[发明专利]三端口九边形模块化多电平变换器及控制方法

说明书

本发明涉及电力电子变换器技术，具体涉及三端口九边形模块化多电平变换器拓扑结构及控制方法，该拓扑结构包括九组桥臂，九组桥臂首尾相连形成九边形环形结构，九边形环形结构的九个顶点按顺时针方向依次为R、W、X、S、U、Y、T、V、Z；其中XYZ组成第一端口，作为输入端口与交流电网相连，RST、UVW分别组成第二端口、第三端口，作为输出端口分别连接第一电机和第二电机。该拓扑可减少传统电机驱动系统中变换器数目，且无需高压直流母线及移相变压器，从而降低建设与维护成本，减少能量损耗，提高系统集成度。为确保该双机系统稳定运行，提出了环流控制方法，以实现电网与两台电机间能量的灵活交换。

技术领域

本发明属于电力电子变换器技术领域，尤其涉及三端口九边形模块化多电平变换器及控制方法。

背景技术

近年来，随着中高压电机群负荷驱动的概念被提出并得到广泛的研究。作为其核心技术的多端口变换器应运而生。通过对原有多个分立变换器的集成，多端口变换器可实现电网、多个电机间的能量传递，对能量进行统一的管理和控制，因此其具有高集成度、高效率、低体积和低成本等优势。

传统的多端口变换器通常是由多个二端口变换器共用交流或者直流母线形成多端口结构。一定程度上减少了成本，提高了效率和集成度。但是为了进一步提高效率、减少成本及提高集成度。采用模块或器件复用方式形成多端口结构是一种重要的方法。许多文献已经探讨过这种方法。

将多个二端口变换器依次串联形成多边形变换器，通过功率模块复用，所需的器件大为减少。目前已有学者提出六边形三端口变换器，该拓扑结构使用六个桥臂实现三端口交流能量交换，不需要高压直流母线。但是该拓扑结构仍需要移相变压器，并且每个桥臂内单相H桥逆变器前都增加了整流器，输入侧的器件并未减少，经济效益并未有明显提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于驱动两台中高压大功率电机同时运行的三端口九边形模块化多电平转换器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种三端口九边形模块化多电平变换器拓扑结构，包括九组桥臂，九组桥臂首尾相连形成九边形环形结构，九边形环形结构的九个顶点按顺时针方向依次为R、W、X、S、U、Y、T、V、Z；其中XYZ组成第一端口，作为输入端口与交流电网相连，RST、UVW分别组成第二端口、第三端口，作为输出端口分别连接第一电机和第二电机。

在上述的三端口九边形模块化多电平变换器拓扑结构中，九组桥臂按顺时针方向分别设为A-I；九组桥臂结构均相同，每组桥臂包括N个H桥模块与电感串联，H桥模块包括一个单相H桥逆变器与电容器并联；单相H桥逆变器包括两个桥臂，每个桥臂包括两个IGBT和其反向并联二极管模块串联；单相H桥逆变器输出三个电平+V_dc、0、-V_dc；N个H桥模块的单相电路形成2N+1个电平。

在上述的三端口九边形模块化多电平变换器拓扑结构的控制方法中，包括环流控制和直压平衡控制，环流控制是通过控制第一、第二、第三端口的中性点偏移电压从而间接控制九组桥臂之间的环流大小，实现功率平衡；直压平衡控制是将检测到的各H桥模块直压侧电容电压与同一桥臂上所有H桥模块电容电压的均值比较，然后进行比例控制，所得结果再与该桥臂电流相乘，得到该H桥模块调制信号的偏差值。

在上述的三端口九边形模块化多电平变换器拓扑结构的控制方法中，，所述环流控制包括以下具体步骤：

步骤1、获取交流电网与第一、第二电机第一、第二、第三端口的相电压控制信号；

步骤2、将检测到的各H桥模块直压侧电容电压与同一桥臂上所有H桥模块电容电压的均值比较，得到每个桥臂的最大偏差值，从而得到中性点偏移电压控制信号；

步骤3、根据第一、第二、第三端口的相电压控制信号及中性点偏移电压控制信号计算出各组桥臂电压控制信号，通过移相PWM调制生成各H桥模块开关信号。