級聯H橋多電平變流器中各單元瞬時功率計算方法與流程
2024-03-05 19:06:15
本發明涉及大功率級聯h橋多電平變流器的電能變換技術領域，具體涉及一種級聯h橋多電平變流器中各單元瞬時功率計算方法。
背景技術：
級聯h橋多電平變流器由於能夠輸出任意電平電壓波形和單元化結構，使得其在大功率交流-直流、直流-交流變換場合得到廣泛應用。級聯h橋多電平變流器調製方法主要有載波移相調製、空間電壓矢量調製、最近電平逼近調製等。其中最近電平逼近調製通過調製電壓和直流側電壓信息的取整運算實現階梯波電壓的輸出，特別適用於級聯單元數較多的應用場合，如高壓直流輸電領域，具有開關頻率較低、算法實現簡便的優點。
但是，由於最近電平逼近調製方法相比於其他調製方法的開關頻率較低，每個h橋單元單元在一個基波周期中只進行一次正向和反向投入，並且各h橋單元正、反向投入時間不同且差異較大，使得各h橋單元交流側等效交流電壓差異較大。由於級聯連接的電路拓撲結構，流經各h橋的電流相同，所以各h橋單元單元出現嚴重的功率不均衡。
功率在級聯h橋多電平變流器各h橋單元單元間分配差異較大，開關狀態切換速度較慢，這會導致各級聯h橋單元的發熱不均衡，不利於散熱器的設計；同時，在輸出功率較大的情況，各h橋單元的投切均相當於一個衝擊負載，會引起中間直流電壓的大幅波動，進而影響整個變流裝置的控制性能。為了進一步改善級聯h橋多電平變流器直流側電能供給質量，為各h橋逆變單元提供所需功率，需要準確獲得各h橋單元單元的功率信息。此功率信息為直流側供電裝置提供參考，有利於供電裝置與級聯h橋多電平變流器聯合運行，進一步提升系統性能。
但是，現有技術缺少級聯h橋多電平變流器工作於最近電平逼近調製方法下的各h橋單元單元功率計算方法。若採集各h橋單元單元交流側電壓和電流信息間接計算各單元單元功率，需要大量電壓傳感器，大大增加系統硬體成本，可靠性不高。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種級聯h橋多電平變流器中各單元瞬時功率計算方法，該方法信息採集量較少，各單元功率值計算準確度較高，算法實現簡便，具有較強的通用性。
為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：
一種級聯h橋多電平變流器中各單元瞬時功率計算方法，包括以下步驟：
步驟1：根據級聯h橋變流器在最近電平逼近調製下各h橋單元交流側電壓正、反向投入時刻對應的電角度和各h橋單元直流側電壓，建立h橋單元交流側電壓關於時間的關係式；
步驟2：通過傅立葉變換求解步驟1中交流電壓等效正弦量的表達式；
步驟3：將得到的h橋單元交流側電壓與流經各h橋單元電流關係式相乘獲得h橋單元瞬時功率關於時間的表達式；
步驟4：通過功率正比例分配關係求解各h橋單元的有功功率和無功功率。
進一步的，通過步驟2得到的表達式為：
其中，vi為基波交流量，vi為第i個h橋單元交流側電壓的基波交流量幅值，vdc為各級聯h橋多電平變流器單元直流側電壓，αi1和αi2分別為第i個h橋單元正向投入的起止時刻。
進一步的，所述步驟3中瞬時功率的表達式為：
其中，si為第i個h橋單元交流側瞬時功率，im為級聯h橋多電平變流器交流側電流幅值；為變流器調製電壓和交流側電流間的相位角。
進一步的，所述步驟4得到的各h橋單元中分配的有功功率和無功功率分別為：
其中，ptotal和qtotal分別為級聯h橋多電平變換器運行時的總的有功功率和總的無功功率，um為級聯h橋多電平變換器調製電壓幅值。
進一步的，各單元功率計算表達式中級聯h橋多電平變流器總功率通過採集變流器電壓電流信息直接計算得到，或者通過變流器控制算法中電參數信息間接求解得到。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
1、採用本發明方法，僅需採集變流器總功率和調製電壓信息，以較少的信息採集量實現了各h橋單元單元功率計算。
2、採用本發明方法，變換器總功率和調製電壓幅值容易準確獲得，從而該方法計算功率值準確可靠。
3、本發明方法移植性較強，適用於單/三相任意單元數量的級聯h橋變流器的各單元實時功率計算方法，具有較強的通用性。
附圖說明
圖1是本發明方法流程示意圖。
圖2是本發明中級聯h橋多電平變流器拓撲結構示意圖。
圖3是最近電平逼近調製原理示意圖。
圖4是本發明中三單元級聯h橋多電平變流器在最近電平逼近調製方法下工作狀態示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。本發明方法只通過採集變流器功率和變換器交流側電流幅值，在線計算各h橋單元中分配的有功功率和無功功率。級聯h橋多電平變流器拓撲結構如附圖2所示，最近電平逼近調製方法原理如附圖3所示。該方法包含以下步驟：
首先，對於任意單元數的級聯h橋變流器，設各級聯h橋多電平變流器單元直流側電壓為vdc，設第i個h橋單元交流側電壓的基波交流量vi表示為式(1)：
vi＝visinωt(1)
式中，vi為第i個h橋單元交流側電壓的基波交流量幅值。
根據傅立葉變換，得第i個h橋單元交流側電壓的基波交流量幅值為式(2)：
式中，αi1和αi2分別為第i個h橋單元正向投入的起止時刻。
設級聯h橋多電平變流器交流側電流為il，表示為式(3)
式中，im為級聯h橋多電平變流器交流側電流幅值；為變流器調製電壓和交流側電流間的相位角。
為形象示意，附圖4所示為i＝3時，級聯h橋多電平變流器在最近電平逼近調製下工作狀態示意圖。
第i個單元交流側瞬時功率pi可以表示為式(4)：
進而，第i個h橋單元交流側瞬時功率表達式(5)：
其次，由式(5)可知，第i個單元交流側有功功率為：
式(6)中功率計算表達式中包含網側電流和調製波相位角對應的餘弦值，當獲得的相位角與真實值存在較小誤差時，計算得到的功率會產生較大誤差。為此，應減小對相位角信息的依賴性。
為分析簡便，假設最近電平逼近調製中各h橋單元選擇對稱的開關切換時刻，即αi1＝αi2＝αi，有：
所以，開關切換時刻是造成各h橋單元有功功率不同的原因，即
pi∝cosαi(8)
同理，無功功率也滿足關係
qi∝cosαi(9)
最近電平逼近調製下，開關切換時刻滿足式(10)關係：
umsinαi＝(i-0.5)vdc(10)
式中，um為級聯h橋多電平變換器調製電壓幅值。
得到
最後，根據各h橋單元功率分配關係，得到在逆變器實時工作時各h橋單元中分配的有功功率和無功功率，為式(12)和式(13)：
式中，ptotal和qtotal分別為級聯h橋多電平變換器運行時總的有功功率和總的無功功率。
對於最近電平逼近調製中各單元選擇非對稱的開關切換時刻時，該計算思路仍然適用，只需將所有開關切換時刻考慮到計算環節即可。