CN104935175A - 隔离型模块化多电平直流变换器的改进两电平调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种隔离型模块化多电平直流变换器的改进两电平调制方法，该方法通过改变半个开关周期内较小一段时间内的桥臂输出，以变压器一侧整体能量均衡环路的输出判定改进时间的长短，输出的正负决定该时间段内桥臂输出变化，通过比较直流母线电压与改进后该相上下桥臂输出电压之和，使该相直流电流形成上升、不变、下降的周期性变换趋势，由于该改进时间极短，故电流上升和下降变化很小，整体基本保持不变，从而达到抑制直流电流波动的目的。

Description

隔离型模块化多电平直流变换器的改进两电平调制方法

技术领域

本发明涉及电气自动化设备技术领域，具体地，涉及隔离型模块化多电平直流变换器的改进两电平调制方法。

背景技术

随着交流电网规模的扩大，其安全稳定性问题日益突出，且对于分布式能源的分散性和不稳定特点，直流电网模式可以有效地解决这些问题。

模块化多电平电路由于输出电压等级较高，且可扩展性和冗余控制容量大，广泛的应用于直流配电网中。能量双向流动直流变换器是直流配电网中的重要组成部分，双有源桥电路作为一种典型的双向隔离型直流变换器，与模块化多电平电路相结合构成隔离型模块化多电平直流变换器，每个桥臂由n个功率单元串联一个桥臂电感组成，功率单元的直流侧接模块电容。

然而，由于桥臂电感和模块电容的存在，容易引起直流回路中直流电流的波动，为了优化直流电流性能，减小功率单元直流侧电容电压的波动，需要采取相应的硬件或软件方面的措施来抑制振荡。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是为隔离型模块化多电平直流变换器提供一种改进两电平调制策略，通过采取相应的控制，减少了直流回路中直流电流的波动，优化了电流特性，减小功率单元电容电压的波动，有利于系统的稳定运行。

本发明提供一种隔离型模块化多电平直流变换器的改进两电平调制方法，该方法通过改变半个开关周期内较小一段时间内的桥臂输出，以变压器一侧整体能量均衡环路的输出判定改进时间的长短，输出的正负决定该时间段内桥臂输出变化，通过比较直流母线电压与改进后该相上下桥臂输出电压之和，使该相直流电流形成上升、不变、下降的周期性变换趋势，由于该改进时间极短，故电流上升和下降变化很小，整体基本保持不变，达到抑制直流电流波动的目的，从而进一步减小了隔离型模块化多电平直流变换器子模块功率单元直流侧电容电压和变压器侧交流电流的波动。

优选的，所述隔离型模块化多电平直流变换器中，一方面由于隔离变压器的存在，变压器原副边可以单独考虑，且分析方法类似，另一方面将该拓扑中的交流环路与直流环路解耦分析，本发明旨在解决直流回路中直流电流的波动。就原边而言，将变压器原边全部功率单元的直流侧电容电压的平均值其中v_cpij为原边桥臂i的第j个模块的直流侧电容电压，n为每个桥臂包含模块数，与单个功率单元模块直流侧额定电容电压相比较，经过PI调节器校正后作为输入直流电流i_dc1的给定信号i_dc1*，该给定信号i_dc1*与实际信号i_dc1比较经调节器校正后输出信号d_p，记D_p＝|d_p|，D_p为桥臂输出电压校正占空比，根据d_p的正负决定在((1-D_P)T_S～T_S)时间段内所有桥臂输出，其中Ts为半个开关周期，D_p为校正占空比。

优选的，每半个开关周期内，在(0～(1-D_P)T_S)时间内，所有桥臂输出为额定输出，在((1-D_P)T_S～T_S)时间内，所有桥臂输出为校正后的输出。

优选的，所述隔离型模块化多电平直流变换器包括输入侧直流母线电压V_dc1、变压器原边四个桥臂armp1、armp2、armp3、armp4，每个桥臂由n个串联子模块和一个电感构成，输入侧直流母线电压V_dc1、两个桥臂armp1与armp2构成变压器原边第一个直流回路，其直流电流为i_zu；输入侧直流母线电压V_dc1、另外两个桥臂armp3与armp4构成变压器原边第二个直流回路，其直流电流为i_zv；变压器副边电路结构与原边相同，输出直流端接负载；所述隔离型模块化多电平直流变换器的各个子模块采用半桥或全桥结构，子模块的直流侧接直流母线电容。+

优选的，所述隔离型模块化多电平直流变换器的电路拓扑为单相结构或三相结构，所述三相结构是指变压器原副边分别由六个桥臂构成，中间通过一个三相隔离型变压器连接，所述的隔离型模块化多电平直流变换器的改进两电平调制对于由隔离型模块化多电平直流变换器所扩展到的全部单相和三相电路同样适用，即所述的隔离型模块化多电平直流变换器的改进两电平调制适用于原副边分别至少包含四个桥臂的隔离型模块化多电平直流变换器。

本发明的一种隔离型模块化多电平直流变换器的改进两电平调制方法，通过采用改进桥臂输出的方法既减小了电路中直流电流分量和模块电容电压的波动，有利于系统的稳定运行；同时，保证交流侧为两电平方波，使单移相控制仍然可以用于该电路。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明的隔离型模块化多电平直流变换器的改进两电平调制，能够减小直流电流和模块电容电压的波动，提高了系统的稳态性能；同时由于高频隔离变压器的存在，本发明为针对直流电流的波动问题的一种解决方案，故原副边可以单独考虑，互不影响。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的隔离型模块化多电平直流变换器拓扑；

图2本发明的传统两电平调制原理；

图3本发明的改进两电平调制原理；

图4本发明的改进两电平调制策略的流程图；

图5本发明的改进前与改进后直流电流的MATLAB仿真效果。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种隔离型模块化多电平直流变换器的改进两电平调制方法，所述调制方法在传统的隔离型模块化多电平直流变换器单移相调制的基础上，将所述隔离型模块化多电平直流变换器每个子模块串联桥臂作为一个整体，在半个开关周期内，同时改变变压器一侧所有桥臂在一小段时间((1-D_P)T_S～T_S)内的输出，通过比较直流母线电压V_dc1与改进后该相上下桥臂输出电压之和，使该相直流电流形成上升、不变、下降的周期性变换趋势，其中Ts为半个开关周期，D_p为校正占空比。

如图1所示，为本发明一实施例的隔离型模块化多电平直流变换器的电路拓扑，它由原副边两个单相模块化多电平电路通过一个高频隔离变压器采用背靠背结构组成，每个桥臂由n个H桥串联一个桥臂电感组成，原边桥臂i的第j个模块单元的直流电容电压记为v_cpij。原副边共8个桥臂，上下两个桥臂构成一相，即原副边共四相，分别记为u、v、a、b相。根据模块化多电平电路的对称性结构，变压器同侧的桥臂电感值相等。该电路拓扑变压器两侧各包含两个交流环和两个直流环，交流环路由交流电压与两个桥臂构成，直流环由直流电压源与两个桥臂构成，每个桥臂既构成交流环同时构成直流环。V_dc1为输入直流母线电压，V_dc2为输出电压，i_zu、i_zv、i_za、i_zb分别为四相桥臂直流电流分量，i_dc1和i_dc2分别为输入、输出直流电流，变压器侧原副边电压分别为v_ac1、v_ac2。该拓扑的两电平调制原理类似于传统的双有源桥电路的单移相控制，如图2所示，vac1、v_ac2为高频交流方波，θ为vac1与v_ac2之间的相角差，通过调节θ可以改进输出功率的幅值和传输方向。

对于图1拓扑而言，将每个桥臂看做一个整体，则忽略桥臂电感压降，以原边为例，在半个开关周期内，四个桥臂的输出电压认为保持不变。为简化，各电压量均以模块电容电压的整数倍表示。由于原副边分析方法类似，且可以单独考虑，以下分析均以原边为例，在v_ac1正半周，各个桥臂输出电平数为V_armp1～V_armp4，各桥臂输出电平数范围为(-n，n)，原边v_ac1输出范围为(-2n，2n)。根据V_dc1、v_ac1的幅值V_ac1，在v_ac1正半周原边各桥臂输出电平满足下式：

V_dc1＝V_armp1+V_armp2

V_dc1＝V_armp3+V_armp4

V_ac1＝V_armp3-V_armp1  (1)

V_ac1＝V_armp2-V_armp4

解上述方程组得出各桥臂通解为：

V_armp1＝V_dc1-V_ac1-a

V_armp2＝V_ac1+a  (2)

V_armp3＝V_dc1-a

V_armp4＝a

式(2)中V_armp1～V_armp4为v_ac1正半周各个桥臂输出电平数，V_dc1为输入直流母线电压，V_ac1为v_ac1的幅值，a为式(1)通解的中间变量。

为了使交流侧输出方波，则同相桥臂在一个开关周期内桥臂输出应互换，即前半开关周期

v_armp1＝V_armp1,v_armp2＝V_armp2,v_armp3＝V_armp3,v_armp4＝V_armp4

后半开关周期

v_armp1＝V_armp2,v_armp2＝V_armp1,v_armp3＝V_armp4,v_armp4＝V_armp3

式(1)与式(2)为本实施例的改进两电平调制的基础。

如图3所示，为本实施例的改进两电平调制策略的原边交流方波生成原理，每半个开关周期内各个桥臂的输出不再保持不变，而是在((1-D_P)T_S～T_S)时间段内，桥臂输出大于或小于额定输出，即同相上下桥臂之和V_dc1’大于或小于直流母线电压V_dc1，当V_dc1’>V_dc1时，电流下降，当V_dc1’<V_dc1时电流上升，当V_dc1’＝V_dc1电流基本保持不变，u相直流电流如图3中的i_zu。由于该方法仍然保证交流侧为两电平方波，故整体移相策略不变。

如图4所示，为本实施例的流程图，首先根据输入直流母线电压与交流侧电压幅值求解方程组(1)，通解形式如式(2)，选取满足条件的一组解，作为桥臂的额定输出电平数。整体级能量环的输出d_p作为在((1-D_P)T_S～T_S)时间段内，桥臂输出变化的判定条件，当d_p>0时，D_p＝d_p，在该时间段内，v_armpi’＝V_armpi-1，V_dc1’<V_dc1，电流上升；当d_p<0时，D_p＝|d_p|，在该时间段内，v_armpi’＝V_armpi+1，V_dc1’>V_dc1，电流下降。由于D_PT_S时间很短暂，所以在该时间段内直流电流变化也很小，而在其余时间段内，电流基本保持不变，这样既减小了直流电流的波动，也保证了交流侧仍为两电平交流电压。

如图5所示，为本实施例的MATLAB仿真图，仿真参数如表1。

表1

图5中(a)为改进前原边u相直流电流i_zu、v相直流电流i_zv的仿真效果，电流存在较大的振荡，(b)为改进后的副边i_dc2、a相直流电流i_za、b相直流电流i_zb的仿真效果，对比发现隔离型模块化多电平直流变换器电路经过本发明的改进两电平调制可以显著抑制直流电流振荡，提高系统的稳定性能。

综上所述，本实施例提供了一种隔离型模块化多电平直流变换器的改进两电平调制策略，基于双有源桥的单移相调制的基础，将每个桥臂看做一个整体输出，通过改变半个周期内每个桥臂的输出，达到抑制每相直流电流波动的目的，并减小功率单元直流侧电容电压的波动。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种隔离型模块化多电平直流变换器的改进两电平调制方法，其特征在于，所述调制方法将所述隔离型模块化多电平直流变换器每个子模块串联桥臂作为一个整体，在半个开关周期内，同时改变变压器一侧所有桥臂在一小段时间((1-D_P)T_S～T_S)内的输出，通过比较直流母线电压V_dc1与改进后该相上下桥臂输出电压之和，使该相直流电流形成上升、不变、下降的周期性变换趋势，其中Ts为半个开关周期，D_p为校正占空比。

2.根据权利要求1所述的隔离型模块化多电平直流变换器的改进两电平调制方法，其特征在于，就变压器原边而言，将变压器原边全部功率单元的直流侧电容电压的平均值其中v_cpij为原边桥臂i的第j个模块的直流侧电容电压，n为每个桥臂包含模块数，与单个功率单元模块直流侧额定电容电压相比较，经过PI调节器校正后作为输入直流电流i_dc1的给定信号i_dc1*，该给定信号i_dc1*与实际信号i_dc1比较经调节器校正后输出信号d_p，记D_p＝|d_p|，D_p为桥臂输出电压校正占空比，根据d_p的正负决定在((1-D_P)T_S～T_S)时间段内所有桥臂输出，T_S为半个开关周期。

3.根据权利要求2所述的隔离型模块化多电平直流变换器的改进两电平调制方法，其特征在于，每半个开关周期内，在(0～(1-D_P)T_S)时间内，所有桥臂输出为额定输出，在((1-D_P)T_S～T_S)时间内，所有桥臂输出为校正后的输出。

4.根据权利要求1-3任一项所述的隔离型模块化多电平直流变换器的改进两电平调制方法，其特征在于：所述隔离型模块化多电平直流变换器包括输入侧直流母线电压V_dc1、变压器原边四个桥臂armp1、armp2、armp3、armp4，每个桥臂由n个串联子模块和一个电感构成，输入侧直流母线电压V_dc1、两个桥臂armp1与armp2构成变压器原边第一个直流回路，其直流电流为i_zu；输入侧直流母线电压V_dc1、另外两个桥臂armp3与armp4构成变压器原边第二个直流回路，其直流电流为i_zv；变压器副边电路结构与原边相同，输出直流端接负载；所述隔离型模块化多电平直流变换器的各个子模块采用半桥或全桥结构，子模块的直流侧接直流母线电容。

5.根据权利要求4所述的隔离型模块化多电平直流变换器的改进两电平调制方法，其特征在于：所述调制方法适用于原副边分别至少包含四个桥臂的隔离型模块化多电平直流变换器。