CN110336477B - 应用于级联h桥变换器的闭环零序电压注入法 - Google Patents

应用于级联h桥变换器的闭环零序电压注入法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种应用于级联H桥变换器的闭环零序电压注入法，该方法应用于级联H桥变换器相间功率控制，可以以较低运算量实现多种工况下零序电压快速生成，并以闭环控制形式准确控制级联H桥变换器各相输出功率。其特点为：获取级联H桥三相占空比和各相实际输出功率；将各相给定功率与各相实际输出功率作差，分别送入比例积分控制器，从而分别获得各相增益系数；再将所得各相增益系数与输出电流瞬时值对应相乘求和，得到待注入零序电压Vzero；最后将所得待注入零序电压Vzero分别注入三相占空比中，得到下一时刻占空比，并将占空比对应驱动信号输出。

Description

应用于级联H桥变换器的闭环零序电压注入法
技术领域
本发明涉及变流技术领域，特别是涉及一种应用于级联H桥变换器的闭环零序电压注入法，具体来说，该方法应用于级联H桥变换器相间功率控制，可以以较低运算量实现多种工况下零序电压快速生成，并以闭环控制的形式准确控制级联H桥变换器各相输出功率。
背景技术
变流技术是将电能由直流转变为交流或交流转变为直流的技术，在当今工业应用中扮演着重要的角色。级联H桥变流器在高压大功率供能场合应用非常广泛，其原理是以四个开关管所构成的H桥电路作为基本单元，采用串联形式搭建主电路，再配以相应的调制方法，控制开关管的开关状态，使输入/输出电流波形近似正弦。三相级联H桥变流器由于采用级联H桥模块单元构成，各模块单元输出功率需要进行均衡，分为相间功率均衡与相内功率均衡。对于相间功率均衡，工业界通常采用在三相调制信号中注入一个特定的零序信号，从而灵活调整各相输出功率。
传统零序信号生成方法采用数个包含复杂三角函数变换的公式计算出所需零序信号的幅值与相角，随后生成一个工频正弦信号。该方法计算复杂，计算出零序电压的功率均衡效果受电流、电压等物理量测量精度影响。此外该方法在变流器输出电流含较多谐波的工况下，如带谐波性负载，功率均衡效果较差。
发明内容
针对传统零序电压生成方法计算复杂，精度低，应用工况单一等问题，本发明提出了应用于级联H桥变换器的闭环零序电压注入法，应用于级联H桥变换器相间功率控制。建立三相功率比例积分控制器，随后将其输出值乘以各相输出电流瞬时值并相加，即可得到待注入零序电压值，从而以闭环控制形式准确控制级联H桥变换器各相输出功率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
应用于级联H桥变换器的闭环零序电压注入法，包括以下步骤：
(1)测量级联H桥三相输出电流瞬时值Ia、Ib、Ic，测量级联H桥各模块直流侧电压Vdc,1～Vdc,3n，同时获取级联H桥三相占空比da、db、dc；其中n为级联H桥每相模块数；
(2)利用步骤(1)所得物理量计算各相当前实际输出功率Pa、Pb、Pc，计算公式为：
Pa＝da·(Vdc,1+Vdc,2+…Vdc,n)·Ia·GLPF (1-1)
Pb＝db·(Vdc,n+1+Vdc,n+2+…Vdc,2n)·Ib·GLPF (1-2)
Pc＝dc·(Vdc,2n+1+Vdc,2n+2+…Vdc,3n)·Ic·GLPF (1-3)
其中GLPF为低通滤波传递函数，其表达式为：
Figure BDA0002150647040000021
其中ωc为截止频率；
(3)将各相给定功率
Figure BDA0002150647040000022
分别减去步骤(2)得到的各相实际输出功率Pa、Pb、Pc，所得之差分别送入比例谐振控制器，进而分别获得各相增益系数Ka、Kb、Kc；
(4)步骤(3)中所得各相增益系数Ka、Kb、Kc与步骤(1)所得输出电流瞬时值Ia、Ib、Ic对应相乘，并将乘积相加，得到待注入零序电压Vzero；
(5)步骤(4)所得待注入零序电压Vzero分别与步骤(1)所得三相占空比da、db、dc相加，得到下一时刻占空比，并将占空比对应驱动信号输出。
步骤(3)～(5)共同构成三相输出功率控制结构，控制结构对于传递函数公式为：
Figure BDA0002150647040000023
其中kp为比例积分控制器比例项系数，ki为比例积分控制器积分项系数，s是复频域的变量；
上述控制结构存在变种，选取其中两相功率参数亦可形成该控制结构，即：
变种一：
Figure BDA0002150647040000024
变种二：
Figure BDA0002150647040000025
变种三：
Figure BDA0002150647040000026
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明方法应用于级联H桥变换器相间功率控制，省略了复杂的三角函数计算，直接通过功率误差的比例积分控制，以较低运算量实现多种工况下零序电压快速生成，可以较好的实现相间功率的控制；并且在生成零序电压过程中以闭环控制形式控制级联H桥变换器各相输出功率，闭环控制相较于开环控制，应用反馈回路，减小误差，控制非常准确，控制精度较高。
附图说明
图1为本发明实施例中三相级联H桥并网变流器拓扑结构示意图。
图2a为本发明实施例中级联H桥并网变流器的控制框图。
图2b为本发明注入的零序电压控制图。
图3为应用本发明前后三相级联H桥并网变换器三相输出功率波形图。
图4a和图4b分别为应用本发明前、后三相级联H桥并网变换器输出调制信号波形图。
图5为三相级联H桥并网变换器带谐波性负载工况下本发明生成的零序电压波形图。
具体实施方式
下面结合图表对本发明用于级联H桥变流器功率均衡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。以并网运行的级联H桥变流器为例，图1是本发明在该工况下具体实施方式的拓扑图。如图1所示，级联变换器由结构完全相同的H桥变换器模块单元串联而成，各模块单元直流侧可接入电池、光伏、直流负荷等源荷设备，从而实现低压源荷装置接入中高压电网。由于各模块所发出功率各不相同，同时三相并网电流需要平衡，此时必须要向三相调制信号中注入零序信号以控制三相输出功率达到要求，同时保持三相电流平衡。
如图2a和图2b所示，本发明用于级联H桥变流器功率控制的基本步骤如下：
步骤1：测量级联H桥三相输出电流瞬时值Ia、Ib、Ic，测量级联H桥各模块直流侧电压Vdc,1～Vdc,3n，同时获取级联H桥三相占空比da、db、dc；其中n为级联H桥每相模块数。
步骤2：利用步骤1所得物理量计算各相当前实际输出功率Pa、Pb、Pc，计算公式为：
Pa＝da·(Vdc,1+Vdc,2+…Vdc,n)·Ia·GLPF (1)
Pb＝db·(Vdc,n+1+Vdc,n+2+…Vdc,2n)·Ib·GLPF (2)
Pc＝dc·(Vdc,2n+1+Vdc,2n+2+…Vdc,3n)·Ic·GLPF (3
其中GLPF为低通滤波传递函数，其表达式为：
Figure BDA0002150647040000041
其中ωc为截止频率，s是复频域的变量
步骤3：将各相给定功率
Figure BDA0002150647040000042
分别减去步骤2得到的各相实际输出功率Pa、Pb、Pc，所得之差分别送入比例谐振控制器，从而分别获得各相增益系数Ka、Kb、Kc，计算公式为：
Figure BDA0002150647040000043
Figure BDA0002150647040000044
Figure BDA0002150647040000045
Figure BDA0002150647040000046
步骤4：步骤3中所得各相增益系数Ka、Kb、Kc与步骤1所得输出电流瞬时值Ia、Ib、Ic对应相乘，乘积相加，得到待注入零序电压Vzero,计算公式为：
Vzero＝Ka·Ia+Kb·Ib+Kc·Ic (9)
步骤5：步骤4所得待注入零序电压Vzero分别与步骤(1)所得三相占空比da、db、dc相加，得到下一时刻占空比d′a、d′b、d′c，并将占空比对应驱动信号Sa、Sb、Sc输出，计算公式为：
d′a＝Vzero+da (10)
d′b＝Vzero+db (11)
d′c＝Vzero+dc (12)
图3为应用本发明前后级联H桥变换器三相输出功率波形图。当t＝0.2～0.4s时，三相输出功率平衡且相等Pa＝Pb＝Pc＝2000W；当t＝0.4～0.7s时，采用闭环零序电压注入法实现了三相功率重新分配且平衡，Pa＝2000W,Pb＝1738W,Pc＝2242W。可见，闭环零序电压注入法可以准确控制级联H桥变换器相间功率重新分配。
图4a为t＝0.1～0.4s时三相功率平衡且相等情况下的级联H桥变换器输出调制信号波形图，三相调制信号幅值相等且为311V；图4b为t＝0.4～0.7s时采用闭环零序电压注入法实现三相功率重新分配且平衡的情况下的级联H桥变换器输出调制信号波形图，a相幅值近似不变，b相调制信号幅值减小为278V左右，c相调制信号幅值增大为356V左右。
图5为级联H桥变换器带谐波性负载工况下本发明生成的零序电压Vzero波形图。由图可见，Vzero近似为一个正弦基频信号。
综上，本发明公开了一种闭环零序电压注入法，可应用于级联H桥变换器相间功率控制，可以以较低运算量实现多种工况下零序电压快速生成，并以闭环控制形式准确控制级联H桥变换器各相输出功率，抗扰能力强，控制精度高。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.应用于级联H桥变换器的闭环零序电压注入法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)测量级联H桥三相输出电流瞬时值Ia、Ib、Ic，测量级联H桥各模块直流侧电压Vdc,1～Vdc,3n，同时获取级联H桥三相占空比da、db、dc；其中n为级联H桥每相模块数；
(2)利用步骤(1)所得物理量计算各相当前实际输出功率Pa、Pb、Pc，计算公式为：
Pa＝da·(Vdc,1+Vdc,2+…Vdc,n)·Ia·GLPF (1-1)
Pb＝db·(Vdc,n+1+Vdc,n+2+…Vdc,2n)·Ib·GLPF (1-2)
Pc＝dc·(Vdc,2n+1+Vdc,2n+2+…Vdc,3n)·Ic·GLPF (1-3)
其中GLPF为低通滤波传递函数，其表达式为：
Figure FDA0002936295210000011
其中ωc为截止频率；
(3)将各相给定功率
Figure FDA0002936295210000012
分别减去步骤(2)得到的各相实际输出功率Pa、Pb、Pc，所得之差分别送入比例积分控制器，进而分别获得各相增益系数Ka、Kb、Kc；
(4)步骤(3)中所得各相增益系数Ka、Kb、Kc与步骤(1)所得输出电流瞬时值Ia、Ib、Ic对应相乘，并将乘积相加，得到待注入零序电压Vzero；
(5)步骤(4)所得待注入零序电压Vzero分别与步骤(1)所得三相占空比da、db、dc相加，得到下一时刻占空比，并将占空比对应驱动信号输出。
2.根据权利要求1所述的应用于级联H桥变换器的闭环零序电压注入法，其特征在于，步骤(3)～(5)共同构成三相输出功率控制结构，控制结构的传递函数公式为：
Figure FDA0002936295210000013
其中kp为比例积分控制器比例项系数，ki为比例积分控制器积分项系数，s是复频域的变量；
上述控制结构存在变种，选取其中两相功率参数亦可形成该控制结构，即：
变种一：
Figure FDA0002936295210000014
变种二：
Figure FDA0002936295210000015
变种三：
Figure FDA0002936295210000021
Figure FDA0002936295210000022
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