负极相连；

直流侧电源中点接地。

一种模块化多电平逆变器的无差拍控制方法，所述模块化多电平逆变器为上述的模块化多电平逆变器，无差拍控制方法包括环流控制和无差拍电流跟踪控制；