實現雙極性直流母線電壓獨立控制的拓撲結構與系統的製作方法

2023-07-24 10:32:26 2

本發明屬於電力電子領域，尤其涉及一種實現雙極性直流母線電壓獨立控制的拓撲結構與系統。

背景技術：

雙極性直流母線結構的t型三電平變換器具有諧波小、開關損耗低、電磁幹擾小、功率損耗均勻等優點，適合併已廣泛應用於高壓直流輸電、分布式發電、微電網、電動汽車充電領域的交直流變換場所。利用三電平變換器固有的分裂電容直接產生雙極性直流母線，結構簡單、體積小、成本低，是國內外學術界及工業界的研究熱點。然而，使得雙極性直流母線結構的三電平變換器適應性差，難以滿足多樣的電壓等級與複雜負載類型，迫切需要解決基於t型三電平變換器的雙極性母線電壓獨立控制。

由於直流母線電壓不對稱與負載不平衡互相耦合，使得雙極性直流母線負載不平衡時，尤其是某一母線空載，另一母線帶載而產生極端不平衡時，難以精確控制雙極性直流母線電壓。因此改進或者提出新的變換器拓撲及控制方法是實現t型三電平變換器雙極性直流母線獨立控制且穩定運行的關鍵。

技術實現要素：

本發明為了解決上述問題，提出了一種實現雙極性直流母線電壓獨立控制的拓撲結構與系統，本發明考慮極端不平衡負載情況設計控制系統，獨立精確控制雙極性直流母線電壓，實現不對稱電壓與不平衡負載的解耦控制。本發明的新型三電平變換器拓撲簡單、高效，其系統控制器易於數位化實現，所設計的控制系統使t型三電平變換器具有高品質獨立的直流輸出，且高效穩定運行，極大拓展了基於t型三電平變換器的雙極性直流母線結構的應用場合。

為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種實現雙極性直流母線電壓獨立控制的拓撲結構，包括t型三電平變換器與單相不平衡橋臂，t型三電平變換器包括並聯的三相橋臂，每相橋臂包括兩個串聯的igbt管，各相橋臂的中點一側串聯兩個方向不同的igbt管，另一側經濾波器與電網連接；

直流母線之間串聯兩個分裂的直流母線電容，直流母線與電容中點構成雙極性直流母線，兩個電容中點連接各相橋臂的兩個方向不同igbt管的一端，各個igbt管均由控制電路驅動，兩個分裂的直流母線電容分別並聯兩個不平衡的負載，正負直流母線之間設置有單相不平衡橋臂，橋臂由兩個串聯的igbt管組成，橋臂中點經過不平衡電感後接電容中點。

所述濾波器為濾波電感。

一種實現雙極性直流母線電壓獨立控制系統，具有控制器，包括t型三電平變換器控制模塊與單相不平衡橋臂控制模塊，所述t型三電平變換器控制模塊，被配置為確保整流或逆變過程單位功率因數下運行，調節雙極性直流母線總電壓；單相不平衡橋臂控制模塊被配置為調節負直流母線電壓，實現雙極性直流母線電壓獨立控制。

所述單相不平衡橋臂控制模塊使正負直流母線具有完全帶載能力，其中某一母線可空載，另一母線帶載產生極端不平衡狀態下仍能穩定運行。

所述控制器接收不平衡電感電流和負直流母線電壓參考值，輸出pwm調製信號來驅動單相不平衡橋臂工作。

所述t型三電平變換器控制模塊採用電壓外環、電流內環的雙環控制結構。

所述t型三電平變換器控制模塊採集電網電壓經過併網鎖相獲得電壓矢量的旋轉角度、根據旋轉角度將採集到的電網電流信號進行坐標變換，得到旋轉坐標系下電流分量，雙極性直流母線總電壓與期望的直流母線電壓的差值通過pi控制器後作為電流內環d軸控制的參考值，電流內環q軸控制的參考值為零。

進一步的，所述t型三電平變換器控制模塊電流內環的參考值與實際測量值分別經過d軸與q軸的pi控制器再經過坐標反變換為靜止坐標系α、β軸分量後通過svpwm矢量調製，得到pwm波形驅動開關管。

單相不平衡橋臂控制模塊採用電壓外環、電流內環的雙環控制結構。

進一步的，電壓外環期望的負直流母線電壓與實時採集的負直流母線電壓的差值通過pi控制器後作為電流內環的電流參考值，此參考值與採集的不平衡電感電流差值經過電流內環pi控制器，控制器輸出與三角載波進行比較，生成pwm調製波形驅動單相不平衡橋臂中兩個開關管。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：

(1)本發明所提拓撲結構基於三電平變換器固有的分裂電容，可以大幅減少直流母線電容的設計容量，使得雙極性直流母線結構簡單、體積小、成本低。

(2)本發明所提的雙極性直流母線電壓獨立控制能夠產生三個分別獨立可調節的直流母線電壓等級，可適應更為廣泛的直流源/載，極大的拓展了三電平變換器的應用場合。

(3)本發明所提三電平拓撲結構及其控制系統在旋轉坐標系下，通過空間矢量調製易數位化實現。

(4)本發明所提三電平變換器拓撲及其控制系統適用於多臺、多電壓等級直流設備隨機運行的情況，可推廣應用於電池測試、分布式充電設施、新能源發電系統、微電網等領域。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用於解釋本申請，並不構成對本申請的不當限定。

圖1利用三電平變換器分離電容產生雙極性直流母線系統結構圖；

圖2為所提出新型三電平變換器拓撲結構圖；

圖3為t型三電平變換器控制系統圖；

圖4單相不平衡橋臂控制系統圖；

圖5為在負載平衡條件下應用本發明所提拓撲與控制系統時，雙極性直流母線電壓獨立控制動態仿真波形圖；

圖6為在雙極性直流母線電壓獨立控制條件下應用本發明所提拓撲及其控制系統時，直流母線負載動態切換的仿真波形圖；

圖7為在雙極性直流母線電壓獨立控制條件下應用本發明所提拓撲及控制系統，直流母線負載動態切換三電平變換器交流側仿真波形圖；

圖8為本發明的原理圖。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這裡所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這裡所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括複數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語「包含」和/或「包括」時，其指明存在特徵、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術所介紹的，現有技術中存在由於直流母線電壓不對稱與負載不平衡互相耦合，使得雙極性直流母線負載不平衡時，尤其是某一母線空載，另一母線帶載而產生極端不平衡時，難以精確控制雙極性直流母線電壓的不足，為了解決如上的技術問題，本申請提出了一種三電平變換器拓撲與基於新拓撲的雙極性直流母線電壓獨立控制系統。

三電平變換器拓撲由t型三電平變換器與單相不平衡橋臂組成。t型三電平變換器包括並聯的三相橋臂，每相橋臂包括兩個串聯的igbt管，各相橋臂的中點一側串聯兩個方向不同的igbt管，另一側經濾波器與電網連接；直流母線之間串聯兩個分裂的直流母線電容，直流母線與電容中點構成雙極性直流母線；兩個電容中點連接各相橋臂的兩個方向不同igbt管的一端，各個igbt管均由控制電路驅動；兩個分裂的直流母線電容分別並聯兩個不平衡的負載。正負直流母線之間添加單相橋臂，橋臂由兩個串聯的igbt管組成，橋臂中點經過不平衡電感後接電容中點，新型三電平變換器拓撲如圖2所示。

基於新拓撲的雙極性直流母線電壓獨立控制結構分為t型三電平變換器控制與單相不平衡橋臂分別控制。

(1)t型三電平變換器的主要功能是確保整流或逆變過程單位功率因數下運行；調節雙極性直流母線總電壓。本發明提供的t型三電平變換器控制系統結構如圖3所示。所述控制器用於接收三相輸入電流和三相參考電壓，輸出pwm調製信號來驅動t型三電平變換器。

(2)單相不平衡橋臂的主要功能是調節負直流母線電壓，並分別使正負直流母線具有完全帶載功能，即使其中某一母線可空載，另一母線帶載產生極端不平衡狀態下仍能穩定運行。本發明提供了一種用於單相不平衡橋臂的控制系統，所述控制器接收不平衡電感電流和負直流母線電壓參考值，輸出pwm調製信號來驅動單相不平衡橋臂工作，其控制結構如圖4所示。

通過調節雙極性直流母線總電壓、負直流母線電壓，最終實現雙極性直流母線電壓獨立控制。

本申請的一種典型的實施方式中，如圖1所示，以本發明所提新型三電平變換器拓撲結構闡述雙極性直流母線電壓獨立控制策略。

圖2為本發明所提新型三電平變換器拓撲結構圖，主電路可分為t型三電平變換器和單相不平衡橋臂。t型三電平變換器包括並聯的三相橋臂，每相橋臂包括兩個串聯的igbt管，各相橋臂的中點一側串聯兩個方向不同的igbt管，另一側經電感濾波器與電網連接；直流母線之間串聯兩個分裂的直流母線電容c1、c2，直流母線與電容中點o構成雙極性直流母線；兩個電容中點連接各相橋臂的兩個方向不同igbt管的一端，各個igbt管均由控制電路驅動；兩個分裂的直流母線電容分別並聯兩個不平衡的直流負載電阻r1、r2。正負直流母線之間添加單相橋臂，橋臂由兩個串聯的igbt管組成，橋臂中點經過不平衡電感後接電容中點o。所述濾波器為濾波電感la、lb、lc。

信號調理電路將霍爾傳感器測得的相關信號進行調理，得到採樣電路可以接收的模擬信號。ad轉換器的採樣與轉換由dsp進行控制，將調理好的模擬信號轉換為數字量。數位訊號的處理、單相不平衡橋臂的pwm調製信號產生均由dsp實現，最終生成的pwm信號送給驅動電路來控制igbt管的開通與關斷。

本發明所提雙極性直流母線電壓獨立控制系統分別通過t型三電平變換器調節雙極性直流母線總電壓與單相不平衡橋臂調節負直流母線電壓實現。

t型三電平變換器的控制方法如圖3所示，採集電網電壓經過併網鎖相獲得電壓矢量的旋轉角度θ、根據旋轉角度將採集到的電網電流信號進行坐標變換，得到旋轉坐標系下電流分量id、iq。雙極性直流母線總電壓(v1+v2)由dsp採樣，與期望的直流母線電壓vdc_ref的差值通過pi控制器後作為電流內環d軸控制的參考值id_ref。為實現單位功率下運行，電流內環q軸控制的參考值iq_ref為零。電流內環的參考值與實際測量值分別經過d軸與q軸的pi控制器再經過坐標反變換為靜止坐標系α、β軸分量後通過svpwm矢量調製，得到pwm波形驅動開關管。

單相不平衡橋臂控制方法同樣採用電壓外環、電流內環的雙環控制結構如圖4所示，期望的負直流母線電壓v2_ref與實時採集的負直流母線電壓的差值通過pi控制器後作為電流內環的電流參考值。此參考值與採集的不平衡電感電流差值經過電流內環pi控制器，控制器輸出與三角載波進行比較，生成pwm調製波形驅動單相不平衡橋臂中兩個開關管b1、b2。

通過matlab仿真驗證本發明所提拓撲、控制結構可實現雙極性直流母線電壓獨立控制。當直流母線負載不平衡時，尤其是直流母線負載極端不平衡，即某一母線空載，另一母線帶載的極端不平衡條件下，證明所提出的新型拓撲及其控制系統能夠精確獨立控制雙極性直流母線電壓使之保持不對稱下穩定運行。仿真軟體選用matlab/simulink2014a，仿真參數如表2所示，仿真結果證明了提出的新型三電平變換器拓撲及其控制結構實現了不受直流不平衡負載的影響下雙極性直流母線電壓獨立控制，使直流母線電壓不對稱並產生三個獨立的直流母線電壓等級。

表2仿真參數

圖5為應用本發明所提拓撲及其控制系統，雙極性直流母線電壓獨立控制在負載平衡條件下仿真波形圖。波形(1)交流側線電壓波形；波形(2)為雙極性直流母線正負直流母線電壓，虛線表示正直流母線電壓，實線表示負直流母線電壓；波形(3)為交流側電網電流波形。圖5所示在仿真0.1s～0.2s時間內，雙極性直流母線電壓初始狀態為對稱相等；在仿真0.2s～0.3s時間內，正直流母線電壓v1被調節至500v，負直流母線電壓v2被調節至200v；仿真0.3s～0.4s時間內，正直流母線電壓v1被精確調節至400v，負直流母線電壓v2被精確調節至300v；仿真0.4s～0.5s時間內，正直流母線電壓v1被精確調節至300v，負直流母線電壓v2被精確調節至400v；仿真0.5s～0.6s時間內，正直流母線電壓與負直流母線電壓再次被控制對稱相等。通過分析圖5中波形可知，本發明所提的三電平變換器新型拓撲及控制系統在直流母線帶平衡負載情況下，可實現雙極性直流母線電壓獨立控制。

本發明所提供的雙極性直流母線電壓獨立控制，對雙極性直流母線不平衡負載具有較強的魯棒性。尤其是當某一母線空載產生嚴重不平衡的負載擾動時(即某一母線空載時，另一母線帶載時)，本發明所提新型三電平變換器拓撲及其系統控制器能夠精確獨立控制雙極性直流母線電壓。

為證明本發明所提新型三電平變換器拓撲及其控制系統具有獨立控制雙極性直流母線電壓功能，並且不受直流母線負載擾動的影響，設計了直流母線負載動態切換仿真。初始狀態0.15s～0.2s時間內，雙極性直流母線電壓對稱相等；仿真0.2s時刻，正直流母線電壓v1被調節至400v，負直流母線電壓被調節至300v，其後觀察直流負載動態切換對雙極性直流母線電壓獨立控制的影響。仿真0.15～0.3s時間內，母線接平衡負載r1＝r2；仿真0.3～0.4s時間內，正直流母線空載，負直流母線接負載r2；仿真0.4～0.5s時間內，正直流母線接負載r1，負直流母線空載；仿真時間0.5～0.6s時間內，正負直流母線同時接平衡負載r1＝r2。

圖6中波形(1)為交流側線電壓波形；波形(2)為雙極性直流母線電壓在直流負載切換時的動態波形；波形(3)是經新型三電平變換器流過直流零線的負載電流。通過分析圖6仿真結果可知，雙極性直流母線上直流負載的隨機動態切換，正直流母線電壓v1仍然被控制在400v保持不變，負直流母線電壓v2仍然被控制在300v保持不變。即使是直流母線負載出現某一母線控制，另一母線帶載情況下，即極端不平衡情況下，並不影響雙極性直流母線電壓的精確獨立控制，實現不對稱電壓與不平衡負載的解耦控制。

圖7所示波形為直流負載動態切換過程中，交流側三相電網電流與單相電網電壓、電流的波形。通過圖7波形可知，直流負載動態切換過程中，三電平變換器交流側輸入功率與直流側輸出功率一致，所提控制系統保證三電平變換器高功率因數下穩定運行。

本發明所提新型三電平變換器拓撲與其系統控制器，可實現雙極性直流母線電壓獨立控制，並對直流負載不平衡的情況具有較強抗幹擾性。

以上所述僅為本申請的優選實施例而已，並不用於限制本申請，對於本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護範圍之內。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。