一种嵌入共模电压抵消单元的模块化多电平矩阵变换器及其控制方法

本发明涉及电力电子变换器，尤其涉及一种嵌入共模电压抵消单元的模块化多电平矩阵变换器及其控制方法。

背景技术：

1、模块化多电平矩阵变换器（m3c）因无中间直流环节、便于模块化、可实现能量双向流动等特点，在电机传动领域得到了广泛应用。但是当m3c运行在同频工况时，m3c桥臂功率中会包含低频脉动甚至是直流量，导致子模块电容电压波动剧烈，若不加以抑制，将导致系统无法正常工作。为抑制该电容电压波动，传统方法会向m3c注入共模电压。但共模电压的注入会加速电机绝缘老化，并因高频轴电流的持续冲击而带来轴承电蚀失效风险。

技术实现思路

1、为解决传统m3c在同频工况下为抑制子模块电容电压波动而注入共模电压时，注入的共模电压会出现在电机侧，加速电机绝缘老化并带来轴承电蚀失效风险的问题，本发明提供一种嵌入共模电压抵消单元的模块化多电平矩阵变换器及其控制方法，通过在m3c桥臂中嵌入由三绕组变压器、两组全桥模块和电容c2构成的共模电压抵消单元，该单元发出反向注入的共模电压，使注入的共模电压不出现在电机侧，从而消除共模电压对电机运行的影响。

2、根据本发明说明书的一方面，提供一种嵌入共模电压抵消单元的模块化多电平矩阵变换器，包括模块化多电平矩阵变换器主电路，所述模块化多电平矩阵变换器主电路的每个桥臂由多个全桥子模块和至少一个共模电压抵消单元级联构成；所述共模电压抵消单元包括三绕组变压器、第一组全桥模块、第二组全桥模块和电容c2；所述三绕组变压器的三个端口分别连接三个所述第一组全桥模块，所述三绕组变压器的变比为1∶1∶1；每个所述第一组全桥模块的直流侧均连接有所述电容c2，三个所述第一组全桥模块的直流侧电容c2之间通过三绕组变压器形成三端口功率通道，用于在三个所述第一组全桥模块之间转移脉动功率；所述电容c2的前级经一个所述第二组全桥模块连接于所述桥臂中。

3、作为进一步的技术方案，所述共模电压抵消单元中，所述三绕组变压器的第一端口连接第一相所对应的第一组全桥模块，所述三绕组变压器的第二端口连接第二相所对应的第一组全桥模块，所述三绕组变压器的第三端口连接第三相所对应的第一组全桥模块；三个所述第二组全桥模块分别对应连接于所述模块化多电平矩阵变换器的三相桥臂中。

4、作为进一步的技术方案，所述全桥子模块、第一组全桥模块和第二组全桥模块均由四个功率开关管构成。

5、作为进一步的技术方案，所述共模电压抵消单元在工作时向所述桥臂注入反向共模电压，使所述模块化多电平矩阵变换器在同频工况下注入的共模电压不出现在电机侧。

6、作为进一步的技术方案，所述三端口功率通道采用单移相调制进行控制，功率传输的方向和大小通过控制各端口电压之间的移相角实现。

7、根据本发明说明书的一方面，提供一种所述嵌入共模电压抵消单元的模块化多电平矩阵变换器的控制方法，包括：对所述共模电压抵消单元中电容c2的电压进行稳定控制：将电容c2的电压与电容电压给定值作差，将差值信号与桥臂电流相乘，经比例控制器调节后与反向注入的共模电压叠加，经调制后产生驱动信号，维持电容c2的电压稳定在给定值并产生经所述第二组全桥模块反向注入至所述桥臂的反向共模电压信号；对三个所述第一组全桥模块的直流侧电容c2之间的脉动功率进行转移控制：以其中一相电容电压为基准，通过调节其余两相与基准相的电压偏差，控制三端口功率通道在各端口之间传递功率。

8、作为进一步的技术方案，所述三端口功率通道等效为两个双端口双有源桥，分别控制第一端口与第二端口之间的移相角、第一端口与第三端口之间的移相角，其中，第二端口与第三端口之间自动实现功率平衡。

9、作为进一步的技术方案，所述模块化多电平矩阵变换器主电路的控制包括总输入能量控制、桥臂电容电压均衡控制、等频工况脉动抑制控制、电机侧电压控制、输入输出电流及环流控制、内部均压及pwm调制。

10、作为进一步的技术方案，所述共模电压抵消单元反向注入的共模电压与所述模块化多电平矩阵变换器主电路注入的共模电压幅值相等、方向相反。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

12、1.本发明的嵌入共模电压抵消单元的模块化多电平矩阵变换器，能够消除传统方法抑制子模块电容电压波动时注入的共模电压，使其不出现在电机侧，从而大大减少共模电压对电机运行的影响；

13、2.对于共模电压抵消单元自身电容c2的电压波动，考虑到同频工况下处于三相桥臂中对应位置的共模电压抵消单元的电容电压脉动呈对称的特点，在三相之间加入三端口功率通道，从而实现三相电容的脉动转移；将电容c2的电压与电容电压给定值作差，然后与桥臂电流相乘，经比例p控制器后与反相注入的共模电压叠加，最终经调制后产生pwm信号，即可维持电容c2的电压稳定在给定值，以及产生反相注入的共模电压信号。

1.一种嵌入共模电压抵消单元的模块化多电平矩阵变换器，其特征在于，包括模块化多电平矩阵变换器主电路，所述模块化多电平矩阵变换器主电路的每个桥臂由多个全桥子模块和至少一个共模电压抵消单元级联构成；

2.根据权利要求1所述的一种嵌入共模电压抵消单元的模块化多电平矩阵变换器，其特征在于，所述共模电压抵消单元中，所述三绕组变压器的第一端口连接第一相所对应的第一组全桥模块，所述三绕组变压器的第二端口连接第二相所对应的第一组全桥模块，所述三绕组变压器的第三端口连接第三相所对应的第一组全桥模块；三个所述第二组全桥模块分别对应连接于所述模块化多电平矩阵变换器的三相桥臂中。

3.根据权利要求1所述的一种嵌入共模电压抵消单元的模块化多电平矩阵变换器，其特征在于，所述全桥子模块、第一组全桥模块和第二组全桥模块均由四个功率开关管构成。

4.根据权利要求1所述的一种嵌入共模电压抵消单元的模块化多电平矩阵变换器，其特征在于，所述共模电压抵消单元在工作时经第二组全桥模块向所述桥臂注入反向共模电压，使所述模块化多电平矩阵变换器在同频工况下注入的共模电压不出现在电机侧。

5.根据权利要求1所述的一种嵌入共模电压抵消单元的模块化多电平矩阵变换器，其特征在于，所述三端口功率通道采用单移相调制进行控制，功率传输的方向和大小通过控制各端口电压之间的移相角实现。

6.一种如权利要求1至5中任一项所述的嵌入共模电压抵消单元的模块化多电平矩阵变换器的控制方法，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的一种嵌入共模电压抵消单元的模块化多电平矩阵变换器的控制方法，其特征在于，所述三端口功率通道等效为两个双端口双有源桥，分别控制第一端口与第二端口之间的移相角、第一端口与第三端口之间的移相角，其中，第二端口与第三端口之间自动实现功率平衡。

8.根据权利要求6所述的一种嵌入共模电压抵消单元的模块化多电平矩阵变换器的控制方法，其特征在于，所述模块化多电平矩阵变换器主电路的控制包括总输入能量控制、桥臂电容电压均衡控制、等频工况脉动抑制控制、电机侧电压控制、输入输出电流及环流控制、内部均压及pwm调制。

9.根据权利要求8所述的一种嵌入共模电压抵消单元的模块化多电平矩阵变换器的控制方法，其特征在于，所述共模电压抵消单元反向注入的共模电压与所述模块化多电平矩阵变换器主电路注入的共模电压幅值相等、方向相反。