CN107888091A - 一种级联h桥整流直流电容电压平衡控制方法 - Google Patents

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李永艳
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Abstract

一种级联H桥整流直流电容电压平衡控制方法，涉及一种电网电压平衡控制方法，所述方法单相两H桥CHBR的主电路连接不同阻值的电阻等效后级输出功率的不同；当两级联H桥电容电压不等时，CHBR的安全工作区存在着两种可能性；CHBR稳定的工作在安全工作区中的任意工作点，超出安全工作区的范围CHBR将无法实现单位功率因数运行；CHBR电容电压的平衡过程是根据两H桥后级所需有功能量的不同对总输入有功能量重新分配的过程；因而对某一H桥吸收有功能量的调整，势必会造成另一H桥吸收有功能量相反方向的调整，根据直流侧电容电压的大小选择所需输出的电压相量，就可使电容电压最快速的达到平衡。本发明可以使负载突变后CHBR各级联H桥直流侧电容电压达到快速平衡，还可以使CHBR各级联H桥负载的不平衡程度达到最大限度地扩展。

Description

一种级联H桥整流直流电容电压平衡控制方法
技术领域
本发明涉及一种电网电压控制方法，特别是涉及一种级联H桥整流直流电容电压平衡控制方法。
背景技术
随着智能电网、分布式新能源发电以及中高压电气传动发展的需要，高电压、大功率与多功能的智能型电力电子变流装置在工业上受到越来越多的重视。传统的隔离型高压大功率变流器都需通过高压大功率的工频变压器来实现与交流电网的连接，这给变流器的效率、体积、重量和成本都带来了一系列的问题。近年来，一种新型的无工频变压器级联式三级变换的拓扑引起人们越来越多的关注，该结构采用中频或高频变压器配合级联H桥（CHBR）整流技术可使高压变流器摆脱工频变压器的限制，且这种结构使得变流器的控制也更加灵活，其单相的拓扑如图1 所示。
级联H桥整流级的实现是变流器无工频变压器化的基础，该拓扑的优越性在于，使得低耐压的功率半导体开关器件可应用于中高压的场合，通过调制手段可实现交流侧多电平阶梯波的输出，从而降低系统中的谐波，减少滤波电感的体积。整流级传递的主要为有功能量，各级联H桥直流侧的电容又独立悬浮，平衡各级联H桥直流侧电容电压成为保障变流器安全稳定运行需要解决的关键问题。由于图1中逆变级的影响，使得各级联H桥的输出功率可能产生差异，从而使得整流级各级联H桥直流侧电容电压不平衡问题更为突出。这种输出功率的差异可等效为CHBR各H桥直流侧所连接的不平衡负载，因此负载的不平衡程度应该是CHBR 所必须考虑的问题。
目前对CHBR直流侧电容电压的平衡控制方法，存在着处理运算量大，电容电压的恢复速度相对较慢，独立电压控制器的饱和器分析设计困难等诸多问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种级联H桥整流直流电容电压平衡控制方法，本发明在交换平衡方法的基础上，分析了单位功率因数下适合于CHBR的安全工作区，提出在此安全工作区内的一个优化的工作点，该工作点既能保障负载突变时，各H桥电容电压的迅速平衡，又能最大程度的扩展了各级联H桥负载不平衡的程度。在二维调制的基础上，提出了二维调制平面内的两条调制轨迹相互配合的调制方法，实现CHBR在该优化工作点的稳定运行。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种级联H桥整流直流电容电压平衡控制方法，所述方法包括以下过程：单相两H桥CHBR的主电路连接不同阻值的电阻等效后级输出功率的不同；当两级联H桥电容电压不等时，CHBR 的安全工作区存在着两种可能性；CHBR稳定的工作在安全工作区中的任意工作点，超出安全工作区的范围CHBR将无法实现单位功率因数运行；CHBR电容电压的平衡过程是根据两H桥后级所需有功能量的不同对总输入有功能量重新分配的过程；因而对某一H桥吸收有功能量的调整，势必会造成另一H桥吸收有功能量相反方向的调整；在安全工作区的范围内，当某桥的电容电压降低时，可以通过增减该桥交流侧输出电压的有效值或相位角，实现电容电压地调整，注入的有功能量越多，电容电压上升的越快；同理，调整电容电压较高H桥的输入功率，使其吸收的能量小于负载消耗的能量，从而实现电容电压的降低，该桥吸收的有功功率越少，电容电压下降的则越快；CHBR在单位功率因数运行下，根据安全工作区的变化选择A点或B点作为系统运行的优化工作点，根据直流侧电容电压的大小选择所需输出的电压相量，就可使电容电压最快速的达到平衡。
附图说明
图1 无工频变压器高压大功率变流器单相拓扑；
图2 单相两H桥级联拓扑；
图3CHBR的安全工作区与优化工作点；
图4ucon与is同向时二维调制轨迹的选择；
图5 ucon与is反向时二维调制轨迹的选择。
具体实施方式
下面结合说明书附图来对本发明的级联H桥整流直流侧电容电压快速平衡调制策略作进一步详细的说明。
单相两H桥CHBR的主电路结构如图2所示，通过连接不同阻值的电阻等效后级输出功率的不同。其中uao、ubo分别为H-Bridge1与H-Bridge2交流侧输出电压的基波分量，以下各量也均指基波分量：ucon为CHBR交流侧合成电压，udc1、udc2为两H桥直流侧的电容电压，us、is为电源电压和CHBR输入电感电流，uL为电感电压。工作在单位功率因数下的CHBR，交流侧各相量的关系
如图3所示。当两级联H桥电容电压不等时，CHBR 的安全工作区存在着两种可能性，表述为
图3a与3b中的阴影部分。CHBR可稳定的工作在安全工作区中的任意工作点，超出安全工作区的范围CHBR将无法实现单位功率因数运行。CHBR电容电压的平衡过程，是根据两H桥后级所需有功能量的不同对总输入有功能量重新分配的过程。因而对某一H桥吸收有功能量的调整，势必会造成另一H桥吸收有功能量相反方向的调整。在安全工作区的范围内，当某桥的电容电压降低时，可以通过增减该桥交流侧输出电压的有效值或相位角，实现电容电压地调整，注入的有功能量越多，电容电压上升的越快；同理，调整电容电压较高H桥的输入功率，使其吸收的能量小于负载消耗的能量，从而实现电容电压的降低，该桥吸收的有功功率越少，电容电压下降的则越快。
若假设图2中H-Bridge1的直流侧电容电压低于指令电压E，观察CHBR的安全工作区可以发现：当系统工作在图3a的A点或图3b的B点时，H-Bridge1吸收的有功功率达到了最大，相应的H-Bridge 2 吸收的有功功率最少。由此可知：CHBR在单位功率因数运行下，根据安全工作区的变化选择A点或B点作为系统运行的优化工作点，根据直流侧电容电压的大小选择所需输出的电压相量，就可使电容电压最快速的达到平衡。
实施例
选择图3中的A点或B点，既可实现工作在单位功率因数的CHBR直流侧电容电压最快速的平衡，同时也可最大限度扩展两级联H桥负载不平衡的程度。但该优化工作点是随着安全工作区的变化而变化的，并非固定的一点，因此传统的控制方法很难实现CHBR在该优化工作点上的运行。根据CHB的二维调制方法，所需合成ucon的变化选择二维调制平面中的调制轨迹可保障系统始终工作在安全工作区。但级联整流系统中所提出的调制轨迹仅能改变图3中相量uao、ubo的有效值大小，而不能改变两相量的方向，因此传统的二维调制方法也无法实现CHBR优化工作点的运行。
分析图3中优化工作点的效果：H-Bridge 1在每个开关周期吸收最多的有功能量，而H-Bridge 2吸收最少的有功能量。由于调制合成ucon时，H桥吸收或释放有功能量与电流的方向有关，因此必须考虑ucon与is的方向关系。以此为优化准则可得到二维调制区中的两条调制轨迹：当ucon与is同方向时，选择图4中粗线所示的调制轨迹。其各区间内能量吸收关系如下。
区间Ⅰ：[t1～t1+Ts]为此区间内的任意一开关周期，Ts为开关周期，由于Ts较小，可认为在Ts内直流侧电容电压为常值。该区间内，H-Bridge 1输出电压uao取到了最大值udc1，因此保障了该桥在此区间内最大程度的吸收有功能量，又由于CHBR需采用整体控制，使得某时刻其吸收的总有功能量一定，因此H-Bridge 2吸收的有功能量达到了最少，此时H-Bridge 2的电容能量一部分被后级负载消耗，另一部分向交流侧释放。
区间Ⅱ： [t2～t2+Ts]为此区间内的任意一开关周期。该区间内，H-Bridge 1输出的电压uao仍维持最大值udc1，以保障其最大程度的吸收有功能量以及H-Bridge 2吸收的能量最少。此时的H-Bridge 1已无法单独完成对ucon的调制，H-Bridge 2将吸收一部分有功能量完成对ucon的调制。区间Ⅲ与区间Ⅳ的能量吸收关系与区间Ⅰ、Ⅱ类似。
当ucon与is方向相反时，图4中的调制轨迹将会对两桥有功能量的吸收逻辑起到相反的作用。直流侧电容电压较低的H-Bridge 1吸收的有功能量最少，H-Bridge 2吸收的有功能量最大。因此需对该调制轨迹在此种情况下进行修正。以H-Bridge 2吸收的有功能量最少为指标选择图5中粗线所示的调制轨迹。其各区间内能量吸收状况与图4的分析类似，这里相应H-Bridge 1吸收的有功能量达到了最大。通过对以上两条调制轨迹的选择保障了H-Bridge 1每时每刻都能获得最多的有功能量，相应的H-Bridge 2吸收的有功能量最少。
由于实际系统中，udc1与udc2的大小并不确定，可通过两桥电容电压比较方式，交换两桥所需输出的电压波形，使CHBR直流侧电容电压较低桥的输出电压始终作为二维调制的横轴，而另一H-Bridge作为纵轴，以此来保证二维调制轨迹在图4和图5中的唯一性。

Claims (1)

1.一种级联H桥整流直流电容电压平衡控制方法，其特征在于，所述方法包括以下过程：单相两H桥CHBR的主电路连接不同阻值的电阻等效后级输出功率的不同；当两级联H桥电容电压不等时，CHBR 的安全工作区存在着两种可能性；CHBR稳定的工作在安全工作区中的任意工作点，超出安全工作区的范围CHBR将无法实现单位功率因数运行；CHBR电容电压的平衡过程是根据两H桥后级所需有功能量的不同对总输入有功能量重新分配的过程；因而对某一H桥吸收有功能量的调整，势必会造成另一H桥吸收有功能量相反方向的调整；在安全工作区的范围内，当某桥的电容电压降低时，可以通过增减该桥交流侧输出电压的有效值或相位角，实现电容电压地调整，注入的有功能量越多，电容电压上升的越快；同理，调整电容电压较高H桥的输入功率，使其吸收的能量小于负载消耗的能量，从而实现电容电压的降低，该桥吸收的有功功率越少，电容电压下降的则越快；CHBR在单位功率因数运行下，根据安全工作区的变化选择A点或B点作为系统运行的优化工作点，根据直流侧电容电压的大小选择所需输出的电压相量，就可使电容电压最快速的达到平衡。
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