CN105119314B - 一种用于功率单元直流电压平衡控制的动态切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明具体公开了一种用于功率单元直流电压平衡控制的动态切换方法，通过软件方法进行电压控制的基础之上，同时改变电压幅值及电压相角，各H桥单元在调制电压中叠加一个与电流方向一致的电压矢量来改变各H桥单元吸收或者释放的有功功率，从而保证在相同电压幅值的基础上，其调节结果为纯有功分量，保证系统的调节效果为最优；其次，根据系统输出电流的幅值和相位信息，动态改变电压指令，使得各单元电压控制性能良好。

Description

一种用于功率单元直流电压平衡控制的动态切换方法
技术领域
本发明属于电力电子装置的控制技术领域，特别涉及一种用于功率单元直流电压平衡控制的动态切换方法。
背景技术
级联式变换器由于其结构简单、模块化，在大功率、中高压驱动系统中已得到广泛应用。近年来，随着风力发电等可再生能源发电系统的并网容量日益增加，需要在这些系统的并网处安装能够进行有功以及无功功率调节的电力电子装置来解决其并网带来的电能质量问题。因此，把级联式变换器拓扑应用于高压、大容量功率调节系统的研究也日益广泛。
但是，由于级联式变换器各H桥单元直流侧电容值以及并联损耗不一致，在工作时会导致级联式功率调节装置各直流侧电压不平衡，为了保证各H桥单元直流电压平衡，因此需要改变各H桥单元的输入/出有功功率。改变各单元的输入/出有功功率有两种方式，一种是硬件方法，即通过在功率单元直流母线上并联均压电阻，通过反馈控制算法对电阻进行切换，从而保证功率单元直流电压的平衡。另外一种方法是软件方法，软件方法是通过改变各功率单元输出电压的大小来实现输入有功功率的变化从而实现功率单元直流电压的平衡。改变电压有两种控制方法：1）只改变幅值，相角不变；2）只改变相角，幅值不变；方法一通过改变幅值可以改变输出电压的大小，从而改变单元的输入/出有功功率，方法二通过改变相角可以改变输出电压与电流的夹角，从而改变单元的输入/出有功功率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种用于功率单元直流电压平衡控制的动态切换方法，通过同时改变电压幅值及电压相角优化系统调节效果。
为解决上述技术问题，本发明技术方案如下：
一种用于功率单元直流电压平衡控制的动态切换方法，该方法包括以下各步骤：
a）通过电压传感器，获取级联式功率调节装置每个H桥单元的直流侧电压，记为：，其中，表示每一相的级联数；
b）根据上述直流侧电压，利用滤波公式，滤除直流侧电压中的纹波，得到滤除纹波以后的直流侧电压，其中，为电源电压的电角度；
c）利用公式，求出三相直流侧电压；
d）根据上述三相的直流侧电压，利用公式，得到三相直流侧电压的平均值；
e）根据上述平均值，利用公式，得到各功率单元直流侧电压与平均值的差值；
f）通过电流传感器，分别获取级联式功率调节装置的三相输出电流，并通过3S/2R坐标变换公式得到电流在d轴与q轴的分量和；
g）根据上述d轴与q轴的分量和，利用公式，得到电流角度；
h）通过电压传感器，分别获取级联式功率调节装置与电网连接点的三相电网电压，利用数字锁相环计算出电源电压的电角度；
i）根据上述得到的各功率单元直流电压差值、电流角度以及电源电压的电角度，利用公式，得到所需的各功率单元调制电压差值，其中为比例调节系数；将功率单元调制电压差值注入到由级联式功率调节装置的有功和无功解耦控制输出的正序调制电压中，实现对各功率单元直流电压的平衡控制。
进一步的，在步骤i）中，要根据如下条件进行切换：首先根据采样三相输出电流计算出电流有效值，如果三相电流大于系统额定输出电流的5%时，；如果三相输出电流小于系统额定输出电流的5%且大于0时，；如果三相电流小于系统额定输出电流的5%且小于0时，。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1）在系统做动态无功以及有功的调节过程中，叠加的电压指令角度是基于电流反馈的角度进行实时计算得到的，从而保证在相同电压幅值的基础上，其调节结果为纯有功分量，保证系统的调节效果为最优。
2）在系统做空载运行或者是小电流运行时，系统电压指令做动态切换，防止实际电流谐波造成反馈电流角度计算不准确引起电压指令突变的情况，从而引起单元直流母线电压控制不住的情况发生。
附图说明
图1为本发明的电路结构图。
图2为本发明中涉及级联式功率调节装置的总控制框图。
图3为本发明的流程框图。
图4为本发明中涉及级联式功率调节装置的单元直流电压控制框图。
图5为对图1所示的电路进行有功调节时，利用本发明得到的级联式功率调节装置单元直流侧电压的仿真曲线。
图6为对图1所示的电路进行无功调节时，利用本发明得到的级联式功率调节装置单元直流侧电压的仿真曲线。
图7为对图1所示的电路进行动态无功调节时，利用本发明平衡方法得到的链式功率调节装置单元直流侧电压的仿真曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的一种用于功率单元直流电压平衡控制的动态切换方法进一步描述。
如图1所示，本发明的电路结构图提供了一种用于中压电力系统混合功率调节的电能装置，它采用级联多个单相全桥逆变单元的方式实现中压并网，利用每个单元直流母线上的大电容对无功功率和瞬时变化的有功功率进行调节，利用每个单元直流母线上的电池组单元对缓慢变化的有功功率进行调节；将有功功率调节和无功功率调节的功能集于一身，具有较强的动态调节能力，运行中无谐波输出，并且无需并网变压器、占地面积小、维护简单。
本发明采用的调控方法是，在常规的软件方法的基础之上，同时改变电压幅值及电压相角。如图2本发明中涉及级联式功率调节装置的总控制框图所示，该单元直流电压平衡控制的思想是：在上层控制的基础上，各H桥单元在调制电压中叠加一个与电流方向一致的电压矢量来改变各H桥单元吸收或者释放的有功功率，从而保证直流侧电压的平衡。下面给出具体的控制方法：
以U相为例，设
（1）
其中，表示U相直流侧电压的平均值，表示U相第N个H桥单元的直流侧电压值。设，其中，表示比例调节系数，由，可得U相第N个H桥单元吸收或者释放的差值功率为
（2）
即：当第N个H桥单元直流侧电压值低于平均值时，H桥单元吸收有功功率；当第N个H桥单元直流侧电压值高于平均值时，H桥单元释放有功功率；从而保证一相中的N个H桥单元直流侧电压平衡。其次，由于，因此单元直流侧电压平衡控制不会影响总的功率控制和三相直流母线电压平衡控制，单元直流侧电压平衡控制框图如图4所示。
若不反馈电流角度，那么所加单元输出电压与电流总存在一个角度，此时U相第N个H桥单元吸收或者释放的差值功率为
（3）
由式2与3比较可知：，即通过反馈电流角度所传递的功率大于不反馈电流角度传递的功率。
当系统做无功调节时，容性无功调节指定上述角度为，感性无功调节指定上述角度为；当系统做有功调节时，系统存储有功指定上述角度为，释放有功指定上述角度为，以保证所加电压与电流同相位，从而使得所加差值功率为纯有功分量。
由于该系统要瞬时进行无功以及有功的调节，由于电流角度在瞬时变化，因此该角度要实时通过电流采样值进行实时计算，因此本专利的方法是通过反馈电流角度，来使得所加电压与电流同相位，从而使得所加差值功率为纯有功分量，但是，当电流比较小的时候，由于电流波形质量很差，使得所计算的电流角度不准确，如果还采用该角度来作为电压反馈指令的角度值时，则会使得指令电压发生突变，从而引起单元电压控制不住的现象，因此应该采用电压控制动态切换算法，即当反馈电流大于系统额定电流5%的情况下，则采用真实电流角度作为指令，如果反馈电流小于系统电流5%时，系统输出电流谐波将会较大，且本专利认为系统中的电流主要是有功电流，因此当反馈电流解耦后的有功分量Id大于0时，我们则认为反馈电流角度为0，如果当反馈电流解耦后的有功分量Id小于0时，我们则认为反馈电流角度为。
如图3、图4所示，本发明提供了一种用于功率单元直流电压平衡控制的动态切换方法，该方法包括以下各步骤：
a）通过电压传感器，获取级联式功率调节装置每个H桥单元的直流侧电压，记为：，其中，表示每一相的级联数；
b）根据上述直流侧电压，利用滤波公式，滤除直流侧电压中的纹波，得到滤除纹波以后的直流侧电压，其中，为电源电压的电角度；
c）利用公式，求出三相直流侧电压；
d）根据上述三相的直流侧电压，利用公式，得到三相直流侧电压的平均值；
e）根据上述平均值，利用公式，得到各功率单元直流侧电压与平均值的差值；
f）通过电流传感器，分别获取级联式功率调节装置的三相输出电流，并通过3S/2R坐标变换公式得到电流在d轴与q轴的分量和；
g）根据上述d轴与q轴的分量和，利用公式，得到电流角度；
h）通过电压传感器，分别获取级联式功率调节装置与电网连接点的三相电网电压，利用数字锁相环计算出电源电压的电角度；
i）根据上述得到的各功率单元直流电压差值、电流角度以及电源电压的电角度，利用公式，得到所需的各功率单元调制电压差值，其中为比例调节系数；将功率单元调制电压差值注入到由级联式功率调节装置的有功和无功解耦控制输出的正序调制电压中，实现对各功率单元直流电压的平衡控制。
在步骤i）中，要根据如下条件进行切换：首先根据采样三相输出电流计算出电流有效值，如果三相电流大于系统额定输出电流的5%时，；如果三相输出电流小于系统额定输出电流的5%且大于0时，；如果三相电流小于系统额定输出电流的5%且小于0时，。
以下是本发明方法的一个实施例：
下面以具体实施例说明本发明的一种用于功率单元直流电压平衡控制的动态切换方法，以图1所示的电路结构为例，电网与本装置的各项参数如下表所示：
1、 无功调节时的仿真波形
如图5所示，无功调节时，U相三个H桥单元的初始电压依次为128V,130V,132V，各自的并联电阻为8K,10K,12K。V相的三个H桥单元初始电压均为132V，并联电阻均为12K；W相的三个H桥单元初始电压均为128V，并联电阻均为8K。从仿真图中可以看出，在0.03S时通过加入三相直流侧电压平衡控制和单元直流侧电压平衡控制可以保证所有单元的直流侧电压平衡。
2、有功调节时的仿真波形
如图6所示，有功调节时，U相三个H桥单元的初始电压依次为128V,130V,132V，各自的并联电阻为8K,10K,12K。V相的三个H桥单元初始电压均为132V，并联电阻均为12K；W相的三个H桥单元初始电压均为128V，并联电阻均为8K。从仿真图中可以看出，在0.03S时通过加入三相直流侧电压平衡控制和单元直流侧电压平衡控制可以保证所有单元的直流侧电压平衡。
3、有功与无功同时调节时的仿真波形
如图7所示，U相三个H桥单元的初始电压依次为128V,130V,132V，各自的并联电阻为8K,10K,12K。V相的三个H桥单元初始电压均为132V，并联电阻均为12K；W相的三个H桥单元初始电压均为128V，并联电阻均为8K。图7(a)中粉红线表示的是有功功率指令，黄线表示的是无功功率指令。从仿真图中可以看出，在0.03S时通过加入三相直流侧电压平衡控制和单元直流侧电压平衡控制后可以保证所有单元的直流侧电压平衡。
对于具体实施方式的理解的描述仅仅是为帮助理解本发明，而不是用来限制本发明的。本领域技术人员均可以利用本发明的思想进行一些改动和变化，只要其技术手段没有脱离本发明的思想和要点，仍然在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于功率单元直流电压平衡控制的动态切换方法，其特征在于该方法包括以下各步骤：
a)通过电压传感器，获取级联式功率调节装置每个H桥单元的直流侧电压，记为：Vdul..Vdun，Vdvl..Vdvn，Vdwl..Vdwn，其中，n表示每一相的级联数；
b)根据上述直流侧电压，利用滤波公式，滤除直流侧电压中2ω的纹波，得到滤除纹波以后的直流侧电压其中，ω为电源电压的电角度；
c)利用公式求出三相直流侧电压
d)根据上述三相的直流侧电压利用公式得到三相直流侧电压的平均值Vd；
e)根据上述平均值Vd，利用公式得到各功率单元直流侧电压与平均值的差值ΔVdln，ΔVdvn，ΔVdwn；
f)通过电流传感器，分别获取级联式功率调节装置的三相输出电流iu，iv，iw，并通过3S/2R坐标变换公式得到电流在d轴与q轴的分量id和iq；
g)根据上述d轴与q轴的分量id和iq，利用公式γ＝arctaniq/id，得到电网电压usu，usv，usw，利用数字锁相环计算出电源电压的电角度ωt；
i)根据上述得到的各功率单元直流电压差值、电流角度γ以及电源电压的电角度ωt，利用公式得到所需的各功率单元调制电压差值，其中K4为比例调节系数；将功率单元调制电压差值注入到由级联式功率调节装置的有功和无功解耦控制输出的正序调制电压中，实现对各功率单元直流电压的平衡控制：
在步骤i)中，γ要根据如下条件进行切换：首先限据采样三相输出电流iu，iv，iw计算出电流有效值Iu，Iv，Iw，如果三相电流Iu，Iv，Iw大于系统额定输出电流的5％时，γ＝arctaniq/id；如果三相输出电流Iu，Iv，Iw小于系统额定输出电流的5％且id大于0时，γ＝0；如果三相电流Iu，Iv，Iw小于系统额定输出电流的5％且id小于0时，γ＝π。
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