CN111049414B - 周期性均衡轮换工作的全控h桥变换器主动温度控制策略 - Google Patents

周期性均衡轮换工作的全控h桥变换器主动温度控制策略 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种全控H桥变换器基于周期性均衡轮换工作机理的主动温度控制策略。具体实现步骤如下：1、以全控H桥变换器交流侧端口电压参考波的两个基频周期为一个轮换周期，根据输入电流与交流侧端口电压参考波的极性特征，将每个轮换周期分为八个工作区域；2、根据每个工作区域内不同的工作机理，提供两种相应的开关方式轮换顺序，使得全控H桥变换器内所有全控型开关器件和反并联二极管周期性的均衡轮换使用，实现各种工况下全控H桥变换器内所有功率开关器件温度的均衡降低；3、通过设置三级开关选择器，使得全控H桥变换器内所有全控型开关器件在各个工作区域内准确接收相应的开关驱动信号，保证所有功率开关器件顺利完成均衡轮换工作。

Description

周期性均衡轮换工作的全控H桥变换器主动温度控制策略
技术领域
本发明属于大功率级联H桥多电平电力电子变换器可靠性研究领域，特别涉及一种全控H桥变换模块基于周期性均衡轮换工作机理的主动温度控制策略。
背景技术
近年来，随着电力电子技术的发展和工业现代化的不断进步，“多电平功率变换器”(Multilevel Converter)在工业应用的各个领域受到越来越多的关注。多电平变换器的基本电路拓扑结构大致可分为钳位型和单元级联型两大类，其中级联H桥多电平变换器由于其所具有的易于模块化设计，易于冗余操作，结构简单，控制方便，谐波污染小，输入输出功率范围宽等一系列优点，在中高电压大功率变频调速、电力电子变压器设计、高压直流(HVDC)输电和电力系统无功补偿及有源电力滤波等领域成为最受欢迎的拓扑，并得到越来越广泛的成功应用。
级联H桥多电平变换器在实际应用中的主要问题是可靠性问题，级联H桥多电平变换器属于复杂电力电子系统，其所使用的大量的功率开关器件极大的增高了其故障概率。许多研究文献指出，电力电子系统中最经常出现的故障是功率开关器件的故障，而功率开关器件的故障又与器件的结温，更确切的说与器件的热应力和热循环密切相关。因此，降低功率开关器件的热应力将会有效延长器件的使用寿命，从而提高整个电力电子系统的可靠性。
近年来，有大量的研究探讨了对电力电子系统中功率开关器件的热应力控制方法。这些方法大致上可以分为两类。一种是通过对器件外部硬件的改进降低器件的热应力；另外一种方法称为主动温度控制策略，这种方法通常被认为是一种更有效，性价比更高的解决方案。主动温度控制策略通常是通过改变功率开关器件自身的运行参数实现降温，例如，某些文献提出通过降低开关频率减小功率开关器件的开关损耗，达到降低器件温度的目的，但是这种方法会明显增加电流的谐波，而这在某些应用中是不可接受的。某些文献提出采用不连续的脉宽调制方法，减小功率开关器件的开关损耗，达到降低器件温度的目的，但这种方法同样会明显增加电流的谐波。某些文献提出当H桥变换器用于MMC变换模块，且仅考虑交流侧端口电压产生正电平和零时，通过在两种工作模式之间切换，达到对功率开关器件的功率损耗进行重新分配的目的，但这种方法并不能减少总的损耗，也不能使所有功率开关器件的功率损耗得到平均的降低，从而使所有功率开关器件的温度得到平均的降低。此种方法中，当某一开关器件温度降低的同时会使另一功率开关器件温度上升。另外当要求H桥变换器交流侧端口电压产生负值时，此方法也无法使用。到目前为止还没有提出任何一种使全控H桥电路在各种工况下使所有功率开关器件的温度得到均衡的降低，并且不影响电路所有性能的满意的解决方案。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种全控H桥变换器基于周期性均衡轮换工作机理的主动温度控制策略。该控制策略通过对全控H桥变换器中所有功率开关器件(全控型开关管和反并联二极管)周期性的均衡轮换使用，使得全控H桥变换器在各种工况下均可使所有功率开关器件的温度得到均衡的降低。
本发明的发明目的是通过下述技术方案予以实现的，其特征在于：以全控H桥变换器交流侧端口电压参考波的两个基频周期为一个轮换周期，根据全控H桥变换器输入电流与交流侧端口电压参考波的极性特征，将每个轮换周期分为八个工作区域，根据每个工作区域运行时的工作机理选择不同的开关方式，使得全控H桥变换器中所有功率开关器件(全控型开关管和反并联二极管)在一个轮换周期内具有均等的使用次数和开关时间。通过本发明所提供的控制策略，在任一工作区域内，有且仅有一个功率开关器件常通工作，与之不同桥臂的一个全控型开关管和一个反并联二极管交替导通工作，实现了每个工作区域内一部分功率开关器件的特定降温和每个轮换周期内所有功率开关器件的整体均衡降温。同时，本发明所提供的控制策略对全控H桥变换器的自身功能不产生任何影响。
本发明提供的一种全控H桥变换器基于周期性均衡轮换工作机理的主动温度控制策略如图1所示，全控H桥变换器拓扑由四个全控型开关管，四个反并联二极管和一个稳压电容组成，其中包括第一全控开关管S1、第二全控开关管S2、第三全控开关管S3、第四全控开关管S4，以及与之对应的第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4。交流侧端口一端与第一全控开关管S1的发射极和第二全控开关管S2的集电极相连，另一端与第三全控开关管S3的发射极和第四全控开关管S4的集电极相连；第一全控开关管S1的集电极和第三全控开关管S3的集电极相连构成直流侧正端，第二全控开关管S2的发射极和第四全控开关管S4的发射极相连构成直流侧负端。稳压电容的正端与全控H桥变换器直流侧正端相连，稳压电容的负端与全控H桥变换器直流侧负端相连。交流侧端口电压为uab，对应的参考波电压为uab *，输入电流为i，直流侧电压为Udc。四个全控开关管的驱动信号为第一全控开关管S1栅极驱动脉冲G1，第二全控开关管S2栅极驱动脉冲G2，第三全控开关管S3栅极驱动脉冲G3，第四全控开关管S4栅极驱动脉冲G4。
全控H桥变换器可分别工作于整流模式、纯容性无功补偿运行模式、逆变模式和纯感性无功补偿运行模式，图2(a)(b)(c)(d)给出了对应的交流侧端口电压参考波和输入电流的时域波形。其中，在整流模式或逆变模式中，根据其交流侧功率因数角的变化，全控H桥变换器在传输正方向或负方向有功功率的基础上，还能够为电网提供一定量的无功功率；而在纯容性无功补偿运行模式或纯感性无功补偿运行模式时，全控H桥变换器仅对电网完成无功补偿的功能。由图2可知，根据全控H桥变换器输入电流i与交流侧端口电压参考波uab *的极性特征可将交流侧端口电压参考波的两个基频周期分为八个工作区域，分别命名为工作区域1至工作区域8。其中，在工作区域1、3、5、7中，输入电流i与交流侧端口电压参考波uab *的极性相同，在工作区域2、4、6、8中，输入电流i与交流侧端口电压参考波uab *的极性相反。
在图2(a)(b)(c)(d)中，
在工作区域1、5中，输入电流i＞0，端口电压参考波uab *＞0；
在工作区域2、6中，输入电流i＜0，端口电压参考波uab *＞0；
在工作区域3、7中，输入电流i＜0，端口电压参考波uab *＜0；
在工作区域4、8中，输入电流i＞0，端口电压参考波uab *＜0；
在对全控H桥变换器进行脉宽调制控制时，在输入电流与交流侧端口电压参考波极性相同或相反的工作区域内，可以选用不同的工作机理来运行。同时，由于每种工作机理存在着多种开关方式，因而合理地利用和分配不同的工作机理及相应的开关方式即可实现全控H桥变换器整体均衡降温的目的。
具体地，基于八个工作区域内不同的工作机理及相应的开关方式，本发明提供了两种开关方式的轮换顺序，分别如图3和图4所示。其中，图3(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)和图4(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)分别对应于工作区域1、2、3、4、5、6、7、8。
在第一种开关方式轮换顺序中：
工作区域1选用二极管D1常通，S3与D4交替导通；
工作区域2选用开关管S1常通，S4与D3交替导通；
工作区域3选用二极管D2常通，S4与D3交替导通；
工作区域4选用开关管S2常通，S3与D4交替导通；
工作区域5选用二极管D4常通，S2与D1交替导通；
工作区域6选用开关管S4常通，S1与D2交替导通；
工作区域7选用二极管D3常通，S1与D2交替导通；
工作区域8选用开关管S3常通，S2与D1交替导通；
功率开关管的开关状态如下表所示。
Figure BDA0002353643530000031
在第二种开关方式轮换顺序中：
工作区域1选用二极管D1常通，S3与D4交替导通；
工作区域2选用开关管S4常通，S1与D2交替导通；
工作区域3选用二极管D2常通，S4与D3交替导通；
工作区域4选用开关管S3常通，S2与D1交替导通；
工作区域5选用二极管D4常通，S2与D1交替导通；
工作区域6选用开关管S1常通，S4与D3交替导通；
工作区域7选用二极管D3常通，S1与D2交替导通；
工作区域8选用开关管S2常通，S3与D4交替导通；
功率开关管的开关状态如下表所示。
Figure BDA0002353643530000041
不难发现，基于不同的工作机理，在工作区域1、3、5、7中，二极管器件工作于常通状态，在工作区域2、4、6、8中，全控开关管器件工作于常通状态。进一步地，在所述的两种开关方式轮换顺序中，任一工作区域内仅存在一个全控开关管或二极管常通，以及与之不同桥臂的一个全控开关管和一个二极管交替导通。在以交流侧端口电压参考波的两个基频周期为一个轮换周期的时间内，所有全控开关管和二极管有着均等的使用次数，从而具有平均的功率损耗。如此轮换运行，本发明提供的一种基于周期性均衡轮换工作机理的全控H桥变换器主动温度控制策略在一个轮换周期内即可实现使所有功率开关器件整体降温的目的，进而有效的提升了全控H桥变换器的可靠性。
特别地，以上工作区域的划分均基于全控H桥变换器输入电流i与交流侧端口电压参考波uab *相位关系中的一般情况，而输入电流i与交流侧端口电压参考波uab *存在两种特殊的相位关系，如图5(a)(b)所示。当输入电流i与交流侧端口电压参考波uab *相位相差0°时，此时仅存在工作区域1、3、5、7；当输入电流i与交流侧端口电压参考波uab *相位相差180°时，此时仅存在工作区域2、4、6、8，但其工作机理和开关状态的轮换方式依旧维持不变，本发明提供的一种基于周期性均衡轮换工作机理的全控H桥变换器主动温度控制策略仍然适用。
为实现以上目的，所述本发明涉及的方法步骤包括：
1.以交流侧端口电压参考波uab *的两个基频周期为一个轮换周期，根据输入电流i与交流侧端口电压参考波uab *的极性特征，将一个轮换周期分为八个工作区域。在工作区域1、3、5、7中，输入电流与交流侧端口电压参考波极性相同；在工作区域2、4、6、8中，输入电流i与交流侧端口电压参考波uab *极性相反，极性相同与相反的工作区域选择不同的工作机理来运行。基于不同的工作机理，将交流侧端口电压参考波uab *与三角载波信号进行比较后产生两路脉宽调制信号A、B，脉宽调制信号A对应极性相同的工作区域1、3、5、7，脉宽调制信号B对应极性相反的工作区域2、4、6、8；
2.工作区域1、3、5、7的驱动信号由脉宽调制信号A与高低电平信号配置产生，工作区域2、4、6、8的驱动信号由脉宽调制信号B与高低电平信号配置产生。根据不同工作区域所选用的特定工作机理及相应的开关方式，共存在两种可以实现全控H桥变换器中所有功率开关器件(全控型开关管和反并联二极管)周期性均衡轮换使用的开关方式轮换顺序，基于其中任一种开关方式轮换顺序为各个工作区域配置相应的开关管驱动信号；
3.基于所选择的开关方式轮换顺序，在全控H桥变换器运行时，开关管驱动信号需随着特定工作区域的变化而进行实时轮换输出，因此需要在控制策略中设置相应的开关选择器来输出与当前工作区域所对应的驱动信号。由于一个轮换周期内存在八种开关方式，而每一级开关选择器仅能够选择两种开关方式，根据公式23＝8，因而需要三级开关选择器实现驱动信号的准确输出。
第一级开关选择器以脉冲信号K的极性作为判定条件。由于工作区域1和5、工作区域2和6、工作区域3和7、工作区域4和8具有相同的极性特征，因而在脉冲信号判定输出时，可将工作区域1和5分为一组、工作区域2和6分为一组、工作区域3和7分为一组、工作区域4和8分为一组。令脉冲信号K在工作区域1、2、3、4为正值，在工作区域5、6、7、8为负值，脉冲周期为一个轮换周期。当K>0时，第一级开关选择器输出工作区域1-4的驱动信号；当K<0时，第一级开关选择器输出工作区域5-8的驱动信号；
第二级开关选择器在第一级开关选择器的基础上，加入输入电流i的极性作为判定条件。
当K>0，i>0时，第二级开关选择器输出工作区域1和4的驱动信号；
当K>0，i<0时，第二级开关选择器输出工作区域2和3的驱动信号；
当K<0，i>0时，第二级开关选择器输出工作区域5和8的驱动信号；
当K<0，i<0时，第二级开关选择器输出工作区域6和7的驱动信号；
第三级开关选择器在第一级和第二级开关选择器的基础上，加入输入电流i与交流侧端口电压参考波uab *乘积的极性作为判定条件，完成最终驱动信号的准确输出。
具体判定情况可以表示为：
当K>0，i>0，i·uab *>0时，第三级开关选择器输出工作区域1对应的驱动信号；
当K>0，i<0，i·uab *<0时，第三级开关选择器输出工作区域2对应的驱动信号；
当K>0，i<0，i·uab *>0时，第三级开关选择器输出工作区域3对应的驱动信号；
当K>0，i>0，i·uab *<0时，第三级开关选择器输出工作区域4对应的驱动信号；
当K<0，i>0，i·uab *>0时，第三级开关选择器输出工作区域5对应的驱动信号；
当K<0，i<0，i·uab *<0时，第三级开关选择器输出工作区域6对应的驱动信号；
当K<0，i<0，i·uab *>0时，第三级开关选择器输出工作区域7对应的驱动信号；
当K<0，i>0，i·uab *<0时，第三级开关选择器输出工作区域8对应的驱动信号；
附图说明
图1为本发明一种基于周期性均衡轮换工作机理的全控H桥变换器主动温度控制策略系统结构图；
图2为本发明中全控H桥变换器在各种运行模式下的工作区域图；
图3为本发明中基于周期性均衡轮换工作机理的第一种开关方式轮换顺序图；
图4为本发明中基于周期性均衡轮换工作机理的第二种开关方式轮换顺序图；
图5为本发明中全控H桥变换器在输入电流与交流侧端口电压参考波特殊相位关系下的工作区域图；
图6为本发明实施例一种基于周期性均衡轮换工作机理的链式SVG主动温度控制策略系统结构图；
图7为本发明实施例中A相全控H桥变换器基于周期性均衡轮换工作机理的主动温度控制策略步骤图；
图8为本发明实施例MATLAB/Simulink仿真软件输入电流波形图；
图9为本发明实施例PLECS仿真软件A相单元温度曲线图；
图10为本发明实施例PLECS仿真软件A相单元损耗曲线图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图6所示，以全控H桥变换器在三相SVG拓扑中的应用为实施例。其中，三相电网相电压为usa usb usc，三相电网电流为isa isb isc，电网负载三相电流为iLa iLb iLc，三相SVG拓扑输入电流为ia ib ic，A、B、C相单元的交流侧端口电压参考波为uaba *uabb *uabc *。
全控H桥拓扑由四个全控型开关管，四个反并联二极管和一个稳压电容组成，其中包括第一全控开关管S1、第二全控开关管S2、第三全控开关管S3、第四全控开关管S4，以及与之对应的第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4。交流侧端口的一端与第一全控开关管S1的发射极和第二全控开关管S2的集电极相连，另一端与第三全控开关管S3的发射极和第四全控开关管S4的集电极相连；第一全控开关管S1的集电极和第三全控开关管S3的集电极相连构成直流侧正端，第二全控开关管S2的发射极和第四全控开关管S4的发射极相连构成直流侧负端。稳压电容的正端与全控H桥变换器直流侧正端相连，稳压电容的负端与全控H桥变换器直流侧负端相连。四个全控开关管的驱动信号为第一全控开关管S1栅极驱动脉冲G1，第二全控开关管S2栅极驱动脉冲G2，第三全控开关管S3栅极驱动脉冲G3，第四全控开关管S4栅极驱动脉冲G4。
由于三相电网负载为感性负载，因此全控H桥变换器将以图2(b)所示的纯容性无功补偿运行方式为电网系统输送超前的无功功率，且理论上不消耗有功功率。以A相为例，此时输入电流ia超前交流侧端口电压参考波uaba *90°，由图2(b)可知，根据输入电流ia与交流侧端口电压参考波uaba *的极性可将交流侧端口电压参考波的两个基频周期分为八个均等的工作区域，在工作区域1、3、5、7中，输入电流ia与端口电压参考波uaba *极性相同；在工作区域2、4、6、8中，输入电流ia与端口电压参考波uaba *极性相反。在极性相同与相反的工作区域内，可以选择不同的工作机理及相应的开关方式来运行。
具体而言，如图7所示，上述实施例三相SVG中A相全控H桥变换器周期性均衡轮换工作机理的主动温度控制策略包括以下步骤：
1.以交流侧端口电压参考波uaba *的两个基频周期为一个轮换周期，根据输入电流ia与交流侧端口电压参考波uaba *的极性特征，将一个轮换周期分为八个工作区域。在工作区域1、3、5、7中，输入电流ia与交流侧端口电压参考波uaba *极性相同；在工作区域2、4、6、8中，输入电流ia与交流侧端口电压参考波uaba *极性相反，极性相同与相反的工作区域选择不同的工作机理来运行。基于不同的工作机理，将交流侧端口电压参考波uaba *与三角载波信号进行比较后产生两路脉宽调制信号A、B，脉宽调制信号A对应极性相同的工作区域1、3、5、7，脉宽调制信号B对应极性相反的工作区域2、4、6、8；
2.工作区域1、3、5、7的驱动信号由脉宽调制信号A与高低电平信号配置产生，工作区域2、4、6、8的驱动信号由脉宽调制信号B与高低电平信号配置产生。根据不同工作区域所选用的特定工作机理及相应的开关方式，共存在两种可以实现全控H桥变换器中所有功率开关器件(全控型开关管和反并联二极管)周期性均衡轮换使用的开关方式轮换顺序，基于其中任一种开关方式轮换顺序为各个工作区域配置相应的开关管驱动信号，在本实施例中，以第一种开关方式轮换顺序为例进行说明；
第一种开关方式轮换顺序为：
工作区域1选用二极管D1常通，S3与D4交替导通；
工作区域2选用开关管S1常通，S4与D3交替导通；
工作区域3选用二极管D2常通，S4与D3交替导通；
工作区域4选用开关管S2常通，S3与D4交替导通；
工作区域5选用二极管D4常通，S2与D1交替导通；
工作区域6选用开关管S4常通，S1与D2交替导通；
工作区域7选用二极管D3常通，S1与D2交替导通；
工作区域8选用开关管S3常通，S2与D1交替导通；
可以看到，基于第一种开关方式轮换顺序，在工作区域1、3、5、7中，二极管器件工作于常通状态，在工作区域2、4、6、8中，全控开关管器件工作于常通状态。同时，任一工作区域内仅有一个全控开关管或二极管工作于常通状态，以及与之不同桥臂的一个全控开关管和一个二极管工作于交替导通状态。在以交流侧端口电压参考波的两个基频周期为一个轮换周期的时间内，所有开关管和二极管有着均等的使用次数和平均的功率损耗。
3.基于第一种开关方式轮换顺序，在全控H桥变换器运行时，全控开关管驱动信号需随着特定工作区域的变化而进行实时轮换输出，因此需要在控制策略中设置相应的开关选择器来输出与当前工作区域所对应的驱动信号。由于一个轮换周期内存在八种开关方式，而每一级开关选择器仅能够选择两种开关方式，根据公式23＝8，因而需要三级开关选择器实现驱动信号的准确输出。
第一级开关选择器以脉冲信号K的极性作为判定条件。由于工作区域1和5、工作区域2和6、工作区域3和7、工作区域4和8具有相同的极性特征，因而在脉冲信号判定输出时，可将工作区域1和5分为一组、工作区域2和6分为一组、工作区域3和7分为一组、工作区域4和8分为一组。令脉冲信号K在工作区域1、2、3、4为正值，在工作区域5、6、7、8为负值，脉冲周期为一个轮换周期。当K>0时，第一级开关选择器输出工作区域1-4的驱动信号；当K<0时，第一级开关选择器输出工作区域5-8的驱动信号；
第二级开关选择器在第一级开关选择器的基础上，加入输入电流ia的极性作为判定条件。
当K>0，ia>0时，第二级开关选择器输出工作区域1和4的驱动信号；
当K>0，ia<0时，第二级开关选择器输出工作区域2和3的驱动信号；
当K<0，ia>0时，第二级开关选择器输出工作区域5和8的驱动信号；
当K<0，ia<0时，第二级开关选择器输出工作区域6和7的驱动信号；
第三级开关选择器在第一级和第二级开关选择器的基础上，加入输入电流ia与交流侧端口电压参考波uaba *乘积的极性作为判定条件，完成最终驱动信号的准确输出。
具体判定情况可以表示为：
当K>0，ia>0，ia·uaba *>0时，第三级开关选择器输出工作区域1对应的驱动信号；
当K>0，ia<0，ia·uaba *<0时，第三级开关选择器输出工作区域2对应的驱动信号；
当K>0，ia<0，ia·uaba *>0时，第三级开关选择器输出工作区域3对应的驱动信号；
当K>0，ia>0，ia·uaba *<0时，第三级开关选择器输出工作区域4对应的驱动信号；
当K<0，ia>0，ia·uaba *>0时，第三级开关选择器输出工作区域5对应的驱动信号；
当K<0，ia<0，ia·uaba *<0时，第三级开关选择器输出工作区域6对应的驱动信号；
当K<0，ia<0，ia·uaba *>0时，第三级开关选择器输出工作区域7对应的驱动信号；
当K<0，ia>0，ia·uaba *<0时，第三级开关选择器输出工作区域8对应的驱动信号；
如此轮换运行，本发明提供的一种基于周期性均衡轮换工作机理的全控H桥变换器主动温度控制策略在一个轮换周期内即可实现使所有功率开关器件整体降温的目的，进而有效的提升了全控H桥变换器的可靠性。
实施例：仿真结果分析。
在MATLAB/Simulink仿真软件及PLECS仿真软件中分别搭建了所述基于周期性均衡轮换工作机理的三相SVG主动温度控制策略模型，并对该控制策略进行了仿真。
图8所示为MATLAB/Simulink仿真软件中输入电流波形图。可以看到，在仿真时间1.5s时，三相SVG从传统控制策略变更为基于周期性均衡轮换工作机理的主动温度控制策略，其自身的电流波形与工作状态没有受到任何影响。
图9所示为PLECS仿真软件A相全控H桥变换器温度曲线图，可以看到，当三相SVG工作于传统控制策略时，其A相单元平均壳温稳定在63°；而在应用所述主动温度控制策略仿真10s后，其A相单元中每个全控型开关管实现了均衡降温，平均壳温稳定在55°，壳温下降了13％。图10所示为PLECS仿真软件A相单元损耗曲线图，可以看到，当三相SVG工作于传统控制策略时，其A相单元平均损耗稳定在100W；而在应用所述主动温度控制策略仿真10s后，其A相单元平均损耗稳定在80W。损耗下降了20％。
从以上仿真结果可以明显看出，本发明所述基于周期性均衡轮换工作机理的主动温度控制策略有效地降低了三相SVG全控H桥变换器单元的平均壳温和平均损耗，并使得全控H桥变换器单元中所有功率开关器件的温度得到均衡的降低，能够有效提高全控H桥变换器的可靠性。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.周期性均衡轮换工作的全控H桥变换器主动温度控制策略，其特征在于，包括以下步骤：
1)以全控H桥变换器交流侧端口电压参考波uab *的两个基频周期为一个轮换周期，根据输入电流i与交流侧端口电压参考波uab *的极性特征，将每个轮换周期分为八个工作区域，分别命名为工作区域1至工作区域8；在工作区域1、3、5、7中，输入电流i与交流侧端口电压参考波uab *的极性相同，在工作区域2、4、6、8中，输入电流i与交流侧端口电压参考波uab *的极性相反；
2)基于每个工作区域内不同的工作机理，提供两种相应的开关方式轮换顺序；在所提供的两种开关方式轮换顺序中，任一工作区域内仅存在一个全控开关管或二极管常通，以及与之不同桥臂的一个全控开关管和一个二极管交替导通，在一个轮换周期的时间内，所有全控开关管和二极管有着均等的使用次数，具有平均的功率损耗；
3)基于所选用的开关方式轮换顺序，配置各工作区域对应的开关驱动信号，并设置三级开关选择器实现驱动信号的传输；第一级开关选择器以脉冲信号K的极性作为判定条件，第二级开关选择器在第一级开关选择器的基础上，加入输入电流i的极性作为判定条件，第三级开关选择器在第一级和第二级开关选择器的基础上，加入输入电流i与交流侧端口电压参考波uab *乘积的极性作为判定条件，完成最终驱动信号的输出。
2.根据权利要求1所述的周期性均衡轮换工作的全控H桥变换器主动温度控制策略，其特征在于：步骤1中，全控H桥变换器可分别工作于整流模式、纯容性无功补偿运行模式、逆变模式和纯感性无功补偿运行模式；其中，在整流模式或逆变模式中，根据其交流侧功率因数角的变化，全控H桥变换器在传输正方向或负方向有功功率的基础上，还能够为电网提供一定量的无功功率；而在纯容性无功补偿运行模式或纯感性无功补偿运行模式时，全控H桥变换器仅对电网完成无功补偿的功能；根据全控H桥变换器输入电流i与交流侧端口电压参考波uab *的极性特征可将交流侧端口电压参考波uab *的两个基频周期分为八个工作区域，分别命名为工作区域1至工作区域8；在工作区域1、3、5、7中，输入电流i与交流侧端口电压参考波uab *的极性相同，在工作区域2、4、6、8中，输入电流i与交流侧端口电压参考波uab *的极性相反；
进一步地，
在工作区域1、5中，输入电流i＞0，端口电压参考波uab *＞0；
在工作区域2、6中，输入电流i＜0，端口电压参考波uab *＞0；
在工作区域3、7中，输入电流i＜0，端口电压参考波uab *＜0；
在工作区域4、8中，输入电流i＞0，端口电压参考波uab *＜0。
3.根据权利要求1所述的周期性均衡轮换工作的全控H桥变换器主动温度控制策略，其特征在于：步骤2中，在对全控H桥变换器进行脉宽调制控制时，在输入电流i与交流侧端口电压参考波uab *极性相同或相反的工作区域内，选用不同的工作机理及相应的开关方式来运行；具体地，步骤2提供了两种开关方式的轮换顺序；
在第一种开关方式轮换顺序中：
工作区域1选用二极管D1常通，S3与D4交替导通；
工作区域2选用开关管S1常通，S4与D3交替导通；
工作区域3选用二极管D2常通，S4与D3交替导通；
工作区域4选用开关管S2常通，S3与D4交替导通；
工作区域5选用二极管D4常通，S2与D1交替导通；
工作区域6选用开关管S4常通，S1与D2交替导通；
工作区域7选用二极管D3常通，S1与D2交替导通；
工作区域8选用开关管S3常通，S2与D1交替导通；
其功率开关管的开关状态如下表所示，
Figure FDA0002680539190000021
在第二种开关方式轮换顺序中：
工作区域1选用二极管D1常通，S3与D4交替导通；
工作区域2选用开关管S4常通，S1与D2交替导通；
工作区域3选用二极管D2常通，S4与D3交替导通；
工作区域4选用开关管S3常通，S2与D1交替导通；
工作区域5选用二极管D4常通，S2与D1交替导通；
工作区域6选用开关管S1常通，S4与D3交替导通；
工作区域7选用二极管D3常通，S1与D2交替导通；
工作区域8选用开关管S2常通，S3与D4交替导通；
其功率开关管的开关状态如下表所示，
Figure FDA0002680539190000022
由上表可知，基于不同的工作机理，在工作区域1、3、5、7中，二极管器件工作于常通状态，在工作区域2、4、6、8中，全控开关管器件工作于常通状态；在所提供的两种开关方式轮换顺序中，任一工作区域内仅存在一个全控开关管或二极管常通，以及与之不同桥臂的一个全控开关管和一个二极管交替导通，在以交流侧端口电压参考波的两个基频周期为一个轮换周期的时间内，所有全控开关管和二极管有着均等的使用次数，从而具有平均的功率损耗。
4.根据权利要求1所述的周期性均衡轮换工作的全控H桥变换器主动温度控制策略，其特征在于：步骤3中，基于极性相同与相反的工作区域选用不同的工作机理，将交流侧端口电压参考波uab *与三角载波信号进行比较后产生两路脉宽调制信号A、B，脉宽调制信号A对应极性相同的工作区域1、3、5、7，脉宽调制信号B对应极性相反的工作区域2、4、6、8；令脉宽调制信号A、B分别与高低电平信号搭配组成工作区域1、3、5、7与工作区域2、4、6、8的开关驱动信号；基于所选开关方式轮换顺序，在全控H桥变换器运行于各工作区域时，通过设置三级开关选择器实现驱动信号的输出；
第一级开关选择器以脉冲信号K的极性作为判定条件，将工作区域1和5分为一组、工作区域2和6分为一组、工作区域3和7分为一组、工作区域4和8分为一组，令脉冲信号K在工作区域1、2、3、4为正值，在工作区域5、6、7、8为负值，脉冲周期为一个轮换周期，当K>0时，第一级开关选择器即可输出工作区域1-4的驱动信号；当K<0时，第一级开关选择器即可输出工作区域5-8的驱动信号；
第二级开关选择器在第一级开关选择器的基础上，加入输入电流i的极性作为判定条件；
当K>0，i>0时，第二级开关选择器输出工作区域1和4的驱动信号；
当K>0，i<0时，第二级开关选择器输出工作区域2和3的驱动信号；
当K<0，i>0时，第二级开关选择器输出工作区域5和8的驱动信号；
当K<0，i<0时，第二级开关选择器输出工作区域6和7的驱动信号；
第三级开关选择器在第一级和第二级开关选择器的基础上，加入输入电流i与交流侧端口电压参考波uab *乘积的极性作为判定条件，完成最终驱动信号的输出；
具体判定情况可以表示为：
当K>0，i>0，i·uab *>0时，第三级开关选择器输出工作区域1对应的驱动信号；
当K>0，i<0，i·uab *<0时，第三级开关选择器输出工作区域2对应的驱动信号；
当K>0，i<0，i·uab *>0时，第三级开关选择器输出工作区域3对应的驱动信号；
当K>0，i>0，i·uab *<0时，第三级开关选择器输出工作区域4对应的驱动信号；
当K<0，i>0，i·uab *>0时，第三级开关选择器输出工作区域5对应的驱动信号；
当K<0，i<0，i·uab *<0时，第三级开关选择器输出工作区域6对应的驱动信号；
当K<0，i<0，i·uab *>0时，第三级开关选择器输出工作区域7对应的驱动信号；
当K<0，i>0，i·uab *<0时，第三级开关选择器输出工作区域8对应的驱动信号。
5.根据权利要求1-4任一项所述的周期性均衡轮换工作的全控H桥变换器主动温度控制策略，其特征在于：权利要求1-4任一项工作区域的划分均基于全控H桥变换器输入电流i与交流侧端口电压参考波uab *相位关系中的非同相位情况和非反相位情况，而输入电流i与交流侧端口电压参考波uab *存在两种特殊的相位关系，当输入电流i与交流侧端口电压参考波uab *相位相差0°时，此时仅存在工作区域1、3、5、7；当输入电流i与交流侧端口电压参考波uab *相位相差180°时，此时仅存在工作区域2、4、6、8，但其工作机理和开关状态的轮换方式依旧维持不变，周期性均衡轮换工作机理的全控H桥变换器主动温度控制策略仍然适用于上述同相位情况和反相位情况的相位关系。
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