[发明专利]六边形结构的能馈型三端口级联变换器拓扑及控制方法

说明书

本发明涉及电力电子变换器技术领域，具体涉及六边形结构的能馈型三端口级联变换器拓扑及控制方法，该拓扑将六边形变换器与现有中高压系统电机驱动传统H桥级联多电平变换器有效组合，再经由多绕组移相变压器与交流电网连接，使之拓展为单输入双输出的三端口结构，用以满足双电机系统不同工况的运行需求。因仅对六边形变换器部分桥臂上的模块单元增加前端输入，故可大幅减少变换器所需电力电子器件以及移相变压器二次侧绕组的数量。同时，为解决部分单元前端输入的缺省而导致的系统功率失衡等问题，还进一步分析了环路电流与变换器桥臂功率之间的内在联系，通过基于环路电流控制的功率平衡方法，使该拓扑能够实现稳定运行与能量交互。

技术领域

本发明属于电力电子变换器技术领域，尤其涉及六边形结构的能馈型三端口级联变换器拓扑及控制方法。

背景技术

随着电力电子器件及其控制技术的快速发展，多电平变换器逐渐成为大功率变换装置的主要形式。其中，级联型H桥变换器采用多个单相全桥变换器串联的结构从而实现高电压、多电平输出，具有输出电压谐波少，输出电压变化率小，模块化结构易于拓展等优点，为后期工业生产及维护提供了极大的便利，因而在工业界尤其是交流异步机的驱动及调速领域获得了广泛应用。

目前市场上的传统变换器对于中高压电机负荷的驱动方式主要分为两种，即一台变换器驱动一台电机的“一拖一”方式，以及同时驱动多台电动机同步运行的“一拖多”方式。然而，当系统需要对多台电机进行调速时，采用“一拖一”模式会导致所需变换器的数量成比例增加，生产成本的相应提高；采用“一拖多”模式又对多电机的自由工作及频繁调速工况有较大制约，因此为实现多系统的接入和能量交互，多端口变换器应运而生。采用模块复用方式所形成的六边形多端口结构是实现高功率密度、高转换率、减小体积、降低成本的一种重要手段，在控制合理的条件下，还能缩短端口间的能量流通路径，减少能量损耗。

现阶段，六边形变换器仅具备两端口结构，一端口输入一端口输出，常用作与两台电机分别相连，将某一台电机发出的有功功率和无功功率灵活传递给另一台电机。但若两电机同时电动运行，该系统缺乏能量前端，若该双电机系统有富余能量输出，此能量又无法得到有效利用，因而该拓扑工作形式不够灵活，运用范围不够广泛。

发明内容

本发明的目的是提供一种仅对六边形变换器部分桥臂上的模块单元增加前端输入的三端口级联变换器拓扑，用以驱动两台中高压大功率电机同时运行。同时还提供了一种基于环路电流控制的功率平衡方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种六边形结构的能馈型三端口级联变换器拓扑，包括第一交流电机和第二交流电机；包括六组桥臂依次首尾相连构成的六边形结构，每组桥臂包含n个H桥逆变器级联模块和与其串联的电感，n为≥1的正整数；

六边形的顶点按顺时针方向分别为R、W、S、U、T、V，其中RST为第一组三相交流输出端口，UVW为第二组三相交流输出端口，且第一、第二组三相交流输出端口分别与第一交流电机和第二交流电机连接；

六组桥臂依次为A至F，其中，ACE三桥臂均采用基于三相PWM整流前端的能量回馈单元，包括三相桥式全控换流电路与直流电压侧电容、H桥逆变器并联；三相桥式全控换流电路的输入端通过移相变压器与本地交流电网相连，使ACE三桥臂直接从交流电网侧获取电能；而BDF三桥臂均采用直压侧电容和H桥逆变器并联构成的电容单元，各H桥逆变器级联模块输出端口依次串联，构成级联模块输出；

六组桥臂串联形成环形结构为环路电流提供通路，从本地交流电网侧获取的电能通过环路电流在全部桥臂中流通，实现能量交互，BDF三桥臂通过环路电流间接获取电能，从而通过两输出端口驱动负载运行。

在上述的六边形结构的能馈型三端口级联变换器拓扑中，ACE三桥臂为有源桥臂，BDF三桥臂为无源桥臂；有源桥臂电源前端连接的移相变压器一次侧绕组共用，二次侧绕组移相依次滞后π/3n。