CN103956915B - 基于电流耦合的级联h桥变换器主从控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流耦合通讯方式的级联H桥变换器主从控制新方法，该方法将直流电压等模块信息进行编码，并利用调制的方式反映在开关信号中，由于变换器的信号放大作用，模块信息将在网侧电流中反映出来，即实现了基于电流耦合的模块信息通讯。本发明无需核心控制器，只需有采样板提供网侧电压、电流等信号，各单元分别对网侧电流值进行解码，得到其他各单元的信息，尤其是直流电压排序，以确定本单元的充电、放电或者保持零电平等模式。本发明将传统集中式控制简化为单元分布式控制，大大节约了硬件通讯成本，同时分布式控制器扩展性较高，具有较高的应用价值。

Description

基于电流耦合的级联H桥变换器主从控制方法

技术领域

本发明属于高压大功率电力电子技术在电力系统中的应用技术领域，涉及级联型H桥变换器的控制方法。

背景技术

级联H桥变换器是高压大功率领域中应用较为主流的多电平拓扑结构，且在只需补偿无功功率场合(即静止同步补偿器场合)与模块化多电平拓扑结构相比优势更加明显，图1所示为单相级联H桥变换器拓扑结构，三相结构通常由单相结构进行星形链接或三角形链接构成。目前，基于H桥级联变换器的静止同步补偿器应用已非常广泛，且已有多种专利或公开文献对其拓扑或控制策略进行了报道。就控制策略而言，电压平衡控制策略被认为是装置能够安全稳定运行的关键问题，且节约硬件成本资源，基于算法的电压平衡方法已逐渐取代基于硬件电路的方法。

中国专利CN2011104342663和CN2009100628838都提出了三级式电压平衡算法，这种三级式电压平衡算法已成级联H桥变换器的主流控制结构，控制流程图如图2所示。然而，这种算法使得主要控制策略全部集中在核心控制器中，单元控制器只是负责信号的采集或脉冲的生产，核心控制器负担较重，如图3所示。为此，文献“链式STATCOM直流电容电压分布式控制”提出了一种分布式控制策略，将核心控制器的一部分工作分摊到单元控制器，并分析这种控制策略的收敛性问题，指出这种方法是可行的。然而，这种分布式方式并没有改变如图3所示的控制器结构，核心控制器与单元控制器之间仍然采用至少2根通讯线，单元与单元之间的信息交互仍然通过核心控制器进行，只不过和原来相比核心控制器所负责处理的运算量降低了，能够选用性能稍低的处理芯片，而从本质上控制器所需要的硬件资源并没有得到降低。

另外，由于每个功率单元都需要与核心控制器进行信息交互，因此该控制器的通信线数量较多，通讯量较大，且当核心控制器发生故障时整个装置都无法进行正常工作。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提出一种基于电流耦合通讯方式的级联H桥变换器主从控制方法，模块之间的信息交互无需通过通讯线与核心控制器，达到降低硬件通讯成本的目的。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为装置的控制器仅由单元控制器和采样板构成，无需核心控制器。其中，采样板采集网侧电压和电流值，并直接提供给单元控制器；所述单元控制器由主单元控制器和从单元控制器组成：

1.1)主单元控制器：

1.1.1)对采样板提供的网侧电流信号进行解码，得到基波电流和直流电压排序值信息；

1.1.2)根据直流电压排序值对单元直流电压进行控制，得到功率给定值，以确定该单元需要注入、消耗或维持功率；

1.1.3)根据功率给定值、网侧电压信息和基波电流值进行直接电流控制，得到单元调制信号；

1.1.4)对单元直流电压信息进行编码，生产具有编码信息的三角载波信号；

1.1.5)将单元调制信号与三角载波信号进行比较，得到该单元的开关信号。

1.2)从单元控制器：

1.2.1)对采样板提供的网侧电流信号进行解码，得到直流电压排序值信息；

1.2.2)根据直流电压排序值对单元直流电压进行控制，得到功率给定值，以确定该单元需要注入、消耗或维持功率；

1.2.3)对单元直流电压等信息进行编码，生产具有编码信息的三角载波信号；

1.2.4)将单元调制信号与三角载波信号进行比较，得到该单元的开关信号。

相对于现有技术，本发明的有益效果有：

(1)整个控制器实现简便，仅由单元控制器和采样板构成，无需核心控制器部分

(2)单元控制器模块化程度高，扩展性较强，无需依赖核心控制器

(3)大大节约了控制器通讯部分成本，实现单元的自主控制

(4)电流耦合部分对功率部分影响较小，对装置输出性能影响较小

附图说明

图1为级联H桥变换器单相结构示意图；

图2为级联H桥变换器常用集中式控制结构示意图；

图3为级联H桥变换器常用控制器结构示意图；

图4为采用本发明方法时控制器结构示意图；

图5为采用本发明方法时系统控制框图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

图4所示为本发明所采用的控制器结构示意图，核心控制器由采样板所取代，采样板将网侧电压、网侧电流信号通过模拟信号的方式传输给各个功率单元，因此该控制器中无需光纤通讯，大大节约了硬件成本。单元控制器接受来自采样板的电压、电流信号，以及该单元本身的直流电压信号、故障检测信号等；该单元无需将这些信息发送给其他控制器。

图5所示为单元控制器中具体控制方法的流程图，由于模块信息通过网侧电流进行交互，因此单元控制器需首先对检测到的网侧电流量进行解码，通过快速傅里叶分解或者不同旋转坐标轴变换的方式提取基波电流和各次非基波电流值，这里，非基波电流值通常被称为谐波分量，而这里则为信息分量，不同的功率单元为不同的频率，通过检测该次电流的幅值得到特定单元的相关信息，比如说直流电压大小值。因此，通过电流解码，可以得到其他所有单元的直流电压信息，通过对比这些直流电压与本单元的直流电压，可以确定本单元电压的排序，以确定本单元是充电、放电或是短路状态。

由于级联单元的网侧只有一个公共电流，因此只需用一个电流控制环节，若出现多个电流环节将导致控制失效，因此单元控制器将分为主单元控制器和从单元控制器两种，主单元负责直接控制网侧电流，而从单元只需配合进行电压平衡控制。由图5可知，主单元控制器中含有电流控制环节，而从单元控制器中无此环节，直接根据解码得到的网侧电流大小、方向以及单元本身的直流电压排序值确定该单元的调制信号。无论是主单元还是从单元，都需生成调制信号，调制信 号与单元自身的载波信号对比后生成开关信号。

单元自身载波信号需具有载波频率独立性的特点，但同时又考虑到载波移相算法能够等效提供开关频率的优点，各单元的载波频率不宜毫无规律，通常各单元的载波信号取相同值，如1kHz，而各单元通过错时采样、错时下发或FPGA芯片进行移相等方式实现CPS-PWM算法，而本发明中，为了体现各单元信息的独立性并利于解码，需将各单元的频率设为不一致，并某一单元的频率不能为其他单元频率的乘积数或倍数，且应尽可能的满足抵消量最大的目的。如以0.2kHz为间隔进行取值，此时，各单元的载波频率为0.5kHz，0.7kHz，0.9kHz，1.1kHz，1.3kHz等。因此，对不同单元的直流电压值或其他信息以相应的载波值进行编码，通过该单元的功率器件进行放大后体现在网侧电流侧，使得各单元的直流电压实现的电耦合，各单元通过检测网侧电流能够实现对各单元直流电压值得实施检测，并用于该单元本身控制。

Claims (1)

1.一种基于电流耦合通讯方式的级联H桥变换器主从控制方法，其特征在于，控制器仅由单元控制器和采样板构成，无需核心控制器，其中，采样板采集网侧电压和电流值，并直接提供给单元控制器；所述单元控制器由主单元控制器和从单元控制器组成，其主从单元控制器的具体控制流程如下：

1.1)主单元控制器的控制流程：

1.1.1)对采样板提供的网侧电流信号进行解码，得到基波电流和直流电压排序值信息；

1.1.2)根据直流电压排序值对单元直流电压进行控制，得到功率给定值，以确定该单元需要注入、消耗或维持功率；

1.1.3)根据功率给定值、网侧电压信息和基波电流值进行直接电流控制，得到单元调制信号；

1.1.4)对单元直流电压信息进行编码，生成具有编码信息的三角载波信号；

1.1.5)将单元调制信号与三角载波信号进行比较，得到该单元的开关信号；

1.2)从单元控制器的控制流程：

1.2.1)对采样板提供的网侧电流信号进行解码，得到直流电压排序值信息；

1.2.2)根据直流电压排序值对单元直流电压进行控制，以确定该单元需要注入、消耗或维持功率，得到调制信号；

1.2.3)对单元直流电压等信息进行编码，生产具有编码信息的三角载波信号；

1.2.4)将单元调制信号与三角载波信号进行比较，得到该单元的开关信号。