CN109194173B - 单相级联h桥多电平变流器的负载平衡范围优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相级联H桥多电平变流器的负载平衡范围优化方法，该方法通过变流器输入与输出功率守恒的关系，定量推导出了级联H桥变流器的负载平衡范围，分析了变流器交流侧电流与电压相对于电源电压的相角差对变流器平衡范围的影响。在所推导的平衡范围的基础上，提出了扩大级联H桥多电平变流器负载平衡范围的方法，并为变流器参数的设计提供了参考。本发明基于经典PI电压平衡控制的单相级联H桥多电平变流器的负载平衡范围优化方法，能够定量计算级联H桥多电平变流器直流侧负载的平衡限制范围，在此基础上，能够扩大平衡限制范围，并对系统参数的设计提供参考。

Description

单相级联H桥多电平变流器的负载平衡范围优化方法

技术领域

本发明涉及变流器控制与调制技术领域，具体为一种基于经典PI电压平衡控制的单相级联H桥多电平变流器的负载平衡范围优化方法。

背景技术

级联多电平变换器具有结构简单，模块化程度高、易于多级拓展和体积小等优点。现在已广泛应用于有源滤波器、电力电子变压器等大容量、大功率的场合。但由于级联H桥整流器的负载会受到后续电路的影响，造成各个级联单元的输出等效电阻不等。并且，直流侧负载的不平衡也将会引起直流侧电容电压的不等，从而造成半导体开关管的损坏，甚至是系统的失控；当负载不平衡度超过一定值会超出平衡控制的范围，会使得直流侧电容电压一直处于不平衡状态。因此，负载不平衡限制范围是系统稳定运行的重要指标，对于级联H桥整流器负载不平衡范围的研究，能为级联H桥整流器的整体系统参数设计提供理论指导。

级联H桥整流器直流侧电容电压平衡方法一直是该拓扑结构研究的重点问题。对于级联H桥整流器特性的研究大致可以分为两大类：直流侧电容电压快速平衡方法和级联整流器稳定运行限制范围。目前，国内外主要集中于直流侧电容电压的快速平衡方法方面，而对于级联H桥整流器的稳定运行限制范围研究相对较少，并且，主要是对于平衡范围的定性分析，无法直接给系统参数的设计提供参考。因此，级联H桥变流器直流负载平衡限制范围则需要更进一步的研究。

发明内容

本发明的目的在于针对级联H桥多电平变流器的直流侧负载不平衡而引起的直流侧电容电压不平衡的问题，提出了一种能够定量计算级联整流器稳定运行限制范围的方法，并基于此提出了扩大限制范围的方式，为系统参数的设计提供了参考。技术方案如下：

一种基于经典PI电压平衡控制的单相级联H桥多电平变流器的负载平衡范围优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：负载平衡限制范围的分析

交流电源电压u_s，交流侧电流i_s及每个H桥单元的调制信号u_abri，可以表示为：

其中，N为级联H桥单元的个数；U_m和I_m为电源电压u_s和交流侧电流i_s的峰值；m_i是第i个H桥的调制度(0<m_i<1)；m为变流器交流侧总电压的调制信号峰值(0<m<N)；α为变流器交流侧电压u_ab和电源电压u_s的相位差；θ为交流侧电流i_s和电源电压u_s的相位差。

每个H桥单元的交流侧电压u_abi可以表示为：

u_abi＝S_iU_dci (2)

式中，S_i为第i个H桥的开关函数；U_dci为第i个H桥的直流侧电压。

由(2)可以得出第i个H桥在一个基波周期内的输入功率为：

由于开关函数S_i是第i个H桥的PWM脉冲信号，在一个基波周期内，PWM脉冲信号的面积与其调制波u_abi相等，因此，第i个H桥在一个基波周期内输入的有功功率可以表示为：

第i个H桥输出的有功功率可以表示为：

忽略开关损耗时，根据N个H桥级联时的输入输出功率守恒定律.其输入输出功率的关系可以表示为：

P_in＝P_out-1+P_out-2+…+P_out-N (6)

联立(4)、(5)和(6)，则交流侧电流幅值I_m可以表示为：

由稳定运行时第1个H桥的输入输出功率守恒可得：

设U_dc*为直流侧电容电压的了参考值，且有U_dc1＝U_dc2＝…＝U_dcN＝U_dc*。联立(7)和(8)，则直流负载的关系可以表示为：

当第1个H桥的调制度m₁取最大值1时，则(9)可以表示为：

假设R₁为直流侧负载的最小值，则直流负载的平衡限制范围可以表示为：

由于R₁为直流侧负载的最小值，因此存在R₁/R_i≤1。则直流侧负载还存在以下关系：

联立(11)和(12)，则N个H桥级联的单相整流器负载平衡限制范围可以表示为：

对于N个H桥级联的整流器来说，任意2个直流侧负载都满足(13)的平衡限制范围，因此对于任意两个负载R₁和R₂的关系可以表示为：

(14)可以简写为：

由此，N个H桥级联的整流器直流侧负载平衡限制范围可以表示为：

步骤B：系统参数设计

由于(16)所表示的级联H桥变流器直流负载平衡限制范围的上下限也有上下限范围的限制，因此可得如下关系：

可得出U_dc*的取值范围为：

步骤C：负载平衡限制范围扩大

(1)优化平衡控制方式

当使用传统的经典PI平衡控制方式时，在一个基波周期内进行平衡控制的有效面积A_area1和无效面积A_area2可以表示为：

由此可以得知，当交流侧电压u_ab和交流电流i_s的相位差α增大时，有效面积会减小，无效面积增大。即相位差α会影响直流侧电容的充放电时间，从而影响其平衡效果。

为减小相位差α的影响，采用在原调制度的基础上叠加方波的方式，方波幅值与传统调制方式所叠加的正弦波的幅值相同。叠加的方波的方向由交流侧电流i_s决定，则避免了传统控制方式中叠加与交流侧电压相位相同的正弦波时存在相位差α影响直流侧电容充放电时间的情况。

(2)优化系统参数

由于在实际系统运行过程中，交流侧电流与电源电压的相位差θ很小，并且需要尽量控制整流器运行在单位功率因数的条件下。因此，对于N个H桥级联的整流器，当运行在单位功率因数时，其平衡限制范围中的参数cosα可以由以下方式获得：

设整流器的额定功率为P且单位功率因数运行。

则tanα可以表示为：

式中，U_L为电感电压u_L的有效值，U_N为电源电压u_s的有效值。

则参数cosα可以表示为：

将(21)带入平衡限制范围(16)，可得：

由(22)可明显看出，当减小系统功率P和增大直流侧电容参考电压U_dc ^*时，负载平衡限制范围均能增大。

因此，通过优化系统参数来扩大平衡限制范围的方法有2种：1)减小系统功率P；2)增大直流侧电容参考电压U_dc ^*。

本发明的有益效果是：本发明考虑到随着级联H桥多电平变流器的应用，直流侧电容电压容易出现的不平衡问题，提出基于经典PI电压平衡控制的单相级联H桥多电平变流器的负载平衡范围分析和扩大方法，能够定量计算级联H桥多电平变流器直流侧负载的平衡限制范围，在此基础上，能够扩大平衡限制范围，并对系统参数的设计提供参考。

附图说明

图1为N个H桥级联的简单拓扑；

图2为2个H桥级联的拓扑机构；

图3为2个H桥级联时桥1的调制方式；

图4为2个H桥级联时桥2的调制方式；

图5为电源电压与交流电流同相时的关系图；

图6为电源电压与交流电流反相时的关系图；

图7为交流侧电压与交流电流的关系图；

图8为传统PI控制的调制图；

图9为优化后的PI控制调制图；

图10为低于平衡范围下限值运行的电压波形；

图11为高于平衡范围上限值运行的电压波形；

图12为在平衡范围内运行的电压波形；

图13为传统PI平衡控制的电压波形；

图14为优化PI平衡控制的电压波形；

图15为额定功率运行时的电压波形；

图16为降功率运行时的电压波形；

图17为额定电压运行时的电压波形；

图18为增大直流参考电压运行时的电压波形。

具体实施方案

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示为N个H桥级联时的整流器拓扑结构，图2为2个H桥级联时单相三电平整流器的拓扑结构。以图2中2个H桥级联时的拓扑结构为例，图3和图4分别表示了两个H桥的调制方式。图3和图4中每个H桥的PWM脉冲开关函数表示为S_i。由于PWM脉冲面积与其相对应的调制波形相同，因此，每个H桥的变流器交流侧电压u_abi可以表示为：

u_abi＝S_iU_dci (1)

则每个H桥的输入功率可以表示为：

(1)负载平衡限制范围的计算

图5和图6电源电压、交流侧电流和电压的向量图。电源电压、交流电流和交流电压可以表示为：

每个H桥的输入输出功率为：

整个H桥的输入功率为：

P_in＝P_out-1+P_out-2+…+P_out-N (7)

联立(5)、(6)、(7)可得交流电流幅值：

对桥1进行输入输出功率守恒的分析，并设U_dc*为直流侧电容电压的了参考值，且有U_dc1＝U_dc2＝…＝U_dcN＝U_dc*，则可以得到直流负载的关系为：

当m₁取最大值1时，则可以得到平衡范围的下限为：

由于H桥整流器任意两个H桥单元都需要满足负载平衡关系，因此对于任意两个负载R₁和R₂，存在以下平衡关系：

则无论R₁和R₂值的大小，其平衡范围为：

则对于N个H桥级联的整流器，其平衡限制范围为：

(2)系统参数设计的参考范围

对(13)所求得的平衡限制范围的上下限进行范围的限制，可以得到直流侧电容参考电压的取值范围：

(3)负载平衡限制范围的扩大

1)优化平衡控制方式

如图7所示为交流侧电压与交流电流的关系，图8为采用传统PI平衡控制时的相量图。当第1个H桥的调制波u_r1经过平衡控制后变为u_r/2时，其有效面积A_area1和无效面积A_area2可以分别表示为：

由图8和(15)均可以看出，当相角差α增大时，有效面积减小，无效面积增大，从而会影响桥1的平衡效果。因此需要减小相角差α的影响。

图9为提出的改进的平衡控制相量图。即将传统平衡控制时所叠加的与交流侧电压相位相同且幅值为Δu_i的正弦波，改为叠加幅值为Δu_i的方波，方波的方向由交流侧电流决定。由图9则可以明显看出，此种调制方式消除了相位α的影响，从而优化了平衡的效果。

2)优化系统参数

N个H桥级联的整流器，当运行在单位功率因数时，其平衡限制范围中的参数cosα可以表示为：

将(16)带入平衡限制范围(13)，可得：

由(17)可明显看出，当减小系统功率P和增大直流侧电容参考电压U_dc ^*时，负载平衡限制范围均能增大。

因此，通过优化系统参数来扩大平衡限制范围的方法有2种：1)适当减小系统功率P；2)适当增大直流侧电容参考电压U_dc ^*。

实施例：

以两个H桥级联的单相三电平变流器为例进行仿真。变流器调制波的频率为f＝50Hz，三角载波频率为f_c＝1.5kHz，电源电压的幅值为直流侧额定参考电压为U_dc*＝1300V，调制度m＝0.7。在Matlab/Simulink平台上搭建了单相三电平整流器的时域仿真模型，对平衡限制范围内外及平衡限制范围的扩大进行了仿真分析对比(图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16、图17、图18)。

仿真结果和分析

本次仿真测试是对平衡限制范围内外的直流侧电容电压、采用传统PI控制和优化的PI控制方法的直流电压、系统参数优化前后的直流电压相比较。以证实此种计算方法能够定量确定直流负载的平衡限制范围，优化的PI控制方式和优化系统参数的方式均能扩大直流负载平衡限制范围。通过图10、图11在平衡限制范围外和图12在平衡限制范围内的电压波形的对比，可以证明，计算得到的平衡限制范围的正确性。通过图13传统PI控制和图14优化的PI控制方法的电压波形对比，可以证明，优化的平衡控制方法能够改善直流电容电压的平衡效果。图15、图16、图17、图18分别为额定功率运行、降功率运行、额定电压运行和增大直流参考电压运行时的直流电容电压波形图，可以证明所提出的通过优化系统参数的方法扩大平衡限制范围的正确性。

Claims (1)

1.一种基于PI电压平衡控制的单相级联H桥多电平变流器的负载平衡范围优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.负载平衡限制范围的分析：通过变流器输入与输出功率守恒的关系，定量推导出级联H桥变流器的负载平衡范围；

负载平衡限制范围的分析计算方法包括：

第i个H桥在一个基波周期内的输入功率为：

其中u_abi为第i个H桥的调制波，i_s为交流侧电流，U_dci为第i个H桥的直流侧电容电压，S_i为第i个H桥的开关函数；

第i个H桥在一个基波周期内输入的有功功率为：

α为变流器交流侧电压u_ab和电源电压u_s的相位差，θ为交流侧电流i_s和电源电压u_s的相位差；

第i个H桥输出的有功功率为：

忽略开关损耗时，根据N个H桥级联时的输入输出功率守恒定律，其输入输出功率的关系可以为：

P_in＝P_out-1+P_out-2+…+P_out-N (4)

联立(2)、(3)和(4)，则交流侧电流幅值I_m可以表示为：

U_m与I_m分别为级联H桥交流电网侧总电压与电流的幅值；N为H桥单元的总数；U_dci与R_i分别为第i个H桥直流侧电容电压与直流侧负载等效电阻；

由稳定运行时第1个H桥的输入输出功率守恒可得：

设U_dc*为直流侧电容电压的参考值，且有U_dc1＝U_dc2＝…＝U_dcN＝U_dc*，联立(5)和(6)，则直流负载的关系可以表示为：

当第1个H桥的调制度m₁取最大值1时，则(7)表示为：

假设R₁为直流侧负载的最小值，则直流负载的平衡限制范围可以表示为：

由于R₁为直流侧负载的最小值，因此存在R₁/R_i≤1；则直流侧负载还存在以下关系：

联立(9)和(10)，则N个H桥级联的单相整流器负载平衡限制范围可以表示为：

对于N个H桥级联的整流器来说，任意2个直流侧负载都满足(11)的平衡限制范围，因此对于任意两个负载R₁和R₂的关系可以表示为：

(12)简写为：

由此，N个H桥级联的整流器直流侧负载平衡限制范围可以表示为：

B.系统参数设计：在所推导的平衡范围的基础上推导出变流器直流侧参考电压的设计参数取值范围；

系统参数设计参考的计算方法包括：

由于(14)所表示的级联H桥变流器直流负载平衡限制范围的上下限也有上下限范围的限制，因此可得如下关系：

可得出U_dc*的取值范围为：

C.负载平衡限制范围扩大：通过优化电容电压平衡控制方式和优化系统参数来扩大级联H桥多电平变流器负载平衡范围；

负载平衡限制范围扩大的方法包括：

a)优化平衡控制方法

当使用传统的经典PI平衡控制方式时，在一个基波周期内进行平衡控制的有效面积A_area1和无效面积A_area2可以表示为：

u_r为级联H桥交流侧总调制参考电压；u_r1为第1个H桥交流侧调制参考电压；ω为交流侧电压角频率；

由此可以得知，当交流侧电压u_ab和电源电压u_s的相位差α增大时，有效面积会减小，无效面积增大，即相位差α会影响直流侧电容的充放电时间，从而影响其平衡效果；

b)优化系统参数

N个H桥级联的整流器，当运行在单位功率因数时，其平衡限制范围中的参数cosα可以表示为：

将(18)带入平衡限制范围(14)，可得：

由(19)可明显看出，当减小系统功率P和增大直流侧电容参考电压U_dc ^*时，负载平衡限制范围均能增大。