CN110380626B - 高功率密度单相级联h桥整流器、控制方法及控制系统 - Google Patents

高功率密度单相级联h桥整流器、控制方法及控制系统 Download PDF

Info

Publication number
CN110380626B
CN110380626B CN201910543787.9A CN201910543787A CN110380626B CN 110380626 B CN110380626 B CN 110380626B CN 201910543787 A CN201910543787 A CN 201910543787A CN 110380626 B CN110380626 B CN 110380626B
Authority
CN
China
Prior art keywords
power
voltage
unit
power conversion
decoupling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910543787.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110380626A (zh
Inventor
杜春水
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shandong University
Original Assignee
Shandong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shandong University filed Critical Shandong University
Priority to CN201910543787.9A priority Critical patent/CN110380626B/zh
Publication of CN110380626A publication Critical patent/CN110380626A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110380626B publication Critical patent/CN110380626B/zh
Priority to PCT/CN2020/097207 priority patent/WO2020253846A1/zh
Priority to US17/271,370 priority patent/US11621651B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/0074—Plural converter units whose inputs are connected in series
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/14—Arrangements for reducing ripples from dc input or output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/14—Arrangements for reducing ripples from dc input or output
    • H02M1/15—Arrangements for reducing ripples from dc input or output using active elements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/217—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M7/219—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in a bridge configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/007—Plural converter units in cascade
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0083—Converters characterised by their input or output configuration
    • H02M1/009—Converters characterised by their input or output configuration having two or more independently controlled outputs
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Abstract

本公开提供了一种高功率密度单相级联H桥整流器、控制方法及控制方法。其中，高功率密度单相级联H桥整流器，包括：交流网侧滤波电感和至少两个级联的功率变换单元；每个功率变换单元包括并联连接的H桥功率单元、解耦单元和直流侧等效负载；每个解耦单元均为一个独立式降压型有源功率解耦回路，所述解耦单元用于缓冲二次纹波功率，以减小直流母线电容的容量。

Description

高功率密度单相级联H桥整流器、控制方法及控制系统
技术领域
本公开属于级联式多电平变换器领域，尤其涉及一种高功率密度单相级联H桥整流器、控制方法及控制系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
级联式多电平电力电子变压器(PET，Power Electronic Transformer)功率变换器，直流侧存在二倍频的功率脉动，为降低直流母线电压纹波，可采用增加滤波电容或者无源LC二次滤波网络的方式，但发明人发现，这样增加了系统重量和体积，尤其是LC滤波网络在谐波电流作用下非线性磁芯特性畸变，易导致系统不稳定。
增加电容固然可以降低电压纹波，但发明人发现，其级联式多电平电力电子变压器的体积和成本都将提高，不利于机载级联式多电平PET功率密度的提升。在系统直流电压脉动和系统成本与体积之间的矛盾无法调和的情况，不得不提升功率开关模块的电压裕量，这样势必会降低系统可靠性和功率变换能力。
发明内容
为了解决上述问题，本公开的第一个方面提供一种高功率密度单相级联H桥整流器，其将独立式有源功率解耦电路用于级联多电平变换器功率单元，为二次功率脉动提供通路，相比纯增加电容方式，在相同变换功率和相同直流电压纹波下，滤波电容数量理论上可降低10倍，可以有效降低系统体积和重量，增加系统功率密度和可靠性。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一种高功率密度单相级联H桥整流器，包括：
交流网侧滤波电感和至少两个级联的功率变换单元；每个功率变换单元包括并联连接的H桥功率单元、解耦单元和直流侧等效负载；每个解耦单元均为一个独立式降压型有源功率解耦回路，所述解耦单元用于缓冲二次纹波功率，以减小直流母线电容的容量。
作为一种实施方式，所述解耦单元包括串联功率模块，所述串联功率模块由两只串联的开关功率元件构成，串联功率模块的两端分别与相应功率变换单元直流侧的正负母线相连，串联功率模块的中间连接点接有串联的电感和电容回路，电容的另一端接到相应功率变换单元直流侧的负母线上。
作为一种实施方式，每个功率变换单元还包括：与直流侧等效负载并联连接的直流滤波电容，所述直流滤波电容用于消除高次谐波。
作为一种实施方式，所述直流侧等效负载为电阻元件、DC/DC变换器或者电容元件。
为了解决上述问题，本公开的第二个方面提供一种高功率密度单相级联H桥整流器的控制方法，其运用直流侧电压均衡和有源功率解耦综合控制策略，同时实现级联单元间直流侧输出电压均衡和二次纹波电压脉动抑制。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一种高功率密度单相级联H桥整流器的控制方法，包括：
闭环控制各个功率变换单元直流母线电压，生成各个功率变换单元的运行电压以及H桥整流器的总电压；
将H桥整流器的总电压作为外环给定值，闭环控制网侧电流，生成平均调制信号因子；
将系统总电压平均值分别与各功率单元电压比较，差值标幺化后与网侧电压相位相乘后的结果作为偏差调制信号因子，同时实现电压均衡与直流母线电压二次脉动的抑制；
将各个功率变换单元的偏差调制信号因子与平均调制信号因子叠加，生成各个功率变换单元的最终调制信号；
将各个功率变换单元的最终调制信号与载波比较，采用单极倍频载波移相调制算法产生各个功率变换单元的开关管的驱动信号；
实时各个功率变换单元的提取直流母线上的二次纹波电流，在线计算解耦单元中功率开关管占空比，以实现直流母线上二次纹波功率向解耦单元的转移。
作为一种实施方式，生成各个功率变换单元的运行电压以及H桥整流器的总电压的过程为：
为实现各个级联单元直流侧母线电压稳定平衡，将各级联单元直流侧实际输出电压滤波后与电压参考值比较，各个差值均经PI调节得到对应的相应运行控制电压幅值，在系统运行过程中，实时将各单元运行控制电压相加得到H桥整流器的总电压。
作为一种实施方式，生成平均调制信号因子的过程为：
H桥整流器的总电压除以网侧输入电压幅值标幺化，再与网侧电压锁相环输出相位相乘，作为网侧电流参考值；
将实际检测的电网电流瞬时值与网侧电流参考值比较，再经网侧滤波电感电流闭环无静差跟踪，输出平均调制信号因子。
为了解决上述问题，本公开的第三个方面提供一种高功率密度单相级联H桥整流器的控制系统，其运用直流侧电压均衡和有源功率解耦综合控制策略，同时实现级联单元间直流侧输出电压均衡和二次纹波电压脉动抑制。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一种高功率密度单相级联H桥整流器的控制系统，包括：
直流母线电压控制模块，其用于闭环控制各个功率变换单元直流母线电压，生成各个功率变换单元的运行电压以及H桥整流器的总电压；
单位功率因数整流模块，其用于将H桥整流器的总电压作为外环给定值，闭环控制网侧电流，生成平均调制信号因子；
电压均衡模块，其用于将系统总电压平均值分别与各功率单元电压比较，差值标幺化后与网侧电压相位相乘后的结果作为偏差调制信号因子，同时实现电压均衡与直流母线电压二次脉动的抑制；
调制信号生成模块，其用于将各个功率变换单元的偏差调制信号因子与平均调制信号因子叠加，生成各个功率变换单元的最终调制信号；
驱动信号生成模块，其用于将各个功率变换单元的最终调制信号与载波比较，采用单极倍频载波移相调制算法产生各个功率变换单元的开关管的驱动信号；
有源功率解耦控制模块，其用于实时各个功率变换单元的提取直流母线上的二次纹波电流，在线计算解耦单元中功率开关管占空比，以实现直流母线上二次纹波功率向解耦单元的转移。
作为一种实施方式，在所述直流母线电压控制模块中，生成各个功率变换单元的运行电压以及H桥整流器的总电压的过程为：
为实现各个级联单元直流侧母线电压稳定平衡，将各级联单元直流侧实际输出电压滤波后与电压参考值比较，各个差值均经PI调节得到对应的相应运行控制电压幅值，在系统运行过程中，实时将各单元运行控制电压相加得到H桥整流器的总电压。
作为一种实施方式，在所述单位功率因数整流模块中，生成平均调制信号因子的过程为：
H桥整流器的总电压除以网侧输入电压幅值标幺化，再与网侧电压锁相环输出相位相乘，作为网侧电流参考值；
将实际检测的电网电流瞬时值与网侧电流参考值比较，再经网侧滤波电感电流闭环无静差跟踪，输出平均调制信号因子。
本公开的有益效果是：
(1)拓扑方面，在单相级联型H桥多电平变换器的直流侧增加了一个降压(Buck)型有源功率解耦单元，有利于降低电容电压。
(2)控制方面：运用直流侧电压均衡和有源功率解耦综合控制策略，同时实现级联单元间直流侧输出电压均衡和二次纹波电压脉动抑制；运用自适应选频器，实时提取直流母线中的二次纹波电流，并参与到解耦单元桥臂开关管占空比的计算中，控制简单且直流侧二次纹波电压脉动抑制效果明显。
(3)所述解耦单元中的功率开关管工作在电流断续方式，尤其适合新一代SiC或GaN器件，功率开关零电流开通，无开通损耗；关断速度极快，关断损耗近似为零，因此电流断续模式可有效提高解耦单元的开关频率，减小电感及其损耗，从而提高功率密度。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例提供的高功率密度单相级联H桥多电平变换器拓扑图；
图2(a)为本公开实施例提供的Buck型有源功率解耦拓扑的Buck工作阶段；
图2(b)为本公开实施例提供的Buck型有源功率解耦拓扑的Boost工作阶段；
图3(a)为本公开实施例提供的解耦电容充电阶段解耦电感电流示意图；
图3(b)为本公开实施例提供的解耦电容放电阶段解耦电感电流示意图；
图4为本公开实施例提供的两模块级联为例的高功率密度单相级联H桥多电平变换器控制系统框图；
图5(a)为本公开实施例提供的网侧电压、电流波形图；
图5(b)为本公开实施例提供的直流侧输出电压和解耦电容电压波形图；
图6为本公开实施例提供的Buck型有源功率解耦相关波形图；
图7(a)为本公开实施例提供的负载突变前后两模块直流侧输出电压波形图；
图7(b)为本公开实施例提供的负载突变前后两模块直流侧输出电压波形放大图；
图8为本公开实施例提供的系统突变后切除电压均衡控制时直流侧输出电压波形图；
图9(a)为本公开实施例提供的负载不平衡启动时直流侧输出电压波形图；
图9(b)为本公开实施例提供的负载不平衡启动时直流侧输出电压波形放大图；
图10为本公开实施例提供的单相载波移相倍频调制算法原理图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本实施例所述高功率密度单相级联H桥多电平变换器拓扑由交流电源，交流侧滤波电感，N个级联的功率变换子模块构成。其中，N为大于或等于2的正整数。
为便于分析，以两模块级联为例，其拓扑结构图如图1所示，交流电源经过交流侧滤波电感连接到两个级联的功率变换模块的输入侧，功率变换子模块包括全桥电路，功率解耦电路，直流侧支撑电容，直流侧等效负载，其中全桥电路的输出经过功率解耦电路接到直流侧，所述功率解耦回路用于抑制直流母线二次纹波功率，减小直流侧支撑电容容量。
全桥电路由并有反接二极管的功率开关管Si1-Si4(i＝1,2)组成，其中Si1的发射极与Si2的集电极相连构成Ai桥臂，Si3的发射极与Si4的集电极相连构成Bi桥臂，两桥臂的中点为全桥电路的输入端，Si1与Si3共集电极连接，Si2与Si4共发射极连接，共集电极连接点和共发射极连接点作为全桥电路的输出端。
功率解耦电路采用Buck型有源功率解耦，由两个并有反接二极管的功率开关管Si5，Si6，解耦电感Lri和解耦电容Csi组成，Si5的发射极与Si6的集电极相连构成解耦桥臂，解耦电感与解耦电容串联，连接解耦桥臂中点与公共地。
直流侧等效负载由直流母线支撑电容Ci与等效负载电阻Ri并联组成。
icomp1、icomp2分别为整流单元1、整流单元2的输出电流，用于二次纹波电流的提取，ucs1、ucs2分别为解耦电容Cs1、Cs2两端电压，iLr1、iLr2为流过解耦电感Lr1、Lr2的电流，udc1、udc2为直流侧输出电压。
Buck型有源功率解耦控制与整流单元控制无耦合，可以独立控制，采用基于自适应选频器的二次纹波电流实时提取方案，通过运算实时分配解耦桥臂开关管占空比。这种独立式的控制使得有源功率解耦控制的加入没有增加系统控制上的复杂性，且通过和电压均衡控制的配合使得系统高可靠性和高功率密度兼备，功率解耦电路补偿直流母线二次纹波功率的原理如下：
以第一个功率子模块的解耦电路为例，解耦电容作为储能元件储存全部纹波能量，解耦电感只负责能量的传递，Buck型有源功率解耦拓扑的工作模态如图2(a)-图2(b)所示，在进行直流母线二次纹波功率的转移过程中，解耦单元在两种工作模态中转换，以实现和直流母线中纹波能量的双向交互，如图2(a)所示，解耦单元工作在Buck模式，S16处于关断状态，通过S15的导通和关断实现纹波能量在解耦电容中的储存，在S15导通期间，直流母线同时给解耦电感和解耦电容充电，在S15关断后，解耦电感继续给解耦电容充电，通过这一过程，直流母线二次纹波能量全部储存到解耦电容中，如图2(b)所示，解耦单元工作在Boost模式时，S15处于关断状态，在S16导通期间，解耦电容给解耦电感充电，在S16关断后，解耦电容和解耦电感同时将能量释放到直流母线上，通过这一过程，解耦电容中的纹波能量全部补偿到直流母线上。
有源功率解耦模块开关管占空比计算：
在Buck工作阶段，S15导通时，解耦电感充电，电流上升斜率为：
Figure BDA0002103370660000091
S15关断时，解耦电感放电，电流下降斜率为：
Figure BDA0002103370660000092
在Boost工作阶段，S16导通时，解耦电感充电，电流上升斜率为：
Figure BDA0002103370660000093
S16关断时，解耦电感放电，电流下降斜率为：
Figure BDA0002103370660000094
其中，Udc为第一个功率子模块的解耦电路的直流母线两端的电压；
Ucs为第一个功率子模块的解耦电路的解耦电容Cs两端的电压；
Lr为第一个功率子模块的解耦电路的解耦电感。
一个开关周期内，直流母线上二次纹波电流iripple可看作恒值，如图3(a)，一个开关周期内，流过开关管S15的二次纹波电流总量可以用阴影部分面积表示：
Figure BDA0002103370660000095
则在Buck工作阶段，每个开关周期内S15的导通占空比可表示为：
Figure BDA0002103370660000101
如图3(b)，同理，在Boost工作阶段，一个开关周期内流过开关管S15的二次纹波电流总量可以用阴影部分面积表示：
Figure BDA0002103370660000102
Ts为开关周期；
图3(b)中t1和t2之间的关系可表示为：
t1Boost_up＝t2Boost_down (8)
则有：
Figure BDA0002103370660000103
将式(9)代入(7)可得：
Figure BDA0002103370660000104
则Boost工作阶段，每个开关周期内S16的导通占空比可表示为：
Figure BDA0002103370660000105
其中，t1为解耦电感电流上升时间，t2为解耦电感电流下降时间。
Buck型有源功率解耦桥臂开关管占空比的分配需要精确的二次纹波参考电流给定，结合自适应滤波器良好的选频特性，将自适应滤波器传递函数形式加以变换，即可成为选频器，用于信号中特定频率分量的提取，其传递函数如下：
Figure BDA0002103370660000106
其中，ξ为自适应滤波器参数，k为常系数，ω为频率。
本实施例的一种高功率密度单相级联H桥整流器的控制方法原理为：
闭环控制各个功率变换单元直流母线电压，生成各个功率变换单元的运行电压以及H桥整流器的总电压；
其中，生成各个功率变换单元的运行电压以及H桥整流器的总电压的过程为：
为实现各个级联单元直流侧母线电压稳定平衡，将各级联单元直流侧实际输出电压滤波后与电压参考值比较，各个差值均经PI调节得到对应的相应运行控制电压幅值，在系统运行过程中，实时将各单元运行控制电压相加得到H桥整流器的总电压；
将H桥整流器的总电压作为外环给定值，闭环控制网侧电流，生成平均调制信号因子；其中，生成平均调制信号因子的过程为：
H桥整流器的总电压除以网侧输入电压幅值标幺化，再与网侧电压锁相环输出相位相乘，作为网侧电流参考值；
将实际检测的电网电流瞬时值与网侧电流参考值比较，再经网侧滤波电感电流闭环无静差跟踪，输出平均调制信号因子；
将系统总电压平均值分别与各功率单元电压比较，差值标幺化后与网侧电压相位相乘后的结果作为偏差调制信号因子，同时实现电压均衡与直流母线电压二次脉动的抑制；
将各个功率变换单元的偏差调制信号因子与平均调制信号因子叠加，生成各个功率变换单元的最终调制信号；
将各个功率变换单元的最终调制信号与载波比较，采用单极倍频载波移相调制算法产生各个功率变换单元的开关管的驱动信号；
实时各个功率变换单元的提取直流母线上的二次纹波电流，在线计算解耦单元中功率开关管占空比，以实现直流母线上二次纹波功率向解耦单元的转移。
单相级联H桥整流器独立式有源功率解耦控制策略能够同时实现单位功率因数整流、有源功率解耦控制和直流侧电压均衡控制，控制策略由单位功率因数整流模块、直流母线电压控制模块、电压均衡模块、调制信号生成模块、有源功率解耦模块以及驱动信号生成模块组成，其控制框图如图4所示。单位功率因数整流模块通过对网侧电流的闭环控制生成系统的平均调制信号因子；电压控制模块，通过对级联单元直流母线电压的闭环控制生成各模块运行功率以及系统总电压，为单位功率因数整流模块和电压均衡控制模块提供外环给定；电压均衡模块生成级联单元的偏差调制信号因子，电压均衡控制是系统稳定运行的基础，与有源功率解耦控制模块配合同时实现电压均衡与直流母线电压二次脉动的抑制；调制信号生成模块通过将级联模块单元偏差调制信号因子叠加到系统平均调制信号因子上生成最终调制信号；驱动信号生成模块通过单相载波移相倍频调制算法，将调制信号与载波比较产生开关管的驱动信号。
单相载波移相倍频调制算法，其工作原理如图10所示，以三单元级联H桥整流器载波移相倍频调制为例。三个级联单元共用一个调制波，三单元载波依次滞后60°，如N个单元则依次滞后180°/N(N为级联单元数量)；同一个单元左右两个桥臂采用载波相差180°(或者反相)。如此，若器件开关频率为fs，则网侧滤波器等效频率为2*N*fs，有利于减小电抗器，提高并网电流质量。
经上述控制，可实现单位功率因数整流，直流侧输出电压均衡控制以及有源功率解耦。
在MATLAB/Simulink中进行仿真实验，验证所提拓扑及控制方案的有效性，仿真参数如表1所示。
表1
Figure BDA0002103370660000131
图5(a)-图5(b)为单相两模块级联H桥整流器有源功率解耦仿真分析图，其中图5(a)为网侧电压、电流波形，图5(b)为直流侧输出电压和解耦电容电压波形。在0.8秒前解耦回路处于工作状态，0.8秒后断开解耦回路。解耦时，直流侧电压波动范围792～806V，约为直流侧母线电压给定值的±1％，交流输入电流THD＝3.64％，切除解耦回路后直流母线纹波电压范围增大到719～878V，交流输入电流THD＝4.85％。若想使无功率解耦时的纹波电压波动范围保持±1％，则需要直流母线支撑电容的容值为1000uF。所提拓扑及控制方案极大程度地抑制了二次纹波功率，减小了直流母线支撑电容。
图6为Buck型有源功率解耦回路工作过程的相关参数波形图，更直观的显示了解耦回路纹波功率解耦的过程。
图7(a)-图7(b)为系统在直流侧负载平衡时启动，负载发生突变时的仿真波形。在0.4秒，负载电阻R1突变为80Ω，R2突变为300Ω。图7(a)为仿真过程中两模块直流侧输出电压波形。图7(b)分别为直流侧负载均衡和负载突变之后，两模块直流侧输出电压波形。在负载突变前两模块直流侧电压波动范围为800±6V，电压波动抑制效果良好，在负载突变之后，udc1电压波动范围为±6V，udc2电压波动范围为±9V，说明负载突变之后，在电压均衡控制和有源功率解耦的综合控制下，能够实现低电压脉动和电压均衡输出。
图8为负载突变之后无电压均衡控制作用时，直流侧输出电压波形。仿真效果表明在级联模块无电压均衡控制时，功率解耦功能仍能实现，说明了所采用的基于二次纹波电流提取的实时分配占空比的有源功能解耦控制策略的独立性和有效性。但是，未加电压均衡控制策略，无疑会增加直流侧支撑电容电压应力，解耦单元电感电流峰值和电容波动范围也会发生变化，不利于系统的稳定运行。
图9(a)-图9(b)为系统在负载不平衡条件下启动时有源功率解耦仿真分析，图9(a)为负载不平衡启动直流侧输出电压波形，图9(b)为0.4秒到0.5秒的放大波形。从图中可以得出纹波电压抑制效果良好，经电压均衡和有源功率解耦综合控制，系统能够同时抑制直流侧纹波电压抑制，和各级联单元的电压均衡控制，使得系统能够实现安全、可靠、高功率密度稳定运行。
上述仿真实验结果表明，本实施例所述具备独立式有源功率解耦的单相级联H桥整流器及其控制策略在保证系统单位功率因数以及直流母线电压平衡的条件下，较好地实现了有源功率解耦功能，有效的抑制了直流侧纹波功率，减小了直流侧支撑电容的容值，提升了系统的可靠性，提高了系统的功率密度。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高功率密度单相级联H桥整流器的控制方法，所述的一种高功率密度单相级联H桥整流器包括：交流网侧滤波电感和至少两个级联的功率变换单元；每个功率变换单元包括并联连接的H桥功率单元、解耦单元和直流侧等效负载；每个解耦单元均为一个独立式降压型有源功率解耦回路，所述解耦单元用于缓冲二次纹波功率，以减小直流母线电容的容量；其特征在于，
闭环控制各个功率变换单元直流母线电压，生成各个功率变换单元的运行电压以及H桥整流器的总电压；
将H桥整流器的总电压作为外环给定值，闭环控制网侧电流，生成平均调制信号因子；
将系统总电压平均值分别与各功率单元电压比较，差值标幺化后与网侧电压相位相乘后的结果作为偏差调制信号因子，同时实现电压均衡与直流母线电压二次脉动的抑制；
将各个功率变换单元的偏差调制信号因子与平均调制信号因子叠加，生成各个功率变换单元的最终调制信号；
将各个功率变换单元的最终调制信号与载波比较，采用单极倍频载波移相调制算法产生各个功率变换单元的开关管的驱动信号；
实时各个功率变换单元的提取直流母线上的二次纹波电流，在线计算解耦单元中功率开关管占空比，以实现直流母线上二次纹波功率向解耦单元的转移。
2.如权利要求1所述的一种高功率密度单相级联H桥整流器的控制方法，其特征在于，所述解耦单元包括串联功率模块，所述串联功率模块由两只串联的开关功率元件构成，串联功率模块的两端分别与相应功率变换单元直流侧的正负母线相连，串联功率模块的中间连接点接有串联的电感和电容回路，电容的另一端接到相应功率变换单元直流侧的负母线上。
3.如权利要求1所述的一种高功率密度单相级联H桥整流器的 控制方法，其特征在于，每个功率变换单元还包括：与直流侧等效负载并联连接的直流滤波电容，所述直流滤波电容用于消除高次谐波。
4.如权利要求1所述的一种高功率密度单相级联H桥整流器的控制方法，其特征在于，所述直流侧等效负载为电阻元件、DC/DC变换器或者电容元件。
5.如权利要求1所述的一种高功率密度单相级联H桥整流器的控制方法，其特征在于，生成各个功率变换单元的运行电压以及H桥整流器的总电压的过程为：
为实现各个级联单元直流侧母线电压稳定平衡，将各级联单元直流侧实际输出电压滤波后与电压参考值比较，各个差值均经PI调节得到对应的相应运行控制电压幅值，在系统运行过程中，实时将各单元运行控制电压相加得到H桥整流器的总电压。
6.如权利要求1所述的一种高功率密度单相级联H桥整流器的控制方法，其特征在于，生成平均调制信号因子的过程为：
H桥整流器的总电压除以网侧输入电压幅值标幺化，再与网侧电压锁相环输出相位相乘，作为网侧电流参考值；
将实际检测的电网电流瞬时值与网侧电流参考值比较，再经网侧滤波电感电流闭环无静差跟踪，输出平均调制信号因子。
7.一种高功率密度单相级联H桥整流器的控制系统，所述的一种高功率密度单相级联H桥整流器包括：交流网侧滤波电感和至少两个级联的功率变换单元；每个功率变换单元包括并联连接的H桥功率单元、解耦单元和直流侧等效负载；每个解耦单元均为一个独立式降压型有源功率解耦回路，所述解耦单元用于缓冲二次纹波功率，以减小直流母线电容的容量；其特征在于，
直流母线电压控制模块，其用于闭环控制各个功率变换单元直流母线电压，生成各个功率变换单元的运行电压以及H桥整流器的总电压；
单位功率因数整流模块，其用于将H桥整流器的总电压作为外环给定值，闭环控制网侧电流，生成平均调制信号因子；
电压均衡模块，其用于将系统总电压平均值分别与各功率单元电压比较，差值标幺化后与网侧电压相位相乘后的结果作为偏差调制信号因子，同时实现电压均衡与直流母线电压二次脉动的抑制；
调制信号生成模块，其用于将各个功率变换单元的偏差调制信号因子与平均调制信号因子叠加，生成各个功率变换单元的最终调制信号；
驱动信号生成模块，其用于将各个功率变换单元的最终调制信号与载波比较，采用单极倍频载波移相调制算法产生各个功率变换单元的开关管的驱动信号；
有源功率解耦控制模块，其用于实时各个功率变换单元的提取直流母线上的二次纹波电流，在线计算解耦单元中功率开关管占空比，以实现直流母线上二次纹波功率向解耦单元的转移。
8.如权利要求7所述的一种高功率密度单相级联H桥整流器的控制系统，其特征在于，在所述直流母线电压控制模块中，生成各个功率变换单元的运行电压以及H桥整流器的总电压的过程为：
为实现各个级联单元直流侧母线电压稳定平衡，将各级联单元直流侧实际输出电压滤波后与电压参考值比较，各个差值均经PI调节得到对应的相应运行控制电压幅值，在系统运行过程中，实时将各单元运行控制电压相加得到H桥整流器的总电压。
9.如权利要求7所述的一种高功率密度单相级联H桥整流器的控制系统，其特征在于，在所述单位功率因数整流模块中，生成平均调制信号因子的过程为：
H桥整流器的总电压除以网侧输入电压幅值标幺化，再与网侧电压锁相环输出相位相乘，作为网侧电流参考值；
将实际检测的电网电流瞬时值与网侧电流参考值比较，再经网侧滤波电感电流闭环无静差跟踪，输出平均调制信号因子。
CN201910543787.9A 2019-06-21 2019-06-21 高功率密度单相级联h桥整流器、控制方法及控制系统 Active CN110380626B (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910543787.9A CN110380626B (zh) 2019-06-21 2019-06-21 高功率密度单相级联h桥整流器、控制方法及控制系统
PCT/CN2020/097207 WO2020253846A1 (zh) 2019-06-21 2020-06-19 高功率密度单相级联h桥整流器、控制方法及控制系统
US17/271,370 US11621651B2 (en) 2019-06-21 2020-06-19 High-power density, single-phase cascaded H-bridge rectifier, control method, and control system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910543787.9A CN110380626B (zh) 2019-06-21 2019-06-21 高功率密度单相级联h桥整流器、控制方法及控制系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110380626A CN110380626A (zh) 2019-10-25
CN110380626B true CN110380626B (zh) 2020-06-12

Family

ID=68250625

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910543787.9A Active CN110380626B (zh) 2019-06-21 2019-06-21 高功率密度单相级联h桥整流器、控制方法及控制系统

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11621651B2 (zh)
CN (1) CN110380626B (zh)
WO (1) WO2020253846A1 (zh)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110380626B (zh) 2019-06-21 2020-06-12 山东大学 高功率密度单相级联h桥整流器、控制方法及控制系统
CN113036831B (zh) * 2019-12-25 2022-08-23 国创移动能源创新中心(江苏)有限公司 充电系统的控制方法和装置
CN111953218B (zh) * 2020-08-07 2021-08-03 山东大学 级联h桥整流器有源功率解耦控制方法、控制器及整流器
CN112104333B (zh) * 2020-09-27 2021-05-25 光彩芯辰(浙江)科技有限公司 一种光电微电子信号补偿设备
CN112865528B (zh) * 2020-12-31 2022-02-11 北京交通大学 一种基于直流母线电压检测的二次脉动功率解耦方法
CN112910296B (zh) * 2021-01-07 2022-11-29 元山(济南)电子科技有限公司 一种单相逆变器
CN113098421A (zh) * 2021-04-01 2021-07-09 中国矿业大学 一种并联型有源电力滤波器直流侧电压低频纹波抑制方法
CN113478065A (zh) * 2021-06-30 2021-10-08 苏州英威腾电力电子有限公司 复用h桥电路的控制方法、控制电路以及摩擦焊装置
CN113659860B (zh) * 2021-07-27 2023-05-30 广东志成冠军集团有限公司 开关功率放大器及其控制方法、控制系统
CN113746362B (zh) * 2021-08-30 2023-05-16 特变电工西安电气科技有限公司 一种单位功率因数整流器的控制策略、装置和计算机设备
CN113965097B (zh) * 2021-11-01 2023-07-11 国网湖北省电力有限公司电力科学研究院 一种暂态电压支撑的v2g主电路拓扑结构
CN114545133B (zh) * 2022-02-28 2024-04-19 广西水利电力职业技术学院 一种基于电流检测的单相级联h桥整流器的故障诊断方法
CN114679070B (zh) * 2022-04-13 2023-02-03 深圳市京泉华科技股份有限公司 一种潮汐能控制系统及其控制方法
CN115021541B (zh) * 2022-08-09 2022-11-04 西南交通大学 非隔离upqc电路离网运行状态下脉动功率的抑制方法
CN116914822A (zh) * 2023-06-21 2023-10-20 暨南大学 新能源储能集成并网的多端口变流电路、装置及控制方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010014749A1 (en) * 2008-07-30 2010-02-04 Rolls-Royce Corporation Electrical power system with high-density width modulated (pwm) rectifier
CN103066871A (zh) * 2013-01-15 2013-04-24 中国矿业大学(北京) 大功率级联式二极管h桥单位功率因数整流器
CN204190640U (zh) * 2014-07-28 2015-03-04 中国矿业大学(北京) 大功率混合级联桥式单位功率因数整流器
DE112014006905T5 (de) * 2014-08-29 2017-05-18 Shindengen Electric Manufacturing Co., Ltd. Leistungsfaktorverbesserungswandler und Stromversorgungsvorrichtung, umfassend Leistungsfaktorverbesserungswandler
US20160149509A1 (en) * 2014-11-21 2016-05-26 Siemens Aktiengesellschaft Connecting power plants to high voltage networks
CN105811790A (zh) * 2016-05-17 2016-07-27 中车株洲电力机车研究所有限公司 一种牵引电力电子变压器系统
CN107546999B (zh) * 2017-08-22 2019-12-03 浙江大学 一种带有源功率解耦单相零电压开关逆变器电路及其调制方法
CN107888091A (zh) * 2017-10-31 2018-04-06 北方智能装备有限公司 一种级联h桥整流直流电容电压平衡控制方法
CN109194113B (zh) * 2018-08-02 2021-01-19 西安交通大学 具备有源功率解耦功能的功率因数校正器及其控制方法
CN109450239B (zh) * 2018-10-24 2023-10-27 华东交通大学 一种六开关的微逆变器交流侧功率耦合电路
CN110380626B (zh) * 2019-06-21 2020-06-12 山东大学 高功率密度单相级联h桥整流器、控制方法及控制系统

Also Published As

Publication number Publication date
US11621651B2 (en) 2023-04-04
CN110380626A (zh) 2019-10-25
WO2020253846A1 (zh) 2020-12-24
US20210203248A1 (en) 2021-07-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110380626B (zh) 高功率密度单相级联h桥整流器、控制方法及控制系统
CN111064359A (zh) 宽范围双向变换电路及控制方法
US9673732B2 (en) Power converter circuit
CN110556852B (zh) 基于soc动态均衡子模块检索的分布式储能系统及控制方法
CN104810857B (zh) 一种单相光伏并网发电系统输出功率平滑控制装置及控制方法
CN110611435B (zh) 一种级联型灵活交流链变换器拓扑结构
CN105379096A (zh) 有关将电力从dc电力线分接到ac电力线的布置、方法和计算机程序产品
CN104485832A (zh) 具有输入低频电流纹波抑制功能的光伏高频链并网逆变器
CN102570488B (zh) 基于锂电池储能的功率转换系统及其控制方法
CN105337520A (zh) 光伏并网变换器、光伏供电系统和电器
CN205195587U (zh) 光伏并网变换器、光伏供电系统和电器
CN110957912B (zh) 基于可控直流母线的分布式储能装置
CN210490732U (zh) 储能变流器
CN115663864A (zh) 一种高压直流级联储能系统及其控制保护方法
CN108448923B (zh) 一种实现三相逆变器软开关的变频控制方法
Türksoy et al. Minimizing capacitance value of interleaved power factor corrected boost converter for battery charger in electric vehicles
CN105024578A (zh) 一种三相模块化多电平变换器并联系统及其控制方法
CN114362549B (zh) 基于非隔离型背靠背拓扑的级联多电平变流器及其控制策略
CN105958468A (zh) V2g直流双向储能变流器
CN113258797B (zh) 一种异构开关管桥臂的背靠背式三电平整流器
CN112865561B (zh) 一种二极管箝位式背对背无桥三电平整流器
Kankanala et al. Modeling and control of cascaded bridgeless multilevel rectifier under unbalanced load conditions
CN114069633A (zh) 一种含高频隔离型背靠背变换器的混合型智能配电变压器
Kanaan et al. A modified sheppard-taylor power factor corrector operating in discontinuous capacitor voltage mode
Rzasa Capacitor clamped multilevel matrix converter controlled with Venturini method

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant