[发明专利]部分单元能量回馈级联型变频器中能量回馈单元配置方法

说明书

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种部分单元能量回馈级联型变频器及能量回馈单元配置方法。

背景技术

H桥级联型变频器以其输出谐波含量低、模块化的结构、易于电压和容量的扩展、易于制造和替换等优点，广泛应用于高压大容量电机驱动的场合。

电机在制动过程中处于再生发电状态时，机械能将转换成电能，由于传统的H桥级联型多电平变频器采用二极管不控整流桥，使得这些电能只能堆积在直流电容上，造成直流电容电压泵升。特别是对于快速制动、频繁正反转的交流调速系统，这一问题更加严重，甚至会引起电容爆炸，形成安全隐患，因而需要变频器具备向电网回馈能量的功能。目前，实现变频器的能量回馈主要有两种方法：改造功率单元整流器和增加能量回馈支路。

改造功率单元整流器，即将传统的二极管整流器替换为PWM整流器，通过双PWM结构的功率单元实现能量的双向流动。其中，基于三相PWM整流器的变频器得到较多研究，其控制性能和输入输出性能较好，但改造成本较高。整流器还可以采用单相全桥或单相半桥PWM整流器，整流器的开关数目有所减少，改造成本有所降低，但是增加了直流电压的纹波，变频器输入输出的电能质量受到影响。

增加能量回馈支路，即在电机机端中性点与多绕组变压器的二次侧跨接能量回馈支路。在电机减速过程中，控制变频器输出零序电压分量，使回馈支路导通回馈制动产生的电能。由于不利于电机转子绝缘和接地保护，零序电压幅值不宜过大，这就限制了回馈功率的极限，须低于额定功率的20％。此外，该方案需要增加变压器绕组数量，改造成本也比较高。

公告号为CN102355140A的中国专利提出了一种能实现能量回馈的级联多电平逆变电路及其控制方法，将部分基于三相不控整流电路的功率单元由基于三相PWM整流电路的功率单元替代，由基于三相PWM整流电路的功率单元将电机再生能量回馈到电网。该方法仅替换部分功率单元的整流桥，未改造功率单元的直流侧，由于功率单元原有直流侧电容耐压和容量的限制，使得基于三相PWM整流电路的功率单元的回馈功率极限受到限制，无法满足较大的电机降频速率要求。因而，基于此种方法，为满足较高降频速率的回馈功率需求就需要增加基于三相PWM整流电路的功率单元数量，但是这将导致变频器改造成本的大幅度提高。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明通过改造能量回馈单元直流侧，提供了一种部分单元能量回馈级联型变频器及能量回馈单元配置方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一、一种部分单元能量回馈级联型变频器，由基于三相不控整流电路的功率单元和能量回馈单元级联构成，其中，能量回馈单元为基于三相PWM整流电路的功率单元，由绝缘栅双极型晶体管构成的逆变电路、中间直压电路和三相PWM整流电路并联构成，所述的中间直压电路包括第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，第一电容和第二电容并联构成第一并联支路，第三电容和第四电容并联构成第二并联支路，第一并联支路和第二并联支路串联。

上述基于三相不控整流电路的功率单元由绝缘栅双极型晶体管构成的逆变电路、中间直压电路和三相不控整流电路并联构成。基于三相不控整流电路的功率单元和能量回馈单元通过逆变电路级联。

本发明提出的部分能量回馈级联型变频器通过改造能量回馈单元的直流环节，利用第一电容、第二电容、第三电容和第四电容间的串并联，适当提高能量回馈单元中直流电容的耐压和容量，从而提高能量回馈单元的回馈功率上限，使变频器能满足更高降频速率的能量回馈要求。

二、上述部分单元能量回馈级联型变频器中能量回馈单元配置方法，包括步骤：

步骤1，在不同降频速率下模拟电机制动过程，获得各降频速率对应的功率因数角极限值，经拟合获得降频速率与功率因数角极限值的函数关系；

步骤2，设定能量回馈单元直流侧电压值，计算不同功率单元配置比下能量回馈级联型变频器输出的移相角极限值，根据移相角极限值获得能实现能量回馈的功率因数角极限值，所述的功率单元配置比指级联型变频器中能量回馈单元数量和基于三相不控整流电路的功率单元数量的比值；

步骤3，将步骤2获得的功率因数极限值代入步骤1获得的降频速率与功率因数角极限值的函数关系中，得到功率因数极限值对应的降频速率，即可得到不同功率单元配置比下能实现能量回馈的降频速率极限值；

步骤4，根据电机的实际降频速率需求及功率单元配置比与降频速率极限值的对应关系，选取级联型变频器的单元配置比。

步骤1中所述的模拟电机制动过程采用Matlab/Simulink仿真进行。