[发明专利]一种混合串联H桥多电平并网逆变器直流母线电压控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及并网逆变器和混合多电平研究领域，特别涉及混合多电平调制及混合多电平并网逆变器高压模块和低压模块之间的均压控制方法，具体地说是利用混合多电平调制方法实现级联不同高低压模块间的指令电压分配来达到充分利用不同性能电力电子器件和保证高低压模块直流母线电压平衡的目的。

背景技术

电力电子技术在电力系统中具有十分广阔的应用前景，其典型应用有静止无功发生器、动态电压恢复器、静止电压补偿器、静止相位补偿器、功率流控制器、有源电力滤波器和高频整流器等^[1]。这些典型应用的核心部分是并网逆变器。随着社会的发展，电力电子技术在电力系统中的应用逐渐朝中高压领域发展，所以对中、高压大容量并网逆变器的需求逐年增加，如对中高压电网功率和电压进行调节的动态电压恢复器、静止电压补偿器和功率流控制器，以及为解决电网无功与谐波污染而大量应用的中高压静止无功发生器和电力有源滤波器。由于电压电流等级的提高，如果在这些高压大功率应用场合中采用传统两电平逆变器拓扑结构，则会出现逆变器拓扑中主要的开关器件耐压值不够高，与电力系统中高压范围不能直接匹配。一般来讲，在高压供电而功率器件耐压能力有限的情况下，可采用功率器件串联的方法来解决。但器件在串联使用时，存在静态和动态均压等一系列问题。

多电平变换器的思想最早是由Nabae等人于80年代初提出的，随着GTO、IGBT等大功率可控器件容量等级的不断提高，以及以DSP为代表的控制芯片的迅速普及，关于多电平变换器的研究和应用有了迅猛的发展。目前，多电平变换器技术由于具有诸如减少了器件的电压应力，勿须器件串联而无均压问题，减少了输出电压的谐波含量，减少了由于dv/dt和di/dt所造成的电磁干扰等优点，已成为电力电子学中，以高压大功率变换为研究对象的一个新的研究领域^[2-10]。在选择开关器件时，能否在同一多电平电路拓扑结构中采用不同功率等级的开关器件，使耐压值较高的器件承受较高的电压而使它们开关在较低频率，而使那些耐压值并不是很高的器件承受较低的电压，但工作在较高频率，从而使系统结构更加优化呢？九十年代末，印度学者Madhav首次提出了混合多电平的概念，并研究发现这种技术将突破传统多电平思想的束缚，在同一个电路拓扑结构中，采用不同功率的开关器件，使耐压值高的器件承受较高电压开关在较低频率下，而那些耐压值并不是很高的器件承受较低电压工作在较高频率下，使它们在一起协同工作，从而扬长避短充分发挥各种器件的自身特点，使系统达到优化^[11-13]。目前，国内外专家认为混合多电平技术是多电平技术的未来发展趋势，是高压大功率应用领域中一个非常有价值的研究领域。

在静止无功发生器、动态电压恢复器、有源电力滤波器和高频整流器等很多混合串联H桥多电平并网逆变器的应用中，多个电压等级不同的H桥模块级联后经连接电抗器接入电网，电压等级高的模块开关器件基波周期开断，承受高电压应力，电压等级低的模块开关器件高频开断，保证输出并网电流波形。因为H桥模块可以从电网吸收能量补偿自身损耗，所以直流侧只需并联电容器，不用加独立的直流电压源^[14-20]。文献[16]提出了一种用于25KV电气化铁路的有源和无源混合电力滤波器，其中开关变换器采用不对称五电平结构。文献[17]提出一种采用母线电压1V_DC和母线电压3V_DC的传统H桥模块级联的混合级联多电平有源电力滤波器，采用滞环空间矢量控制方法进行调制。文献[18]提出一种结合电压型逆变器和电流型逆变器的混合多电平静止无功发生器，通过仿真和实验证实该静止无功发生器输出电流谐波含量非常小。目前国内外专家对各种混合多电平并网逆变器进行研究，提出了一些控制调制方法和拓扑结构。

但是如何控制各个H桥模块吸收的功率，使各自直流侧电压等于参考值是一个难点问题。需要一种合理的混合多电平调制策略对各个电压等级不同H桥模块分配合理的指令电压，如此保持各个H桥模块功率平衡。如果混合多电平调制策略选取不合适，以及由于高低压模块损耗存在差异性，各个高低压模块直流母线电压会严重偏离指令值。如果不加以控制，直流电压偏离值高的模块超额工作，开关器件存在过压损坏的危险，而直流电压偏离值低的模块又欠额工作，此时整个混合多电平并网逆变器不能输出正确的指令电压，进而影响输出电流的正确性。