CN101950960B

CN101950960B - 串联多电平电能质量调节器直流母线电压的控制方法

Info

Publication number: CN101950960B
Application number: CN2010102865417A
Authority: CN
Inventors: 何英杰; 刘进军; 刘铁
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2010-09-19
Filing date: 2010-09-19
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-09-19
Also published as: CN101950960A

Abstract

本发明中公开了一种串联多电平电能质量调节器直流母线电压控制方法，并利用MATLAB中的simulink模块对该控制方法进行了仿真验证，同时在实验室中搭建了容量为30kVA、两个单相全桥单元模块串联的小型实验样机，并对该控制方法进行了实验验证。从仿真和实验的结果都可以确认，该控制方法能够很好的稳定单相全桥单元模块直流侧电压，使其等于给定值，并提高了直流母线电压的利用率，为工程应用提供了很好的参考价值。

Description

串联多电平电能质量调节器直流母线电压的控制方法

技术领域

本发明属于电网电能质量研究领域，特别涉及一种串联多电平电能质量调节器直流母线电压的控制方法。

背景技术

串联型多电平变换器采用两个或多个单相全桥电路串联而成，每个单相全桥逆变器由独立直流电源供电，通过开关管的不同组合输出3个电平，最后再将各个桥的电平叠加起来合成最终的输出波形。这种结构具有模块化结构，可以任意扩展到n电平；无需箝位二极管和电容，对于相同电平数，所需器件数最少，可以省去笨重的变压器等优点，近年来得到了广泛的关注。当其用于电能质量调节器时，由于装置主要输出谐波和无功电流，需要有功电流含量较少，可采用大电容代替独立直流侧电源。但是，不同模块的并联损耗、开关损耗、开关器件的触发脉冲之间的微小差异等都会造成稳态时直流母线电容上电压不平衡问题。

近年来，串联多电平变换器在谐波抑制和无功补偿装置中的使用越来越广泛，尤其是在有源电力滤波器(Active Power Filter)和静止无功补偿装置(Static Compensator)中，由于不同模块的并联损耗、开关损耗、开关器件的触发脉冲之间的微小差异等会造成稳态时电容上电压不平衡。而在实际应用中，各个单相全桥电路之间的参数差异是不可避免的，而且触发脉冲的一致性也难以保证。因此，必须采用一定的控制方法来平衡各全桥模块中悬浮的直流侧电容电压。如果没有附加控制措施，电容电压的不平衡问题，不仅会影响到装置的补偿效果，甚至会影响到装置安全、稳定的运行。因此研究串联多电平结构逆变器直流母线电压不平衡控制方法是十分必要的。

针对母线电压的不平衡问题，目前存在的控制方法可以分为两类：逆变桥自身能量平衡控制和逆变桥之间能量交换平衡控制。前者包括角度偏差控制法、脉冲循环换位法、并联电阻法和调制比控制法；后者包括基于直流母线能量交换法和基于交流母线能量交换法。

随着研究的深入，大容量电力电子负荷日益增多，对高压大容量电能质量调节器需求越来越迫切。串联多电平变换器作为高压大容量装置首选拓扑结构，其母线电压均衡控制这一技术难题的突破就显得具有更重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种串联多电平电能质量调节器直流母线电压的均衡控制方法，以提高直流母线电压利用率。该控制方法不需要附加另外电路，且前馈并网逆变器输出电压，能有效地控制串联多电平电能质量调节器单相全桥单元模块直流侧电压等于给定值，以确保串联多电平电能质量调节器具有较好的补偿效果。

为了达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种串联多电平电能质量调节器直流母线电压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，检测串联多电平电能质量调节器A、B、C三相所有单相全桥单元模块直流侧电压u_{dc_ai}、u_{dc_bi}、u_{dc_ci}，i＝1，2...N，得3·N个直流侧电压值，对这3·N个电压值求平均，得直流侧电压的平均值u_ave；

步骤2，将u_ave与串联多电平电能质量调节器直流侧电压给定值u_ref经过单路减法器相比较，其输出经过单路比例积分调节器调整，单路比例积分调节器的输出作为串联多电平电能质量调节器直流侧与交流侧能量交换指令Δi_p，并取Δi_p的符号函数sign(Δi_p)；

步骤3，将A相第一个单相全桥单元模块直流侧电压u_{dc_a1}与直流侧电压的平均值u_ave经过单路减法器相比较，其输出乘以符号函数sign(Δi_p)后经过单路比例积分调节器调整，单路比例积分调节器的输出作为A相第一个单相全桥单元模块电压偏差指令Δu_{dc_a1}；

步骤4，按照与步骤3相同的方式，分别求出A相第二个到第N个单相全桥单元模块电压偏差指令Δu_{dc_a2}，...Δu_{dc_aN}，B相第一个到第N个单相全桥单元模块电压偏差指令Δu_{dc_b1}，...Δu_{dc_bN}和C相第一个到第N个单相全桥单元模块电压偏差指令Δu_{dc_c1}，...Δu_{dc_cN}；

步骤5，检测串联多电平电能质量调节器A相PWM调制波u_a，并与A相第一个单相全桥单元模块电压偏差指令Δu_a1经过单相乘法器相乘，输出作为串联多电平电能质量调节器A相第一个单相全桥单元模块PWM调制波的微调指令Δu_a1 ^*，以此类推可得到A相剩余单相全桥单元模块PWM调制波的微调指令Δu_a2 ^*，...，Δu_aN ^*，以及B、C相中所有单相全桥单元模块PWM调制波的微调指令Δu_b1 ^*，...，Δu_bN ^*，Δu_c1 ^*，...，Δu_cN ^*；

步骤6，把A相第一个单相全桥单元模块PWM调制波的微调指令Δu_a1 ^*与微调前A相PWM调制波u_a经过单路加法器，输出作为串联多电平电能质量调节器A相第一个单相全桥单元模块最终PWM调制波u_a1，以此类推可得到A相中剩余单相全桥单元模块最终PWM调制波u_a2，...u_aN，以及B、C相中所有单相全桥单元模块最终PWM调制波u_b1，...u_bN，u_c1，...u_cN。

上述方案中，所述的N为2～36。

本发明既可以控制串联多电平电能质量调节器从电网吸收的总的有功功率，以抵消其各种损耗，又可以控制单相全桥单元模块直流侧电压，使得所有单相全桥单元模块直流侧电压均稳定在给定值附近。

本发明简单、易于实现，且不需要附加另外电路。同时实验室中搭建了容量为30kVA，两个单相全桥单元模块串联的小型实验样机，对本发明中的方法进行了仿真和实验验证，仿真和实验结果都证明了该方法的正确性、可靠性，为工程应用提供了很好的参考价值。

附图说明

图1为串联多电平电能质量调节器主电路结构框图。

图2为本发明方法的控制系统框图。

图3为图2中AC/DC总的能量交换控制单元的具体控制框图。

图4为图2中电压环均衡控制微调指令控制单元的具体控制框图。

图5为没有图3和图4控制单元时单相全桥单元模块直流侧电压仿真波形；其中(a)为直流侧电压的平均值u_ave的仿真波形；(b)为A相第一个单相全桥单元模块直流侧电压u_{dc_a1}仿真波形；(c)为A相第二个单相全桥单元模块直流侧电压u_{dc_a2}仿真波形。

图6为只有图3控制单元，没有图4控制单元时单相全桥单元模块直流侧电压仿真波形；其中(a)为直流侧电压的平均值u_ave的仿真波形；(b)为A相第一个单相全桥单元模块直流侧电压u_{dc_a1}仿真波形；(c)为A相第二个单相全桥单元模块直流侧电压u_{dc_a2}仿真波形。

图7为本发明方法同时有图3和图4控制单元时单相全桥单元模块直流侧电压仿真波形；其中(a)为直流侧电压的平均值u_ave的仿真波形；(b)为A相第一个单相全桥单元模块直流侧电压u_{dc_a1}仿真波形；(c)为A相第二个单相全桥单元模块直流侧电压u_{dc_a2}仿真波形。

图8为本发明方法同时有图3和图4控制单元时，负载电流和补偿后电网电流仿真波形。

图9为只有图3控制单元、没有图4控制单元时单相全桥单元模块直流侧电压实验波形。

图10为本发明方法同时有图3和图4控制单元时单相全桥单元模块直流侧电压实验波形。

具体实施方式

参照图1，三相电源1和非线性负载2之间连接串联多电平电能质量调节器3。串联多电平电能质量调节器3的主电路结构，主要包括：6个单相全桥单元模块3a1，3a2，3b1，3b2，3c1，3c2和3个进线电感。单相全桥单元模块由直流侧储能元件C_ak～C_ck(k＝1、2)和电压源型PWM变换器301～306组成，其中直流侧储能元件一般由电力电容器串并联构成，电压源型PWM(脉冲宽度调制)变换器采用全控器件如IGBT、GTO等组成。进线电感31、32和33一端串联在A、B、C三相电压源型PWM变换器上，一端并联在三相电源1和非线性负载2之间，其参数的选择主要取决于电压源型PWM变换器的开关频率。

为了叙述方便，本发明中，每相以两个单相全桥单元模块为例进行详细说明。电源三相电压记为u_s，即：u_sa、u_sb、u_sc；电源三相电流记为i_s，即：i_sa、i_sb、i_sc；串联多电平电能质量调节器的6个单相全桥单元模块直流侧电压分别记为u_{dc_a1}，u_{dc_a2}，u_{dc_b1}，u_{dc_b2}，u_{dc_c1}，u_{dc_c2}；直流侧电压的给定值记为u_ref；串联多电平电能质量调节器输出的三相补偿电流记为i_c，即：i_ca、i_cb、i_cc；三相负载电流记为i_L，即：i_la、i_ib、i_lc。

参照图2，图3，图4，本发明中的串联多电平电能质量调节器直流母线电压控制方法，包括两个控制环，其中步骤1、2为第一个控制环，对应图2中总的AC/DC能量交换控制单元，步骤3、4、5、6为第二个控制环，对应图2中的电压环均衡控制微调指令控制单元，具体步骤如下：

步骤1，检测串联多电平电能质量调节器A、B、C三相中6个单相全桥单元模块直流侧电压u_{dc_a1}，u_{dc_a2}，u_{dc_b1}，u_{dc_b2}，u_{dc_c1}，u_{dc_c2}，求它们的平均值，得6个模块直流侧电压的平均值u_ave。

步骤2，将u_ave与串联多电平电能质量调节器直流侧电压给定值u_ref经过单路减法器相比较，输出经过单路比例积分调节器调整，单路比例积分器的输出作为串联多电平电能质量调节器直流侧与交流侧能量交换指令Δi_p。

步骤3，将A相第一个单相全桥单元模块直流侧电压检测值u_{dc_a1}与6个模块直流侧电压的平均值u_ave经过单路减法器相比较，输出乘以符号函数sign(Δi_p)后经过单路比例积分调节器调整，单路比例积分器的输出作为A相第一个单相全桥单元模块电压偏差指令Δu_{dc_a1}。

步骤4，按照步骤3要求，分别求出A相第二个单相全桥单元模块电压偏差指令Δu_{dc_a2}，B相第一个单相全桥单元模块电压偏差指令Δu_{dc_b1}，B相第二个单相全桥单元模块电压偏差指令Δu_{dc_b1}，C相第一单相全桥单元模块电压偏差指令Δu_{dc_c1}和C相第二个单相全桥单元模块电压偏差指令Δu_{dc_c2}。

步骤5，检测串联多电平电能质量调节器A相PWM调制波u_a，并与A相第一个单相全桥单元模块电压偏差指令Δu_a1经过单相乘法器，输出作为串联多电平电能质量调节器A相第一个单相全桥单元模块PWM调制波的微调指令Δu_a1 ^*，以此类推可得到A相第二个单相全桥单元模块PWM调制波的微调指令Δu_a2 ^*，B相第一个单相全桥单元模块PWM调制波的微调指令Δu_b1 ^*，B相第二个单相全桥单元模块PWM调制波的微调指令Δu_b2 ^*，C相第一个单相全桥单元模块PWM调制波的微调指令Δu_c1 ^*和C相第二个单相全桥单元模块PWM调制波的微调指令Δu_c2 ^*。

步骤6，把A相第一个单相全桥单元模块PWM调制波的微调指令Δu_a1与微调前串联多电平电能质量调节器A相PWM调制波u_a经过单路加法器，输出作为串联多电平电能质量调节器A相第一个单相全桥单元模块最终PWM调制波u_a1。以此类推得到A相第二个单相全桥单元模块最终PWM调制波u_a2，B相第一个单相全桥单元模块最终PWM调制波u_b1、B相第二个单相全桥单元模块最终PWM调制波u_b2，C相第一个单相全桥单元模块最终PWM调制波u_c1，C相第二个单相全桥单元模块最终PWM调制波u_c2。

其中符号函数sign(Δi_p)的作用是判断变流器与电网之间交换的有功功率的方向，判断方法遵循以下原则：从电网吸收有功功率时Δi_p＞0，即sign(Δi_p)＝1；向电网发出有功功率时Δi_p＜0，即sign(Δi_p)＝-1。按上述的定义是为了更好的控制同相中两个单相全桥单元模块的直流侧电压，若不加此环节，就会出现新的问题，如检测到直流侧电压小于给定值，则希望直流侧电压值升高，但会有两种截然相反的选择，当此时变流器本身是从电网吸收有功功率，则需要从电网吸收更多的有功功率，但若此时变流器是向电网发出有功功率，则为了升高直流侧电压值，应该向电网发出少一点的有功功率，因此，在前馈端口电压的同时，必须还要判断变流器与电网之间交换的有功功率的方向。

类似的，本发明上述两个单相全桥单元模块的方法也适用于三模块、四模块、....、直至三十六模块。

比较图5、图6、图7所示的仿真波形，由此可以看出，通过使用本发明控制方法所得到的仿真波形(图7)，能够很好得稳定单相全桥单元模块直流侧电压，使其等于给定值。

如图8所示，使用本发明控制方法所得到的负载侧和电网侧的电流仿真波形，可以看出仿真效果很好。

比较图9、图10所示的实验波形中，由此也可以看出，通过使用本发明控制方法所得到的实验波形(图10)，能够很好地稳定单相全桥单元模块直流侧电压，使其等于给定值。

Claims

1.一种串联多电平电能质量调节器直流母线电压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤5，检测串联多电平电能质量调节器A相PWM调制波u_a，并与A相第一个单相全桥单元模块电压偏差指令Δu_{dc_a1}经过单相乘法器相乘，输出作为串联多电平电能质量调节器A相第一个单相全桥单元模块PWM调制波的微调指令Δu_a1 ^*，以此类推可得到A相剩余单相全桥单元模块PWM调制波的微调指令Δu_a2 ^*，...，Δu_aN ^*，以及B、C相中所有单相全桥单元模块PWM调制波的微调指令Δu_b1 ^*，...，Δu_bN ^*，Δu_c1 ^*，...，Δu_cN ^*；

2.根据权利要求1所述的串联多电平电能质量调节器直流母线电压控制方法，其特征在于，所述的N为2～36。