專利名稱：單相h橋級聯(lián)型裝置的直流電壓平衡控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高壓大功率電カ電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及單相H橋級聯(lián)型裝置的直流側(cè)電壓平衡控制方法。
背景技術(shù)：
隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的高壓大功率電カ電子裝置應(yīng)用于電カ系統(tǒng)中，推動著柔性交流輸電技術(shù)的發(fā)展，而其中以H橋(由四個可關(guān)斷器件及電容器組成的變流電路，如圖I中的ー個單元)級聯(lián)拓撲為核心的多電平技術(shù)為現(xiàn)階段低耐壓水平的電カ電子器件應(yīng)用于高壓大功率領(lǐng)域提供了強有力的支持。直流側(cè)電壓平衡是單相H橋級聯(lián)型裝置能夠安全、可靠運行的前提。否則，因電壓不平衡引起的直流母線過壓將導(dǎo)致電容器損壞、IGBT燒毀等嚴重故障，輕則裝置停機，重則 對電網(wǎng)安全穩(wěn)定性造成嚴重影響。直流電壓不平衡主要是由于各H橋之間的有功功率差異引起的，常見于有功損耗，因各H橋單元的IGBT、電容器等器件參數(shù)不可能完全一致，因此其并聯(lián)等效損耗不完全相同。基于這類因微小差異積累而引起的有功損耗變化是造成単相H橋級聯(lián)型裝置直流電壓不平衡的主要原因。中國發(fā)明專利CN1514525通過在直流側(cè)附加硬件裝置實現(xiàn)直流電壓平衡，但這種方法成本費用較高；中國發(fā)明專利CN1933274、CNlO 1599708和美國發(fā)明專利US6075350都提出了基于控制策略的電壓平衡方法，但它們都是基于靜止坐標系的控制方法，實現(xiàn)較為復(fù)雜?；赿_q旋轉(zhuǎn)坐標系的控制方法已廣泛應(yīng)用于PWM整流器，但很少見其用于單相系統(tǒng)，尤其是單相H橋級聯(lián)型系統(tǒng)，而采用該旋轉(zhuǎn)坐標系能夠很好得實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流的無靜差控制，同時，基于此坐標系的電壓平衡控制實現(xiàn)簡便，物理概念清晰，具有較高的工程應(yīng)用價值。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的針對上述存在的問題，本發(fā)明的目的在于提出一種基于d_q旋轉(zhuǎn)坐標系下単相H橋級聯(lián)型裝置的電壓平衡控制方法，該方法不需要額外的硬件電路，同時控制結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)。技術(shù)方案為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為ー種単相H橋級聯(lián)型裝置在d_q坐標系下的電壓平衡方法，包括如下步驟1)電壓均值控制；2 )前饋解耦電流控制；3 )電壓平衡控制。I)電壓均值控制I. I).采集各H橋直流側(cè)電壓，計算得到他們的平均值，并對得到的平均值作均值處理，以得到ー個常數(shù)值 I. 2).將i*與指令電壓均值Si進行比較后，經(jīng)過比例積分(PI)調(diào)節(jié)器，得到指令有功電流值i/;2 )前饋解耦電流控制，用于提供d_q軸控制電壓2. I).構(gòu)造網(wǎng)側(cè)電壓、電流的虛擬三相分量,并利用park變換形成兩相d_q旋轉(zhuǎn)坐標系下電壓分量ud、uq,電流分量id、iq ；2. 2).將id和i,分別與指令值i/和比較后，經(jīng)過比例積分(PI)調(diào)節(jié)器，得到d軸和q軸PI調(diào)節(jié)值Upid和Upiq ；2.3).將Uil減去Upid，再加上iq乘以電網(wǎng)頻率ω乘以并網(wǎng)電感L的積，得到d軸電壓控制值公共分量< =-llPid + MLiq + uJ ；2.4).將Utl減去Uplq，再減去id乘以電網(wǎng)頻率ω乘以并網(wǎng)電感L的積，得到q軸電壓控制值公共分量5^ =-uPiq -^Lid +Uq ■, 3)電壓平衡控制，用于對已有d_q軸控制電壓進行數(shù)值修正3. I)將各H橋直流電壓分別與電壓均值作比較，并經(jīng)過比例積分(PI)調(diào)節(jié)器，得到各H橋的d軸電壓控制值平衡分量〃3. 2)將各H橋的d軸電壓控制值公共分量和平衡分量進行數(shù)值相加后，得到其d軸頭際電壓控制值^| = uHd + 。有益效果(I)具體實現(xiàn)簡單方便，無需配置額外復(fù)雜的功率平衡電路，只需ー些低成本的信號傳感器與數(shù)字芯片等；(2)使得単相H橋級聯(lián)型裝置能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流無靜差控制；(3)電壓平衡環(huán)節(jié)僅需PI調(diào)節(jié)器，結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)。(4)該方法層次分明，物理概念清晰，具有較高的工程應(yīng)用價值。


圖I單相H橋級聯(lián)型裝置的拓撲結(jié)構(gòu)圖；圖2裝置在d_q旋轉(zhuǎn)坐標系下的穩(wěn)態(tài)通用矢量運行圖；圖3基于d_q旋轉(zhuǎn)坐標系的電壓平衡控制方法的原理框圖；圖4未采用平衡控制時直流側(cè)電壓波形圖；圖5采用本發(fā)明所提控制算法時的直流側(cè)電壓波形圖。
具體實施例方式所述電壓均值控制包括如下步驟( I)采集各H橋直流側(cè)電壓，計算得到他們的平均值，并對得到的平均值作均值處理，以得到ー個常數(shù)值；( 2 )將得到的常數(shù)值與指令電壓均值進行比較后，進行比例積分控制，得到d軸指令電流值。所述前饋解耦電流控制包括如下步驟(I)通過虛擬三相法構(gòu)造網(wǎng)側(cè)電壓、電流的虛擬三相分量,并利用park變換形成兩相旋轉(zhuǎn)d軸和q軸分量；(2)將d軸和q軸分量分別與指令值比較后，進行比例積分控制，得到d軸和q軸PI調(diào)節(jié)值；(3)將網(wǎng)側(cè)電壓d軸分量減去d軸PI調(diào)節(jié)值，再加上網(wǎng)側(cè)電流q軸分量乘以電網(wǎng)頻率乘以并網(wǎng)電感的積，得到d軸電壓控制值公共分量；(4)將網(wǎng)側(cè)電壓q軸分量減去q軸PI調(diào)節(jié)值,再減去網(wǎng)側(cè)電流d軸分量乘以電網(wǎng)頻率乘以并網(wǎng)電感的積，得到q軸電壓控制值公共分量；所述電壓平衡控制包括如下步驟( I)將各H橋直流電壓分別與電壓均值作比較，并進行比例積分控制，得到各H橋的d軸電壓控制值平衡分量； ( 2)將各H橋的d軸電壓控制值公共分量和平衡分量進行數(shù)值相加后，得到其d軸實際電壓控制值。
實例η個單元級聯(lián)的單相鏈式STATC0M的拓撲結(jié)構(gòu)如圖I所示，其中，L為網(wǎng)側(cè)濾波電感，C1, C2, -Cn分別為各H橋直流側(cè)支撐電容，R為網(wǎng)側(cè)電感L內(nèi)阻與鏈式H橋等效串聯(lián)損耗電阻之和，r1； r2,…rn分別為各H橋單元的并聯(lián)損耗電阻。為了建立單相鏈式STATC0M在d-q旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學(xué)模型，首先采用虛擬三相法構(gòu)造三相網(wǎng)側(cè)電壓與三相網(wǎng)側(cè)電流，如式(I)。< xb = ^Tsixs ,xe{u,i)(I)
A =-(1 +一バ H定義H橋交流側(cè)電壓開關(guān)函數(shù)為
I Qv 04導(dǎo)通’ Qn' 03關(guān)斷 Ski=' Q Qiv β3同時導(dǎo)通或關(guān)斷(2)
4 Oa, Q3導(dǎo)通，Q1' Q4關(guān)斷式(2)中，k={a,b, c}，i=l, 2，...η?？紤]構(gòu)造的三相系統(tǒng)完全對稱，則在網(wǎng)側(cè)電壓與電流滿足式(I)的基礎(chǔ)上，三相電路其他參數(shù)均嚴格對稱，有
_0] {Xe{Ci L,R} J = 1,2.n^因此，在三相靜止坐標系a-b-c中，單相鏈式STATC0M的開關(guān)函數(shù)模型為
L士七Rh- = uk 一YjuCkisIi< Ci^L = ItSkt(4)
Σ uk ニ Σ h = ο
k=a,t,ck=a.b,c根據(jù)式⑷和park變換方程可以推導(dǎo)出單相鏈式STATC0M在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系d-q中的數(shù)學(xué)模型為
權(quán)利要求
1.一種單相H橋級聯(lián)型裝置的直流電壓平衡控制方法，其特征在于，該方法包括如下步驟 1)電壓均值控制 .1.1).采集各H橋直流側(cè)電壓，計算得到他們的平均值，并對得到的平均值作均值處理，以得到ー個常數(shù)值ん； .1.2).將4與指令電壓均值進行比較后，經(jīng)過比例積分(PI)調(diào)節(jié)器，得到指令有功電流值id* ; 2)前饋解耦電流控制，用于提供d_q軸控制電壓 .2.I).構(gòu)造網(wǎng)側(cè)電壓、電流的虛擬三相分量，并利用park變換形成兩相d_q旋轉(zhuǎn)坐標系下電壓分量ud、uq,電流分量id、iq ； .2.2).將id和i,分別與指令值i/和ぐ比較后，經(jīng)過比例積分(PI)調(diào)節(jié)器，得到d軸和q軸PI調(diào)節(jié)值Upid和Upiq ； .2.3).將Ud減去uPId，再加上iq乘以電網(wǎng)頻率Co乘以并網(wǎng)電感L的積，得到d軸電壓控制值公共分量wBa = -Upm +a}Liq +Vd ; . 2.4).將Uq減去Upiq，再減去id乘以電網(wǎng)頻率Co乘以并網(wǎng)電感L的積，得到q軸電壓控制值公共分量=-uPig -mliJ +u9 ' 3)電壓平衡控制，用于對已有d_q軸控制電壓進行數(shù)值修正 . 3.I)將各H橋直流電壓分別與電壓均值作比較，并經(jīng)過比例積分(PI)調(diào)節(jié)器，得到各H橋的d軸電壓控制值平衡分量； .3.2)將各H橋的d軸電壓控制值公共分量和平衡分量進行數(shù)值相加后，得到其d軸實際電壓控制值1^; =UHd + ^Hdi。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單相H橋級聯(lián)型裝置的直流電壓平衡控制方法，該方法基于裝置在d-q旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學(xué)模型，包括如下步驟(1)電壓均值控制，用來實現(xiàn)直流電壓均值跟蹤給定值，調(diào)節(jié)系統(tǒng)總有功功率；(2)前饋解耦電流控制，能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率和無功功率的獨立控制，同時電流環(huán)不受電網(wǎng)電壓的影響；(3)電壓平衡控制，通過d軸控制分量的數(shù)值疊加解決因H橋之間有功功率差異引起的電壓不平衡。與在a-b-c靜止坐標系下的控制策略相比，該方法不僅實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)電流的無靜差控制，同時電壓平衡環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)簡單，概念清晰，便于實現(xiàn)，有較高的工程應(yīng)用價值。
文檔編號H02J3/38GK102856927SQ20121033889
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者趙劍鋒, 孫毅超, 季振東, 晏陽, 朱澤安 申請人:東南大學(xué)