可驅動雙電機異步運行的級聯多電平變換器及控制方法與流程
2024-03-25 15:34:05
本發明屬於電力電子技術領域，尤其涉及一種可驅動雙電機異步運行的級聯多電平變換器及控制方法。
背景技術：
隨著能源危機的日益嚴峻，中高壓大容量電機群負載的節能需求逐漸提高。目前通用的級聯H橋變頻器，雖可有效實現電機節能，但電機制動過程中產生的電能仍有待開發。針對再生能量的回收，通常主要有兩種方式：將能量回饋電網或採用儲能設備回收再利用。前者必須採用全控器件構建回饋單元，控制複雜度顯著增加，成本也相應提高，同時對電網電能質量也會造成一定幹擾。後者必須大量採用儲能設備，因工業現場，電機功率巨大，儲能容量需求較高，故設備成本及體積大幅增加。
鑑於工業應用中，往往需要多臺電機配合工作，電機運行狀態時有變化，若能將制動電機再生的電能直接提供至電動運行電機，即可有效利用回饋能量且避免對電網造成不良影響。目前，中高壓大功率電機的驅動應用通常由一臺變換器驅動一臺電機，或者一臺變換器拖動多臺電機同步運行。前者，多電機間，能量獨立，無法實現能量互動。後者則必須同步運行，多電機只能工作於相同運行狀態。為此，設計一套可同時驅動多電機不同步運行，且可將電機間制動能量直接吸收利用的變換器具有重要意義。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種可驅動雙電機異步運行的級聯多電平變換器及控制方法，該變換器既可同時驅動兩臺電機不同步運行，又能高效地回收利用電機制動過程中的再生能量。
為達到上述目的，本發明提供的一種可驅動雙電機異步運行的級聯多電平變換器，包括由6個電路結構相同的橋臂和6個濾波電感間隔著串聯構成的拓撲電路，各橋臂均由若干不控整流功率單元級聯構成；拓撲電路中橋臂順次記為A橋臂、B橋臂、C橋臂、D橋臂、E橋臂和F橋臂，拓撲電路中橋臂和濾波電感的連接點順次記為R、W、S、U、T、V，R、S、T構成第一三相輸出埠，U、V、W構成第二三相輸出埠；第一三相輸出埠和第二三相輸出埠作為兩負載埠分別連接不同電機；橋臂中各不控整流功率單元的前端輸入通過移相變壓器與本地電網相連，移相變壓器的一次側繞組共用，其二次側繞組依次相錯60°/m的角度，m為橋臂中不控整流功率單元的數量。
本發明級聯多電平變換器可驅動兩臺電機異步運行，依據恆壓頻比控制，分別對兩負載埠給定不同指令，從而同時驅動雙電機異步運行，且可實現兩電機間的能量交互。
本發明還提供了一種上述級聯多電平變換器的控制方法，包括：
(1)根據電機轉速要求，分別設定兩負載埠的頻率指令；
(2)根據能量傳遞需求，分別設定兩負載埠的初始相位指令，並令兩負載埠的初始相位相錯180°；
(3)綜合兩負載埠的頻率指令和初始相位指令，基於恆壓頻比控制生成兩負載埠的三相電壓參考指令；
(4)根據兩負載埠的三相電壓參考指令，採用KVL方程得出各橋臂的電壓參考指令；
(5)根據各橋臂的電壓參考指令，結合直壓平衡控制生成橋臂中各不控整流功率單元的電壓參考指令；
(6)各不控整流功率單元的電壓參考指令經載波移相調製送入各不控整流功率單元的功率開關，即可驅動雙電機異步運行。
步驟(5)具體為：
A橋臂、C橋臂和E橋臂等效為第一組三相對稱橋臂電源，B橋臂、D橋臂和F橋臂等效為第二組三相對稱橋臂電源，兩組三相對稱橋臂電源中各橋臂的電壓相位依次相錯120°；
對兩組三相對稱橋臂電源分別進行各橋臂內的直壓平衡控制和橋臂間的平衡控制，以確保每個橋臂內各不控整流功率單元間的直壓平衡和每組三相對稱橋臂電源三橋臂間的三相對稱；
檢測各不控整流功率單元直壓，分別與各橋臂直壓平均值和各組三相對稱橋臂電源直壓平均值比較後生成誤差，經比例積分正弦化形成直壓平衡調節量，對應加入橋臂的電壓參考指令，即生成各不控整流功率單元的電壓參考指令。
與現有技術相比，本發明具有如下特點和有益效果：
(1)可同時驅動兩臺電機異步運行，相對於工業現場多電機運行多變換器驅動系統，減小了設備體積，降低了造價成本。
(2)本發明可實現兩輸出埠間的能量交互，即當一臺電機制動時，其再生能量可直接供給另一臺電動運行電機使用，從而可高效利用電機回饋能量，降低直壓泵升，對於需頻繁啟制動的多電機驅動系統具有節能意義。
附圖說明
圖1為級聯多電平變換器的具體拓撲結構圖；
圖2為實施例給出的A橋臂及不控整流功率單元的拓撲結構圖；
圖3為本發明級聯多電平變換器的三種典型工作模式；
圖4為本發明總控制框圖。
具體實施方式
為使本發明目的、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。
參照圖1，6個橋臂和6個濾波電感間隔著串聯構成六邊形拓撲結構，六邊依次記為A、B、C、D、E、F橋臂，其中，各橋臂均由m個不控整流功率單元級聯構成，濾波電感用於六邊形拓撲結構的環流抑制。六邊形相隔頂點依次構成R、S、T三相輸出和U、V、W三相輸出，作為兩負載埠，分別連接電機1與電機2。m值根據電機及橋臂的功率開關、中間直壓電路等參數綜合設定。橋臂各不控整流功率單元的前端輸入通過移相變壓器與本地電網相連，移相變壓器的一次側繞組共用，其二次側繞組依次相錯60°/m的角度，以此降低輸入側電流諧波含量。
參照圖2，本實施例中，A橋臂由2個不控整流功率單元A1和A2級聯構成，此時移相變壓器二次側繞組依次相錯30°。右圖為不控整流功率單元的拓撲結構圖，其包括三相二極體不控整流電路、中間直壓電路和H橋逆變電路，其結構簡單，易更換維護。
參照圖3，圖(a)為本發明級聯多電平變換器典型工作模式一，該工作模式下，兩電機同時電動運行，本地電網為兩電機供能。此時本地電網輸出的有功功率pin＞0，兩電機有功功率pm1＞0，pm2＞0，且pin＝pm1+pm2，各橋臂直壓保持穩定。其中，pm1和pm2分別表示電極1和電機2的有功功率。
圖(b)所示為工作模式二，該工作模式下，電機1電動運行，電機2制動，pm2＜0，pm1＞0。此時，再生能量通過橋臂直接流入電機1。當|pm2|＞|pm1|時，富餘能量將會累積在不控整流功率單元的中間直壓電路，直壓略有上升，本地電網停止供能，即pin＝0。隨著電機1的能量消耗，直壓逐漸恢復，其後本地電網重新恢復供能。
圖(c)所示為工作模式三，該工作模式下，兩電機同時制動，pm1＜0，pm2＜0。此時兩電機再生能量全部回饋至橋臂各不控整流功率單元的中間直壓電路，造成直壓嚴重泵升。故應避免此種情況出現，可通過控制程序設計，禁止兩電機的同時制動。
參照圖4，為實現兩電機的獨立運行，基於恆V/F控制(恆壓頻比控制)設計控制策略，具體為：
(1)根據電機轉速要求，設定兩負載埠的頻率指令。
(2)根據能量傳遞需求，設定兩負載埠的初始相位指令，並令兩負載埠的初始相位相錯180°。
(3)綜合兩負載埠的頻率指令和初始相位指令，基於恆壓頻比控制生成兩負載埠的三相電壓參考指令。
(4)根據兩負載埠的三相電壓參考指令，採用KVL方程得出各橋臂的電壓參考指令。
(5)根據各橋臂的電壓參考指令，結合直壓平衡控制生成橋臂中各不控整流功率單元的電壓參考指令。
(6)各不控整流功率單元的電壓參考指令經載波移相調製送入各不控整流功率單元的功率開關，即可驅動雙電機異步運行。
直壓平衡控制中，根據能量分配分析，六橋臂的能量分配規律為：A橋臂、C橋臂和E橋臂的能量分配一致，B橋臂、D橋臂、F橋臂的能量分配一致，且對應各橋臂的電壓相位依次相錯120°，故可等效為兩組三相對稱橋臂電源。因此直壓平衡分為兩組設計，分別對由A橋臂、C橋臂和E橋臂構成的第一組三相對稱橋臂電源和由B橋臂、D橋臂和F橋臂構成的第二組三相對稱橋臂電源設計兩層控制：對兩組三相對稱橋臂電源分別進行各橋臂內的直壓平衡控制和橋臂間的平衡控制，以確保每個橋臂內各不控整流功率單元間的直壓平衡和每組三相對稱橋臂電源三橋臂間的三相對稱；檢測各不控整流功率單元直壓，分別與各橋臂直壓平均值和各組三相對稱橋臂電源直壓平均值比較後生成誤差，經比例積分正弦化形成直壓平衡調節量，對應加入橋臂的電壓參考指令，即生成各不控整流功率單元的電壓參考指令。
最後應當說明的是，以上內容僅用以說明本發明的技術方案，而非對本發明保護範圍的限制，本領域的普通技術人員對本發明的技術方案進行的簡單修改或者等同替換，均不脫離本發明技術方案的實質和範圍。