抑制三电平Boost变流单元中点电位波动的控制方法

摘要

一种抑制三电平Boost变流单元中点电位波动的控制方法，其特征在于：在每个三电平Boost变流单元输出端串联三个虚拟电阻，由于三电平Boost变流单元输出端并联，通过设置虚拟电阻，增大了单个三电平Boost变流单元的输出阻抗，使得多个三电平Boost变流单元之间的均流效果得到改善。

说明书

技术领域

本发明涉及三电平Boost变流单元技术领域，具体涉及一种抑制三电平Boost变流单元中点电位波动的控制方法。

背景技术

三电平Boost直流变流器相对于两电平Boost直流变流器具有开关管、续流二极管电压应力小，滤波电感和滤波电容小等优点，因而在大、中功率开关电源中有广泛的应用前景。

图1给出了三电平Boost变流器的基本主电路。其中S1和S2为开关管，L1和L2是升压电感，D1和D2是续流二极管，Cin1和Cin2是输入电容，Cout1和Cout2是输出电容，VC1、VC2分别是输出电容Cout1和Cout2两端电压。

开关管S1和S2采用交错工作方式，图2为三电平Boost变流器主要工作波形，其中d1、d2分别为开关管S1、S2的占空比，iL为电感电流波形，Ts为开关周期。图2a给出了d1＝d2<0.5时三电平Boost变流器的主要工作波形，图2b给出了d1＝d2>0.5时三电平Boost变流器的主要工作波形。

开关管S1的电压应力由VC1决定，开关管S2的电压应力由VC2决定。在S1导通，S2关断时，Cout2存储能量，Cout1释放能量，2个电容上电压差的变化量与S1的占空比d1有关；当S1关断，S2导通时，Cout1存储能量，Cout2释放能量，2个电容上电压差的变化量与S2的占空比d2有关。如果两个电容上电压相差较大会导致对应开关管电压应力增大，严重威胁整个变流器的安全可靠工作。

为了抑制三电平Boost变流器输出中点电位波动，有两种常用方法。

方法一：通过负载进行调节：

如果三电平Boost变流器的输出负载是三电平或者多电平逆变器，可以通过多电平逆变器的中点调制策略对母线中点进行调节。

缺点包括：1)依赖电流过零点和扇区判断，在轻载时效果不理想；2)算法实现较复杂；3)依赖后级负载工作，当后级不工作时无法独立对中点电位进行调节。

方法二：通过三电平Boost变流器本身进行调节：

通过检测VC1和VC2的大小，对d1和d2进行调整。若VC1<VC2，则增大d2并减小d1，增加Cout1的充电时间，同时减少Cout2的充电时间；相反，若VC1>VC2，则增大d1并减小d2，增加Cout2的充电时间，同时减少Cout1的充电时间。

1)、首先通过模数转换AD采样获取母线电压U_bus、均压电容电压U_middc；然后将母线电压U_bus的一半与均压电容电压U_middc作差后，通过PI控制器得到中点占空比MidD。

2)、采样Boost电感电流I_boost与电流参考值I_boost^*作差后，通过PI控制器得到总占空比Duty。

3)、根据电路工作原理，将总占空比Duty与中点占空比相减后，然后与载波比较后得到上管Q1的占空比Up_Duty；将总占空比Duty与中点占空比相加后得到后，然后与载波比较后得到上管Q2的占空比Down_Duty。

Δd_Diff＝(V_up-V_down)×G_vmid

该方案可以有效控制三电平Boost变流器中点电位。但该方案只能针对单个三电平Boost变流器。在组串式光伏并网逆变器等应用领域，如图4所示多个三电平Boost变流器具有不同的电压输入，输出同时连接到同一个直流母线上，每个三电平Boost独立进行控制。如果此时继续使用图3的方案控制，那么直流母线中点电位同时受到多个Boost的均压环控制，相当于多个电压源进行并联，对控制器的设计带来较大难度严重时将降低控制环的稳定性。

另一种方案是采用主从控制策略，在多个三电平Boost中选取一个作为主机控制中点电位，其余三电平Boost变流器对中点电位不进行控制。但带来的缺点是造成整个系统的冗余能力变差，可靠性降低。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种抑制三电平Boost变流单元中点电位波动的控制方法，通过在传统三电平Boost控制环中增加虚拟电阻，同样可以实现多个单元并联时的均压问题，并且不造成额外的功率损耗。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种抑制三电平Boost变流单元中点电位波动的控制方法，在每个三电平Boost变流单元输出端串联三个虚拟电阻R_droop，多个三电平Boost变流单元分别连接到公共母线，正母线节点用Bus+表示，负母线节点用Bus-表示，母线中点用BusM表示，公共母线上连接的还有公共负载；流过三个串联虚拟电阻R_droop的电流分别为I_up、I_M和I_down，Bus+和BusM之间电压为V_up，BusM和Bus-之间电压为V_down，与之相对应的串联虚拟电阻之前的电压分别为V_up*和V_down*；

依据基尔霍夫电压、电流方程得到：

综合后得到：

(V_up*-V_down*)＝(V_up-V_down)-3×I_M×R_droop

式中R_droop为增加的虚拟阻抗常量，I_M为每个三电平Boost变流单元的中点输出电流；由于三电平Boost变流单元输出端并联，通过设置虚拟电阻，增大了单个三电平Boost变流单元的输出阻抗，使得多个三电平Boost变流单元之间的均流效果得到改善；

在传统三电平中点平衡控制环的误差计算部分引入变量I_M×R_droop，其余环节不变，则均压控制环的输出变为：

Δd_Diff＝(V_up-V_down-I_M×R_droop)×G_vmid

三电平Boost电路的上、下主开关的占空比为：

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)解决了多个三电平Boost变流单元并联在直流母线时，对中点电位的控制。

2)每个三电平Boost变流单元采用同样的控制器结构，简化了控制器的设计。

附图说明

图1为三电平Boost变流器的基本主电路。

图2为三电平Boost变流器的主要工作波形，其中：图2a为开关管占空比小于0.5时主要工作波形，图2b为开关管占空比大于0.5时主要工作波形。

图3为传统单个三电平Boost变流器中点控制框图。

图4为应用在组串逆变器中多个三电平Boost变流器并联示意图

图5为本发明控制方法拓扑图。

图6为图5的简化图。

图7为本发明控制方法框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图5所示，本发明一种抑制三电平Boost变流单元中点电位波动的控制方法，在每个三电平Boost变流单元输出端串联三个虚拟电阻R_droop，多个三电平Boost变流单元分别连接到公共母线，正母线节点用Bus+表示，负母线节点用Bus-表示，母线中点用BusM表示，公共母线上连接的还有公共负载。

对单个三电平Boost变流单元来说，可以将图5简化为图6。流过三个串联虚拟电阻R_droop的电流分别为I_up、I_M和I_down，Bus+和BusM之间电压为V_up，BusM和Bus-之间电压为V_down，与之相对应的串联虚拟电阻之前的电压分别为V_up*和V_down*；

依据基尔霍夫电压、电流方程可以得到：

综合后可以得到：

(V_up*-V_down*)＝(V_up-V_down)-3×I_M×R_droop

式中R_droop为增加的虚拟阻抗常量，I_M为每个三电平Boost变流单元的中点输出电流；由于三电平Boost变流单元输出端并联，通过设置虚拟电阻，增大了单个三电平Boost变流单元的输出阻抗，使得多个三电平Boost变流单元之间的均流效果得到改善。

在三电平Boost输出串联电阻解决了多个单元并联时的均压问题，但是电阻上消耗功率造成损耗。本发明提出一种解决多个三电平Boost变流器并联中点平衡问题的控制方法。本发明提出的控制框图如图7所示，通过在图3所示传统单个三电平Boost变流器中点平衡控制环的误差计算部分引入变量I_M×R_droop，其余环节不变，则均压控制环的输出变为：

Δd_Diff＝(V_up-V_down-I_M×R_droop)×G_vmid

三电平Boost电路的上、下主开关的占空比为：

本发明控制方法适用于三电平Boost基本拓扑以及在此基础上衍生出的优化三电平拓扑。进一步的，该控制方法还适用于包括三电平Boost拓扑在内的所有三电平直流直流变流器。