CN109586283B - 一种用于级联式电能质量治理装置的波形控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于级联式电能质量治理装置的波形控制方法，先采集各H桥功率单元实时直流电压以及温度数据，再根据直流电压确定每一相中最少输出级数，并根据各单元的温度实时数据信息，实时改变各H桥单元的控制策略，使各H桥单元的工作温度维持良好平衡，保证了各H桥功率单元及整个装置的可靠性，从而优化装置的整体效率。

Description

一种用于级联式电能质量治理装置的波形控制方法
技术领域
本发明属于电力电子控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种用于级联式电能质量治理装置的波形控制方法。
背景技术
随着科技的进步，电能质量问题越来越突出。电能质量问题定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、瞬时或暂态过电压、波形畸变、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。而电能质量问题中的暂降问题是现在高新企业迫切需要解决的问题。基于现代电力电子和控制技术的用户电力技术将是解决这一问题的有效途径。
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。因此在中压配电网的电能治理装置中具有显著的优势。
但是用于电能质量治理的级联型变换器又与级联型高压变频器、级联型SVG有显著的区别。其主要区别在于级联型单元的数量和储能配置，为减少储能投入的次数，用于电能质量治理的级联型变换器的级数配置存在一般大于等于2级的冗余设计。而级联型的现有控制方法有两种，第一种为每相的所有单元的调制波形一致，每相相邻单元载波产生相移，最终输出为完美正弦波；第二种为每相的所有单元的调制波不相同，但每相的单元调制波综合为一个正弦调制波，依照每相单元输出叠加原则产生一个完美正弦波。此两种方案采集的只有单元的直流电压信息，波形的控制方法只与单元直流电压相关，且所有的单元在同一时间点上都PWM输出，由于单元的一致性存在差异，在用于级联式电能质量治理的级联型变换器中存在可靠性不足的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于级联式电能质量治理装置的波形控制方法，通过实时改变各H桥单元的控制策略，使各H桥单元的工作温度维持良好平衡，保证了各H桥功率单元及整个装置的可靠性。
为实现上述发明目的，本发明为一种用于级联式电能质量治理装置的波形控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、通过电压传感器采集级联式电能质量治理装置三相所有H桥单元的直流侧电压，记为：
Figure BDA0001886807130000021
通过温度传感器采集级联式电能质量治理装置三相所有H桥单元的工作温度，记为：
Figure BDA0001886807130000022
其中，A、B、C表示级联式电能质量治理装置的三相，n表示级联式电能质量治理装置中级联H桥单元的个数；
(2)、利用滤波单元滤除直流侧电压中纹波，以及H桥单元工作温度的畸变值，得到滤波后的直流侧电压和工作温度，分别记为：
Figure BDA0001886807130000023
Figure BDA0001886807130000024
Figure BDA0001886807130000025
(3)、根据滤波后的直流侧电压和给定输出电压值，确定每相最少输出级数m；
Figure BDA0001886807130000026
其中，
Figure BDA0001886807130000027
为滤波后的单元直流电压值，x＝A、B、C，表示三相；Ve为级联式电能质量治理装置给定输出电压值；
将满足以上关系式的k值序列中的最小值设置为最少输出级数m；
(4)、根据级联式电能质量治理装置每相最少输出级数m和滤波后的工作温度，对级联式电能质量治理装置的波形进行控制；
(4.1)、设所有H桥单元的工作温度阈值为Te；
(4.2)、当A、B、C三相的所有H桥单元滤波后的工作温度的最大值小于Te时，此相H桥单元进入轮循工作；
(4.3)、当A、B、C三相中某一相的某一H桥单元滤波后的工作温度大于Te时，则此轮的轮循工作结束，并根据该相中所有H桥单元滤波后的工作温度值，获取正在进行SPWM调制的m个H桥单元中工作温度最高的H桥单元，记为H桥单元j，同时获取输出为0电平的n-m个H桥单元中的工作温度最低的H桥单元，记为H桥单元z，再将H桥单元j与H桥单元z的工作状态进行互换，即H桥单元z进行SPWM调制输出，单元j输出为0电平。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种用于级联式电能质量治理装置的波形控制方法，先采集各H桥功率单元实时直流电压以及温度数据，再根据直流电压确定每一相中最少输出级数，并根据各单元的温度实时数据信息，实时改变各H桥单元的控制策略，使各H桥单元的工作温度维持良好平衡，保证了各H桥功率单元及整个装置的可靠性，从而优化装置的整体效率。
同时，本发明一种用于级联式电能质量治理装置的波形控制方法还具有以下有益效果：
(1)、在装置运行的过程中，使用最少单元级数工作，装置的单元开关损耗降至最低，且使用轮循的工作方式，使每个单元在时间轴上的平均功率是一致的；
(2)、在装置运行的过程中，采集了单元的工作温度值，根据工作温度实时调节控制方法，使每个单元都工作在安全温度之下，装置的整体可靠性提高。
附图说明
图1是本发明一种用于级联式电能质量治理装置的波形控制方法原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种用于级联式电能质量治理装置的波形控制方法原理图图。
下面结合图1，对本发明一种用于级联式电能质量治理装置的波形控制方法进行详细说明，具体包括以下步骤：
S1、通过电压传感器采集级联式电能质量治理装置三相所有H桥单元的直流侧电压，记为：
Figure BDA0001886807130000041
通过温度传感器采集级联式电能质量治理装置三相所有H桥单元的工作温度，记为：
Figure BDA0001886807130000042
其中，A、B、C表示级联式电能质量治理装置的三相，n表示级联式电能质量治理装置中级联H桥单元的个数；
S2、利用滤波单元滤除直流侧电压中纹波，以及H桥单元工作温度的畸变值，得到滤波后的直流侧电压和工作温度，分别记为：
Figure BDA0001886807130000043
Figure BDA0001886807130000044
Figure BDA0001886807130000045
S3、根据滤波后的直流侧电压和给定输出电压值，确定每相最少输出级数m；
Figure BDA0001886807130000046
其中，
Figure BDA0001886807130000047
为滤波后的单元直流电压值，x＝A、B、C，表示三相；Ve为级联式电能质量治理装置给定输出电压值；
将满足以上关系式的k值序列中的最小值设置为最少输出级数m，且输出级数m与H桥单元个数n满足关系为：n≥m+2；
S4、根据级联式电能质量治理装置每相最少输出级数m和滤波后的工作温度，对级联式电能质量治理装置的波形进行控制；
S4.1、设所有H桥单元的工作温度阈值为Te；
S4.2、当A、B、C三相的所有H桥单元滤波后的工作温度的最大值小于Te时，此相H桥单元进入轮循工作；
其中，H桥单元进入轮循工作的过程为：
设定每轮的轮循工作时间阈值为t1；
初始第一轮循工作为H桥单元1、H桥单元2，一直到H桥单元m为SPWM调制输出，单元m+1，一直到单元n输出为0电平；
当此轮循工作时间超过轮循工作时间阈值t1时，则进行下一轮循工作，此时，H桥单元2、H桥单元3，一直到H桥单元m+1为SPWM调制输出，H桥单元m+2，一直到H桥单元n以及H桥单元1输出为0电平；
然后以此类推，工作的H桥单元数以输出级数m在H桥单元个数n的合集中循环，多余H桥单元不进行SPWM调制，输出固定0电平；
S4.3、当A、B、C三相中某一相的某一H桥单元滤波后的工作温度大于Te时，则此轮的轮循工作结束，并根据该相中所有H桥单元滤波后的工作温度值，获取正在进行SPWM调制的m个H桥单元中工作温度最高的H桥单元，记为H桥单元j，同时获取输出为0电平的n-m个H桥单元中的工作温度最低的H桥单元，记为H桥单元z，再将H桥单元j与H桥单元z的工作状态进行互换，即H桥单元z进行SPWM调制输出，单元j输出为0电平。
实施例：
下面以具体实施例说明本发明的一种用于级联式电能质量治理装置的波形控制方法，以图1所示的电路结构为例，电网与本装置的各项参数如表1所示：
Figure BDA0001886807130000051
Figure BDA0001886807130000061
表1
装置为10kV系统，输出给定即为10kV，50Hz；那么每相的相电压峰值给定为
Figure BDA0001886807130000062
由于每相独立且控制方法一直，在此特以A相为例说明。此时A相H桥单元1至H桥单元12的直流电压值分别为930.3V、929.5V、931.4V、929.7V、926.1V、927.5V、930.3、929.5、930.4、929.7、926.3、926.8；满足下式的k值序列为{9、10、11、12}，最小值为9；因此需要9级PWM输出，其余H桥单元输出为0。
此时，A相H桥单元1至H桥单元12的工作温度分别为28.3℃、28.5℃、29.1℃、30.4℃、27.7℃、29.9℃、28.7℃、28.0℃、31.5℃、30.4℃、29.1℃、29.5℃。设定H桥单元的工作温度阈值Te为40℃，轮循工作时间阈值t1为5min，因此此时的控制方法是：H桥单元1至H桥单元9输出PWM，H桥单元10、H桥单元11和H桥单元12输出为0；5min过后转换为H桥单元2至H桥单元10输出PWM，H桥单元11、H桥单元12和H桥单元1输出为0电平。
工作一段时间后，H桥单元1至H桥单元12的工作温度分别为40.5℃、40.5℃、40.1℃、40.4℃、40.7℃、39.9℃、38.7℃、38.0℃、39.5℃、40.4℃、40.1℃、39.5℃。
存在H桥单元的工作温度大于温度阈值Te＝40℃的情况，PWM工作的单元分别为H桥单元11、H桥单元12、H桥单元1、H桥单元2、H桥单元3、H桥单元4、H桥单元5、H桥单元6、H桥单元7；H桥单元8、H桥单元9和H桥单元10输出为0；PWM输出的单元中最高温度单元为H桥单元5，输出为0的单元中工作温度最低的单元是H桥单元8，因此H桥单元8替换H桥单元5输出PWM电平，H桥单元5输出为0电平，因此装置的输出稳定且单元处于最安全工作温度下。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种用于级联式电能质量治理装置的波形控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、通过电压传感器采集级联式电能质量治理装置三相所有H桥单元的直流侧电压，记为：
Figure FDA0003286354030000011
通过温度传感器采集级联式电能质量治理装置三相所有H桥单元的工作温度，记为：
Figure FDA0003286354030000012
其中，A、B、C表示级联式电能质量治理装置的三相，n表示级联式电能质量治理装置中级联H桥单元的个数；
(2)、利用滤波单元滤除直流侧电压中纹波，以及H桥单元工作温度的畸变值，得到滤波后的直流侧电压和工作温度，分别记为：
Figure FDA0003286354030000013
Figure FDA0003286354030000014
Figure FDA0003286354030000015
Figure FDA0003286354030000016
Figure FDA0003286354030000017
Figure FDA0003286354030000018
(3)、根据滤波后的直流侧电压和给定输出电压值，确定每相最少输出级数m；
Figure FDA0003286354030000019
其中，
Figure FDA00032863540300000110
为滤波后的单元直流电压值，x＝A、B、C，表示三相；Ve为级联式电能质量治理装置给定输出电压值；
将满足以上关系式的k值序列中的最小值设置为最少输出级数m；
(4)、根据级联式电能质量治理装置每相最少输出级数m和滤波后的工作温度，对级联式电能质量治理装置的波形进行控制；
(4.1)、设所有H桥单元的工作温度阈值为Te；
(4.2)、当A、B、C三相的所有H桥单元滤波后的工作温度的最大值小于Te时，此相H桥单元进入轮循工作；
(4.3)、当A、B、C三相中某一相的某一H桥单元滤波后的工作温度大于Te时，则此轮的轮循工作结束，并根据该相中所有H桥单元滤波后的工作温度值，获取正在进行SPWM调制的m个H桥单元中工作温度最高的H桥单元，记为H桥单元j，同时获取输出为0电平的n-m个H桥单元中的工作温度最低的H桥单元，记为H桥单元z，再将H桥单元j与H桥单元z的工作状态进行互换，即H桥单元z进行SPWM调制输出，单元j输出为0电平；
其中，所述步骤(4.2)中，H桥单元进入轮循工作的过程为：
设定每轮的轮循工作时间阈值为t1；
初始第一轮循工作为H桥单元1、H桥单元2，一直到H桥单元m为SPWM调制输出，单元m+1，一直到单元n输出为0电平；
当此轮循工作时间超过轮循工作时间阈值t1时，则进行下一轮循工作，此时，H桥单元2、H桥单元3，一直到H桥单元m+1为SPWM调制输出，H桥单元m+2，一直到H桥单元n以及H桥单元1输出为0电平；
然后以此类推，工作的H桥单元数以输出级数m在H桥单元个数n的合集中循环，多余H桥单元不进行SPWM调制，输出固定0电平。
2.根据权利要求1所述的一种用于级联式电能质量治理装置的波形控制方法，其特征在于，所述的输出级数m与H桥单元个数n满足关系为：n≥m+2。
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