CN111953213A - 级联h桥固态变压器的均功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种级联H桥固态变压器的均功率控制方法，通过采集级联H桥固态变压器的隔离级输出电压、第一整流级电容电压和第二整流级电容电压，确定第一整流级均压环输出信号和第二整流级均压环输出信号，对第一整流级均压环输出信号进行PI调节得到第一均功率移相角，对第二整流级均压环输出信号进行PI调节得到第二均功率移相角，对所述隔离级输出电压和预先设定的参考目标值进行PI调节得到共同移相角，并根据第一均功率移相角、第二均功率移相角和共同移相角确定级联H桥固态变压器的驱动信号，以实现级联H桥固态变压器的均功率控制，可以提高对级联H桥固态变压器进行均功率控制的控制效果，降低相应的控制成本。

Description

级联H桥固态变压器的均功率控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子控制技术领域，尤其涉及一种级联H桥固态变压器的均功率控制方法。

背景技术

电力电子技术的应用可大大提高电能变换装置功率密度，减小体积和重量。级联H桥固态变压器分为三级结构，级联整流级、隔离级和逆变级，整流级为多模块级联结构，输入端采用串联结构，隔离级采用双有源桥，每个隔离级和对应的前级H桥串联，隔离级采用输出并联结构，整流级和隔离级整体表现为输入串连输出并结构，这种结构存在功率不均衡问题，当隔离级的电感不一致时，每个隔离级模块功率会发生不均衡情况，导致模块发热不一致。

由于参数不一致或隔离级功率不平衡，导致整流级输出电压不平衡，整流级调整每个模块的有功功率从而控制电容电压的平衡，但是级联整流级每个模块的调制比不一致，使得输入电流达不到载波移相倍频的效果。若利用dq变换中的各个H桥的有功分量作为每个隔离级的实时功率，利用此信息在一定程度上可以实现隔离级的功率均衡控制。然而这个控制方法不能实现静态功率无静差控制，也不能在静止坐标系下实现功率均衡。可见传统的均功率控制方案往往存在控制效果差的问题。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种级联H桥固态变压器的均功率控制方法。

为实现本发明的目的，提供一种级联H桥固态变压器的均功率控制方法，包括如下步骤：

S10，采集级联H桥固态变压器的隔离级输出电压V_dc、第一整流级电容电压u_dcH1和第二整流级电容电压u_dcH2，根据所述第一整流级电容电压u_dcH1和第二整流级电容电压u_dcH2确定第一整流级均压环输出信号V_bln1和第二整流级均压环输出信号V_bln2；

S20，对所述第一整流级均压环输出信号V_bln1进行PI调节得到第一均功率移相角ΔΦ₁，对所述第二整流级均压环输出信号V_bln2进行PI调节得到第二均功率移相角ΔΦ₂；

S30，对所述隔离级输出电压V_dc和预先设定的参考目标值V_dcref进行PI调节得到共同移相角Φ；

S40，根据所述第一均功率移相角ΔΦ₁、第二均功率移相角ΔΦ₂和共同移相角Φ确定级联H桥固态变压器的驱动信号，以实现级联H桥固态变压器的均功率控制。

在一个实施例中，所述根据所述第一均功率移相角ΔΦ₁、第二均功率移相角ΔΦ₂和共同移相角Φ确定级联H桥固态变压器的驱动信号，以实现级联H桥固态变压器的均功率控制包括：

根据所述第一均功率移相角ΔΦ₁和所述共同移相角Φ确定第一双有源桥移相角Φ₁，根据所述第二均功率移相角ΔΦ₂和所述共同移相角Φ确定第二双有源桥移相角Φ₂；

根据所述第一双有源桥移相角Φ₁确定级联H桥固态变压器中第一双有源桥移相控制的驱动信号，根据所述第二双有源桥移相角Φ₂确定级联H桥固态变压器中第二双有源桥移相控制的驱动信号，以控制级联H桥固态变压器的双有源桥开关管，实现级联H桥固态变压器的均功率控制。

具体地，所述根据所述第一均功率移相角ΔΦ₁和所述共同移相角Φ确定第一双有源桥移相角Φ₁，根据所述第二均功率移相角ΔΦ₂和所述共同移相角Φ确定第二双有源桥移相角Φ₂包括：

Φ₁＝Φ+ΔΦ₁，

Φ₂＝Φ+ΔΦ₂。

在一个实施例中，所述根据所述第一整流级电容电压u_dcH1和第二整流级电容电压u_dcH2确定第一整流级均压环输出信号为V_bln1和第二整流级均压环输出信号为V_bln2包括：

对所述第一整流级电容电压u_dcH1和第一整流级电容电压u_dcH2进行PI调节得到第一整流级均压环输出信号V_bln1；

根据所述第一整流级电容电压u_dcH1、第二整流级电容电压u_dcH2和第一整流级均压环输出信号V_bln1计算第二整流级均压环输出信号V_bln2。

具体地，所述根据所述第一整流级电容电压u_dcH1、第二整流级电容电压u_dcH2和第一整流级均压环输出信号V_bln1计算第二整流级均压环输出信号V_bln2包括：

V_bln2＝-V_bln1*u_dcH1/u_dcH2，

式中，V_bln2表示第二整流级均压环输出信号，V_bln1表示第一整流级均压环输出信号，u_dcH1表示第一整流级电容电压，u_dcH2表示第二整流级电容电压。

上述级联H桥固态变压器的均功率控制方法，通过采集级联H桥固态变压器的隔离级输出电压V_dc、第一整流级电容电压u_dcH1和第二整流级电容电压u_dcH2，确定第一整流级均压环输出信号V_bln1和第二整流级均压环输出信号V_bln2，对所述第一整流级均压环输出信号V_bln1进行PI调节得到第一均功率移相角ΔΦ₁，对所述第二整流级均压环输出信号Vbln2进行PI调节得到第二均功率移相角ΔΦ₂，对所述隔离级输出电压V_dc和预先设定的参考目标值V_dcref进行PI调节得到共同移相角Φ，并根据所述第一均功率移相角ΔΦ₁、第二均功率移相角ΔΦ₂和共同移相角Φ确定级联H桥固态变压器的驱动信号，以实现级联H桥固态变压器的均功率控制，可以提高对级联H桥固态变压器进行均功率控制的控制效果，降低相应的控制成本。

附图说明

图1是一个实施例的级联H桥固态变压器的均功率控制方法流程图；

图2是一个实施例的级联H桥固态变压器示意图；

图3是一个实施例的级联H桥固态变压器控制过程示意图；

图4是一个实施例的功率均衡仿真示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

参考图1所示，图1为一个实施例的级联H桥固态变压器的均功率控制方法流程图，包括如下步骤：

S10，采集级联H桥固态变压器的隔离级输出电压V_dc、第一整流级电容电压u_dcH1和第二整流级电容电压u_dcH2，根据所述第一整流级电容电压u_dcH1和第二整流级电容电压u_dcH2确定第一整流级均压环输出信号V_bln1和第二整流级均压环输出信号V_bln2；

S20，对所述第一整流级均压环输出信号V_bln1进行PI(线性)调节得到第一均功率移相角ΔΦ₁，对所述第二整流级均压环输出信号V_bln2进行PI调节得到第二均功率移相角ΔΦ₂；

S30，对所述隔离级输出电压V_dc和预先设定的参考目标值V_dcref进行PI调节得到共同移相角Φ；

S40，根据所述第一均功率移相角ΔΦ₁、第二均功率移相角ΔΦ₂和共同移相角Φ确定级联H桥固态变压器的驱动信号，以实现级联H桥固态变压器的均功率控制。

上述级联H桥固态变压器包括第一双有源桥和第二双有源桥。其中第一整流级电容电压u_dcH1、第一整流级均压环输出信号V_bln1、以及第一均功率移相角ΔΦ₁等参数可以为第一双有源桥对应的参数，第二整流级电容电压u_dcH2、第二整流级电容电压u_dcH2、以及第二均功率移相角ΔΦ₂等参数可以为第二双有源桥对应的参数。

上述预先设定的参考目标值V_dcref为一个给定值。

在一个示例中，上述对所述第一整流级均压环输出信号V_bln1进行PI调节得到第一均功率移相角ΔΦ₁，对所述第二整流级均压环输出信号V_bln2进行PI调节得到第二均功率移相角ΔΦ₂可以包括：将V_bln1和0相减经PI调节后输出ΔΦ₁，将V_bln2和0相减经PI调节后输出ΔΦ₂。

本实施例提供的级联H桥固态变压器的均功率控制方法，通过采集级联H桥固态变压器的隔离级输出电压V_dc、第一整流级电容电压u_dcH1和第二整流级电容电压u_dcH2，确定第一整流级均压环输出信号V_bln1和第二整流级均压环输出信号V_bln2，对所述第一整流级均压环输出信号V_bln1进行PI调节得到第一均功率移相角ΔΦ₁，对所述第二整流级均压环输出信号Vbln2进行PI调节得到第二均功率移相角ΔΦ₂，对所述隔离级输出电压V_dc和预先设定的参考目标值V_dcref进行PI调节得到共同移相角Φ，并根据所述第一均功率移相角ΔΦ₁、第二均功率移相角ΔΦ₂和共同移相角Φ确定级联H桥固态变压器的驱动信号，以实现级联H桥固态变压器的均功率控制，可以提高对级联H桥固态变压器进行均功率控制的控制效果，降低相应的控制成本。

在一个实施例中，所述根据所述第一均功率移相角ΔΦ₁、第二均功率移相角ΔΦ₂和共同移相角Φ确定级联H桥固态变压器的驱动信号，以实现级联H桥固态变压器的均功率控制包括：

根据所述第一均功率移相角ΔΦ₁和所述共同移相角Φ确定第一双有源桥移相角Φ₁，根据所述第二均功率移相角ΔΦ₂和所述共同移相角Φ确定第二双有源桥移相角Φ₂；

根据所述第一双有源桥移相角Φ₁确定级联H桥固态变压器中第一双有源桥移相控制的驱动信号，根据所述第二双有源桥移相角Φ₂确定级联H桥固态变压器中第二双有源桥移相控制的驱动信号，以控制级联H桥固态变压器的双有源桥开关管，实现级联H桥固态变压器的均功率控制。

具体地，所述根据所述第一均功率移相角ΔΦ₁和所述共同移相角Φ确定第一双有源桥移相角Φ₁，根据所述第二均功率移相角ΔΦ₂和所述共同移相角Φ确定第二双有源桥移相角Φ₂包括：

Φ₁＝Φ+ΔΦ₁，

Φ₂＝Φ+ΔΦ₂。

本实施例由Φ₁和Φ₂移相控制的驱动信号控制级联H桥固态变压器双有源桥开关管(如第一双有源桥开关管和第二双有源桥开关管)，实现级联H桥固态变压器均功率控制。与现有技术相比，具有以下技术效果：(1)可以在静止坐标系下使用；(2)方便模拟电路使用。

在一个实施例中，所述根据所述第一整流级电容电压u_dcH1和第二整流级电容电压u_dcH2确定第一整流级均压环输出信号为V_bln1和第二整流级均压环输出信号为V_bln2包括：

对所述第一整流级电容电压u_dcH1和第一整流级电容电压u_dcH2进行PI调节得到第一整流级均压环输出信号V_bln1；

根据所述第一整流级电容电压u_dcH1、第二整流级电容电压u_dcH2和第一整流级均压环输出信号V_bln1计算第二整流级均压环输出信号V_bln2。

具体地，所述根据所述第一整流级电容电压u_dcH1、第二整流级电容电压u_dcH2和第一整流级均压环输出信号V_bln1计算第二整流级均压环输出信号V_bln2包括：

V_bln2＝-V_bln1*u_dcH1/u_dcH2，

式中，V_bln2表示第二整流级均压环输出信号，V_bln1表示第一整流级均压环输出信号，u_dcH1表示第一整流级电容电压，u_dcH2表示第二整流级电容电压。

本实施例可以可准确定第二整流级均压环输出信号V_bln2，进而保证后续控制过程的准确性。

在一个实施例中，上述级联H桥固态变压器的均功率控制方法也可以包括如下过程：

步骤A)，在静止坐标系中，外环比例积分调节控制整流级所有电容电压总和等于给定值，电流环采用比例调节或比例谐振，输出正弦调制波，控制输入电流为正弦波。均压环控制整流级的电容电压均压，当每个模块功率不相等，均压环通过调整占空比，达到均压的目的。

均压环的微调占空比导致输入电流的谐波提高，通过均功率的方法实现均压微调占空比为零，降低输入电流谐波，控制均压环输出为零可以实现均功率的目的。

采集级联H桥固态变压器隔离级输出电压和整流级均压环输出信号，隔离级输出电压V_dc，整流级均压环输出信号为V_bln1(第一整流级均压环输出信号V_bln1)和V_bln2(第二整流级均压环输出信号V_bln2)；

步骤B)，计算均功率移相角，V_bln1经PI调节后输出ΔΦ₁，V_bln2经PI调节后输出ΔΦ₂，ΔΦ₁、ΔΦ₂为均功率所计算出的微调移相角，即均功率移相角；

步骤C)，计算共同移相角，隔离级输出电压V_dc和给定值V_dcref经PI调节后输出Φ，Φ为所计算的共同移相角，其控制直流环节输出电压的稳定；

步骤D)，计算每个模块移相角。

Φ₁＝Φ+ΔΦ₁

Φ₂＝Φ+ΔΦ₂

Φ₁为级联H桥固态变压器第一双有源桥的移相角，Φ₂为级联H桥固态变压器第二双有源桥的移相角，由Φ₁和Φ₂移相控制的驱动信号控制级联H桥固态变压器双有源桥开关管，实现级联H桥固态变压器均功率控制。

具体地，图2为两模块级联的固态变压器图，U_in为输入电源，I_in为输入电流，L_b为滤波电感，C_H1和C_H2为整流级滤波电容，S_1～24为开关管，C_L为隔离级输出滤波电容。基于级联H桥固态变压器整流级采用H桥级联的方法实现低压器件应用于高压场合，或达到提到等效开关频率的目的，整流级为多模块级联结构，输入端采用串联结构，隔离级采用双有源桥，每个隔离级和对应的前级H桥串联，隔离级采用输出并联结构，整流级和隔离级整体表现为输入串连输出并结构。

图3为本实施例在具体的一个系统中的应用方法，u_dc*为整流级输出电压给定值，采样整流级电容电压u_dcH1和u_dcH2经电压调节器后产生电流环的幅值信号、并和电压相位U_in和电感L_b电流的采样值I_in送入电流调节器，电流调节器生成调制波电压信号u_r。u_dcH1和u_dcH2经PI均压调节器调节后生成均压信号V_bln1，V_bln2＝-V_bln1*u_dcH1/u_dcH2，V_bln1和I_in相乘得到Δu_r1，V_bln2和I_in相乘得到Δu_r2，Δu_r1和Δu_r2与u_r合成后经载波移相调制生成开关管S₁～₈的控制信号。V_bln1和0相减经PI调节后输出ΔΦ₁，V_bln2和0相减经PI调节后输出ΔΦ₂。V_dcref为电容C_L电压的给定信号，电容C_L电压的采样值为V_dc，其经过PI调节生成Φ，Φ与ΔΦ₁、ΔΦ₂相加后得到Φ₁、Φ₂，Φ₁为级联H桥固态变压器第一双有源桥的移相角，Φ₂为级联H桥固态变压器第二双有源桥的移相角，由Φ₁和Φ₂移相控制的驱动信号控制级联H桥固态变压器双有源桥开关管S₉～₂₄，实现级联H桥固态变压器均功率控制。

图4为本方法补偿前后的电感电流仿真图，从图中可以看到，在t₁时刻之前，没有启用均功率方法，两个模块使用共同的移相角，Φ₁＝Φ₂＝Φ，两个模块的功率不相等。在t₁时刻，启用均功率方法，模块1的功率和模块2的功率相等，本方法实现了均功率的目的。

本均功率方法可以扩展到N个H桥模块级联的固态变压器，或采用级联H桥的固态整流器。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种级联H桥固态变压器的均功率控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10，采集级联H桥固态变压器的隔离级输出电压V_dc、第一整流级电容电压u_dcH1和第二整流级电容电压u_dcH2，根据所述第一整流级电容电压u_dcH1和第二整流级电容电压u_dcH2确定第一整流级均压环输出信号V_bln1和第二整流级均压环输出信号V_bln2；

S20，对所述第一整流级均压环输出信号V_bln1进行PI调节得到第一均功率移相角ΔΦ₁，对所述第二整流级均压环输出信号V_bln2进行PI调节得到第二均功率移相角ΔΦ₂；

S30，对所述隔离级输出电压V_dc和预先设定的参考目标值V_dcref进行PI调节得到共同移相角Φ；

S40，根据所述第一均功率移相角ΔΦ₁、第二均功率移相角ΔΦ₂和共同移相角Φ确定级联H桥固态变压器的驱动信号，以实现级联H桥固态变压器的均功率控制。

2.根据权利要求1所述的级联H桥固态变压器的均功率控制方法，其特征在于，所述根据所述第一均功率移相角ΔΦ₁、第二均功率移相角ΔΦ₂和共同移相角Φ确定级联H桥固态变压器的驱动信号，以实现级联H桥固态变压器的均功率控制包括：

根据所述第一均功率移相角ΔΦ₁和所述共同移相角Φ确定第一双有源桥移相角Φ₁，根据所述第二均功率移相角ΔΦ₂和所述共同移相角Φ确定第二双有源桥移相角Φ₂；

根据所述第一双有源桥移相角Φ₁确定级联H桥固态变压器中第一双有源桥移相控制的驱动信号，根据所述第二双有源桥移相角Φ₂确定级联H桥固态变压器中第二双有源桥移相控制的驱动信号，以控制级联H桥固态变压器的双有源桥开关管，实现级联H桥固态变压器的均功率控制。

3.根据权利要求2所述的级联H桥固态变压器的均功率控制方法，其特征在于，所述根据所述第一均功率移相角ΔΦ₁和所述共同移相角Φ确定第一双有源桥移相角Φ₁，根据所述第二均功率移相角ΔΦ₂和所述共同移相角Φ确定第二双有源桥移相角Φ₂包括：

Φ₁＝Φ+ΔΦ₁，

Φ₂＝Φ+ΔΦ₂。

4.根据权利要求1至3任一项所述的级联H桥固态变压器的均功率控制方法，其特征在于，所述根据所述第一整流级电容电压u_dcH1和第二整流级电容电压u_dcH2确定第一整流级均压环输出信号为V_bln1和第二整流级均压环输出信号为V_bln2包括：

对所述第一整流级电容电压u_dcH1和第一整流级电容电压u_dcH2进行PI调节得到第一整流级均压环输出信号V_bln1；

根据所述第一整流级电容电压u_dcH1、第二整流级电容电压u_dcH2和第一整流级均压环输出信号V_bln1计算第二整流级均压环输出信号V_bln2。

5.根据权利要求4所述的级联H桥固态变压器的均功率控制方法，其特征在于，所述根据所述第一整流级电容电压u_dcH1、第二整流级电容电压u_dcH2和第一整流级均压环输出信号V_bln1计算第二整流级均压环输出信号V_bln2包括：

V_bln2＝-V_bln1*u_dcH1/u_dcH2，

式中，V_bln2表示第二整流级均压环输出信号，V_bln1表示第一整流级均压环输出信号，u_dcH1表示第一整流级电容电压，u_dcH2表示第二整流级电容电压。

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