專利名稱：級聯(lián)多電平逆變器的直流側(cè)功率平衡控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子和電力自動化設(shè)備的控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及級聯(lián)多電平逆變器，特別是涉及級聯(lián)多電平逆變器的直流側(cè)功率平衡控制方法。
背景技術(shù)：
級聯(lián)多電平技術(shù)是解決高壓大功率電能變換問題的一種有效方式。比起常用的變壓器多重化技術(shù)，級聯(lián)多電平逆變器具有占地面積小、成本低、易于模塊化、易于實(shí)現(xiàn)冗余、抗交流側(cè)不對稱能力強(qiáng)等優(yōu)勢，被用于新能源發(fā)電、大容量電力拖動、靜止同步補(bǔ)償器、有源濾波器等場合。然而，級聯(lián)多電平逆變器直流側(cè)各自獨(dú)立，由于各逆變單元特性無法做到完全一致，如果不加控制，很容易引起各逆變單元直流側(cè)功率的不平衡。這一不平衡不僅影響設(shè)備容量的利用率，也容易對直流側(cè)電源的穩(wěn)定性造成不良影響。特別是在靜止同步補(bǔ)償器、有源濾波器等場合，裝置作為純無功電源工作，各逆變單元直流側(cè)沒有直流電源，只并接有電容。各逆變單元直流側(cè)功率的不平衡將導(dǎo)致電容電壓的不平衡，從而影響裝置輸出電壓質(zhì)量，嚴(yán)重時還將導(dǎo)致裝置無法運(yùn)行。因此，直流側(cè)功率的平衡控制技術(shù)是級聯(lián)多電平逆變器的關(guān)鍵問題之一 。
目前常用的直流側(cè)功率平衡方法往往需要額外的功率電路，在級聯(lián)多電平逆變器應(yīng)用的大容量、高電壓場合，這類方法大大增加了系統(tǒng)的成本，降低了系統(tǒng)的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種級聯(lián)多電平逆變器直流側(cè)功率平衡控制方法，無需增設(shè)額外功率電路即可有效實(shí)現(xiàn)逆變器直流側(cè)功率平衡，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)可靠性。
級聯(lián)多電平逆變器直流側(cè)功率平衡控制方法，包括對每相鏈接的上層控制和下層控制，上層控制為每個全橋逆變單元分配相同的調(diào)制波，下層控制對每個全橋逆變單元分配的調(diào)制波進(jìn)行調(diào)整，其特征在于，下層控制按照如下步驟進(jìn)行
(1) 測量相鏈接中各全橋逆變單元的直流側(cè)電容電壓，并對其作均值
濾波；
(2) 對各全橋逆變單元濾波后的直流側(cè)電容電壓求和取平均，得到相鏈接的直流電壓平衡參考值；
(3 )分別以直流電壓平衡參考值為指令，各全橋逆變單元濾波后的直流側(cè)電容電壓為反饋，進(jìn)行比例控制，將比例控制的結(jié)果與相鏈接的瞬時電流相乘，得到各全橋逆變單元的調(diào)制波微調(diào)量；
(4)分別將各全橋逆變單元的調(diào)制波微調(diào)量與上層控制分配的調(diào)制波進(jìn)行疊加，生成各全橋逆變單元的實(shí)際調(diào)制波。
本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在本發(fā)明是在上層控制的基礎(chǔ)上疊加一個與電流方向平行的矢量，即一個純有功矢量，當(dāng)鏈接的電壓偏低時，疊加一個與電流方向相同的矢量，反之當(dāng)鏈接電壓偏高時疊加一個與電流方向相反的矢量。所提控制方法上下層控制完全解耦，控制特性好，參數(shù)設(shè)計簡單，另外由于只改變各鏈節(jié)單元的有功而不影響其無功，所以直流電容電壓一致性好，輸出波形質(zhì)量高。本發(fā)明操作簡單，因此實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的裝置不需要包含價格昂貴的功率器件，只需采用低成本的信號采集器件和控制芯片即可實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)時可采用模擬電路也可采用數(shù)字電路，結(jié)構(gòu)簡便，控制效果好，具有較高的實(shí)用價值。


圖1為本發(fā)明所涉級聯(lián)多電平逆變器電路原理圖。
圖2為本發(fā)明級聯(lián)多電平逆變器分層控制方法示意圖。
圖3為本發(fā)明級聯(lián)多電平逆變器直流側(cè)功率平衡控制方法原理圖。
圖4為本發(fā)明級聯(lián)多電平逆變器各鏈節(jié)單元直流側(cè)電壓波形示意圖，
圖4 (a)為未使用本發(fā)明功率平衡控制方法的結(jié)果示意圖，圖4 (b)為使
用本發(fā)明功率平衡控制方法的結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明可用于電力傳動、電力系統(tǒng)補(bǔ)償裝置等需要高電壓、大功率的場合?，F(xiàn)以電力系統(tǒng)并聯(lián)無功補(bǔ)償設(shè)備為例，說明本發(fā)明。由級聯(lián)多電平逆變器構(gòu)成的靜止同步補(bǔ)償裝置原理圖如圖1 (A， B， C分別表示A相，B相，C相)，由于該裝置直流側(cè)電容各自獨(dú)立，如果不加控制，各逆變單元直流側(cè)電容電壓會存在不平衡，從而影響裝置輸出電壓質(zhì)量，嚴(yán)重時導(dǎo)致裝置無法運(yùn)行。本發(fā)明提出的控制方法首先將對級聯(lián)多電平逆變器的功率控制算法分為兩層(如圖2所示)，上層算法為每個全橋逆變單元分配相同的調(diào)制波以實(shí)現(xiàn)裝置總的功率控制，上層控制可采用解耦控制、非線性控制、瞬時電流跟蹤控制等；下層控制在上層控制輸出的基礎(chǔ)上進(jìn)行再調(diào)制(如圖3所示)，即調(diào)整有功功率的在各個全橋變換單元之間的分配，完成直流側(cè)功率平衡。
任取一相鏈接為研究對象，鏈節(jié)單元數(shù)為N，其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下
(1) 在鏈接中各個鏈節(jié)單元設(shè)置電壓霍爾傳感器，采集直流側(cè)電容電壓。
(2) 將采集各個鏈節(jié)單元的直流電壓傳遞到上層控制器，做均值濾波，得到濾波后的各逆變單元電壓值Fc/I， ii-J,么.JV。
(3) 將每相濾波后的電壓值求和取平均，得到各相的直流電壓平衡控制參考值，F(xiàn)re/= n^+^2+…KdvJ/^。
(4) 以上述參考值F^為指令，各逆變單元電壓值K"為反饋，進(jìn)行比例控制，控制器可采用變比例控制，當(dāng)實(shí)際相電流較小時，控制器參數(shù)恒定，當(dāng)實(shí)際相電流較大時，控制器參數(shù)同給定無功電流大小相關(guān)。將比例控制器的輸出與每相電流互感器采集到的瞬時電流/,相乘，得到各鏈節(jié)單元調(diào)制波的微調(diào)量dv^。
(5) 將得到的各全橋逆變單元調(diào)制波微調(diào)量」i^與由上層控制得到的調(diào)制波iy進(jìn)行瞬時值疊加，生成各全橋逆變單元新的調(diào)制波iy"。
(6) 將得到的調(diào)制波v^送如圖2中的PWM發(fā)生單元產(chǎn)生針對各全橋逆變單元的PWM波S"。
上述控制方法中，步驟(1)到步驟(5)在DSP中實(shí)現(xiàn)，步驟(6)在FPGA中實(shí)現(xiàn)，圖4為一相鏈接中加入平衡控制和不加平衡控制直流側(cè)電壓效果對比圖，圖4 (a)中為未加平衡控制方法的直流電容電壓波形，圖4(b)為采用所提控制方法的直流電容電壓波形。由圖可知，不加平衡控制時，各鏈節(jié)直流電容電壓非常不一致；加入平衡控制后，鏈節(jié)直流電容電壓趨于一致，由此驗(yàn)證了所提平衡算法的有效性和可行性。
權(quán)利要求
1、級聯(lián)多電平逆變器的直流側(cè)功率平衡控制方法，包括對每相鏈接的上層控制和下層控制，上層控制為每個全橋逆變單元分配相同的調(diào)制波，下層控制對每個全橋逆變單元被分配的調(diào)制波進(jìn)行調(diào)整，其特征在于，下層控制按照如下步驟進(jìn)行(1)測量相鏈接中各全橋逆變單元的直流側(cè)電容電壓，并對其作均值濾波；(2)對各全橋逆變單元濾波后的直流側(cè)電容電壓求和取平均，得到相鏈接的直流電壓平衡參考值；(3)分別以直流電壓平衡參考值為指令，各全橋逆變單元濾波后的直流側(cè)電容電壓為反饋，進(jìn)行比例控制，將比例控制的結(jié)果與相鏈接的瞬時電流相乘，得到各全橋逆變單元的調(diào)制波微調(diào)量；(4)分別將各全橋逆變單元的調(diào)制波微調(diào)量與上層控制分配的調(diào)制波進(jìn)行疊加，生成各全橋逆變單元的實(shí)際調(diào)制波。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于級聯(lián)多電平逆變器直流側(cè)功率平衡控制方法，將對級聯(lián)多電平逆變器的功率控制分為兩層，上層控制實(shí)現(xiàn)總的功率控制，下層控制通過在上層控制的基礎(chǔ)上疊加一個與電流方向平行的純有功矢量，從而對各個全橋變換單元進(jìn)行有功功率再分配，使得級聯(lián)多電平逆變器各全橋變換單元直流側(cè)輸入功率趨于平衡。本發(fā)明無需增設(shè)額外功率電路即可有效實(shí)現(xiàn)逆變器直流側(cè)功率平衡，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)可靠性。
文檔編號H02M7/42GK101599708SQ20091006288
公開日2009年12月9日 申請日期2009年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者釗 劉, 劉邦銀, 史晏君, 段善旭, 陳仲偉 申請人:華中科技大學(xué)