CN103248210A - 一种用于减小直流侧电压二次波动的功率同步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于减小直流侧电压二次波动的功率同步控制方法，其特征在于，对基于H桥串并联结构的功率变换器，包含输入级、隔离级和输出级，对直流侧进行交流-直流-交流的变换；基于功率变换器负载侧输出电压初始相位角可任意设定的特性，通过设定功率变换器负载侧输出电压初始相位角，减小每相瞬时输入功率减去瞬时输出功率之差的幅值，以减小直流侧电容电压二倍频波动的幅值。本发明提供的方法能够有效利用现有装置，不需要额外的硬件装置；而且对于平衡负载和不平负载都有效。

Description

一种用于减小直流侧电压二次波动的功率同步控制方法

技术领域

本发明功率变换器技术领域，涉及一种用于减小直流侧电压二次波动的功率同步控制方法。

背景技术

在过去的三十年中，电力电子技术从功率器件、控制芯片、产品应用等等方面都有了长足并全面的快速发展。而随着最近这些年新能源、分布式发电、智能电网等概念的研究和发展，越来越多的电力电子功率变换器应用到电网中。应用于电网的功率变换器按照输入输出类型总体可分为直接交流-交流型、交流-直流型和交流-直流-交流型。而对于高压大功率应用场合，由于现有硅器件单管处理高压的性能并不好或成本太高，实际采用的解决方案是采用功率器件的串并联结构或模块化的串并联结构。其中功率器件的串并联结构需要处理串并联器件之间的均压均流控制、驱动信号同步等等技术问题，并且对于器件的串并联数目有一定的限制，因此应用范围有限。

基于模块化串并联结构总体可分为二极管钳位（或飞跨电容）多电平结构和基于模块化级联H桥单元（或者2H桥单元、半桥斩波单元等）多电平结构。这两种模块化结构中，二极管钳位多电平结构对于电平数有限制，一般不超过五电平，而H桥结构则无此限制。

对于处理高压大功率场合而言，基于模块化级联H桥多电平结构是目前来讲比较可行的选择。而对于基于模块化H桥单元级联结构而言，每个H桥的直流侧会存在功率二次波动问题，从而导致直流侧电压二倍频波动。直流侧电压二倍频波动会导致功率器件所需承受电压电流应力上升，进而影响器件寿命，也会影响网侧电压电流THD值等等。因此需要对直流侧二次波动幅度进行控制。

发明内容

本发明的目的在于针对现有基于H桥串并联结构并包含内部直流侧的交流-直流-交流功率变换器的直流侧电压会产生二倍频波动，提供一种用于减小直流侧电压二次波动的功率同步控制方法，本方法能够有效利用现有装置，控制方法简单，无需而外的辅助装置。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用于减小直流侧电压二次波动的功率同步控制方法，对基于H桥串并联结构的功率变换器，包含输入级、隔离级和输出级，对直流侧进行交流-直流-交流的变换；基于功率变换器负载侧输出电压初始相位角可任意设定的特性，对功率变换器进行以下操作：

通过设定功率变换器负载侧输出电压初始相位角，减小每相瞬时输入功率减去瞬时输出功率所得之差的幅值，以减小直流侧电容电压二倍频波动的幅值；

控制输入级的直流侧的电容电压达到预定的指令值，并控制输入电压和电流实现同相位；隔离级控制输出级的直流侧的电容电压达到预定的指令值；输出级实现输出电压的调节及每个并联模块的均流控制，在得到待设定的功率同步角β^*之后，使得功率变换器负载侧输出电压初始相位角为所设定的输出电压初始相位角。

所述的功率变换器负载侧输出电压初始相位角的设定为：

1）当电网通过功率变换器向负载供电时，通过电网侧锁相环锁定三相电网的相位，从而给输出电压初始相位角β；

2）当输电系统经过暂态进入稳态时，通过负载侧电流传感器测得负载的三相电流信息，依据负载的三相电流信息计算得到对应三相负载的电流幅值I_u、I_v、I_w及功率因数角

3）在得到三相负载电流幅值和功率因数角信息后，计算对应的功率同步角β₁ ^*：

${\mathrm{\β}}_1^{*}=1/2\arctan (A_{\mathrm{num}}/B_{\mathrm{den}});$

其中：

4）将功率同步角β₁ ^*与输出电压初始相位角β作和得到功率同步角β^*；以功率同步角β^*作为功率变换器负载侧输出电压初始相位角。

若电网侧锁相环锁定的是三相电网相电压的相位，则β=0°；若电网侧锁相环锁定的是三相电网线电压的相位，则β=30°。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的用于减小直流侧电压二次波动的功率同步控制方法，基于功率变换器负载侧输出电压初始相位角可任意设定的特性，利用调节负载侧输出电压初始相位角，减小每相瞬时输入功率减去瞬时输出功率之差的幅值，以减小直流侧电容电压二倍频波动的幅值，来减小直流侧电压二次的波动。

本发明提供的用于减小直流侧电压二次波动的功率同步控制方法，能够有效利用现有装置，不需要额外的硬件装置；而且对于平衡负载和不平负载都有效。

本发明提供的用于减小直流侧电压二次波动的功率同步控制方法，控制算法简单；易于扩展应用到基于H桥串并联结构并包含内部直流侧的交流-直流-交流功率变换器。

附图说明

图1为基于多级多模块级联结构的三相电力电子变压器的拓扑整体结构框图；

图2为全桥功率变换器单元的电路结构图；

图3为减小直流侧二次波动的功率同步控制框图；

图4为当功率同步角为0°时输入级三相9个直流侧电压波形；

图5为当功率同步角为0°时输出级三相9个直流侧电压波形；

图6为当功率同步角为22.5°时输入级三相9个直流侧电压波形；

图7为当功率同步角为22.5°时输出级三相9个直流侧电压波形；

其中，1为电抗器、2为输入级功率变换器、3为输入级直流储能电容、4为高频DC/AC环节功率变换器、5为高频变压器、6为高频AC/DC环节功率变换器、7为输出级直流储能电容、8为输出级功率变换器、9为LC滤波器；

11为第一输入端、12为第二输入端、13为第一输出端、14为第二输出端。

具体实施方式

下面结合具体的实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提供的用于减小直流侧电压二次波动的功率同步控制方法，对基于H桥串并联结构的功率变换器，包含输入级、隔离级和输出级，对直流侧进行交流-直流-交流的变换；基于功率变换器负载侧输出电压初始相位角可任意设定的特性，对功率变换器进行以下操作：通过设定功率变换器负载侧输出电压初始相位角，减小每相瞬时输入功率减去瞬时输出功率之差的幅值，以减小直流侧电容电压二倍频波动的幅值。

具体的以如图1所示的功率变换器为例进行具体说明。图1所示中每个Sub类型的功率变换器具体电路如图2所示。图1所示的功率变换器整体结构分为三级：输入级、隔离级和输出级，每级的功率变换器均包括两个输入端和两个输出端，采取输入级串联、输出级并联的方案，三相结构相同且独立；

输入级的三相中，每相包括N个相同的串联的输入级功率变换器2，N为自然数，每个输入级功率变换器2的两个输出端之间并联有直流储能电容3；每相串联的输入级功率变换器总的交流侧连接有电抗器1，再与输入电网的一相相连接，相与相之间三角形连接或星形连接；

隔离级的三相中，每相包括N个通过高频变压器5连接的高频DC/AC环节功率变换器4和高频AC/DC环节的功率变换器6；每相的每个高频DC/AC环节功率变换器4与输入级的对应相的输入级功率变换器2一一对应连接；

输出级的三相中，每相的输出级功率变换器8与高频AC/DC环节的功率变换器6一一对应连接，N个中的每个输出级功率变换器8的两个输入端之间并联有输出级直流储能电容7，交流侧连接有LC滤波器9；

各相的输出级功率变换器8的一个输出端连接LC后并联后分别汇集成a相、b相和c相，所有输出级功率变换器8的另一个输出端汇集于n点。

具体的，所述的输入级功率变换器2、高频DC/AC环节功率变换器4、高频AC/DC环节的功率变换器6和输出级功率变换器8均采用全控型单相全桥变换器。

所述的输入级功率变换器2输出端与高频DC/AC环节功率变换器4的输入端相连接；

高频DC/AC环节功率变换器4的输出端接高频变压器5的原边，高频变压器5的副边接高频AC/DC环节的功率变换器6的输入端；

高频AC/DC环节的功率变换器6的输出端与输出级功率变换器8的输入端相连接；输出级功率变换器8的输出端连接LC滤波器9的输入端，LC滤波器9接三相负载。

对于上述基于H桥串并联结构并包含内部直流侧的交流-直流-交流功率变换器，输入级连接电网，通过相应的控制策略控制输入级的直流侧3的电容电压达到预定的指令值，并控制输入电压和电流实现同相位，即单位功率因数；其隔离级通过相应的控制策略控制输出级的直流侧7的电容电压达到预定的指令值；其输出级通过相应的控制策略实现输出电压的调节及每个并联模块的均流控制；比如在得到待设定的功率同步角β^*之后使得功率变换器负载侧输出电压初始相位角为所设定的输出电压的最终初始相位角β^*。

具体的功率变换器负载侧输出电压初始相位角的设定为：

步骤1当系统启动时，通过网侧锁相环锁定三相电网的相位，从而给输出电压初始相位角β（如果锁相环锁定的是三相电网相电压的相位，β=0°；如果锁定的是三相电网线电压的相位，β=30°）；

步骤2当系统经过暂态进入稳态时，通过负载侧电流传感器测得负载的三相电流信息，从而可以计算得到对应三相负载的电流幅值I_u、I_v、I_w及功率因数角

步骤3在得到三相负载电流幅值和功率因数角信息后，计算对应的功率同步角β₁ ^*；

${\mathrm{\β}}_1^{*}=1/2\arctan (A_{\mathrm{num}}/B_{\mathrm{den}})$

其中：

步骤4将通过步骤3计算得到的功率同步角β₁ ^*同输出电压初始相位角β作和得到最终的功率同步角β^*，以功率同步角β^*作为功率变换器负载侧输出电压初始相位角。

为了验证本发明，图4-图7给出了本发明的仿真效果。仿真模型为一个380V-380V，50kW的系统，每相中有3个H桥，其中输入级直流侧电压设定为200V，输出级直流侧电压设定为400V。仿真中通过锁相环PLL锁的是三相电网相电压的信息，所以步骤1中β=0°。仿真中所接三相负载对应的电流幅值和功率因数角为：I_u=75.7A、I_v=37.9A、I_w=75.7A；

通过上述步骤1、2、3可计算对应功率同步角β₁ ^*=0°，即最终的功率同步角β^*=0°。图4和图5为当功率同步角为0°时输入级直流侧3和输出级直流侧7的电压波形。图6和图7为当功率同步角为22.5°时输入级直流侧3和输出级直流侧7的电压波形。如图4所示，当功率同步角为0°时输入级直流侧电压二倍频波动幅度为8V；而如图6所示，功率同步角为22.5°时输入级直流侧电压二倍频波动幅度为12V，高出了50%。如图5和图7所示，不同功率同步角对于输出级直流侧电压二倍频波动没什么影响，这是因为隔离级的控制环速度比较快，能够很好地跟踪指令电压。上述仿真结果表明本发明能够良好地减小直流侧电压二倍频波动幅度。

Claims (3)

1.一种用于减小直流侧电压二次波动的功率同步控制方法，其特征在于，对基于H桥串并联结构的功率变换器，包含输入级、隔离级和输出级，对直流侧进行交流-直流-交流的变换；基于功率变换器负载侧输出电压初始相位角可任意设定的特性，对功率变换器进行以下操作：

通过设定功率变换器负载侧输出电压初始相位角，减小每相瞬时输入功率减去瞬时输出功率之差的幅值，以减小直流侧电容电压二倍频波动的幅值；

控制输入级的直流侧的电容电压达到预定的指令值，并控制输入电压和电流实现同相位；隔离级控制输出级的直流侧的电容电压达到预定的指令值；输出级实现输出电压的调节及每个并联模块的均流控制，使得功率变换器负载侧输出电压初始相位角为所设定的输出电压初始相位角。

2.如权利要求1所述的用于减小直流侧电压二次波动的功率同步控制方法，其特征在于，所述的功率变换器负载侧输出电压初始相位角的设定为：

1）当电网通过功率变换器向负载供电时，通过电网侧锁相环锁定三相电网的相位，从而给输出电压初始相位角β；

2）当输电系统经过暂态进入稳态时，通过负载侧电流传感器测得负载的三相电流信息，依据负载的三相电流信息计算得到对应三相负载的电流幅值I_u、I_v、I_w及功率因数角

3）在得到三相负载电流幅值和功率因数角信息后，计算对应的功率同步角β₁ ^*：

${\mathrm{\β}}_1^{*}=1/2\arctan (A_{\mathrm{num}}/B_{\mathrm{den}});$

其中：

4）将功率同步角β₁ ^*与输出电压初始相位角β作和得到功率同步角β^*；以功率同步角β^*作为功率变换器负载侧输出电压初始相位角。

3.如权利要求2所述的于减小直流侧电压二次波动的功率同步控制方法，其特征在于，若电网侧锁相环锁定的是三相电网相电压的相位，则β=0°；若电网侧锁相环锁定的是三相电网线电压的相位，则β=30°。

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