[发明专利]一种级联型H桥变换器的电压平衡和功率均衡控制方法

说明书

技术领域

本发明属于高压大功率电力电子技术在电力系统中的应用技术领域，具体涉及级联型H桥变换器的直流侧电压平衡以及功率均衡控制方法。

背景技术

级联型H桥变换器属于多电平技术，与钳位二极管或是钳位电容式拓扑结构相比，模块化程度高、扩展性强，更适合于高压大功率场合，近年来在高压变频器、静止同步补偿器、电力电子变压器和光伏并网逆变器等众多高压大功率场合获得了广泛的应用。

级联型H桥变换器可分为并网型和离网型两种，高压变频器便属于离网型应用范围，其直流侧电压依靠N个独立的直流源提供电能，交流侧常用来驱动高压电机、高压水泵等设备；有源滤波器、静止同步补偿器、电力电子变压器等属于典型的并网型应用，其交流侧经电感后直接与电网连接，各H桥直流侧电压主要依靠与电网之间的功率交换建立。因此，若各H桥存在参数差异，或者各直流侧负载存在不平衡时，依靠传统的控制方法无法达到直流电压平衡的目的。

中国专利CN1514525通过附加装置对级联H桥之间进行有功功率交换，从而实现电容电压的平衡控制，但这种方法需要增加额外的装置，增加了成本费用；中国专利CN1933274和美国发明专利US6075350都提出了不增加附加装置的电容电压平衡方法，但他们的本质都是基于各H桥流经有功功率的变化及差异得到各H桥的调制波变化量，叠加到初始调制波上后形成各H桥的实际调制波；中国专利CN101599708为级联型多电平逆变器的功率平衡方法，但它所指的功率平衡仅仅是有功功率按需分配，实际上就只是电压平衡问题；这种情况下，各H桥的调制波矢量仅调制比(调制波矢量幅值)发生了变化，而相位仍然保持一致。它们均以电压平衡为控制目标，仅仅实现了直流侧电压的平衡，即有功功率按需分配，然而这直接改变了各H桥的无功功率，使得各H桥分担的无功功率各不相同，造成各直流侧电压纹波差异大，严重影响着直流侧电容的使用寿命。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种级联型H桥变换器的电压平衡和功率均衡控制方法，无需增加额外设备，不仅实现了直流侧电压平衡、电压纹波一致，同时使得有功功率按需分配，无功功率等量分配。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种级联型H桥变换器的电压平衡和功率均衡控制方法，包括如下步骤：(1)双闭环控制，用于给各H桥提供相同的调制波矢量；(2)电压平衡控制；(3)功率均衡控制；所述电压平衡控制和功率均衡控制分别对调制波矢量进行改进，得到重构后的调制波矢量作为各H桥的调制信号。

所述电压平衡控制可包括如下步骤：

(1)将各H桥直流侧电压与直流侧电压均值进行比较后，进行比例积分控制，得到各H桥调制比修正系数；

(2)将各H桥调制比修正系数分别与常数1相加，并乘以双闭环控制得到的初始调制波矢量，得到第一调制波矢量分量。

所述功率均衡控制包括如下步骤：

(1)计算双闭环控制得到的初始调制波矢量的幅值得到初始调制比；

(2)通过锁相环得到网侧电流矢量和初始调制波矢量之间的相位差并计算得到值；

(3)将各H桥调制比修正系数、值和初始调制比的乘积，再乘以滞后网侧电流矢量90度的单位矢量，得到第二调制波矢量分量；

(4)分别将各H桥的第一调制波矢量分量与第二调制波矢量分量相减，得到各H桥的重构后的调制波矢量。

有益效果：(1)具体实现简单方便，无需配置额外复杂的功率平衡电路，只需一些低成本的信号传感器与数字芯片等；

(2)不仅使得各个H桥直流侧电压能够平衡，同时使得电压纹波能够趋于一致；

(3)在有功功率按需分配的基础上使得无功功率等量分配，避免了因无功功率分配不一致而引起的电容损坏；

(4)该方法具有更宽的约束范围，线性调制区更大，更适用于各H桥直流侧负载不平衡度较大的场合。

附图说明

图1为级联型H桥变换器拓扑结构图；

图2为基于重构调制波技术的电压平衡和功率均衡稳态矢量图；

图3为级联型H桥变换器电压平衡和功率均衡控制方法原理图；

图4为采用中国专利CN101599708的控制方法得到的波形图，图4(a)为各直流侧电压(用U_dc表示)波形图，图4(b)为各H桥流经无功功率(用Q_H表示)波形图；