[0001] 本申请属于电力电子技术领域，尤其涉及一种变流器控制方法、变流器和电力系统。

[0002] 目前，市场对大功率变流器的需求增长，需要将多台兆瓦级变流器单元并联起来运行，以实现目标功率等级的电能变换。而在并联单元之间容易产生环流，造成器件开关应力增大、谐波含量提升、损耗增大等问题。

[0047] 下面详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

[0048] 在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“耦接到”或“连接到”另一元件或称元件/电路“耦接在”或“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

[0049] 在描述中，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数字描述符在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

[0050] 另外，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0051] 在加速发展抽水蓄能、冶金轧钢、油气输送等领域时，对于变流器的功率需求增长至数十甚至上百兆瓦级别。目前，这种大功率变流器无法通过单台变流器实现，需要将多台兆瓦级变流器单元并联运行，才能达到所需的目标功率等级进行电能变换。本申请的一个实施例提出一种变流器，变流器包括控制器和多个并联的变流单元，控制器与各变流单元连接。

[0052] 控制器与各变流单元连接，主要用于控制各变流单元中开关管的导通与关断，以及各元器件的运行状态。

[0053] 各变流单元包括串联的整流电路和逆变电路，各变流单元的整流侧与电源电连接，逆变侧与电机电连接，或者，各变流单元的逆变侧与电源电连接，整流侧与电机电连接，以实现直流电和交流电之间的电能变换。

[0054] 需要说明的是，在此对并联的变流单元的数量不做限定，在实际应用中，变流单元的数量可以根据具体场景进行选择。

[0055] 如图1所示，在一些实施例中，变流单元包括串联的三相ANPC型三电平整流电路和三相ANPC型三电平逆变电路。

[0056] 以一个变流器包括两个并联的变流单元为例进行说明。

[0057] 第一变流单元110包括串联的第一三相ANPC型三电平整流电路111和第一三相ANPC型三电平逆变电路112。

[0058] 第一三相ANPC型三电平整流电路111中，第一相ANPC型三电平整流电路包括依次串联的第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3和第四开关管T4。第一开关管T1的第二端与第二开关管T2的第一端电连接，第二开关管T2的第二端与第三开关管T3的第一端电连接，第三开关管T3的第二端与第四开关管T4的第一端电连接，第五开关管T5T5的第一端分别与第一开关管T1的第二端和第二开关管T2的第一端电连接，第五开关管T5T5的第二端与第六开关管T6的第一端电连接，第六开关管T6的第二端分别与第三开关管T3的第二端和第四开关管T4的第一端电连接。第一开关管T1的第一端与正极母线电连接，第四开关管T4的第二端与负极母线电连接。第一相ANPC型三电平整流电路由第二开关管T2的第二端和第三开关管T3的第一端输出。第二开关管T2的第二端和第三开关管T3的第一端与第一电感L1的第一端电连接，第一电感L1的第二端与第一滤波电感的第一端电连接，第一滤波电感的第二端与第一相电源电连接。

[0059] 正极母线与负极母线之间电连接有第一电容C1和第二电容C2。第一电容C1的第一端与正极母线电连接，第一电容C1的第二端分别与第三相ANPC型三电平整流电路第五开关管T5T5的第二端和第六开关管T6的第一端，以及第二电容C2的第一端电连接，第二电容C2的第一端与负极母线电连接。

[0060] 第二相ANPC型三电平整流电路和第三相ANPC型三电平整流电路的结构可以参照上述第一相ANPC型三电平整流电路，此处不再赘述。

[0061] 第一三相ANPC型三电平整流电路111输出的三相电压分别为uga1，ugb1和ugc1。

[0062] 第一三相ANPC型三电平逆变电路112中，各开关管的连接方式可以参照上述第一三相ANPC型三电平整流电路111。第一三相ANPC型三电平逆变电路112和第一三相ANPC型三电平整流电路111采用背靠背的方式连接。其中，第一相ANPC型三电平逆变电路中第五开关管T5T5的第二端和第六开关管T6的第一端分别与第一电容C1的第二端和第二电容C2的第一端电连接。

[0063] 第一三相ANPC型三电平逆变电路112的输出电压分别为uma1、umb1和umc1。

[0064] 第二变流单元120的结构可以参照上述第一变流单元110，此处不再赘述。

[0065] 第二变流单元120中第二三相ANPC型三电平整流电路121输出的三相电压分别为uga2，ugb2和ugc2，三相电压分别经过第四电感L4、第五电感L5和第六电感L6后输出，与uga1，ugb1和ugc1分别经过第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3后的输出并联，形成的输出为uga、ugb和ugc，之后再分别经第一滤波电感、第二滤波电感和第三滤波电感接入三相电源ega、egb、egc。

[0066] 第二变流单元120中第二三相ANPC型三电平逆变电路122输出的三相电压分别为uma2、umb2和umc2，三相电压分别经过第十电感L10、第十一电感L11和第十二电感L12后输出，与uma1、umb1和umc1分别经过第七电感L7、第八电感L8和第九电感L9后的输出并联，形成的输出为uga、ugb和ugc，之后再分别经第四滤波电感、第五滤波电感和第六滤波电感接入三相电机ema、emb和emc。

[0067] 由于上述变流器采用多个变流单元并联的结构，各并联单元之间容易产生环流，即由电流分量在并联的单元之间循环，造成器件开关应力增大、谐波含量提升、损耗增大等问题。控制器通过执行变流器控制方法可以抑制甚至消除环流。

[0068] 如图2所示，本申请的一个实施例提出一种变流器控制方法，变流器包括多个并联的变流单元，变流器控制方法包括步骤10和步骤20。

[0069] 步骤10、采用特定谐波消除脉宽调制驱动变流器；

[0070] 步骤20、抑制各变流单元之间的正序环流、负序环流和零序环流中的至少一种，以抑制各变流单元之间的环流。

[0071] 本申请实施例提供的变流器控制方法的执行主体可以为前述变流器中的控制器或者控制器中能够实现该充电控制方法的功能模块或功能实体。变流器的具体结构和原理可以参照前述实施例。本申请实施例提及的控制器包括但不限于组合逻辑控制器和微程序控制器等，下面以控制器作为执行主体为例对本申请实施例提供的充电控制方法进行说明。

[0072] 特定谐波消除脉宽调制又称SHEPWM(Selective Harmonic Elimination Pulse Width Modulation)。如图3所示，SHEPWM脉冲呈现基波1/4周期对称的特性，从 电角度内有N个开关角，通过N个开关角可以控制N个次数的谐波含量。具体地，N个开关角可以列写出N个方程，其中一个方程用来控制输出电压的基波含量，其余N‑1个方程用来控制N‑1个次数的谐波，通常情况下将N‑1个次数的谐波控制为零，也就是在输出电压中消除这N‑1个次数的谐波分量。基于这N个方程(后文称之为消谐方程)即可求出N个开关角具体的数值，再根据波形对称性就可以求出所有开关动作时刻，根据这些开关动作时刻进行相应的开关管动作就可以实现基波和各次谐波的控制。

[0073] 在相关技术中，一般对于三相三线制变流器，SHEPWM消谐方程不控制偶次谐波(SHEPWM发波对称性天然消除偶次谐波)和奇数次零序谐波(如3、9、15等次谐波，因为没有零序通路，零序电压不对系统输出电流产生影响)。

[0074] 在本实施方式中，并联变流单元的环流可以分解为正序分量、负序分量和零序分量。控制器在同一时间内通过对各变流单元之间的正序环流、负序环流和零序环流中的至少一种进行抑制，即可抑制各变流单元之间的环流。

[0075] 根据本申请的变流器控制方法，采用特定谐波消除脉宽调制驱动变流器，可以实现对特定次谐波的针对性消除，以抑制各变流单元之间的零序环流，此外，还可以分别对正序环流和负序环流进行抑制，在同一时间段内抑制各变流单元之间的正序环流、负序环流和零序环流中的至少一种，以抑制各变流单元之间的环流，避免因环流造成的器件开关应力增大、谐波含量提升、损耗增大等问题。

[0076] 在一些实施例中，抑制各变流单元之间的正序环流包括：控制各变流单元的正序电流相等，以消除正序环流。

[0077] 需要说明的是，各变流单元的正序电流相等时，不会再存在正序电流分量在各变流单元之间循环，即消除正序环流，避免因正序环流造成的器件开关应力增大、谐波含量提升、损耗增大等问题。

[0078] 如图4所示，在一些实施例中，控制各变流单元的正序电流相等，包括：确定各变流单元自身的正序有功电流和各变流单元的正序有功电流平均值之间的第一差值；确定各变流单元自身的正序无功电流和各变流单元的正序无功电流平均值之间的第二差值；根据第一差值和第二差值对各变流单元的输出电压进行闭环反馈控制。

[0079] 通过在各个变流单元的正序电流控制环路中增加闭环反馈控制单元，无论正序电流的初始值为多少，都可以通过闭环反馈控制使得正序电流与正序电流理论值的差值快速而平稳地达到0。

[0080] 作为一种示例，在两相旋转坐标系下，正序均流环可以分为正序有功均流控制和正序无功均流控制。

[0081] 在一个变流单元中，对于正序有功电流，控制器将正极母线和负极母线间的电压值与理想电压值进行作差，得到的差值经PI控制运算后与第一差值经PI控制运算后的值作加法运算，将得到的数值与正序有功电流作差，经PI控制器运算后，即可得到d轴的输出电压Udp。

[0082] 对于正序无功电流，零电压与第一差值经PI控制运算后的值作加法运算，将得到的数值与正序有功电流作差，经PI控制运算后，即可得到q轴的输出电压Uqp。

[0083] d轴的输出电压Udp与q轴的输出电压Uqp经坐标变换后即可以得到理想的三相电压输出值。

[0084] 当第一差值为0时，说明各变流单元自身的正序有功电流和各变流单元的正序有功电流平均值相等，当第二差值为0时，说明各变流单元自身的正序无功电流和各变流单元的正序无功电流平均值相等，即各个变流单元正序电流始终相等，从而实现各个变流单元间正序环流的消除。

[0085] 在一些实施例中，抑制各变流单元之间的负序环流包括：控制各变流单元的负序电流为零，以消除负序环流。

[0086] 各变流单元的负序电流相等时，不会再存在负序电流分量在各变流单元之间循环，即消除负序环流，避免因负序环流造成的器件开关应力增大、谐波含量提升、损耗增大等问题。

[0087] 如图5所示，在一些实施例中，控制各变流单元的负序电流为零，包括：确定各变流单元自身的负序有功电流和零之间的第三差值；确定各变流单元自身的负序无功电流和零之间的第四差值；根据第三差值和第四差值对各变流单元的输出电压进行闭环反馈控制。

[0088] 通过在各个变流单元的负序电流控制环路中增加闭环反馈控制单元，无论负序电流的初始值为多少，都可以通过闭环反馈控制使得负序电流与负序电流理论值的差值快速而平稳地达到0。

[0089] 作为一种示例，在两相旋转坐标系下，负序均流环可以分为负序有功均流控制和负序无功均流控制。

[0090] 在一个变流单元中，对于负序有功电流，控制器控制变流单元自身的负序有功电流与零作差得到第三差值，第三差值经PI控制运算后，即可得到d轴的输出电压Udp[0091] 对于负序无功电流，控制器控制变流单元自身的负序无功电流与零作差得到第四差值，第四差值经PI控制运算后，即可得到q轴的输出电压Uqp。

[0092] 当第三差值为0时，即负序有功电流为0，同时当第四差值为0时，即负序无功电流也为0，使得各单元负序电流始终为零，以实现各个变流单元间负序环流的消除。

[0093] 在一些实施例中，变流单元的数量为N，抑制各变流单元之间的零序环流包括：控制至少N‑1个变流单元的零序电流为零，使得各单元正序电流始终为零，以消除零序环流。

[0094] N个变流单元中任意N‑1个变流单元的零序电流为零时，N个变流单元两两之间没零序环流路径被切断，从而使得零序环流被消除，避免因负序环流造成的器件开关应力增大、谐波含量提升、损耗增大等问题。

[0095] 如图6所示，在一些实施例中，各变流单元包括串联的整流级和逆变级，控制至少N‑1个变流单元的零序电流为零，包括：从N个变流单元中确定至少N‑1个目标变流单元；控制各目标变流单元中的整流级或逆变级的输出电压中的奇数次零序谐波分量为零。

[0096] 整流级的输入端通常与交流电连接，主要用于将交流电转换为直流电输出，逆变级的输入端通常与直流电连接，主要用于将直流电转换为交流电输出。

[0097] 作为一种示例，电机为电动机，则逆变级与电机侧连接，整流级与三相电源侧连接；电机为发电机，则整流级与电机侧连接，逆变级与三相电源侧连接。

[0098] 零序环流的主要成分是3、9次等奇数次谐波，利用SHEPWM调制策略控制N‑1个目标变流单元中的整流级或逆变级的输出电压中的3、9次等奇数次零序谐波分量为零，即可切断零序环流的流通路径，从而使得零序环流被消除。

[0099] 在另一些实施例中，控制N个变流单元中的整流级和/或逆变级的输出电压中的奇数次零序谐波分量为零，即将N个变流单元均作为目标变流单元，也可以切断零序环流的流通路径，从而使得零序环流被消除。

[0100] 在一些实施例中，控制各目标变流单元中的整流级或逆变级的输出电压中的奇数次零序谐波分量为零，包括：在各目标变流单元的整流级和逆变级中，确定电能质量要求更低的目标级；控制各目标级的输出电压中的奇数次零序谐波分量为零。

[0101] 电能质量要求指的是电力系统中对电能质量的特定要求或标准，旨在确保电能供应满足一定的质量标准，以保障电力系统的稳定运行和用户设备的正常工作。

[0102] 在本申请的实施例中，三相电源侧和电机侧的电能质量要求不同，且采用上述实施例中切断零序环流的流通路径的方法，可能导致被控的整流级或逆变级电能质量降低，因此确定电能质量要求更低的目标级可以保证在切断零序环流的流通路径的同时，仍能满足电能质量要求。

[0103] 通常情况下连接电机的整流级或逆变级的电能质量要求较低，因此可以选择电机侧的整流级或逆变级作为目标级。

[0104] 控制器控制电机侧的整流级或逆变级的输出电压中的3、9次等奇数次零序谐波分量为零，即可对电机侧的输出电压进行零序环流分量的抑制，从而在电机侧零序环流被消除的同时，确保电能质量满足变流器的需求。

[0105] 在一些实施例中，每个单元逆变级和整流级每1/4基波周期都有n个开关角，则N个单元的整流级共有Pn个开关角可用来列写消谐方程。假设选择a个逆变级和b个整流级消除3次和9次等奇数次零序电压，a+b＝P‑1，如此则抑制了单元间的零序环流。且考虑每个整流级至少需要一个方程控制其基波含量，则在逆变级并联输出电压中还可以消除Pn‑P‑2*a个次数的谐波，在整流级并联输出电压中还可以消除Pn‑P‑2*b个次数的谐波。显然能够消除的谐波个数大于传统的脉冲同步方式下可以消除的谐波个数n‑1，因此本申请的实施例可以显著改善系统电能质量。

[0106] 在一些实施例中，变流器控制方法同时执行以下策略：控制各变流单元的正序环流相等；控制各变流单元的负序环流为零；以及控制至少N‑1个变流单元的奇数次零序谐波分量为零。

[0107] 控制器可以通过闭环反馈控制控制变流器各单元中的正序环流相等，消除正序环流，并通过闭环反馈控制使得各单元负序电流始终为0，消除负序环流，并在同一时间内控制至少N‑1个变流单元的奇数次零序谐波分量为零，切断零序环流的流通路径，消除零序环流，从而消除各变流单元内的环流，避免因环流造成的器件开关应力增大、谐波含量提升、损耗增大等问题。

[0108] 本申请的一个实施例提出一种电力系统，电力系统包括上述的变流器。

[0109] 电力系统中的控制器利用SHEPWM驱动变流器，将变流器中环流的零序分量控制为0，即可实现对环流的零序分量的抑制；在正序电流控制环路中增加各个单元的均流控制环，控制器可以通过控制各均流控制环对环流中的正序分量进行抑制；在负序电流控制环路中增加各个单元的均流控制环，控制器还可以通过控制各均流控制环对环流中的负序分量进行抑制，实现对环流的抑制。

[0110] 根据本申请的电力系统，变流器中的控制器采用特定谐波消除脉宽调制驱动变流器，可以实现对特定次谐波的针对性消除，以抑制各变流单元之间的零序环流，此外，还可以分别对正序环流和负序环流进行抑制，在同一时间段内抑制各变流单元之间的正序环流、负序环流和零序环流中的至少一种，以抑制各变流单元之间的环流，避免因环流造成的器件开关应力增大、谐波含量提升、损耗增大等问题。

[0111] 在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。此外，需要指出的是，本申请实施方式中的方法和装置的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。

[0112] 尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。