CN103944403B - 一种链式多电平变流器的功率模块动态均压控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种链式多电平变流器的功率模块动态均压控制方法，所述的均压方法由单相软件锁相环、符号函数和比例控制器串联构成，首先通过软件锁相环检测出链式多电平变流器输出电流中工频分量的相位，并将此相位信息输入到符号函数得到均压控制的调节方向，然后由比例控制器根据单个功率模块的直流电压偏差得到均压控制的调节量，最后将所述的调节方向与调节量相乘，得到该功率模块输出电压中的均压分量，均压分量与该相输出电压瞬时值相加即为该模块的输出电压。所述的动态均压控制方法克服了小电流工况下的谐波电流，以及快速变化的动态负载对功率模块均压造成的影响，有效解决链式多电平变流器在轻载和动态负载工况下的均压问题。

Description

一种链式多电平变流器的功率模块动态均压控制方法
技术领域
本发明属于电力电子变流器技术领域，具体涉及链式多电平变流器中功率模块直流电容的动态均压控制方法。
背景技术
功率模块的动态均压一直是链式多电平结构面临的关键技术问题，在10kV电压等级的应用中，目前广泛采用的动态均压算法都是以变流器输出电流的瞬时值作为重要的调节依据。在直挂35kV及以上电网的链式多电平变流器中，串联的功率模块数量大大增加，达到几十甚至上百个。大量增加的串联模块数量使功率模块的均压控制面临更加苛刻的应用条件。在补偿电弧炉等剧烈变化的冲击性负载的应用中，一方面负载工况波动造成变流器输出电流快速大幅变化，引起模块直流电压不平衡；另一方面，负载的频繁启停使得变流器经常运行与轻载甚至空载工况，输出电流幅值非常小，通常仅为额定电流的1～2％，且湮没于高频的谐波成分中。这两方面的问题使得传统的均压算法不再有效：一是超多模块串联条件下，极低的载波频率使得均压控制效果受输出电流幅值变化的影响显著；二是在空载和小电流情况下，依靠输出电流幅值的算法均压效果不理想，无法长期稳定运行。
本发明针对传统动态均压方法存在的问题，提出了一种新的基于软件锁相环和符号函数的动态均压方法，可以有效解决35kV以上链式多电平变流器在轻载和动态负载工况下的均压问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的均压控制方法在35kV以上电压等级的链式多电平变流器中应用时，出现的轻载和动态负载工况下均压效果不佳，无法长期稳定运行的问题。申请人通过研究发现，在35kV以上电压等级的应用中，串联模块数量增加引起的单个模块开关频率下降是造成均压困难的关键因素。链式多电平变流器的功率模块在极低载波频率下运行时，载波移相引起的功率模块间的有功功率偏差(即不平衡功率)变得显著，并成为引起功率模块直流电压不平衡的主要因素之一。通过设计与模块间不平衡功率相匹配的均压调节量，可以有效消除变流器输出电流幅值变化对均压效果产生的影响。对于在空载条件下，输出电流中极小的工频分量被纹波电流淹没的问题，设置合适的低通滤波器，同时克服滤波延时是提高均压效果的关键。在上述分析的基础上，本发明通过将单相软件锁相环、符号函数和比例调节器相结合，设计了一种新的动态均压控制方法，可以有效解决大量模块串联造成的均压难题。
本发明具体采用以下技术方案。
一种链式多电平变流器的功率模块动态均压控制方法，其特征在于，所述的均压方法由单相软件锁相环、符号函数和比例控制器串联构成，具体包括以下步骤：
(1)采用单相软件锁相环算法，检测出链式多电平变流器输出电流中工频分量的相位；
(2)将所述输出电流工频分量的相位信息输入到符号函数，其输出作为均压控制的调节方向，+1表示有功流入功率模块，－1表示有功流出功率模块；
(3)将单个功率模块的直流电压与其直流电压目标值作差，得到该功率模块的直流电压偏差；
(4)将所述的直流电压偏差输入到比例控制器，得到该功率模块用于均压控制的调节量；
(5)将所述的均压控制的调节方向与调节量相乘，得到该模块输出电压的均压分量；
(6)该相输出电压除以链节数再与模块的均压分量相加，即为该模块的输出电压。
本发明还优选包括以下方案：
步骤(2)所述的符号函数，其数学表达式可以描述为：当输入信号大于0时，其输出为1；当输入信号小于0时，其输出为-1；当输入信号等于零时，其输出为0。
步骤(3)所述的功率模块直流电压，为半个工频周期的平均值，通过滑动平均方法计算得到；步骤(3)所述的模块直流电压目标值，为链式多电平变流器中，与该模块串联的所有功率模块直流电压的平均值。
步骤(1)所述的单相软件锁相环是一种闭环快速锁相算法，具体的实现步骤如下：
1)利用锁相环输出的相位信号，通过余弦函数计算得到标准工频正弦信号；
2)将所述锁相环的输入信号与标准工频正弦信号相乘，作为相位误差信号；
3)将所述的相位误差信号输入到比例积分控制器，得到频率偏差的校正项；
4)将所述的频率偏差校正项与工频频率相加，作为锁相环的累加频率；
5)按照所述的累加频率积分，得到锁相环输出的相位信号。
本发明的有益效果是：采用单相软件锁相环算法，可以有效地从链式多电平变流器的输出电流中提取出工频分量，同时避免了低通滤波器引入的延时；而引入符号函数则使得均压调节量可以在不同负载条件下均与载波移相引起的不平衡功率相平衡。通过这两方面的措施，有效解决链式多电平变流器在轻载和动态负载工况下的均压问题，克服了传统均压控制方法在35kV以上电压等级应用时存在的技术难题。
附图说明
图1是本发明提出的链式多电平变流器的动态均压方法的控制框图。
具体实施方式
下面结合说明书附图具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细说明。本申请公开了一种链式多电平变流器的功率模块动态均压控制方法，如附图1中所示假设链式多电平变流器的每相桥臂共有n个功率模块。
实施例1本发明的技术方案具体包括以下步骤：
步骤1：通过就地采样和光纤通信，得到某相n个功率模块电容电压的瞬时值，分别为udc1～udcn；
步骤2：通过滑动窗，选取最近半个工频周期内直流电压的采样值，分别计算出各个模块电容电压的平均值，即模块直流电压；
步骤3：求取该相所有n个功率模块直流电压的平均值，并将其作为该相单个功率模块直流电压的目标值udcref；
步骤4：将目标值udcref与每个模块的直流电压作差，得到该模块的直流电压偏差Δudci，直流电压偏差与比例控制器的系数Kp相乘，即得到该模块均压控制的调节量。
步骤5：采用单相软件锁相环算法，检测出链式多电平变流器输出电流中工频分量的相位，相位信息呈现为锯齿形三角波，当工频分量为正时，三角波幅值为正；当工频分量为负时，三角波幅值也为负。
所述的单相软件锁相环是一种闭环快速锁相算法，具体的实现步骤如下：
1)利用锁相环输出的相位信号，通过余弦函数计算得到标准工频正弦信号；
2)将所述锁相环的输入信号与标准工频正弦信号相乘，作为相位误差信号；
3)将所述的相位误差信号输入到比例积分控制器，得到频率偏差的校正项；
4)将所述的频率偏差校正项与工频频率相加，作为锁相环的累加频率；
5)按照所述的累加频率积分，得到锁相环输出的相位信号。
步骤6：将所述的锁相环的输出，经过符号函数后，即得到链式多电平变流器输出电流中工频分量的符号，将此符号作为功率模块均压控制的调节方向，+1表示有功流入功率模块，－1表示有功流出功率模块。所述符号函数的数学表达式可以描述为：当输入信号大于0时，其输出为+1；当输入信号小于0时，其输出为－1；当输入信号等于零时，其输出为0。
步骤7：将所述的均压控制的调节方向与调节量相乘，得到第i个模块的均压分量uri；
步骤8：该相输出电压除以链节数得到模块平均输出电压us，us与均压分量uri相加，即得到该模块的输出电压usi，最后通过载波移调制策略相生成PWM信号。
实施例2一种链式多电平变流器的功率模块动态均压控制方法，具体包括以下步骤：
步骤1：通过就地采样和光纤通信，得到某相n个功率模块电容电压的瞬时值，分别为udc1～udcn；
步骤2：通过滑动窗，选取最近半个工频周期内直流电压的采样值，分别计算出各个模块电容电压的平均值，即模块直流电压；
步骤3：求取该相所有n个功率模块直流电压的平均值，并将其作为该相单个功率模块直流电压的目标值udcref；
步骤4：采用单相软件锁相环算法，检测出链式多电平变流器输出电流中工频分量的相位；
①利用锁相环输出的相位信号，通过余弦函数计算得到标准工频正弦信号；
②将所述锁相环的输入信号与标准工频正弦信号相乘，作为相位误差信号；
③将所述的相位误差信号输入到比例积分控制器，得到频率偏差的校正项；
④将所述的频率偏差校正项与工频频率相加，作为锁相环的累加频率；
⑤按照所述的累加频率积分，得到锁相环输出的相位信号。
步骤5：将所述输出电流工频分量的相位信息输入到符号函数，其输出作为均压控制的调节方向，+1表示有功流入功率模块，－1表示有功流出功率模块；
步骤6：将每个模块的直流电压与目标值udcref作差，得到该模块的直流电压偏差Δudci；
步骤7：直流电压偏差与比例控制器的系数Kp相乘，即得到该模块均压控制的调节量。
步骤8：将所述的均压控制的调节方向与调节量相乘，得到第i个模块的均压分量uri；
步骤9：该相输出电压除以链节数再与模块的均压分量相加，即为该模块的输出电压。当已经获知单个功率模块直流电压的目标值udcref时，步骤1-步骤3可省略。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种链式多电平变流器的功率模块动态均压控制方法，其特征在于，所述的功率模块动态均压控制方法基于单相软件锁相环、符号函数和比例控制器实现，具体包括以下步骤：
(1)采用单相软件锁相环算法，检测出链式多电平变流器输出电流中工频分量的相位；
(2)将所述输出电流工频分量的相位信息输入到符号函数，其输出作为均压控制的调节方向，+1表示有功流入功率模块，－1表示有功流出功率模块；
(3)将单个功率模块的直流电压与其直流电压目标值作差，得到该功率模块的直流电压偏差；
(4)将所述的直流电压偏差输入到比例控制器，得到该功率模块用于均压控制的调节量；
(5)将均压控制的调节方向与调节量相乘，得到该模块输出电压的均压分量；
(6)该相输出电压除以链节数再与模块的均压分量相加，即为该模块的输出电压。
2.根据权利要求1所述的功率模块动态均压控制方法，其特征在于：
步骤(2)所述的符号函数，其数学表达式可以描述为：当输入信号大于0时，其输出为1；当输入信号小于0时，其输出为-1；当输入信号等于零时，其输出为0。
3.根据权利要求1或2所述的功率模块动态均压控制方法，其特征在于：
步骤(1)所述的单相软件锁相环算法，具体的实现步骤如下：
①利用锁相环输出的相位信号，通过余弦函数计算得到标准工频正弦信号；
②将所述锁相环的输入信号与标准工频正弦信号相乘，作为相位误差信号；
③将所述的相位误差信号输入到比例积分控制器，得到频率偏差的校正项；
④将频率偏差的校正项与工频频率相加，作为锁相环的累加频率；
⑤按照所述的累加频率积分，得到锁相环输出的相位信号。
4.根据权利要求3所述的功率模块动态均压控制方法，其特征在于：
步骤(3)所述的功率模块的直流电压，为半个工频周期的平均值，通过滑动平均方法计算得到；步骤(3)所述的模块直流电压目标值，为链式多电平变流器中，与该模块串联的所有功率模块直流电压的平均值。
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