本發明屬于電力電子技術領域，尤其涉及一種具有部分儲能單元的混合級聯多電平變換器及其控制方法。

背景技術：

對于中高壓大容量電機驅動系統，目前通常采用傳統級聯H橋多電平變換器。每相結構相同，均采用傳統不控整流功率單元級聯而成，結構簡單，易于擴展和更換。但由于前端二極管的限制，電機制動產生的再生能量無法回饋，容易造成單元直壓泵升。同時由于級聯單元個數較多，輸入側移相變壓器體積龐大，繞組數多且制造工藝復雜。隨著能源危機的日益嚴峻，節能要求逐漸提高。近年來，超級電容價格逐漸下降，采用儲能系統實現再生能量的回收利用成為一種發展趨勢。為此，在傳統級聯H橋變換器結構基礎上，進行簡單改造，設計一套既可實現電機再生能量存儲再利用又可滿足原有功能的變換器具有重要意義。

技術實現要素：

本發明針對現有技術中的問題，提供一種具有部分儲能單元的混合級聯多電平變換器及其控制方法，不僅降低了傳統變換器的前端整流器及移相變壓器繞組數量，同時可實現電機再生能量的回收再利用，有效節能。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：提供一種具有部分儲能單元的混合級聯多電平變換器，該混合級聯多電平變換器采用三相Y型結構，每相結構相同，均由不控整流單元與儲能功率單元混合級聯而成，共同分擔電壓等級；不控整流單元由三相二極管不控整流橋、直壓電容、H橋逆變器構成，送入不控整流單元的交流電，經三相二極管不控整流橋變換為6脈波直流電，經直壓電容濾波穩壓后，再通過H橋逆變器變換為變壓變頻的交流電；儲能功率單元由超級電容與H橋逆變器構成，多個超級電容串并聯組合后并接在H橋逆變器的直流側。相比傳統不控整流單元，儲能功率單元無需前端整流橋，有效減少了功率器件及移相變壓器繞組數量。不控整流單元個數及儲能功率單元個數應根據電機、功率開關、直壓等參數具體設定。

本發明中還提供一種具有部分儲能單元的混合級聯多電平變換器控制方法，包括以下步驟，步驟一，設定電機頻率及初相位，根據恒壓頻比控制方法設計相電壓幅值；步驟二，檢測電機端電壓及電流，計算出功率因素角；步驟三，得到不控整流單元與儲能功率單元的電壓參考指令信號；步驟四，經載波移相PWM調制處理后，分別送入儲能功率單元及不控整流單元的H橋逆變器的各功率開關器件。

按照上述方案，所述步驟三具體為，根據三種控制模式下的相量關系，得出不控整流單元與儲能功率單元的電壓參考指令信號，其中三種控制模式具體為：控制模式一，當電機正常運行時，儲能功率單元僅提供無功功率，不控整流單元提供全部的有功功率和一部分的無功功率；控制模式二，當電機減速運行時，電機產生再生能量全部回饋至儲能功率單元，不控整流單元僅交換無功功率；控制模式三，當電機加速或再次電動運行時，設定判據，使儲能功率單元釋放有功功率，與不控整流單元共同提供負載所需能量，補償電機突然加速時所需的瞬時尖峰功率，待電容直壓降至設定值，儲能功率單元停止輸出有功，重新工作于正常狀態，僅交換無功功率。

本發明產生的有益效果是：第一，本發明中部分儲能功率單元無需前端整流橋，有效減少了功率器件及移相變壓器繞組數量，降低了設備造價及體積。第二，本發明可回收再利用電機減速或攜帶位能性負載時產生的再生能量，此能量可用于補償電機啟動或加速過程時所需的瞬時尖峰功率，也可用于電動運行需求。該變換器具有四象限運行能力，對于需頻繁啟制動的電機驅動系統具有節能意義。

附圖說明

下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：

圖1為本發明實施例變換器的具體拓撲結構圖；

圖2為本發明實施例變換器的每相2儲能功率單元與2不控整流單元混合級聯的變換器A相拓撲結構圖；

圖3為控制模式一情況下兩功率單元與電機間的有功、無功功率分配示意圖；

圖4為控制模式二情況下兩功率單元與電機間的有功、無功功率分配示意圖；

圖5為控制模式三情況下兩功率單元與電機間的有功、無功功率分配示意圖；

圖6為控制模式一情況下變換器每相輸出電壓、電流與兩種功率單元電壓相量關系；

圖7為控制模式二情況下變換器每相輸出電壓、電流與兩種功率單元電壓相量關系；

圖8為控制模式三情況下變換器每相輸出電壓、電流與兩種功率單元電壓相量關系；

圖9為本發明實施例混合級聯多電平變換器控制方法總控制框圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

本發明實施例中，首先提供一種具有部分儲能單元的混合級聯多電平變換器，該混合級聯多電平變換器采用三相Y型結構，每相結構相同，均由不控整流單元與儲能功率單元混合級聯而成，共同分擔電壓等級；不控整流單元由三相二極管不控整流橋、直壓電容、H橋逆變器構成，送入不控整流單元的交流電，經三相二極管不控整流橋變換為6脈波直流電，經直壓電容濾波穩壓后，再通過H橋逆變器變換為變壓變頻的交流電；儲能功率單元由超級電容與H橋逆變器構成，多個超級電容串并聯組合后并接在H橋逆變器的直流側。相比傳統不控整流單元，儲能功率單元無需前端整流橋，有效減少了功率器件及移相變壓器繞組數量。

本發明中還提供一種具有部分儲能單元的混合級聯多電平變換器控制方法，包括以下步驟，步驟一，設定電機頻率及初相位，根據恒壓頻比控制方法設計相電壓幅值；步驟二，檢測電機端電壓及電流，計算出功率因素角；步驟三，得到不控整流單元與儲能功率單元的電壓參考指令信號；步驟四，經載波移相PWM調制處理后，分別送入儲能功率單元及不控整流單元的H橋逆變器的各功率開關器件。

進一步地，所述步驟三具體為，根據三種控制模式下的相量關系，得出不控整流單元與儲能功率單元的電壓參考指令信號，其中三種控制模式具體為：控制模式一，當電機正常運行時，儲能功率單元僅提供無功功率，不控整流單元提供全部的有功功率和一部分的無功功率；控制模式二，當電機減速運行時，電機產生再生能量全部回饋至儲能功率單元，不控整流單元僅交換無功功率；控制模式三，當電機加速或再次電動運行時，設定判據，使儲能功率單元釋放有功功率，與不控整流單元共同提供負載所需能量，補償電機突然加速時所需的瞬時尖峰功率，待電容直壓降至設定值，儲能功率單元停止輸出有功，重新工作于正常狀態，僅交換無功功率。

不控整流單元與儲能功率單元個數均可靈活配置，具體設計根據電機容量，器件功率以及直壓等參數詳細計算。

本發明實施例混合級聯多電平變換器控制方法針對電機的不同運行狀態，采用功率分段控制，通過對兩種功率單元與電機間的有功和無功功率分配，實現電機再生能量的存儲和再利用，同時使得兩種單元的直壓保持在穩定范圍。本發明可充分回收再利用電機制動過程中的再生能量，且可高效補償電機啟動過程時所需的瞬時尖峰功率。該變換器具有四象限運行能力，對于需頻繁啟制動的電機驅動系統具有節能意義。同時，由于儲能單元無需前端整流橋，有效減少了功率器件及移相變壓器繞組數量，降低了設備體積及成本。

參照圖1所示，一種具有部分儲能單元的混合級聯多電平變換器，每相設計m個儲能功率單元與n個二極管不控整流功率單元級聯而成。A、B、C三相構成Y型結構為電機供電。變換器中兩種功率單元的個數由電機額定功率、回饋功率以及功率器件的容量等級綜合設定。所有不控整流單元輸入側通過移相變壓器，與電網相連。

參照圖2所示，每相2個不控整流單元與2個儲能功率單元混合級聯的變換器A相拓撲，圖中A1、A2為儲能功率單元，A3、A4為不控整流單元。儲能功率單元由超級電容與H橋逆變器構成，不控整流單元由三相二極管不控整流橋、直壓電容、H橋逆變器構成。此時移相變壓器二次側繞組數量相對于傳統變換器減少了一半，移相角度依次為0°、30°，與傳統的±22.5°、±7.5°相比，工藝復雜度降低。

參照圖3-5所示，三種控制模式，兩功率單元與電機間的有功無功功率分配關系：控制模式一，當電機正常運行時，儲能功率單元僅提供無功功率，不控整流單元提供全部的有功功率和一部分的無功功率；控制模式二，當電機減速運行時，電機產生再生能量全部回饋至儲能單元，不控整流單元僅交換無功功率；控制模式三，當電機加速或再次電動運行時，設定判據，使儲能功率單元釋放有功功率，與不控整流單元共同提供負載所需能量，補償電機突然加速時所需的瞬時尖峰功率。待電容直壓降至設定值，儲能功率單元停止輸出有功，重新工作于正常狀態，僅交換無功功率。

參照圖6-8所示，對應變換器三種控制模式有功無功功率分配思想，設計每相輸出電壓、電流與兩種功率單元電壓相量關系。圖中分別為A相輸出電壓、電流相量，為A相儲能功率單元、不控整流單元的總輸出電壓相量。θ為儲能功率單元輸出電壓超前A相電壓角度，β為不控單元輸出電壓滯后A相電壓角度，角為電流相量滯后電壓相量角度。控制模式一，為維持直壓穩定，儲能功率單元僅交換無功功率，故應使儲能功率單元輸出電壓相量與電流相量垂直。控制模式二，電機減速制動狀態，為使再生能量全部回饋至儲能單元，不控單元僅交換無功功率，應使控制模式三，為使儲能單元存儲的再生能量能夠再利用，相量與相電流夾角γ應為銳角，使儲能單元可輔助輸出一定的有功功率。由此根據三角函數關系，可確定兩種功率單元電壓與單相電壓幅值與相位角度關系。

參照圖9所示，為本發明方法總控制框圖。步驟一，設定電機頻率及初相位，根據恒壓頻比控制方法設計相電壓幅值；步驟二，檢測電機端電壓及電流計算出功率因素角；步驟三，根據三種控制模式下的相量關系，得出不控整流單元與儲能功率單元的電壓參考指令信號；步驟四，經載波移相PWM調制處理后，分別送入儲能功率單元及不控整流單元的H橋逆變器各功率開關器件。

應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。