CN117895572B - 一种采用混合功率模块调制的孤岛级联h桥控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了采用混合功率模块调制的孤岛级联H桥控制方法，包括如下步骤：计算有功、无功功率和功率因数；计算LSF模块电池组的SoC权重因子；计算功率模块的功率因数和参考角频率,计算LSF模块的参考电压；得到HSF模块的电压补偿分量；得到HSF模块的直流电压补偿分量；得到PCC谐波电压参考分量；得到LC滤波器阻尼控制参考分量；将电压补偿分量、直流电压补偿分量、PCC谐波电压参考分量、LC滤波器阻尼控制参考分量相加得到HSF模块的参考电压；将LSF模块的参考电压与HSF模块的参考电压相加得到真正参考波，通过载波调制得到开关管的导通信息，控制变流器开关通断。保证系统的功率分配性能和PCC电压质量；避免复杂的信号运算，减小控制偏差，提高控制精度。

Description

一种采用混合功率模块调制的孤岛级联H桥控制方法
技术领域
本发明涉及一种采用混合功率模块调制的孤岛级联H桥变换器控制方法，特别涉及一种通过采用混合调制和控制算法的串联功率模块来实现孤岛变流器的运行控制。
背景技术
随着分布式发电(DG)越来越多地用于可再生能源系统或储能单元中，对于孤岛微电网，可再生能源通常通过多级功率转换 器集成到网络中。而多级功率转换存在成本高、效率低等问题，因此使用单级多级功率转换器直接集成多个直流系统得到越来越多的关注。在各种类型的功率转化器中，级联H桥变流器因其模块化结构、较好的输出电压波形和较强的容错控制能力得到较多的关注。
传统的级联H桥多电平变流器控制策略的研究主要集中在闭环电流跟踪控制，通过重新分配控制单元的参考电压实现H桥模块的控制，此外零序电压注入的方法也被应用于三相级联H桥变换器的相间功率控制。这些方法主要应用于级联H桥变流器并网运行状态下，在孤岛运行状态下无法正常运行。针对级联H桥变流器孤岛运行状态，传统的逆功率因数下垂控制主要关注系统在基频下的功率分配功能，馈线上的电压降和开关动作的谐波电流会导致严重的PCC电压偏差或谐振，严重影响系统的电能质量。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述相关问题，提出一种采用混合功率模块调制的孤岛级联H桥控制方法，为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种采用混合功率模块调制的孤岛级联H桥控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：采集PCC电压和负载电流/>，计算系统有功功率/>和无功功率/>，并得到功率因数/>；
步骤S2：获得LSF模块电池组的电池荷电状态(SoC)，计算 LSF模块m电池组的SoC权重因子；
步骤S3：计算功率模块的功率因数和参考角频率/>，利用PCC给定电压幅值计算LSF模块的参考电压/>；
步骤S4：将PCC电压的有效值/>、PCC给定电压幅值/>、输入电流I 1的相角/>输入PCC电压偏差控制器，通过PI调节，得到HSF模块的PCC电压补偿分量/>；
步骤S5：将直流侧电压、直流侧给定电压/>、输入电流I 1的相角/>输入直流电压稳压控制器，通过PI调节，得到HSF模块的直流电压补偿分量/>；
步骤S6：将PCC电压通过比例谐振控制器G har，得到PCC谐波电压参考分量；
步骤S7：将输出电流的谐波分量通过陷波滤波器/>提取，得到LC滤波器阻尼控制的参考分量/>；
步骤S8：将步骤S4~S7中的PCC电压补偿分量、直流电压补偿分量/>、PCC谐波电压参考分量/>、LC滤波器阻尼控制的参考分量/>四个分量相加，得到HSF模块的参考电压/>；
步骤S9：将步骤S3中LSF模块的参考电压与步骤S8中HSF模块的参考电压相加得到真正参考波/>，将计算得到的参考波调节控制之后得到调制波，通过载波调制得到变流器对应开关管的导通信息，从而控制变流器开关管的通断。
作为本技术方案的进一步改进，采集PCC电压和负载电流/>，计算系统有功功率/>和无功功率/>，并得到功率因数/>具体方式为：采集公共连接点PCC电压/>和负载电流/>，按下式计算系统有功功率/>、无功功率/>和功率因数/>：
；
；
；
其中，和/>分别是公共连接点PCC 电压的瞬时分量和共轭分量，/>和分别是负载电流的瞬时分量和共轭分量。
作为本技术方案的进一步改进，获得LSF模块电池组的电池荷电状态(SoC)，计算LSF模块m电池组的SoC权重因子的具体方式为：
通过低带宽通信系统(LBC)获得LSF模块电池组的电池荷电状态(SoC)，计算LSF模块m电池组的SoC权重因子；
；
其中，SoCm为LSF模块m电池组的SoC，k为LSF模块电池组的数量。
作为本技术方案的进一步改进，计算功率模块的功率因数和参考角频率/>，利用PCC给定电压幅值/>计算LSF模块的参考电压/>的具体方式为：
将步骤S1计算得到的传输给LSF模块的本地控制器，利用LSF功率模块的参考电压相位计算功率模块的功率因数/>：
；
其中，是低通滤波器的截止角频率，/>和/>分别是参考电压和输出电流基波分量的相角；
计算LSF模块的参考角频率：
；
其中，为系统的额定角频率，/>为矩阵系数，/>为PCC负载功率因数；
利用PCC给定电压幅值，得到LSF模块的参考电压/>；
；
其中，k是LSF模块的电池组数量， 是LSF模块的参考角频率。
作为本技术方案的进一步改进，将PCC电压的有效值/>、PCC给定电压幅值、输入电流I 1的相角/>输入PCC电压偏差控制器，通过PI调节，得到HSF模块的PCC电压补偿分量/>的具体方式为：PCC电压偏差控制器的输入值为/>与/>的差与/>乘积，PCC电压偏差控制器PI调节的传递函数为：
；
其中，和/>分别是PCC电压偏差控制器PI调节的比例系数和积分系数。
作为本技术方案的进一步改进，将直流侧电压、直流侧给定电压/>、输入电流I 1的相角/>输入直流电压稳压控制器，通过PI调节，得到HSF模块的直流电压补偿分量的具体方式为：直流电压稳压控制器的输入值为/>与/>的差与/>的乘积，直流电压稳压控制器PI调节的传递函数为：
；
其中，和 />分别是直流电压稳压控制器PI调节的比例系数和积分系数。
作为本技术方案的进一步改进，将PCC电压通过比例谐振控制器Ghar，得到PCC谐波电压参考分量/>的具体方式为：比例谐振控制器的输入值为/>，比例谐振控制器的传递函数为：
；
其中，和/>分别是直流电压稳压控制器PI调节的比例系数和谐波阶数h的谐振系数，/>为谐振控制器的带宽， h为谐波阶数，/>为系统的额定角频率。
作为本技术方案的进一步改进，将输出电流的谐波分量通过陷波滤波器/>提取，得到LC滤波器阻尼控制的参考分量/>的具体方式为：陷波滤波器的输入值为虚拟阻尼电阻/>与/>的乘积，陷波滤波器的传递函数为：
；
其中，为谐振控制器的带宽， />为系统的额定角频率。
作为本技术方案的进一步改进，将计算得到的参考波调节控制之后得到调制波，通过载波调制得到变流器对应开关管的导通信息，从而控制变流器开关管的通断的具体方式为：将参考波加载到载波信号进行调制，通过调制后的信号确定变流器开关管通断顺序，按照通断顺序依次为各个开关管施加导通和关断信号。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
该方法采用中央控制器和本地控制器混合调制的方法，相比于传统的计算方法显著减少了LSF模块的计算量和传感器数量，能够在较低的开关频率下工作，保证系统的功率分配性能和良好的PCC电压质量；并且避免了复杂的信号运算，减小了由于复杂信号处理带来的控制偏差，提高了控制精度。
附图说明
图1是本发明中单相级联H桥变流器孤岛运行的拓扑结构图；
图2是本发明中单相级联H桥变流器孤岛运行的控制方案图；
图3是本发明中HSF模块补偿分量的相量图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
图1是本发明所述的单相级联H桥变流器孤岛运行的拓扑结构图，图2是本发明所述的级联H桥变流器采用串联混合功率模块的控制方案图。
本发明为一种采用混合功率模块调制的孤岛级联H桥控制方法。以下为本发明更具体的实施方式：
单相级联H桥变流器孤岛运行的拓扑结构如图1所示，由三个低开关频率(LSF)功率模块和一个高开关频率(HSF)功率模块串联组成。LSF模块的直流侧连接电池组，HSF模块的直流侧只有一个浮动直流链路。在PCC侧通过一个LC滤波器滤除来自功率模块的开关纹波，并在LC滤波器输出端接入线性或非线性负载。假设LSF模块直流侧电池组在稳态运行时都具有相同的SoC。
步骤S1中：采集PCC电压和负载电流/>，计算系统有功功率/>和无功功率，并得到功率因数/>；
(1)；
(2)；
(3)；
其中，和/>分别是公共连接点PCC 电压的瞬时分量和共轭分量，/>和分别是负载电流的瞬时分量和共轭分量。
步骤S2中：通过低带宽通信系统(LBC)获得LSF模块电池组的电池荷电状态(SoC)，并通过中央控制器#1计算得到LSF模块m电池组的SoC权重因子；
(4)；
其中，为LSF模块m电池组的SoC，k为LSF模块电池组的数量。
步骤S3中：将步骤S1计算得到的传输给LSF模块的本地控制器，并利用LSF功率模块的参考电压相位间接估计功率模块的功率因数/>，计算得到LSF模块的参考角频率/>，利用PCC给定电压幅值/>，得到LSF模块的参考电压/>；
(5)；
其中，和/>分别是参考电压和输出电流基波分量的相角，/>是低通滤波器的截止角频率；
(6)；
其中，为系统的额定角频率，/>为LSF模块的参考角频率，/>为矩阵系数，为LSF模块的估计功率因数，/>为中央控制器测得的PCC负载功率因数；
(7)；
其中，是PCC给定电压幅值，k是LSF模块的电池组数量。
步骤S4中：在中央控制器#2中，将PCC电压的有效值/>、PCC给定电压幅值/>、输入电流I 1的相角/>输入PCC电压偏差控制器，通过PI调节，得到HSF模块的PCC电压补偿分量/>；
(8)；
其中，和/>分别是PI调节器的比例系数和积分系数。此时，电压补偿分量 比输出电流相量/>超前 90 度。
步骤S5中：将直流侧电压、直流侧给定电压/>、输入电流I 1的相角/>输入直流电压稳压控制器，通过PI调节，得到HSF模块的直流电压补偿分量/>；
(9)；
其中，和/>分别是PI调节器的比例系数和积分系数。HSF功率模块补偿分量和/>的相量图如图3所示。在稳态运行时，相量/>很小，因为直流总线上的功率损耗很小。
步骤S6中：将PCC电压通过比例谐振控制器G har，得到PCC谐波电压参考分量；
(10)；
其中，和/>分别是PI调节器的比例系数和谐波阶数h的谐振系数，/>为谐振控制器的带宽。通过该控制器可以滤除PCC电压低次谐波。
步骤S7中：将输出电流的谐波分量通过陷波滤波器/>提取，得到LC滤波器阻尼控制的参考分量/>；
(11)；
其中，为虚拟阻尼电阻。通过对LC滤波器阻尼控制，可实现对LC谐振的抑制。
步骤S8中：将步骤S4~S7中的PCC电压补偿分量、直流电压补偿分量/>、PCC谐波电压参考分量/>、LC滤波器阻尼控制的参考分量/>四个分量相加，得到HSF模块的参考电压/>；
(12)。
步骤S9中：将步骤S3中LSF模块的参考电压与步骤S8中HSF模块的参考电压相加得到真正参考波/>，将计算得到的参考波调节控制之后得到调制波，通过载波调制得到变流器对应开关管的导通信息，从而控制变流器开关管的通断；
(13)。
综上：本发明提出的一种采用混合模块调制的孤岛级联H桥控制方法，通过本地控制器和中央控制器混合调制，可以通过LSF模块以分散式运行方式实现功率分配，无需LSF模块本地控制器对电压和电流任何闭环跟踪，同时采用中央控制器直接控制HSF模块进行系统谐波抑制和PCC电压幅值补偿，可以获得更稳定的系统运行控制。所提方案不受系统负载变化和电压参考变化的动态影响，是一种值得推广的变流器孤岛运行控制方法。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应所述了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种采用混合功率模块调制的孤岛级联H桥控制方法，其特征在于，由低开关频率功率LSF模块和高开关频率功率HSF模块串联组成混合功率模块，所述方法包括以下步骤：
步骤S1：采集PCC电压和负载电流/>，计算系统有功功率/>和无功功率/>，并得到功率因数/>；
步骤S2：获得LSF模块电池组的电池荷电状态(SoC)，计算 LSF模块m电池组的SoC权重因子；
步骤S3：计算功率模块的功率因数和参考角频率/>，利用PCC给定电压幅值/>计算LSF模块的参考电压/>；
计算功率模块的功率因数和参考角频率/>，利用PCC给定电压幅值/>计算LSF模块的参考电压/>的具体方式为：
将步骤S1的传输给LSF模块的本地控制器，利用LSF功率模块的参考电压相位计算功率模块的功率因数/>：
；
其中，是低通滤波器的截止角频率，/>和/>分别是参考电压和输出电流基波分量的相角；
计算LSF模块的参考角频率：
；
其中，为系统的额定角频率，/>为矩阵系数，/>为PCC负载功率因数；
利用PCC给定电压幅值，得到LSF模块的参考电压/>；
；
其中，k是LSF模块的电池组数量， 是LSF模块的参考角频率；
步骤S4：将PCC电压的有效值/>、PCC给定电压幅值/>、输入电流I 1的相角/>输入PCC电压偏差控制器，通过PI调节，得到HSF模块的PCC电压补偿分量/>；
将PCC电压的有效值/>、PCC给定电压幅值/>、输入电流I 1的相角/>输入PCC电压偏差控制器，通过PI调节，得到HSF模块的PCC电压补偿分量/>的具体方式为：PCC电压偏差控制器的输入值为/>与/>的差与/>乘积，PCC电压偏差控制器PI调节的传递函数为：
；
其中，和/>分别是PCC电压偏差控制器PI调节的比例系数和积分系数；
步骤S5：将直流侧电压、直流侧给定电压/>、输入电流I 1的相角/>输入直流电压稳压控制器，通过PI调节，得到HSF模块的直流电压补偿分量/>；
将直流侧电压、直流侧给定电压/>、输入电流I 1的相角/>输入直流电压稳压控制器，通过PI调节，得到HSF模块的直流电压补偿分量/>的具体方式为：直流电压稳压控制器的输入值为/>与/>的差与/>的乘积，直流电压稳压控制器PI调节的传递函数为：
；
其中，和/>分别是直流电压稳压控制器PI调节的比例系数和积分系数；
步骤S6：将PCC电压通过比例谐振控制器G har，得到PCC谐波电压参考分量/>；
将PCC电压通过比例谐振控制器G har，得到PCC谐波电压参考分量/>的具体方式为：比例谐振控制器的输入值为/>，比例谐振控制器的传递函数为：
；
其中，和/>分别是直流电压稳压控制器PI调节的比例系数和谐波阶数h的谐振系数，/>为谐振控制器的带宽， h为谐波阶数，/>为系统的额定角频率；
步骤S7：将输出电流的谐波分量通过陷波滤波器/>提取，得到LC滤波器阻尼控制的参考分量/>；
将输出电流的谐波分量通过陷波滤波器/>提取，得到LC滤波器阻尼控制的参考分量/>的具体方式为：陷波滤波器的输入值为虚拟阻尼电阻/>与/>的乘积，陷波滤波器的传递函数为：
；
其中，为谐振控制器的带宽， />为系统的额定角频率；
步骤S8：将步骤S4~S7中的PCC电压补偿分量、直流电压补偿分量/>、PCC谐波电压参考分量/>、LC滤波器阻尼控制的参考分量/>四个分量相加，得到HSF模块的参考电压/>；
步骤S9：将步骤S3中LSF模块的参考电压与步骤S8中HSF模块的参考电压/>相加得到真正参考波/>，将计算得到的参考波调节控制之后得到调制波，通过载波调制得到变流器对应开关管的导通信息，从而控制变流器开关管的通断。
2.根据权利要求1所述的采用混合功率模块调制的孤岛级联H桥控制方法，其特征在于，采集PCC电压和负载电流/>，计算系统有功功率/>和无功功率/>，并得到功率因数/>具体方式为：采集公共连接点PCC电压/>和负载电流/>，按下式计算系统有功功率/>、无功功率/>和功率因数/>：
；
；
；
其中，和/>分别是公共连接点PCC 电压的瞬时分量和共轭分量，/>和分别是负载电流的瞬时分量和共轭分量。
3.根据权利要求1所述的采用混合功率模块调制的孤岛级联H桥控制方法，其特征在于，获得LSF模块电池组的电池荷电状态(SoC)，计算 LSF模块m电池组的SoC权重因子的具体方式为：
通过低带宽通信系统(LBC)获得LSF模块电池组的电池荷电状态(SoC)，计算LSF模块m电池组的SoC权重因子；
；
其中，SoCm为LSF模块m电池组的SoC，k为LSF模块电池组的数量。
4.根据权利要求1所述的采用混合功率模块调制的孤岛级联H桥控制方法，其特征在于，将计算得到的参考波调节控制之后得到调制波，通过载波调制得到变流器对应开关管的导通信息，从而控制变流器开关管的通断的具体方式为：将参考波加载到载波信号进行调制，通过调制后的信号确定变流器开关管通断顺序，按照通断顺序依次为各个开关管施加导通和关断信号。
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