CN103997241B - 一种基于h桥模块的多电平变换器电容电压均压方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于H桥模块的多电平变换器电容电压均压方法，包括以下步骤：检测所有H桥模块直流侧电容电压，存入数组u_dc[N]，利用排序算法对N个H桥模块电容电压从低到高排序，排序后与u_dc[N]对应模块的序号和当前周期的输出状态分别存入数组N_u[N]、M[N]中；选择满足输出增量要求的模块作为预测模块，根据电容电压状态方程，对下一控制周期电容电压进行预测，并建立指标函数，最终选择使电容电压平衡指标函数值最小的模块作为动作模块，在下一控制周期输出需要的电平。本发明能维持各模块直流侧电容电压的平衡，保证变换器正常稳定工作。

Description

一种基于H桥模块的多电平变换器电容电压均压方法

技术领域

本发明涉及一种基于H桥模块的多电平变换器电容电压均压方法。

背景技术

基于级联H桥的多电平变换器由于其输出电平多，谐波特性好，不经过变压器直接接入中高压电网等优点，广泛应用于中高压驱动，交交变频，新能源接入，电池储能、无功补偿等领域；其H桥模块直流侧多为电容，维持各H桥模块直流侧电容电压平衡是控制的关键；目前基于H桥模块的多电平变换器的电容电压平衡控制多基于载波移相调制技术，在调制波中直接叠加一个用于调节模块直流侧电压的有功分量，但此方法的调节范围有限，且对控制参数要求高；基于电压排序的平衡控制方法多应用于半桥结构的多电平变换器，由于半桥结构的模块输出只有两个状态：{1,0}，选择开关动作模块简单，但H桥结构的模块输出有三个状态：{1,0,-1}；其状态选择较复杂，若只将其分成两个状态，按照排序法选择开关动作模块并没有考虑模块电容电压的变化趋势，其结果不一定是最优解。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于H桥模块的多电平变换器电容电压均压方法，实现各H桥模块电容电压的平衡控制，维持变换器正常工作。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于H桥模块的多电平变换器电容电压均压方法，包括以下步骤：

1)检测N个H桥模块直流侧电容电压的瞬时值，存入数组u_dc[N]，N个H桥模块的序号和当前控制周期的输出状态分别存入数组N_u[N]、M[N]；对u_dc[N]中的元素进行由小到大排序，使得同H桥模块的序号、输出状态、电容电压瞬时值依次对应；

2)采用闭环控制方法计算出下一控制周期多电平变换器输出状态需要的状态增量；

3)根据上述步骤2)得到的状态增量和多电平变换器并网电流极性选择满足输出增量要求的H桥模块作为预测模块；

4)建立电容电压平衡指标函数，根据电容电压状态方程预测下一周期各H桥模块电容电压值，并计算所述平衡指标函数；

5)选择使电容电压平衡指标函数值最小的H桥模块作为动作模块，在下一控制周期输出需要的电平。

所述步骤1)中，第i个H桥模块当前控制周期的输出状态H_i的计算公式如下：

H_i＝M_2i-1-M_2i；

其中，M_2i-1为第i个H桥模块左桥臂开关状态；M_2i为第i个H桥模块右桥臂开关状态。

所述步骤2)中，下一控制周期多电平变换器输出状态需要的状态增量△Q计算公式如下：

$\mathrm{\&Delta;Q}=\left\{\begin{array}{cc}1& Q(k+1)>Q\left(k\right)\\ 0& Q(k+1)=Q\left(k\right)\\ -1& Q(k+1)<Q\left(k\right)\end{array}\right.;$

其中，Q(k+1)为下一控制周期多电平变换器所需输出状态；Q(k)为当前控制周期多电平变换器输出状态。

所述步骤3)中，预测模块的选择过程如下：如果状态增量为1：若电流的方向是对H桥模块电容进行充电的方向，则选择电容电压值最低且输出状态分别为“-1”和“0”的H桥模块作为预测模块；若电流的方向是对H桥模块电容进行放电的方向，则选择电容电压值最高且输出状态分别为“-1”和“0”的H桥模块作为预测模块；如果状态增量为-1：若电流的方向是对H桥模块电容进行充电的方向，则选择电容电压值最高且输出状态分别为“1”和“0”的H桥模块作为预测模块；若电流的方向是对H桥模块电容进行放电的方向，则选择电容电压值最低且输出状态分别为“1”和“0”的H桥模块作为预测模块。

所述步骤4)中，电容电压平衡指标函数g的表达式为：

其中，V_dc为各H桥电容电压之和，v_dci(k+1)为下一控制周期第i个H桥模块电容电压预测值。

所述步骤4)中，电容电压状态方程表达式如下：

$b_{\mathrm{dci}}(k+1)=\frac{\mathrm{Ts}}{C}{H}_i{i}_s(k+1)+v_{\mathrm{dci}}\left(k\right);$

其中，Ts为控制周期；C为H桥模块电容容值；i_s(k+1)为下一控制周期多电平变换器的并网电流瞬时值；v_dci(k)为当前控制周期第i个H桥模块电容电压值。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明大大减少了直接模型预测控制的计算量，避免了直接排序选择开关动作模块不一定是最优解的缺点，结合排序算法与模型预测实现对电容电压平衡的优化控制和开关优化分配，维持各模块直流侧电容电压的平衡，保证变换器正常稳定工作。

附图说明

图1为单相十三电平级联H桥SVG主电路示意图；

图2为电容电压均压方法控制结构图；

图3为状态增量ΔQ＝1开关分配至动作模块流程图；

图4为状态增量ΔQ＝-1开关分配至动作模块流程图。

具体实施方式

如图1所示，6个H桥模块经级联再通过连接电抗器L与电网相连，构成十三电平级联SVG主电路。各H桥模块直流侧为电容，直流侧并联不同的电阻用于模拟个H桥的不同损耗。调节各H桥模块输出电压可控制SVG的并网电流。

图2为电容电压均压方法控制结构图；

检测基于级联H桥的多电平变换器的N个H桥直流侧电容电压得到瞬时值，存入数组u_dc[N]，N个H桥模型的序号和当前控制周期的输出状态分别存入数组N_u[N]、M[N]。采用排序算法对u_dc[N]进行由小到大排序，按u_dc[N]的排序交换方式同时也对N_u[N]、M[N]进行交换，使得同一H桥模块的序号、输出状态、电容电压值依次对应；根据状态增量和并网电流利用模型预测方法选择使模型预测指标函数值最小的模块最为开关动作模块。

图3为状态增量ΔQ＝1开关动作模块选择流程图。

当ΔQ＝1时，需要选择一个状态不为1的H桥投入，若i_s>0，由式(4)可知，输出状态为-1的H桥，若下一周期投入则其电压保持不变，不投入则电压持续下降；输出状态为0的H桥，若下一周期投入则其电压上升，不投入则电压保持不变；优先考虑电压低的H桥，依次从低到高对M[N]进行判定，求得处于“-1”和“0”状态且电容电压最低的两个模块序号分别为N₁和N₂；若i_s<0，对于输出状态为-1的H桥，若下一周期投入则其电压保持，不投入则电压持续上升；输出状态为0的H桥，若下一周期投入则其电压下降，不投入则电压保持。优先考虑电压高的H桥，依次从高到低对M[N]进行判定，求得处于“-1”和“0”状态且电容电压最高的两个模块序号分别记为N₁和N₂；根据式(3)和(4)分别求得N₁投入时的指标函数和N₂投入时的指标函数，最终选择使指标函数值最小的模块作为最终开关动作的模块。

图4为状态增量ΔQ＝-1开关动作模块选择流程图。

当ΔQ＝-1时，需要选择一个状态不为-1的H桥投入，若i_s>0，由式(4)可知，输出状态为1的H桥，若下一周期投入则其电压保持不变，不投入则电压持续上升；输出状态为0的H桥，若下一周期投入则其电压上升，不投入则电压保持不变；优先考虑电压高的H桥，依次从高到低对M[N]进行判定，求得处于“1”和“0”状态且电容电压最高的两个模块序号分别为N₁和N₂；若i_s<0，对于输出状态为1的H桥，若下一周期投入则其电压保持，不投入则电压持续下降；输出状态为0的H桥，若下一周期投入则其电压上升，不投入则电压保持。优先考虑电压低的H桥，依次从低到高对M[N]进行判定，求得处于“1”和“0”状态且电容电压最高的两个模块序号分别记为N₁和N₂；根据式(3)和(4)分别求得N₁投入时的指标函数和N₂投入时的指标函数，最终选择使指标函数值最小的模块作为最终开关动作的模块。

Claims (2)

1.一种基于H桥模块的多电平变换器电容电压均压方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)检测N个H桥模块直流侧电容电压的瞬时值，存入数组u_dc[N]，N个H桥模块的序号和当前控制周期的输出状态分别存入数组N_u[N]、M[N]；对u_dc[N]中的元素进行由小到大排序，使得同H桥模块的序号、输出状态、电容电压瞬时值依次对应；

2)采用闭环控制方法计算出下一控制周期多电平变换器输出状态需要的状态增量；

3)根据上述步骤2)得到的状态增量和多电平变换器并网电流极性选择满足输出增量要求的H桥模块作为预测模块；

4)建立电容电压平衡指标函数，根据电容电压状态方程预测下一周期各H桥模块电容电压值，并计算所述平衡指标函数；

5)选择使电容电压平衡指标函数值最小的H桥模块作为动作模块，在下一控制周期输出需要的电平；

所述步骤1)中，第i个H桥模块当前控制周期的输出状态H_i的计算公式如下：

H_i＝M_2i-1-M_2i；

其中，M_2i-1为第i个H桥模块左桥臂开关状态；M_2i为第i个H桥模块右桥臂开关状态；

所述步骤2)中，下一控制周期多电平变换器输出状态需要的状态增量ΔQ计算公式如下：

$\mathrm{\&Delta;}Q=\left\{\begin{array}{cc}1& Q(k+1)>Q\left(k\right)\\ 0& Q(k+1)=Q\left(k\right)\\ -1& Q(k+1)<Q\left(k\right)\end{array}\right.;$

其中，Q(k+1)为下一控制周期多电平变换器所需输出状态；Q(k)为当前控制周期多电平变换器输出状态；

所述步骤3)中，预测模块的选择过程如下：如果状态增量为1：若电流的方向是对H桥模块电容进行充电的方向，则选择电容电压值最低且输出状态分别为“-1”和“0”的H桥模块作为预测模块；若电流的方向是对H桥模块电容进行放电的方向，则选择电容电压值最高且输出状态分别为“-1”和“0”的H桥模块作为预测模块；如果状态增量为-1：若电流的方向是对H桥模块电容进行充电的方向，则选择电容电压值最高且输出状态分别为“1”和“0”的H桥模块作为预测模块；若电流的方向是对H桥模块电容进行放电的方向，则选择电容电压值最低且输出状态分别为“1”和“0”的H桥模块作为预测模块；

所述步骤4)中，电容电压平衡指标函数g的表达式为：

其中，V_dc为各H桥电容电压之和，v_dci(k+1)为下一控制周期第i个H桥模块电容电压预测值。

2.根据权利要求1所述的基于H桥模块的多电平变换器电容电压均压方法，其特征在于，所述步骤4)中，电容电压状态方程表达式如下：

$v_{dci}(k+1)=\frac{Ts}{C}{H}_i{i}_s(k+1)+v_{dci}\left(k\right);$

其中，Ts为控制周期；C为H桥模块电容容值；i_s(k+1)为下一控制周期多电平变换器的并网电流瞬时值；v_dci(k)为当前控制周期第i个H桥模块电容电压值。