CN104300818A - 三电平h桥变流器的直流电压平衡控制方法 - Google Patents

三电平h桥变流器的直流电压平衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三电平H桥变流器的直流电压平衡控制方法，采用以下的控制脉冲来实现直流上、下两个或两组电容上的直流电压的平衡：首先，将参考电压Uref与三角载波Tr1以及三角载波Tr2进行比较，根据比较结果生成左桥臂四个IGBT的脉冲信号：接着，将左桥臂的脉冲反向对称赋给右桥臂；根据上述步骤，使得单相三电平H桥交流逆变器的输出有三个电平：+2Udc，0，-2Udc，其中Udc为单个或单组电容上的电压。本发明能够去掉三电平H桥变流器中的单个或单组电容充放电的状态，使两个或两组电容保持同充同放或同时不工作，从根源上避免了电容电压不平衡。

Description

三电平H桥变流器的直流电压平衡控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统柔性输配电和电力电子技术邻域，更具体地说，是涉及一种三电平H桥变流器的直流电压平衡控制方法。
背景技术
近年来，多电平变流器由于输出电压高和谐波小等特点，在高压大功率应用较为广泛。以级联H桥型多电平变换器为例，可采用模块化的结构设计，易于电压等级应用扩展、便于引入冗余控制，可靠性较高，在实际工业应用中较多，简称为链式设备。
目前链式设备一般采用两电平H桥模块级联。以接入35kV电压等级的链式静止无功补偿器为例，H桥模块中的功率开关器件若选用1700V耐压等级的IGBT，与选用3300V的IGBT相比在成本上更有优势，此时该装置每相需要42个H桥模块级联。随着接入点电压的升高，链式设备每相H桥级联的个数也线性增加，增加了控制系统的复杂程度，降低了设备运行可靠性，增加了设备成本及占地面积。若采用三电平H桥模块替代两电平H桥模块，则可以将级联的H桥模块数量减少一倍，但三电平H桥模块的直流电容电压平衡是需要解决的一个关键问题。
中国专利文献号200610109296.6中公开了一种“三电平变流器直流电压控制方法”，该方法通过实时测量变流器的电压和电流以及上下直流电容电压信号，得出功率方向，生成脉冲调整信号，通过交换脉冲的方式影响直流电容充放电过程，从而实现直流电压平衡。实现该控制方法所需要的采集量较多，控制算法复杂，尤其是对于多H桥级联的链式设备，增加了控制算法和控制系统的设计难度，而且该方法采用门限启动的方式，需要频繁调整，因此给直流电容电压带来了较大的纹波，限制了三电平H桥在链式设备中的应用。
发明内容
针对现有技术中存在的“在使用三电平H桥逆变器级联的链式设备中，直流电压平衡需要的采集量较多，控制算法复杂等因素的影响，导致给直流电容电压带来了较大的纹波的问题”，本发明的目的是提供一种三电平H桥变流器的直流电压平衡控制方法。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种三电平H桥变流器的直流电压平衡控制方法，
采用以下的控制脉冲来实现直流上、下两个或两组电容上的直流电压的平衡：
A.将参考电压Uref与三角载波Tr1以及三角载波Tr2进行比较，根据比较结果生成左桥臂四个IGBT的脉冲信号：
B.将左桥臂的脉冲反向对称赋给右桥臂；
C.根据上述步骤，使得单相三电平H桥交流逆变器的输出有三个电平：+2Udc，0，-2Udc，其中Udc为单个或单组电容上的电压。
所述步骤A的具体步骤为：
1)若参考电压Uref大于三角载波Tr1，则左桥臂自上而下四个IGBT依次的脉冲信号为：导通、导通、关断、关断；
2)若参考电压Uref小于三角载波Tr2，则左桥臂自上而下四个IGBT依次的脉冲信号为：关断、关断、导通、导通；
除以上两种情况以外，左桥臂自上而下四个IGBT依次的脉冲信号为：关断、导通、导通、关断。
与现有技术相比，采用本发明的一种三电平H桥变流器的直流电压平衡控制方法，能够在使用三电平H桥逆变器级联的链式设备如：静止无功补偿器(SVG)、有源滤波器(APF)、功率变换器(PCS)、统一电能质量控制器(UPQC)、高压变频器、直流输电设备等中，去掉三电平H桥变流器中的单个或单组电容充放电的状态，使两个或两组电容保持同充同放或同时不工作，从根源上避免了电容电压不平衡。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是本发明的实施例的三电平H桥结构示意图；
图3是本发明的实施例的三种状态的换流过程成示意图；
图4是现有技术中的直流电压波形图；
图5是本发明的实施例的直流电压波形图；
图6本发明的实施例中的参考电压Uref与三角载波Tr1以及三角载波Tr2的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
请参阅图1所示的一种三电平H桥变流器的直流电压平衡控制方法，采用以下的控制脉冲来实现直流上、下两个或两组电容上的直流电压的平衡：
A.控制器将参考电压Uref与三角载波Tr1以及三角载波Tr2进行比较，根据比较结果生成左桥臂四个IGBT的脉冲信号：
B.将左桥臂的脉冲反向对称赋给右桥臂；
C.根据上述步骤，使得单相三电平H桥交流逆变器的输出有三个电平：+2Udc，0，-2Udc，其中Udc为单个或单组电容上的电压。
所述步骤A的具体步骤为：
1)若参考电压Uref大于三角载波Tr1，则左桥臂自上而下四个IGBT依次的脉冲信号为：导通、导通、关断、关断；
2)若参考电压Uref小于三角载波Tr2，则左桥臂自上而下四个IGBT依次的脉冲信号为：关断、关断、导通、导通；
除以上两种情况以外，左桥臂自上而下四个IGBT依次的脉冲信号为：关断、导通、导通、关断。
实施例
图2所示为I型三电平全桥结构电路原理图，如图所示虚线框部分为8个IGBT，采用4个半桥封装的IGBT模块，即左桥臂中的第一IGBTT1、第二IGBTT2构成一个半桥封装的IGBT模块，左桥臂中的第三IGBTT3、第四IGBTT4构成另一个半桥封装的IGBT模块；右桥臂中的第五IGBTT5、第六IGBTT6构成一个半桥封装的IGBT模块，右桥臂中的第七IGBTT7、第八IGBTT8构成另一个半桥封装的IGBT模块；每个IGBT还设有与其反并联的续流二极管。另外，中间两个需线框部分为4个钳位二极管D1、D2、D3、D4，钳位二极管与续流二极管型号相同。
参见图6所示，本实施例的采用的三电平H桥模块的直流电压平衡控制方法，实施步骤如下：
(1)将参考电压Uref和载波Tr1和Tr2进行比较，生成左桥臂四个IGBT的脉冲信号：
1)若参考电压Uref大于三角载波Tr1，则左桥臂自上而下四个IGBT依次的脉冲信号为：导通、导通、关断、关断；该脉冲信号可以表示为1100；
2)若参考电压Uref小于三角载波Tr2，则左桥臂自上而下四个IGBT依次的脉冲信号为：关断、关断、导通、导通；该脉冲信号可以表示为0011；
3)除以上两种情况以外，左桥臂自上而下四个IGBT依次的脉冲信号为：关断、导通、导通、关断；该脉冲信号可以表示为0110；
(2)将左桥臂的脉冲反向对称赋给右桥臂：即第八IGBT的脉冲信号与第一IGBT的脉冲信号一致；第七IGBT的脉冲信号与第二IGBT的脉冲信号一致；第六IGBT的脉冲信号与第三IGBT的脉冲信号一致；第五IGBT的脉冲信号与第四IGBT的脉冲信号一致；
根据步骤(1)-(2)，单相三电平H桥的“左桥臂-右桥臂”驱动脉冲有三个状态：1100-0011、0110-0110、0011-1100，这三个状态对应的交流逆变器的输出有三个电平：+2Udc、0、-2Udc，其中Udc为单个(组)电容上的电压。
图3所示为三电平H桥逆变器三种驱动脉冲时的换流回路。如图所示，当驱动脉冲为“1100-0011”时，无论电流是流入逆变桥还是流出逆变，电容C1、C2工作状态保持一致同充、同放；当驱动脉冲为“0011-1100”时，C1、C2工作状态也保持一致；当驱动脉冲为“0110-0110”时电路处于续流状态，电流流向由前一个状态决定，此时电流不经过C1、C2。不难看出采用本发明方法后，直流电容C1、C2工作状态始终保持完全一致，同充同放或同时不工作，从根源上避免了直流电容电压出现不平衡。这即是本发明的创新点。
在PSCAD/EMTDC中构建6.67kV/3.3Mvar的三电平链式STATCOM整机模型，每相采用4个三电平H桥模块串联。图4所示为不对直流电压控制时直流电压波形，由图可知，在不对链节内直流电压进行控制时，模块内上下电容的直流电压会随时间呈发散趋势。图5所示为采用本发明控制方法后直流电压波形，使用该方法后上下电容电压波形很好地重合在一起，不存在偏差，说明两个电容的直流电压一致性非常好。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (2)

1.一种三电平H桥变流器的直流电压平衡控制方法，其特征在于，
采用以下的控制脉冲来实现直流上、下两个或两组电容上的直流电压的平衡：
A.将参考电压Uref与三角载波Tr1以及三角载波Tr2进行比较，根据比较结果生成左桥臂四个IGBT的脉冲信号：
B.将左桥臂的脉冲反向对称赋给右桥臂；
C.根据上述步骤，使得单相三电平H桥交流逆变器的输出有三个电平：+2Udc，0，-2Udc，其中Udc为单个或单组电容上的电压。
2.根据权利要求1所述的直流电压平衡控制方法，其特征在于，
所述步骤A进一步包括以下步骤为：
1)若参考电压Uref大于三角载波Tr1，则左桥臂自上而下四个IGBT依次的脉冲信号为：导通、导通、关断、关断；
2)若参考电压Uref小于三角载波Tr2，则左桥臂自上而下四个IGBT依次的脉冲信号为：关断、关断、导通、导通；
除以上两种情况以外，左桥臂自上而下四个IGBT依次的脉冲信号为：关断、导通、导通、关断。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109466735A (zh) * 2018-10-09 2019-03-15 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七二研究所） 一种永磁电机推进系统
CN110176869A (zh) * 2019-07-07 2019-08-27 达微智能科技(厦门)有限公司 一种混合箝位型三电平h桥逆变器的驱动信号时序方法
CN115328236A (zh) * 2022-08-10 2022-11-11 上海交通大学 级联型储能变流器子模块电容器热平衡控制方法及系统

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