CN109951090A - 三相单向级联式多电平电力电子变流器直流电压平衡策略 - Google Patents
三相单向级联式多电平电力电子变流器直流电压平衡策略 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种三相单向级联式多电平电力电子变流器直流电压平衡策略。本发明对传统单周期控制进行改进，在不改变单周期控制无需使用锁相环以及交流侧无需使用电压传感器的优点外，实现相间电压平衡控制。当三相单向级联式多电平电力电子变流器直流电压的不平衡度较大时，本发明提供的方法可使三相单向级联式多电平电力电子变流器直流电压以最大速率调节相间电压使其保持平衡。
Description
技术领域
本发明涉及级联式多电平电力电子变流器直流电压平衡控制领域，特别涉及三相单向级联式多电平电力电子变流器直流电压平衡策略。
背景技术
无工频变压器级联H桥变流器具有较高的输入侧功率因数、模块化设计、四象限运行、电压应力较低等诸多优点，越来越多地受到学术界和工业界的重视。然而大量的全控型开关器件的使用带来了系统复杂、造价昂贵、效率降低、故障率提高等缺陷。
考虑到大量的工业生产中并不要求实现能量的双向传输，完全采用全控型开关器件的无工频变压器级联H桥变流器在无需能量回馈的风机、泵类电动机变频调速系统中的应用并无必要性。因此，单向级联式多电平电力电子变流器应运而生。
对于单向级联式多电平电力电子变流器的直流侧而言，各个电力电子变流器直流侧输出电压的均衡是保证系统稳定、可靠工作的先决条件。然而，在实际工程中，由于器件参数不可避免的差异以及可能出现的负载不对称，各个电力电子变流器的功率损耗并不相同，因此如果不进行有效的控制，会产生直流输出电压不平衡问题，从而触发某些模块的过压保护，严重时甚至造成开关管损毁乃至系统崩溃。
单周期控制是一种非线性大信号PWM控制理论，也是一种模拟PWM控制技术。该控制方法通过控制占空比，使每个开关周期中开关变量的平均值严格等于或者正比于控制参考量。平均输入电流跟踪参考电流且不受负载电流的约束，即使负载电流具有很大的谐波也不会使输入电流发生畸变。单周期控制不需要使用锁相环，也就不需要乘法器和采样输入电压，这个特点使应用该控制技术的电力电子变流器不需要交流电压传感器，使整个控制电路成本和复杂程度降低。
因此，对控制简单、具有优良性能的单周期控制进行改进研究，对于进一步提高单周期控制的性能，使其能够应用于单向级联式多电平电力电子变流器相间直流电压的快速平衡控制，具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是在传统单周期控制的基础上，在保持单周期控制不需要乘法器和采样输入电压的优势的前提下，提出一种改进的单周期控制方法，使三相单向级联式多电平电力电子变流器在出现直流电压不平衡现象时，能够以最大速率调节相间电压使其保持平衡，保证整个系统的稳定运行。
为达到上述目的，本发明提供了三相单向级联式多电平电力电子变流器直流电压平衡策略，其中三相单向级联式多电平电力电子变流器包括三相星接单向级联式多电平电力电子变流器，三相星接单向级联式多电平电力电子变流器由3*N个能量单方向流动变流器级联组成，其中每相由N个能量单方向流动变流器级联组成，N为大于1的整数；三相星接单向级联式多电平电力电子变流器包括三相星接级联式二极管H桥变流器、三相星接级联式无桥变流器、三相星接级联式VIENNA变流器；
本发明三相单向级联式多电平电力电子变流器直流电压平衡策略步骤如下：
(1)分别对三相星接单向级联式多电平电力电子变流器直流侧电压进行采样，得到3*N个直流电压信号Udca1、Udca2...UdcaN、Udcb1、Udcb2...UdcbN、Udcc1、Udcc2...UdccN，其中每相得到N个直流电压信号；
(2)将步骤(1)中每相采样得到的N个直流电压信号Udck1、Udck2...UdckN(k＝a,b,c)分别相加，得到每相总输出直流电压信号Udca、Udcb、Udcc为
其中Udckn为三相星接单向级联式多电平电力电子变流器k相第n个能量单方向流动变流器直流电压信号，n为小于等于N的正整数；
(3)将步骤(2)中计算得到的各相总输出直流电压信号Udca、Udcb、Udcc相加求平均值，得到总输出直流电压平均值Udc_average为
(4)将总输出直流电压信号的参考信号Udc_ref与步骤(3)中总输出直流电压平均值Udc_average相减，得到电压调节器1的输入信号ΔU1；将总输出直流电压信号的参考信号Udc_ref与a相总输出直流电压信号Udca相减，得到电压调节器2的输入信号ΔU2；将总输出直流电压信号的参考信号Udc_ref与b相总输出直流电压信号Udcb相减，得到电压调节器3的输入信号ΔU3；
(5)分别将步骤(4)中的3个电压调节器的输入信号ΔU1、ΔU2、ΔU3送入电压调节器，分别得到3个电压调节器的输出um，um1，um2；
(6)根据单周期控制原理和步骤(2)，um为：
其中Rsk为三相星接单向级联式多电平电力电子变流器k(k＝a,b,c)相的交流侧电流采样电阻，Rek为三相星接单向级联式多电平电力电子变流器k相总等效电阻，Udck为k相总输出直流电压信号，um为正数；
(7)将步骤(6)中的电压调节器1的输出um送入载波生成模块，生成幅值为um的三角波；
(8)通过三相星接单向级联式多电平电力电子变流器的交流侧电流采样电阻Rsk对三相星接单向级联式多电平电力电子变流器交流侧输入电流ia、ib、ic进行采样，得到三相交流输入电流采样信号Rsaia、Rsbib、Rscic；
(9)将步骤(8)中的三相交流输入电流采样信号Rsaia、Rsbib、Rscic送入绝对值模块得到绝对值信号|Rsaia|、|Rsbib|、|Rscic|；
(10)将步骤(5)中的电压调节器2、电压调节器3的输出um1、um2送入运算模块，计算得到调制波调整信号
其中Δis为调制波调整信号的幅值，Δisθ为调制波调整信号的相位，ω为角频率，t为时间；
(11)最终得到的三相调制波信号为
(12)将N个载波依次延迟1/N*Ts(Ts为开关周期)，分别与步骤(11)中最终得到的三相调制波信号通过比较器进行信号交割，共产生3*N路PWM信号，其中每相产生N路PWM信号，进而控制三相星接单向级联式多电平电力电子变流器开关器件的通断。
本发明的优势在于：
(1)在三相星接单向级联式多电平电力电子变流器各级直流负载不平衡程度较大时也能对三相星接单向级联式多电平电力电子变流器相间直流电压进行有效调节。
(2)实施成本低。本发明使用单周期控制方法，无需锁相环，不需要交流侧的电压传感器和额外的电流传感器。
下面将结合实施例参照附图进行详细说明。
附图说明
图1为本发明的方框图；
图2为本发明实施例中三级级联的三相星接级联式无桥变流器的电路原理图；
图3为三相星接级联式二极管H桥变流器的电路原理图；
图4为三相星接级联式无桥变流器的电路原理图；
图5为三相星接VIENNA变流器的电路原理图；
图6为本发明实施例中三级级联的三相星接级联式无桥变流器在直流负载不平衡时采用本发明前后直流电压的仿真图。
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详细描述，以充分的了解本发明的目的、特征和效果。本实施例给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于本实施例。
实施例：
参照图2，对三级级联的三相星接级联式无桥变流器应用本发明。所述三级级联的三相星接级联式无桥变流器是三相星接单向级联式多电平电力电子变流器的一种，每相是由3个无桥变流器级联而成。
本发明三相单向级联式多电平电力电子变流器直流电压平衡策略步骤如下：
(1)分别对三级级联的三相星接级联式无桥变流器直流侧电压进行采样，得到9个直流电压信号Udca1、Udca2、Udca3、Udcb1、Udcb2、Udcb3、Udcc1、Udcc2、Udcc3，其中每相得到3个直流电压信号；
(2)将步骤(1)中每相采样得到的3个直流电压信号Udck1、Udck2、Udck3(k＝a,b,c)分别相加，得到每相总输出直流电压信号为Udca、Udcb、Udcc为
其中Udckn为三级级联的三相星接级联式无桥变流器k相第n个无桥变流器直流电压信号，n为小于等于3的正整数；
(3)将步骤(2)中计算得到的各相总输出直流电压信号Udca、Udcb、Udcc相加求平均值，得到总输出直流电压平均值Udc_average为
(4)将总输出直流电压信号的参考信号Udc_ref与步骤(3)中总输出直流电压平均值Udc_average相减，得到电压调节器1的输入信号ΔU1；将总输出直流电压信号的参考信号Udc_ref与a相总输出直流电压信号Udca相减，得到电压调节器2的输入信号ΔU2；将总输出直流电压信号的参考信号Udc_ref与b相总输出直流电压信号Udcb相减，得到电压调节器3的输入信号ΔU3；
(5)分别将步骤(4)中的3个电压调节器的输入信号ΔU1、ΔU2、ΔU3送入电压调节器，分别得到3个电压调节器的输出um，um1，um2；
(6)根据单周期控制原理和步骤(2)，um为：
其中Rsk为三级级联的三相星接级联式无桥变流器k(k＝a,b,c)相的交流侧电流采样电阻，Rek为三级级联的三相星接级联式无桥变流器k相总等效电阻，Udck为k相总输出直流电压信号，um为正数；
(7)将步骤(6)中的电压调节器1的输出um送入载波生成模块，生成幅值为um的三角波；
(8)通过三级级联的三相星接级联式无桥变流器的交流侧电流采样电阻Rsk对三级级联的三相星接级联式无桥变流器交流侧输入电流ia、ib、ic进行采样，得到三相交流输入电流采样信号Rsaia、Rsbib、Rscic；
(9)将步骤(8)中的三相交流输入电流采样信号Rsaia、Rsbib、Rscic送入绝对值模块得到绝对值信号|Rsaia|、|Rsbib|、|Rscic|；
(10)将步骤(5)中的电压调节器2、电压调节器3的输出um1、um2送入运算模块，计算得到调制波调整信号
其中Δis为调制波调整信号的幅值，Δisθ为调制波调整信号的相位，ω为角频率，t为时间；
(11)最终得到的三相调制波信号为
(12)将3个载波依次延迟1/3*Ts(Ts为开关周期)，分别与步骤(11)中最终得到的三相调制波信号通过比较器进行信号交割，共产生9路PWM信号，其中每相产生3路PWM信号，进而控制三级级联的三相星接级联式无桥变流器开关器件的通断。
参照图6，为本发明实施例中三级级联的三相星接级联式无桥变流器在直流负载不平衡时采用本发明前后直流电压的仿真图。在0.5s前系统直流负载平衡，系统运行进入稳态，系统直流电压平衡；在0.5s时，系统直流负载突变，此时未应用本发明，系统在直流不平衡负载的影响下，直流电压无法继续保持平衡，产生不平衡现象；在1s时应用本发明，可以看到三级级联的三相星接级联式无桥变流器直流电压迅速调整，达到平衡，证明了本发明的有效性。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计方案前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (1)
1.三相单向级联式多电平电力电子变流器直流电压平衡策略，所述三相单向级联式多电平电力电子变流器，包括三相星接单向级联式多电平电力电子变流器，所述三相星接单向级联式多电平电力电子变流器由3*N个能量单方向流动变流器级联组成，其中每相由N个能量单方向流动变流器级联组成，N为大于1的整数；所述三相星接单向级联式多电平电力电子变流器包括三相星接级联式二极管H桥变流器、三相星接级联式无桥变流器、三相星接级联式VIENNA变流器；
其特征在于，三相单向级联式多电平电力电子变流器直流电压平衡策略步骤如下：
(1)分别对三相星接单向级联式多电平电力电子变流器直流侧电压进行采样，得到3*N个直流电压信号Udca1、Udca2...UdcaN、Udcb1、Udcb2...UdcbN、Udcc1、Udcc2...UdccN，其中每相得到N个直流电压信号；
(2)将步骤(1)中每相采样得到的N个直流电压信号Udck1、Udck2...UdckN(k＝a,b,c)分别相加，得到每相总输出直流电压信号Udca、Udcb、Udcc为
其中Udckn为三相星接单向级联式多电平电力电子变流器k相第n个能量单方向流动变流器直流电压信号，n为小于等于N的正整数；
(3)将步骤(2)中计算得到的各相总输出直流电压信号Udca、Udcb、Udcc相加求平均值，得到总输出直流电压平均值Udc_average为
(4)将总输出直流电压信号的参考信号Udc_ref与步骤(3)中总输出直流电压平均值Udc_average相减，得到电压调节器1的输入信号ΔU1；将总输出直流电压信号的参考信号Udc_ref与a相总输出直流电压信号Udca相减，得到电压调节器2的输入信号ΔU2；将总输出直流电压信号的参考信号Udc_ref与b相总输出直流电压信号Udcb相减，得到电压调节器3的输入信号ΔU3；
(5)分别将步骤(4)中的3个电压调节器的输入信号ΔU1、ΔU2、ΔU3送入电压调节器，分别得到3个电压调节器的输出um，um1，um2；
(6)根据单周期控制原理和步骤(2)，um为
其中Rsk为三相星接单向级联式多电平电力电子变流器k(k＝a,b,c)相的交流侧电流采样电阻，Rek为三相星接单向级联式多电平电力电子变流器k相总等效电阻，Udck为k相总输出直流电压信号，um为正数；
(7)将步骤(6)中的电压调节器1的输出um送入载波生成模块，生成幅值为um的三角波；
(8)通过三相星接单向级联式多电平电力电子变流器的交流侧电流采样电阻Rsk对三相星接单向级联式多电平电力电子变流器交流侧输入电流ia、ib、ic进行采样，得到三相交流输入电流采样信号Rsaia、Rsbib、Rscic；
(9)将步骤(8)中的三相交流输入电流采样信号Rsaia、Rsbib、Rscic送入绝对值模块得到绝对值信号|Rsaia|、|Rsbib|、|Rscic|；
(10)将步骤(5)中的电压调节器2、电压调节器3的输出um1、um2送入运算模块，计算得到调制波调整信号
其中Δis为调制波调整信号的幅值，Δisθ为调制波调整信号的相位，ω为角频率，t为时间；
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