单向级联式多电平电力电子变流器直流电压平衡控制策略

摘要

本发明提供了一种能量单方向流动级联式多电平电力电子变流器直流电压平衡控制策略，其主要包括排序模块、配对模块、运算模块和调制波生成模块。本发明对传统单周期控制进行改进，在不改变单周期控制无需使用锁相环以及交流侧无需使用电压传感器的优点外，与传统PI控制的直流电压平衡控制策略相比，具有调节速度快、调节范围大的优点，当能量单方向流动级联式多电平电力电子变流器直流电压的不平衡度较大时，本发明提供的方法可使能量单方向流动级联式多电平电力电子变流器以最大速率调节各级直流电压使其保持平衡，并使整个电路交流侧在低谐波，高功率因数下运行。

说明书

技术领域

本发明涉及级联式多电平电力电子变流器直流电压平衡控制领域，特别涉及一种能量单方向流动的级联式多电平电力电子变流器直流电压平衡控制策略。

背景技术

级联式多电平电力电子变流器是一种将传统电力电子变流器通过级联的方式连接而成的变流器，与非级联的电力电子变流器相比，级联式电力电子变流器由于可以产生多种电平，因此可以更好的实现对波形和电能质量的控制。另外，级联式电力电子变流器还可以应用于高压大容量的场合，通过采用级联的方式降低器件的耐压等级。

但是在级联式多电平电力电子变流器中，由于各级电力电子变流器参数存在差异，尤其是各级电力电子变流器的直流负载存在不平衡的情况，这使得各级电力电子变流器的直流电压产生不平衡现象，进而对整个系统带来一系列不利影响。因此，保证级联式多电平电力电子变流器各级直流母线电压在整个运行过程中保持平衡是非常重要的。

级联式多电平电力电子变流器可以是能量双方向传输型，也可以是能量单方向传输型，与能量双方向传输型级联式多电平电力电子变流器相比较，能量单方向传输型级联式多电平电力电子变流器，使用的开关器件少，运行过程中开关损耗小，效率更高。实际上，在相当多的实际工业应用场合，能量并不需要再两个方向传输。因此，能量单方向传输型级联式多电平电力电子变流器具有更高的性价比。

单周期控制(One-Cycle Control,OCC)是一种非线性大信号PWM控制理论，该控制技术通过控制占空比，使每个开关周期中开关变量的平均值严格等于或者正比于控制参考量。单周期控制不需要使用锁相环，也就不需要乘法器和采样输入电压，这个特点使应用该控制技术的电力电子变流器不需要交流电压传感器，降低了成本和控制复杂度。

传统单周期控制通常在级联式多电平电力电子变流器内的每级电力电子变流器中均采用PI调节器，从而对每级电力电子变流器直流母线电压进行单独控制。然而，PI调节器由于存在积分环节，使得该方法电压调节速度慢，调节范围有限。

因此，对控制简单、具有优良性能的单周期控制进行改进研究，对于进一步提高单周期控制的性能，使其能够应用于能量单方向传输级联式多电平电力电子变流器直流电压的快速平衡控制，具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是在传统单周期控制的基础上，在保持单周期控制不需要乘法器和采样输入电压的优势的前提下，提出一种改进的单周期控制方法，使能量单方向传输级联式多电平电力电子变流器(简称单向级联式多电平电力电子变流器)在出现直流电压产生不平衡现象时，能够以最高速度调节直流电压使其平衡，保证整个系统的稳定运行。同时，本发明还保证了单向级联式多电平电力电子变流器交流侧在低谐波，高单位功率因数下运行。

为达到上述目的，本发明提供了一种单向级联式多电平电力电子变流器直流电压平衡控制策略，其中单向级联式多电平电力电子变流器包括级联式单相单向变流器，级联式单相单向变流器由N个单相单向变流器级联而成，N为大于1的整数；单相单向变流器包括单相二极管H桥变流器、单相VIENNA变流器和单相无桥变流器；

本发明单向级联式多电平电力电子变流器直流电压平衡控制策略步骤如下：

(1)对级联式单相单向变流器中的每个单相单向变流器直流电压进行采样，得到N个直流电压信号U_d1、U_d2...U_dN；

(2)将步骤(1)中的N个直流电压信号U_d1、U_d2...U_dN送入求和模块，得到总输出直流电压信号U_d为:

其中U_dn为级联式单相单向变流器第n个单相单向变流器直流电压信号，n为不大于N的正整数；

(3)将总输出直流电压信号的参考信号与步骤(2)中的总输出直流电压信号U_d相减，得到电压调节器的输入信号ΔU_d:

(4)将步骤(3)中的电压调节器的输入信号ΔU_d送入电压调节器；

(5)根据单周期控制原理和步骤(2)，电压调节器的输出u_m为：

其中R_s为级联式单相单向变流器的交流侧电流采样电阻，R_e为级联式单相单向变流器的总等效电阻，u_m为正数；

(6)将步骤(5)中的电压调节器的输出u_m送入载波生成模块，生成幅值为u_m的三角波；

(7)通过级联式单相单向变流器的交流侧电流采样电阻R_s对级联式单相单向变流器的交流侧电流i_s进行采样，得到交流电流采样信号R_si_s；

(8)将步骤(7)中的交流电流采样信号R_si_s送入绝对值模块得到绝对值信号|R_si_s|；

(9)将步骤(5)中的电压调节器的输出u_m和步骤(8)中的绝对值信号|R_si_s|送入运算模块，计算得到调制波调整信号Δ|R_si_s|：

(10)将步骤(1)中的N个直流电压信号U_d1、U_d2…U_dN送入排序模块，按从大到小或从小到大的顺序进行排列；

(11)将步骤(10)中的排序后的N个直流电压信号U_d1、U_d2…U_dN送入配对模块，配对方法如下：

(a)当N为偶数时，排序后的N个直流电压信号中的最高值对应的单相单向变流器与最低值对应的单相单向变流器配为一对，余下的直流电压信号中的最高值对应的单相单向变流器与最低值对应的单相单向变流器配为第二对，最终所有单相单向变流器以此规则配为N/2对，此时配对模块输出N/2组配对信息，每组配对信息由一个高电压信号和一个低电压信号组成；

(b)当N为奇数时，排序后的N个直流电压信号中的最高值对应的单相单向变流器与最低值对应的单相单向变流器配为一对，余下的直流电压信号中的最高值对应的单相单向变流器与最低值对应的单相单向变流器配为第二对，除直流电压信号排序在最中间的单相单向变流器外，最终所有单相单向变流器以此规则配为(N-1)/2对，此时配对模块输出(N-1)/2组配对信息，每组配对信息由一个高电压信号和一个低电压信号组成；

(12)将步骤(11)中的配对信息、步骤(8)中的绝对值信号|R_si_s|和步骤(9)中的调制波调整信号Δ|R_si_s|送入调制波生成模块，调制波生成模块输出N路调制波信号：

(a)根据步骤(11)中的配对信息，令每组配对信息中，高电压信号对应的单相单向变流器的调制波信号为|R_si_s|-Δ|R_si_s|；

(b)根据步骤(11)中的配对信息，令每组配对信息中，低电压信号对应的单相单向变流器的调制波信号为|R_si_s|+Δ|R_si_s|；

(c)当N为奇数时，直流电压信号排序在最中间的单相单向变流器的调制波信号为|R_si_s|；

(13)将步骤(12)中的N路调制波信号，分别与步骤(6)中载波生成模块生成的幅值为u_m的三角波，通过比较器进行信号交割产生N路PWM信号，进而控制级联式单相单向变流器中N个单相单向变流器开关器件的通断。

为达到上述目的，本发明提供的单向级联式多电平电力电子变流器直流电压平衡控制策略，其中单向级联式多电平电力电子变流器还包括级联式三相单向变流器，级联式三相单向变流器由三个级联式单相单向变流器组成；每个级联式单相单向变流器均采用本发明单向级联式多电平电力电子变流器直流电压平衡控制策略步骤。

上述级联式三相单向变流器包括三相星接级联式二极管H桥变流器、三相角接级联式二极管H桥变流器、三相星接级联式VIENNA变流器、三相角接级联式VIENNA变流器、三相星接级联式无桥变流器和三相角接级联式无桥变流器。

本发明的优势在于：

(1)控制实时性好。本发明在单向联式多电平电力电子变流器各级直流电压时没有使用传统的PI调节器，能够瞬时以最高速度进行调节，因而控制延时极短。

(2)调节范围大。传统的PI调节器是线性控制，调节范围有限；本发明采用非线性控制，在单向级联式多电平电力电子变流器各级直流负载不平衡程度较大时也能对单向级联式多电平电力电子变流器各级直流电压进行有效调节。

(3)实施成本低。本发明使用单周期控制方法，不需要乘法器，不需要采样输入电压，即单向级联式多电平电力电子变流器中不需要交流侧的电压传感器和额外的电流传感器。

下面将结合实施例参照附图进行详细说明。

附图说明

图1为本发明的方框图；

图2为本发明实施例中三级级联的单相VIENNA变流器的电路原理图；

图3为级联式单相二极管H桥变流器的电路原理图；

图4为级联式单相VIENNA变流器的电路原理图；

图5为级联式单相无桥变流器的电路原理图；

图6为三相星接级联式二极管H桥变流器的电路原理图；

图7为三相角接级联式二极管H桥变流器的电路原理图；

图8为三相星接级联式VIENNA变流器的电路原理图；

图9为三相角接级联式VIENNA变流器的电路原理图；

图10为三相星接级联式无桥变流器的电路原理图；

图11为三相角接级联式无桥变流器的电路原理图；

图12为本发明实施例中三级级联的单相VIENNA变流器在直流负载不平衡时采用本发明前后直流电压的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述，以充分的了解本发明的目的、特征和效果。本实施例给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于本实施例。

实施例：

参照图2，对三级级联的单相VIENNA变流器应用本发明。所述三级级联的单相VIENNA变流器是级联式单相单向变流器的一种，是由3个单相VIENNA变流器级联而成。

本发明单向级联式多电平电力电子变流器直流电压平衡控制策略步骤如下：

(1)对三级级联的单相VIENNA变流器中的3个单相VIENNA变流器直流电压进行采样，得到3个直流电压信号U_d1、U_d2和U_d3；

(2)将步骤(1)中的3个直流电压信号U_d1、U_d2和U_d3送入求和模块，得到总输出直流电压信号U_d为:

其中U_dn为级联式单相单向变流器第n个单相单向变流器直流电压信号，n为不大于3的正整数；

(3)将总输出直流电压信号的参考信号与步骤(2)中的总输出直流电压信号U_d相减，得到电压调节器的输入信号ΔU_d:

(4)将步骤(3)中的电压调节器的输入信号ΔU_d送入电压调节器；

(5)根据单周期控制原理和步骤(2)，电压调节器的输出u_m为：

其中R_s为三级级联的单相VIENNA变流器的交流侧电流采样电阻，R_e为三级级联的单相VIENNA变流器的总等效电阻，u_m为正数；

(6)将步骤(5)中的电压调节器的输出u_m送入载波生成模块，生成幅值为u_m的三角波；

(7)通过三级级联的单相VIENNA变流器的交流侧电流采样电阻R_s对三级级联的单相VIENNA变流器的交流侧电流i_s进行采样，得到交流电流采样信号R_si_s；

(8)将步骤(7)中的交流电流采样信号R_si_s送入绝对值模块得到绝对值信号|R_si_s|；

(9)将步骤(5)中的电压调节器的输出u_m和步骤(8)中的绝对值信号|R_si_s|送入运算模块，计算得到调制波调整信号Δ|R_si_s|：

(10)将步骤(1)中的3个直流电压信号U_d1、U_d2和U_d3送入排序模块，按从大到小或从小到大的顺序进行排列；

(11)将步骤(10)中的排序后的3个直流电压信号U_d1、U_d2和U_d3送入配对模块，配对方法如下：

本实施例中，N＝3为奇数，将排序后的3个直流电压信号中的最高值对应的单相VIENNA变流器与最低值对应的单相VIENNA变流器配为一对，余下1个直流电压信号为排序在最中间的单相VIENNA变流器，故除排序在最中间的单相VIENNA变流器外，最终所有单相VIENNA变流器配为1对，此时配对模块输出1组配对信息，该组配对信息由一个高电压信号和一个低电压信号组成；

(12)将步骤(11)中的配对信息、步骤(8)中的绝对值信号|R_si_s|和步骤(9)中的调制波调整信号Δ|R_si_s|送入调制波生成模块，调制波生成模块输出3路调制波信号：

(a)根据步骤(11)中的配对信息，令每组配对信息中，高电压信号对应的单相VIENNA变流器的调制波信号为|R_si_s|-Δ|R_si_s|；

(b)根据步骤(11)中的配对信息，令每组配对信息中，低电压信号对应的单相VIENNA变流器的调制波信号为|R_si_s|+Δ|R_si_s|；

(c)余下的直流电压信号排序在最中间的单相VIENNA变流器的调制波信号为|R_si_s|；

(13)将步骤(12)中的3路调制波信号，分别与步骤(6)中载波生成模块生成的幅值为u_m的三角波，通过比较器进行信号交割产生3路PWM信号，进而控制三级级联的单相VIENNA变流器中3个单相VIENNA变流器开关器件的通断。

参照图12，为本发明实施例中三级级联的单相VIENNA变流器在直流负载不平衡时采用本发明前后直流电压的仿真图。在0.5s前系统直流负载均衡，系统运行进入稳态，系统直流电压平衡；在0.5s时，系统直流负载突变，此时未应用本发明，系统在直流不平衡负载的影响下，直流电压产生不均衡现象；在1s时应用本发明，可以看到各个单相VIENNA变流器直流电压迅速调整，达到平衡，证明了本发明的有效性。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计方案前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。