CN114123227B - 一种单相级联型变流器电压控制方法 - Google Patents

一种单相级联型变流器电压控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单相级联型变流器电压控制方法，涉及多电平变流技术领域，包括：令第一个H桥模块为电流控制模块，其余为电压控制模块。用作整流器时，电流控制模块是采样该H桥模块直流侧输出电压与给定直流电压参考值比较后，经过第一PI调节器与网侧电压相位信号相乘，得到网侧电流参考值，与网侧电流比较得到电流误差信号经过第二PI调节器，得到控制该H桥模块的调制比。电压控制模块是采样该模块的直流侧输出电压与给定直流电压参考值比较得到电压误差信号，经过PI调节器与网侧电压相位信号相乘，得到控制该H桥模块的调制比，进而驱动开关管工作。本发明能使直流侧电压跟随给定，保证网侧系统单位功率因数运行。

Description

一种单相级联型变流器电压控制方法
技术领域
本发明涉及多电平变流技术领域，尤其是一种单相级联型变流器电压控制方法，用于控制负载不平衡时单相级联型变流器的电压。
背景技术
近年来，随着大功率高压半导体开关器件电压等级的不断提升，多电平变流技术在拓扑结构、控制理论等方面也迅速的发展，逐渐成为大功率电机传动、大功率无功补偿等领域重点研究的对象。其中级联H桥变流器作为多电平变换器的典型代表，被广泛应用于电力电子变压器、无功补偿和有源滤波等领域。其用作整流器，因其模块化、可扩展性、为不同直流链路单独供电的特性和理想的控制性能等优点受到工业界的关注，应用于单相级联H桥整流器与隔离型DC-DC变换器为核心的电力电子变压器，作为该拓扑的输入级，单相级联H桥整流器的运行性能对整个系统起着至关重要的作用。除此之外，其用作静止无功发生器因其功率单元模块化、拓展容量便捷等特点在无功补偿领域备受关注。
然而在实际工作中，级联H桥变流器用作整流器时各级联单元有功负载的不一致以及各级联单元杂散参数的不均衡，会造成级联型H桥整流电路直流电压的不均衡问题出现，导致开关器件损坏甚至系统失控。而现有级联型变流器的控制方式中以集中式控制方式为主，将电网电压、交流侧输入电流以及各个直流侧输出电压的采样值都输送到中央处理器中，经过运算程序后，由中央处理器统一为各H桥模块分配驱动脉冲。由于处理器的端口固定且存在上限，各H桥模块之间的互连线以及控制方案会随着级联的H桥的个数增加而变得复杂，不利于系统向大功率、多模块级联方向扩展。因此亟需一种行之有效的控制方式解决上述问题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种单相级联型变流器电压控制方法，使直流侧电压跟随给定，保证网侧系统单位功率因数运行。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种单相级联型变流器电压控制方法，包括多个H桥模块，包括以下步骤：
步骤1：将各个H桥模块分别进行控制，把第一个H桥模块设为电流控制模块，剩余H桥模块为电压控制模块；其中电流控制模块不仅可以控制第一个H桥模块的网侧电流，而且还控制该模块的直流侧电压，电压控制模块只控制其直流侧电压；
步骤2：在电流控制模块中，该模块直流侧输出电压与给定直流电压参考值比较得到电压误差信号，再通过第一PI调节器控制得到网侧有功电流幅值参考值；
步骤3：通过锁相环检测得到电网电压的相位信息以及对网侧电流进行采样；
步骤4：用作整流器时，网侧有功电流幅值参考值再与锁相环得到的网侧电压相位信号相乘，得到网侧电流参考值，通过采样网侧电流，与电流参考值比较得到电流误差信号，然后电流误差信号通过第二PI调节器控制得到该模块的调制比。用作静止无功发生器时，网侧有功电流幅值参考值再与锁相环得到的网侧电压相位信号相乘，得到网侧有功电流参考值。需补偿无功电流参考值与网侧电压相位正交的相位信号相乘，得到网侧无功电流的参考值，再与网侧电流有功参考值相加，可以得到网侧电流的参考值，通过采样网侧电流，与电流参考值比较得到电流误差信号，然后电流误差信号通过第二PI调节器控制得到该模块的调制比；
步骤5：在电压控制模块中，将该模块直流侧输出电压与给定直流电压参考值比较得到电压误差信号，经过PI调节器控制，再与锁相环得到的网侧电压相位信号相乘得到该模块的调制比；
步骤6：根据数学模型，进行电路交流侧电压矢量分析和系统功率分析；
步骤7：进行功率分布分析；
步骤8：将得到的各模块的调制比经过载波相移调制方法产生各自模块的驱动信号，驱动开关管工作。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤(4)具体包括：
网侧电流信息以及网侧电压相位信息由中央处理器采样，并传输到电流控制模块的子处理器中，该模块的直流侧电压值由该子处理器进行采样。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤(5)具体包括：
中央处理器只将采样的网侧电压相位信息传输到电压控制模块的子处理器中，该模块的直流侧电压值由该子处理器进行采样。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤(7)中包括：
当模块数i＝1时，此模块为电流控制模块，经过电压控制和电流控制，得到该模块调制比d1，在整流的工况下，该调制比分为有功分量d1d和无功分量d1q，因此该模块会补偿系统的电感压降，也就是提供负载有功功率的同时，还吸收由系统电感产生的无功功率；在无功补偿工况下，该调制比d1只有无功量，电流控制模块和电感发出的无功量共同补偿系统剩余的无功量；
当模块数i≠1时，此模块为电压控制模块，经过电压控制，得到该模块调制比dn，在整流的工况下，该调制比只有有功量，只为负载提供有功功率；在无功补偿工况下，各模块只为系统提供无功功率，且各电压控制模块提供的无功功率相等；
由于上述控制方法得到各模块所需调制比dn，达到稳态后，在整流工况下，各模块根据电网发出的有功功率按需分配；计算公式如下：
Figure BDA0003381112960000031
Figure BDA0003381112960000041
式中Pi为各H桥模块所需的有功功率,
Figure BDA0003381112960000042
为网侧电压电流的角度差,Ri为各H桥模块负载电阻；各H桥模块所需的有功功率与其负载电阻值成反比关系，且与各模块调制比dn成正比关系；
在无功补偿工况下，各模块根据电网所需的无功功率进行补偿；计算公式如下：
Figure BDA0003381112960000043
式中Qi为各H桥模块所提供的无功功率，且与各模块调制比dn成正比关系。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明有效解决了单相级联H桥变流器用作整流器时负载不均衡的问题，以及用在静止无功发生器时能有效的对网侧系统进行无功补偿，系统实现单位功率因数运行，此外，本发明提出的控制方案是一种准分布式的控制，便于减少各模块的子处理器之间、以及子处理器与中央处理器之间的互联线，对每个H桥的输出电压进行单独控制，使得各模块控制独立，提高整个系统控制环路的动态性能。
在步骤4中，在对电流控制模块的控制中，子处理器主要对网侧电流进行控制，保证整个系统单位功率因数运行。电流仅由该电流控制模块的子处理器控制，避免其他控制器对电流多余控制以及干扰，保证了其电流的输出效果。对电压控制模块的控制中，电压控制模块不参与网侧电流控制以及功率因数调节，只进行该模块电压控制，进一步简化了电压控制模块的控制步骤。且各模块控制无需其他模块的直流侧电压信息。该方法能够有效的减少各H桥模块之间的交互信息，各模块控制独立，结构简单，易于实现。
附图说明
图1为本发明的单相级联H桥变流器电压控制框图；
图2为本发明的整流工况下模块数n＝3时控制方法对应的交流电压矢量图；
图3为本发明的感容性补偿工况下模块数n＝3时控制方法对应的交流电压矢量图；
图4为本发明的模块数n＝3时控制方法各模块功率分布图；
图5为本发明的整流工况下模块数n＝3时不均衡负载下的网侧电流电压仿真波形图；
图6为本发明的整流工况下模块数n＝3时不均衡负载下的直流侧电压仿真波形图；
图7为本发明的用作静止无功发生器时的网侧系统补偿前电流电压的仿真波形图；
图8为本发明的用作静止无功发生器时的网侧系统补偿后电流电压的仿真波形图；
图9为本发明的用作静止无功发生器时电流电压波形图；
图10为本发明的用作静止无功发生器时直流侧电压波形图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
如图1至图10所示，一种单相级联型变流器电压控制方法，包括以下步骤：
步骤1：单相级联H桥整流器电路原理图及控制框图如图1，并将各个H桥模块分别进行控制。把第一个H桥模块设为电流控制模块，剩余H桥模块为电压控制模块。其中电流控制模块不仅仅可以控制第一个H桥模块的网侧电流，而且还控制该模块的直流侧电压。电压控制模块只控制其直流侧电压。
步骤2：在电流控制模块中，该模块的直流侧电压值由该子处理器进行采样，采样该模块直流侧输出电压udc1与给定直流电压参考值
Figure BDA0003381112960000051
比较得到电压误差信号，再通过第一PI调节器控制得到网侧电流有功幅值参考值。
步骤3：通过锁相环检测得到电网电压的相角信息以及对网侧电流is进行采样。
步骤4：网侧电流信息以及网侧电压相位信息由中央处理器进行处理，传输到电流控制模块的子处理器中，用作整流器时，在该子处理器中网侧电流有功幅值参考值再与锁相环得到的网侧电压相位信号相乘，得到网侧电流参考值
Figure BDA0003381112960000061
网侧电流is与电流参考值/>
Figure BDA0003381112960000062
比较得到电流误差信号，然后电流误差信号通过第二PI调节器控制得到该模块的调制比d1，如图1中电流模块控制框图；用作静止无功发生器时，在该子处理器中网侧有功电流幅值参考值再与锁相环得到的网侧电压相位信号相乘，得到网侧有功电流参考值/>
Figure BDA0003381112960000063
需补偿无功电流参考值与网侧电压相位正交的相位信息相乘，得到网侧无功电流的参考值/>
Figure BDA0003381112960000064
再与网侧电流有功参考值/>
Figure BDA0003381112960000065
相加，可以得到网侧电流的参考值/>
Figure BDA0003381112960000066
通过采样网侧电流is，与电流参考值/>
Figure BDA0003381112960000067
比较得到电流误差信号，然后电流误差信号通过第二PI调节器控制得到该模块的调制比d1。如图1中电流模块控制框图，其虚线框是用作静止无功发生器控制与整流器控制的不同之处。
步骤5：在电压控制模块中，中央处理器只将采样的网侧电压相位信息传输到电压控制模块的子处理器中，该模块的直流侧电压值由该子处理器进行采样，在该子处理器中，该模块直流侧输出电压udci与给定直流电压参考值
Figure BDA0003381112960000068
比较得到电压误差信号，再与锁相环得到的网侧电压相位信号相乘得到该模块的调制比dn，如图1中电压模块控制框图。中央处理器只将采样的网侧电压相位信息传输到电压控制模块的子处理器中，与电流控制模块的子处理器不同的是这里无需网侧电流信息，该模块的直流侧电压值由该子处理器进行采样，并按上述步骤进行控制
步骤6：以三模块为例，根据其数学模型，电路交流侧电压矢量分析如下：
各H桥模块交流侧电压由下面式子确定:
U2＝d2·Udc2
U3＝d3·Udc3
Figure BDA0003381112960000071
其中U2～Un为电压控制模块交流侧电压，Udc2～Udcn为电压控制模块直流侧电压。
由上步可知，由于d2～dn是该模块电压误差信号经过PI调节器的输出值和网侧电压相位信号相乘得到的，所以d2～dn是与电网相位相同的量，Udc2～Udcn是直流量，U2～Un则也是与电网相位相同的量，故U1是交流侧电压矢量关系中的补偿量。则该电路电压矢量图如图2、图3所示。
由于电压控制模块的调制比是该模块电压误差信号经过PI调节器的输出值和网侧电压相位信号相乘得到的，因此该调制比是与电网相位相同的量，根据各模块的交流侧电压与直流侧电压的关系，在电路交流侧电压矢量关系中，可得各电压控制模块的交流侧电压是与电网相位相同的量，则电流控制模块的交流侧电压作为矢量关系中的补偿量。
系统功率分析如下：
模块为电流控制模块时，经过电压控制和电流控制，得到该模块调制比。在整流的工况下，该调制比可分为有功分量和无功分量，因此该模块会补偿系统的电感压降，在提供负载有功功率的同时，还吸收由系统电感产生的无功功率；在无功补偿工况下，该调制比只有无功量，电流控制模块和电感发出的无功量共同补偿系统剩余的无功量。
模块为电压控制模块时，经过电压控制，得到该模块调制比，在整流的工况下，该调制比只有有功量，只为负载提供有功功率；在无功补偿工况下，各模块只为系统提供无功功率，且各电压控制模块提供的无功功率相等。
由于上述控制方法得到各模块所需调制比，达到稳态后，在整流工况下，各模块根据电网发出的有功功率按需分配。且各H桥模块所需的有功功率与其负载电阻值成反比关系，且与各模块调制比成正比关系。在无功补偿工况下，各模块根据电网所需的无功功率进行补偿，且与各模块调制比成正比关系。
步骤7：结合图4各模块功率分布图，功率分布分析如下：
当模块数i＝1时，此模块为电流控制模块，经过电压控制和电流控制，得到该模块调制比d1。在整流的工况下，该调制比可分为有功分量d1d和无功分量d1q，因此该模块会补偿系统的电感压降，也就是提供负载有功功率的同时，还吸收由系统电感产生的无功功率；在无功补偿工况下，该调制比d1只有无功量，电流控制模块和电感发出的无功量共同补偿系统剩余的无功量。
当模块数i≠1时，此模块为电压控制模块，经过电压控制，得到该模块调制比dn，在整流的工况下，该调制比只有有功量，只为负载提供有功功率；在无功补偿工况下，各模块只为系统提供无功功率，且各电压控制模块提供的无功功率相等。
由于上述控制方法得到各模块所需调制比dn，达到稳态后，在整流工况下，各模块根据电网发出的有功功率按需分配。计算公式如下：
Figure BDA0003381112960000081
Figure BDA0003381112960000082
式中Pi为各H桥模块所需的有功功率，
Figure BDA0003381112960000083
为网侧电压电流的角度差，Ri为各H桥模块负载电阻。各H桥模块所需的有功功率与其负载电阻值成反比关系，且与各模块的调制比dn成正比。
在无功补偿工况下，各模块根据电网所需的无功功率进行补偿。计算公式如下：
Figure BDA0003381112960000084
式中Qi为各H桥模块所提供的无功功率，且与各模块的调制比dn成正比。
步骤8：得到的各模块的调制比d1～dn经过载波相移调制方法产生各自模块的驱动信号，驱动开关管工作。
对图5、图6进行说明，用作整流器，仿真的参数设定为：交流侧电压赋值为311V，直流侧给定电压设为400V，第一、二个模块负载电阻为60Ω，第三个模块负载电阻为30Ω，交流电感为5mH，直流侧电容为2mF。
图5为直流侧电压仿真波形图，其中三个H桥模块的直流侧电压为400V，直流侧电压跟随给定。图6为网侧电流电压波形，其功率因数为99.9％，电流的THD值为0.7％，符合要求。
对图7至图10进行说明，用作静止无功发生器，仿真的参数设定为：交流侧电压赋值为311V，直流侧给定电压设为400V，交流电感为5mH，直流侧电容为2mF，并联在网侧的阻感负载，电阻为5Ω，电感10mH。
图7、图8为网侧系统电流电压补偿前后的仿真波形图，补偿前的网侧功率因数为73％，补偿后的网侧功率因数为98.3％，电流的THD值为2.3％，图9为静止无功发生器电流电压波形图，电流超前电压90°，对系统进行容性无功补偿。图10为直流侧电压波形图，各模块直流侧电压稳定在400V。符合要求。

Claims (3)

1.一种单相级联型变流器电压控制方法，其特征在于：包括多个H桥模块，包括以下步骤：
步骤1：将各个H桥模块分别进行控制，把第一个H桥模块设为电流控制模块，剩余H桥模块为电压控制模块；其中电流控制模块不仅可以控制第一个H桥模块的网侧电流，而且还控制该模块的直流侧电压，电压控制模块只控制其直流侧电压；
步骤2：在电流控制模块中，该模块直流侧输出电压与给定直流电压参考值比较得到电压误差信号，再通过第一PI调节器控制得到网侧有功电流幅值参考值；
步骤3：通过锁相环检测得到电网电压的相位信息以及对网侧电流进行采样；
步骤4：用作整流器时，网侧有功电流幅值参考值再与锁相环得到的网侧电压相位信号相乘，得到网侧电流参考值，通过采样网侧电流，与电流参考值比较得到电流误差信号，然后电流误差信号通过第二PI调节器控制得到该模块的调制比，用作静止无功发生器时，网侧有功电流幅值参考值再与锁相环得到的网侧电压相位信号相乘，得到网侧有功电流参考值，需补偿无功电流参考值与网侧电压相位正交的相位信号相乘，得到网侧无功电流的参考值，再与网侧电流有功参考值相加，可以得到网侧电流的参考值，通过采样网侧电流，与电流参考值比较得到电流误差信号，然后电流误差信号通过第二PI调节器控制得到该模块的调制比；
步骤5：在电压控制模块中，将该模块直流侧输出电压与给定直流电压参考值比较得到电压误差信号，经过PI调节器控制，再与锁相环得到的网侧电压相位信号相乘得到该模块的调制比；
步骤6：根据数学模型，进行电路交流侧电压矢量分析和系统功率分析；
步骤7：进行功率分布分析；当模块数i＝1时，此模块为电流控制模块，经过电压控制和电流控制，得到该模块调制比d1，在整流的工况下，该调制比分为有功分量d1d和无功分量d1q，因此该模块会补偿系统的电感压降，也就是提供负载有功功率的同时，还吸收由系统电感产生的无功功率；在无功补偿工况下，该调制比d1只有无功量，电流控制模块和电感发出的无功量共同补偿系统剩余的无功量；
当模块数i≠1时，此模块为电压控制模块，经过电压控制，得到该模块调制比dn，在整流的工况下，该调制比只有有功量，只为负载提供有功功率；在无功补偿工况下，各模块只为系统提供无功功率，且各电压控制模块提供的无功功率相等；
由于上述控制方法得到各模块所需调制比dn，达到稳态后，在整流工况下，各模块根据电网发出的有功功率按需分配；计算公式如下：
Figure FDA0004217936190000021
Figure FDA0004217936190000022
式中Pi为各H桥模块所需的有功功率,
Figure FDA0004217936190000023
为网侧电压电流的角度差,Ri为各H桥模块负载电阻；各H桥模块所需的有功功率与其负载电阻值成反比关系，且与各模块调制比dn成正比关系；
在无功补偿工况下，各模块根据电网所需的无功功率进行补偿；计算公式如下：
Figure FDA0004217936190000024
式中Qi为各H桥模块所提供的无功功率，且与各模块调制比dn成正比关系；
步骤8：将得到的各模块的调制比经过载波相移调制方法产生各自模块的驱动信号，驱动开关管工作。
2.根据权利要求1所述的一种单相级联型变流器电压控制方法，其特征在于：所述步骤(4)具体包括：
网侧电流信息以及网侧电压相位信息由中央处理器采样，并传输到电流控制模块的子处理器中，该模块的直流侧电压值由该子处理器进行采样。
3.根据权利要求1所述的一种单相级联型变流器电压控制方法，其特征在于：所述步骤(5)具体包括：
中央处理器只将采样的网侧电压相位信息传输到电压控制模块的子处理器中，该模块的直流侧电压值由该子处理器进行采样。
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