串聯多電平電能質量調節器直流母線電壓的控制方法
2023-10-18 03:13:59 1
專利名稱：串聯多電平電能質量調節器直流母線電壓的控制方法
技術領域：
本發明屬於電網電能質量研究領域，特別涉及一種串聯多電平電能質量調節器直 流母線電壓的控制方法。
背景技術：
串聯型多電平變換器採用兩個或多個單相全橋電路串聯而成，每個單相全橋逆變 器由獨立直流電源供電，通過開關管的不同組合輸出3個電平，最後再將各個橋的電平疊 加起來合成最終的輸出波形。這種結構具有模塊化結構，可以任意擴展到η電平；無需箝位 二極體和電容，對於相同電平數，所需器件數最少，可以省去笨重的變壓器等優點，近年來 得到了廣泛的關注。當其用於電能質量調節器時，由於裝置主要輸出諧波和無功電流，需要 有功電流含量較少，可採用大電容代替獨立直流側電源。但是，不同模塊的並聯損耗、開關 損耗、開關器件的觸發脈衝之間的微小差異等都會造成穩態時直流母線電容上電壓不平衡 問題。近年來，串聯多電平變換器在諧波抑制和無功補償裝置中的使用越來越廣 泛，尤其是在有源電力濾波器(Active Power Filter)和靜止無功補償裝置(Static Compensator)中，由於不同模塊的並聯損耗、開關損耗、開關器件的觸發脈衝之間的微小差 異等會造成穩態時電容上電壓不平衡。而在實際應用中，各個單相全橋電路之間的參數差 異是不可避免的，而且觸發脈衝的一致性也難以保證。因此，必須採用一定的控制方法來平 衡各全橋模塊中懸浮的直流側電容電壓。如果沒有附加控制措施，電容電壓的不平衡問題， 不僅會影響到裝置的補償效果，甚至會影響到裝置安全、穩定的運行。因此研究串聯多電平 結構逆變器直流母線電壓不平衡控制方法是十分必要的。針對母線電壓的不平衡問題，目前存在的控制方法可以分為兩類逆變橋自身能 量平衡控制和逆變橋之間能量交換平衡控制。前者包括角度偏差控制法、脈衝循環換位法、 並聯電阻法和調製比控制法；後者包括基於直流母線能量交換法和基於交流母線能量交換 法。隨著研究的深入，大容量電力電子負荷日益增多，對高壓大容量電能質量調節器 需求越來越迫切。串聯多電平變換器作為高壓大容量裝置首選拓撲結構，其母線電壓均衡 控制這一技術難題的突破就顯得具有更重要的現實意義。
發明內容
本發明的目的在於提供一種串聯多電平電能質量調節器直流母線電壓的均衡控 制方法，以提高直流母線電壓利用率。該控制方法不需要附加另外電路，且前饋併網逆變器 輸出電壓，能有效地控制串聯多電平電能質量調節器單相全橋單元模塊直流側電壓等於給 定值，以確保串聯多電平電能質量調節器具有較好的補償效果。為了達到以上目的，本發明是採取如下技術方案予以實現的一種串聯多電平電能質量調節器直流母線電壓控制方法，其特徵在於，包括以下步驟步驟1，檢測串聯多電平電能質量調節器A、B、C三相所有單相全橋單元模塊直流 側電壓Udea^UdebPUdeei, i = 1，2. ..N，得3 · N個直流側電壓值，對這3 · N個電壓值求平 均，得直流側電壓的平均值；步驟2，將Uare與串聯多電平電能質量調節器直流側電壓給定值Um經過單路 減法器相比較，其輸出經過單路比例積分調節器調整，單路比例積分調節器的輸出作為 串聯多電平電能質量調節器直流側與交流側能量交換指令Aip，並取Aip的符號函數
sign(A ip)；步驟3，將A相第一個單相全橋單元模塊直流側電壓ud。al與直流側電壓的平均值 Uave經過單路減法器相比較，其輸出乘以符號函數Sign(Aip)後經過單路比例積分調節器 調整，單路比例積分調節器的輸出作為A相第一個單相全橋單元模塊電壓偏差指令Aud。
al 『步驟4，按照與步驟3相同的方式，分別求出A相第二個到第N個單相全橋單元 模塊電壓偏差指令Aud。a2，... Δ Udc;aN，B相第一個到第N個單相全橋單元模塊電壓偏差 指令Aud。bl，... Aud。bN*C相第一個到第N個單相全橋單元模塊電壓偏差指令Aud。
cl，· · · A Udc_cN ；步驟5，檢測串聯多電平電能質量調節器A相PWM調製波ua，並與A相第一個單相 全橋單元模塊電壓偏差指令Aual經過單相乘法器相乘，輸出作為串聯多電平電能質量調 節器A相第一個單相全橋單元模塊PWM調製波的微調指令Au/，以此類推可得到A相剩餘 單相全橋單元模塊PWM調製波的微調指令Δ ua2*, . . .，Δ uaN%以及B、C相中所有單相全橋 單元模塊PWM調製波的微調指令Δ ubl*, . . .，Δ ubN*, Δ ucl*, . . .，Δ ucN* ；步驟6，把A相第一個單相全橋單元模塊PWM調製波的微調指令Δ ual*與微調前 A相PWM調製波Ua經過單路加法器，輸出作為串聯多電平電能質量調節器A相第一個單 相全橋單元模塊最終PWM調製波Ual，以此類推可得到A相中剩餘單相全橋單元模塊最終 PWM調製波ua2，. . . uaN,以及B、C相中所有單相全橋單元模塊最終PWM調製波Ubl，. . . ubN,
Ucl · · · UcNo上述方案中，所述的N為2 36。本發明既可以控制串聯多電平電能質量調節器從電網吸收的總的有功功率，以抵 消其各種損耗，又可以控制單相全橋單元模塊直流側電壓，使得所有單相全橋單元模塊直 流側電壓均穩定在給定值附近。本發明簡單、易於實現，且不需要附加另外電路。同時實驗室中搭建了容量為 30kVA，兩個單相全橋單元模塊串聯的小型實驗樣機，對本發明中的方法進行了仿真和實驗 驗證，仿真和實驗結果都證明了該方法的正確性、可靠性，為工程應用提供了很好的參考價值。
圖1為串聯多電平電能質量調節器主電路結構框圖。圖2為本發明方法的控制系統框圖。圖3為圖2中AC/DC總的能量交換控制單元的具體控制框圖。
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圖4為圖2中電壓環均衡控制微調指令控制單元的具體控制框圖。圖5為沒有圖3和圖4控制單元時單相全橋單元模塊直流側電壓仿真波形；其中 (a)為直流側電壓的平均值Uare的仿真波形；(b)為A相第一個單相全橋單元模塊直流側電 壓ud。—al仿真波形；(c)為A相第二個單相全橋單元模塊直流側電壓Ude a2仿真波形。圖6為只有圖3控制單元，沒有圖4控制單元時單相全橋單元模塊直流側電壓仿 真波形；其中(a)為直流側電壓的平均值Uare的仿真波形；(b)為A相第一個單相全橋單元 模塊直流側電壓ud。al仿真波形；(c)為A相第二個單相全橋單元模塊直流側電壓ud。a2仿 真波形。圖7為本發明方法同時有圖3和圖4控制單元時單相全橋單元模塊直流側電壓仿 真波形；其中(a)為直流側電壓的平均值Uare的仿真波形；(b)為A相第一個單相全橋單元 模塊直流側電壓ud。al仿真波形；(c)為A相第二個單相全橋單元模塊直流側電壓ud。a2仿 真波形。圖8為本發明方法同時有圖3和圖4控制單元時，負載電流和補償後電網電流仿
真波形。圖9為只有圖3控制單元、沒有圖4控制單元時單相全橋單元模塊直流側電壓實 驗波形。圖10為本發明方法同時有圖3和圖4控制單元時單相全橋單元模塊直流側電壓 實驗波形。
具體實施例方式參照圖1，三相電源1和非線性負載2之間連接串聯多電平電能質量調節器3。串 聯多電平電能質量調節器3的主電路結構，主要包括6個單相全橋單元模塊3al，3a2，3b 1， 3b2，3cl，3c2和3個進線電感。單相全橋單元模塊由直流側儲能元件Cak C。k(k = 1、2)和 電壓源型PWM變換器301 306組成，其中直流側儲能元件一般由電力電容器串並聯構成， 電壓源型PWM(脈衝寬度調製)變換器採用全控器件如IGBT、GT0等組成。進線電感31、32 和33 —端串聯在A、B、C三相電壓源型PWM變換器上，一端並聯在三相電源1和非線性負載 2之間，其參數的選擇主要取決於電壓源型PWM變換器的開關頻率。為了敘述方便，本發明中，每相以兩個單相全橋單元模塊為例進行詳細說明。電 源三相電壓記為Us，即llsa、Usb, Usc ；電源三相電流記為is，即isa、isb、isc ；串聯多電平電能 質量調節器的6個單相全橋單元模塊直流側電壓分別記為ud。—al，udc_a2, udc_bl, Udc b2, Udc cl, Udcc2 ；直流側電壓的給定值記為UMf ；串聯多電平電能質量調節器輸出的三相補償電流記為 ic，艮口 ica、icb> icc ；三相負載電流記為 iL，即:iia> iib、iic。參照圖2，圖3，圖4，本發明中的串聯多電平電能質量調節器直流母線電壓控制方 法，包括兩個控制環，其中步驟1、2為第一個控制環，對應圖2中總的AC/DC能量交換控制 單元，步驟3、4、5、6為第二個控制環，對應圖2中的電壓環均衡控制微調指令控制單元，具 體步驟如下步驟1，檢測串聯多電平電能質量調節器A、B、C三相中6個單相全橋單元模塊直 流側電壓 Udc_al，Udc_a2 『 Udc_bl 『 Udc_b2 『 Udc_cl 『 Udc_c2 『 求它們的平均值，得6個模塊直流側電壓的平 均值Uare。
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步驟2，將Uare與串聯多電平電能質量調節器直流側電壓給定值Uref經過單路減法 器相比較，輸出經過單路比例積分調節器調整，單路比例積分器的輸出作為串聯多電平電 能質量調節器直流側與交流側能量交換指令Δ ip。步驟3，將A相第一個單相全橋單元模塊直流側電壓檢測值Ude al與6個模塊直流 側電壓的平均值Uare經過單路減法器相比較，輸出乘以符號函數Sign(Aip)後經過單路比 例積分調節器調整，單路比例積分器的輸出作為A相第一個單相全橋單元模塊電壓偏差指 令 Audc—al。步驟4，按照步驟3要求，分別求出A相第二個單相全橋單元模塊電壓偏差指令 Δ udc_a2, B相第一個單相全橋單元模塊電壓偏差指令Δ udc bl, B相第二個單相全橋單元模塊 電壓偏差指令Δ udc_bl, C相第一單相全橋單元模塊電壓偏差指令Δ Udc cl和C相第二個單相 全橋單元模塊電壓偏差指令Audc c2t5步驟5，檢測串聯多電平電能質量調節器A相PWM調製波ua，並與A相第一個單相 全橋單元模塊電壓偏差指令Aual經過單相乘法器，輸出作為串聯多電平電能質量調節器A 相第一個單相全橋單元模塊PWM調製波的微調指令Δ Λ以此類推可得到A相第二個單相 全橋單元模塊PWM調製波的微調指令Δ Ua2*, B相第一個單相全橋單元模塊PWM調製波的微 調指令Δ ubl*，B相第二個單相全橋單元模塊PWM調製波的微調指令Δ ub/，C相第一個單相 全橋單元模塊P麗調製波的微調指令Δ ucl*和C相第二個單相全橋單元模塊P麗調製波的 微調指令Au。/。步驟6，把A相第一個單相全橋單元模塊PWM調製波的微調指令Δ ual與微調前串 聯多電平電能質量調節器A相PWM調製波Ua經過單路加法器，輸出作為串聯多電平電能質 量調節器A相第一個單相全橋單元模塊最終PWM調製波Ual。以此類推得到A相第二個單相 全橋單元模塊最終PWM調製波ua2，B相第一個單相全橋單元模塊最終PWM調製波ubl、B相 第二個單相全橋單元模塊最終PWM調製波ub2，C相第一個單相全橋單元模塊最終PWM調製 波u。」 C相第二個單相全橋單元模塊最終PWM調製波u。2。其中符號函數Sign(Aip)的作用是判斷變流器與電網之間交換的有功功率的方 向，判斷方法遵循以下原則從電網吸收有功功率時Aip>0，即Sign(Aip) = 1;向電網 發出有功功率時Δ ip< OjPsign(Aip) =-1。按上述的定義是為了更好的控制同相中兩 個單相全橋單元模塊的直流側電壓，若不加此環節，就會出現新的問題，如檢測到直流側電 壓小於給定值，則希望直流側電壓值升高，但會有兩種截然相反的選擇，當此時變流器本身 是從電網吸收有功功率，則需要從電網吸收更多的有功功率，但若此時變流器是向電網發 出有功功率，則為了升高直流側電壓值，應該向電網發出少一點的有功功率，因此，在前饋 埠電壓的同時，必須還要判斷變流器與電網之間交換的有功功率的方向。類似的，本發明上述兩個單相全橋單元模塊的方法也適用於三模塊、四模 塊......直至三十六模塊。比較圖5、圖6、圖7所示的仿真波形，由此可以看出，通過使用本發明控制方法所 得到的仿真波形(圖7)，能夠很好得穩定單相全橋單元模塊直流側電壓，使其等於給定值。如圖8所示，使用本發明控制方法所得到的負載側和電網側的電流仿真波形，可 以看出仿真效果很好。比較圖9、圖10所示的實驗波形中，由此也可以看出，通過使用本發明控制方法所得到的實驗波形(圖10)，能夠很好地穩定單相全橋單元模塊直流側電壓，使其等於給定值。
權利要求
一種串聯多電平電能質量調節器直流母線電壓控制方法，其特徵在於，包括以下步驟步驟1，檢測串聯多電平電能質量調節器A、B、C三相所有單相全橋單元模塊直流側電壓udc_di、udc_bi、udc_ci，i＝1，2...N，得3·N個直流側電壓值，對這3·N個電壓值求平均，得直流側電壓的平均值uave；步驟2，將uave與串聯多電平電能質量調節器直流側電壓給定值uref經過單路減法器相比較，其輸出經過單路比例積分調節器調整，單路比例積分調節器的輸出作為串聯多電平電能質量調節器直流側與交流側能量交換指令Δip，並取Δip的符號函數sign(Δip)；步驟3，將A相第一個單相全橋單元模塊直流側電壓udc_a1與直流側電壓的平均值uave經過單路減法器相比較，其輸出乘以符號函數sign(Δip)後經過單路比例積分調節器調整，單路比例積分調節器的輸出作為A相第一個單相全橋單元模塊電壓偏差指令Δudc_a1；步驟4，按照與步驟3相同的方式，分別求出A相第二個到第N個單相全橋單元模塊電壓偏差指令Δudc_a2，...Δudc_aN，B相第一個到第N個單相全橋單元模塊電壓偏差指令Δudc_b1，...Δudc_bN和C相第一個到第N個單相全橋單元模塊電壓偏差指令Δudc_c1，Δudc_cN；步驟5，檢測串聯多電平電能質量調節器A相PWM調製波ua，並與A相第一個單相全橋單元模塊電壓偏差指令Δua1經過單相乘法器相乘，輸出作為串聯多電平電能質量調節器A相第一個單相全橋單元模塊PWM調製波的微調指令Δua1*，以此類推可得到A相剩餘單相全橋單元模塊PWM調製波的微調指令Δua2*，...，ΔuaN*，以及B、C相中所有單相全橋單元模塊PWM調製波的微調指令Δub1*，...，ΔubN*，Δuc1*，...，ΔucN*；步驟6，把A相第一個單相全橋單元模塊PWM調製波的微調指令Δua1*與微調前A相PWM調製波ua經過單路加法器，輸出作為串聯多電平電能質量調節器A相第一個單相全橋單元模塊最終PWM調製波ua1，以此類推可得到A相中剩餘單相全橋單元模塊最終PWM調製波ua2，...uaN，以及B、C相中所有單相全橋單元模塊最終PWM調製波ub1，...ubN，uc1，...ucN。
2.根據權利要求1所述的串聯多電平電能質量調節器直流母線電壓控制方法，其特徵 在於，所述的N為2 36。全文摘要
本發明公開了一種串聯多電平電能質量調節器直流母線電壓控制方法，並利用MATLAB中的simulink模塊對該控制方法進行了仿真驗證，同時在實驗室中搭建了容量為30kVA、兩個單相全橋單元模塊串聯的小型實驗樣機，並對該控制方法進行了實驗驗證。從仿真和實驗的結果都可以確認，該控制方法能夠很好的穩定單相全橋單元模塊直流側電壓，使其等於給定值，並提高了直流母線電壓的利用率，為工程應用提供了很好的參考價值。
文檔編號H02J1/08GK101950960SQ20101028654
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月19日 優先權日2010年9月19日
發明者何英傑, 劉進軍, 劉鐵 申請人:西安交通大學