專利名稱：一種混合串聯h橋多電平并網逆變器直流母線電壓控制方法
技術領域：
本發明涉及并網逆變器和混合多電平研究領域，特別涉及混合多電平調制及混合多電平并網逆變器高壓模塊和低壓模塊之間的均壓控制方法，具體地說是利用混合多電平調制方法實現級聯不同高低壓模塊間的指令電壓分配來達到充分利用不同性能電力電子器件和保證高低壓模塊直流母線電壓平衡的目的。
背景技術：
電力電子技術在電力系統中具有十分廣闊的應用前景，其典型應用有靜止無功發生器、動態電壓恢復器、靜止電壓補償器、靜止相位補償器、功率流控制器、有源電力濾波器和高頻整流器等[1]。這些典型應用的核心部分是并網逆變器。隨著社會的發展，電力電子技術在電力系統中的應用逐漸朝中高壓領域發展，所以對中、高壓大容量并網逆變器的需求逐年增加，如對中高壓電網功率和電壓進行調節的動態電壓恢復器、靜止電壓補償器和功率流控制器，以及為解決電網無功與諧波污染而大量應用的中高壓靜止無功發生器和電力有源濾波器。由于電壓電流等級的提高，如果在這些高壓大功率應用場合中采用傳統兩電平逆變器拓撲結構，則會出現逆變器拓撲中主要的開關器件耐壓值不夠高，與電力系統中高壓范圍不能直接匹配。一般來講，在高壓供電而功率器件耐壓能力有限的情況下，可采用功率器件串聯的方法來解決。但器件在串聯使用時，存在靜態和動態均壓等一系列問題。多電平變換器的思想最早是由Nabae等人于80年代初提出的，隨著GTO、IGBT等大功率可控器件容量等級的不斷提高，以及以DSP為代表的控制芯片的迅速普及，關于多電平變換器的研究和應用有了迅猛的發展。目前，多電平變換器技術由于具有諸如減少了器件的電壓應力，勿須器件串聯而無均壓問題，減少了輸出電壓的諧波含量，減少了由于 dv/dt和di/dt所造成的電磁干擾等優點，已成為電力電子學中，以高壓大功率變換為研究對象的一個新的研究領域[2,]。在選擇開關器件時，能否在同一多電平電路拓撲結構中采用不同功率等級的開關器件，使耐壓值較高的器件承受較高的電壓而使它們開關在較低頻率，而使那些耐壓值并不是很高的器件承受較低的電壓，但工作在較高頻率，從而使系統結構更加優化呢？九十年代末，印度學者Madhav首次提出了混合多電平的概念，并研究發現這種技術將突破傳統多電平思想的束縛，在同一個電路拓撲結構中，采用不同功率的開關器件，使耐壓值高的器件承受較高電壓開關在較低頻率下，而那些耐壓值并不是很高的器件承受較低電壓工作在較高頻率下，使它們在一起協同工作，從而揚長避短充分發揮各種器件的自身特點，使系統達到優化[11_13]。目前，國內外專家認為混合多電平技術是多電平技術的未來發展趨勢，是高壓大功率應用領域中一個非常有價值的研究領域。在靜止無功發生器、動態電壓恢復器、有源電力濾波器和高頻整流器等很多混合串聯H橋多電平并網逆變器的應用中，多個電壓等級不同的H橋模塊級聯后經連接電抗器接入電網，電壓等級高的模塊開關器件基波周期開斷，承受高電壓應力，電壓等級低的模塊開關器件高頻開斷，保證輸出并網電流波形。因為H橋模塊可以從電網吸收能量補償自身CN 102545675 A
損耗，所以直流側只需并聯電容器，不用加獨立的直流電壓源[14_2°]。文獻[16]提出了一種用于25KV電氣化鐵路的有源和無源混合電力濾波器，其中開關變換器采用不對稱五電平結構。文獻[17]提出一種采用母線電壓1VD。和母線電壓3VD。的傳統H橋模塊級聯的混合級聯多電平有源電力濾波器，采用滯環空間矢量控制方法進行調制。文獻[18]提出一種結合電壓型逆變器和電流型逆變器的混合多電平靜止無功發生器，通過仿真和實驗證實該靜止無功發生器輸出電流諧波含量非常小。目前國內外專家對各種混合多電平并網逆變器進行研究，提出了一些控制調制方法和拓撲結構。但是如何控制各個H橋模塊吸收的功率，使各自直流側電壓等于參考值是一個難點問題。需要一種合理的混合多電平調制策略對各個電壓等級不同H橋模塊分配合理的指令電壓，如此保持各個H橋模塊功率平衡。如果混合多電平調制策略選取不合適，以及由于高低壓模塊損耗存在差異性，各個高低壓模塊直流母線電壓會嚴重偏離指令值。如果不加以控制，直流電壓偏離值高的模塊超額工作，開關器件存在過壓損壞的危險，而直流電壓偏離值低的模塊又欠額工作，此時整個混合多電平并網逆變器不能輸出正確的指令電壓，進而影響輸出電流的正確性。針對普通串聯H橋均壓問題，查閱大量文獻，已有很多解決方案。如采用額外硬件電路的交流母線均壓法和直流母線均壓法，采用軟件控制的脈沖循環換位法、交流輸出電壓調幅法和交流輸出電壓相移法。普通串聯H橋的直流側電壓不均衡問題已經得到了很好的解決。但是采用多個電壓等級不同H橋模塊級聯的混合多電平并網逆變器，尚未看到有文獻提出很好的方法對各個H橋模塊直流側電壓進行控制。文獻[19]進行混合級聯多電平有源電力濾波器直流側母線電壓控制研究，但從其實驗結果可以看出，其調制策略使低頻功率模塊有可能也要產生高頻調制，不具有實用性。本文提出了一種混合串聯H橋多電平并網逆變器直流母線電壓控制方法，利用混合多電平調制方法實現級聯不同高低壓模塊間的指令電壓分配來達到充分利用不同性能電力電子器件和保證高低壓模塊直流母線電壓平衡的目的。以下給出檢索的相關文獻[1]陳堅.電力電子學——電力電子變換和控制技術.北京高等教育出版社， 2002.[2]李永東，肖曦，高躍等.大容量多電平變換器——原理、控制、應用.北京科學出版社· 2005[3]何湘寧，陳阿蓮.多電平變換器的理論和應用技術.北京機械工業出版社·2006[4]Akira N, Takahashi I, Akagi H. A new neutral-point-clamped PffM inverter. IEEE Trans Industry Applications,1981,17(3) :518-523.[5]Rodriguez J, Lai J S, Peng F Z. Multilevel Inverters :A Survey of Topologies, Controls, and Applications. IEEE Trans Industry Applications,2002, 49(4) :724-738.[6]李建林，林平，王長永等.基于載波相移SPWM技術的電流型有源電力濾波器的研究.中國電機工程學報，2003，23 (10) =99-103.[7]Rudnick H,Dixon J,Moran L. Delivering clean and pure power. IEEE Powerand Energy Magazine. 2003,1(5) :32-40.[8]王庚，李永東，游小杰.級聯式并聯有源電力濾波器的控制.電工電能新技術， 2004,23(4) :51-55.[9]何英杰，鄒云屏，劉飛等.二極管鉗位型多電平有源濾波器的仿真.電力系統自動化，2006，30 (10) :64-68.[10]Ahmed M Massoud,Stephen J Finney,Andrew J Cruden,Barry W Williams. Three-Phase, Three—Wire, Five-Level Cascaded Shunt Active Filter for Power Conditioning,Using Two Different Space Vector Modulation Techniques. IEEE Trans Power Delivery,2007,22(4) :2349-2361.[11]Madhav D. Manjrekar, Thomas A. Lipo. A Hybrid Multilevel Inverter Topology for Drive Applications. Proceedings ofthe 1998 IEEE APEC,1998,523-529.[12] 丁凱.混合多電平逆變器拓撲及其調制方法研究.[博士學位論文].武漢 華中科技大學，2007[13]Liu H W, Tolbert L Μ, Khomfoi S, Ozpineci B, Du Ζ. Hybrid cascade multilevel inverter with pwm control method. Proceedings of the 2008 IEEE PESC, 2008，162-166.[14]王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].北京機械工業出版社，2004.[15]Xu Y,Zou Y P, Chen W, et al.A novel STATC0M based on hybrid cascade multilevel inverter.Proceedings of the 2008 IEEE ICIT，2008，1-6.[16]Tan P C,Loh P C,Holmes D G. A robust multilevel hybrid compensation system for 25_kV electrified railway applications.IEEE Trans Power Electronics,2004,19(4) :1043-1052.[17]Miranda H, Cardenas H, Perea J, et al. A hybrid multilevel inverter for shunt active filter using space-vector control. Proceedings ofthe 2004 IEEE PESC，2004，3541-3546.[18]K. Hayashi, K. Naito. A Multilevel Hybrid Converter Combined with Voltage and Current Type Converter for Static VAR Compensator. Proceedings of the 2005 IEEE PEDS，2005，172-179.[19]L A Silva, S P Pimentel, J A Pomilio. Nineteen—level Active Filter System using Asymmetrical Cascaded Converter with DC Voltages Control. Proceedings of the 2005IEEE PESC,2005,303-308.Mohamed Rashed,Christian Klumpner. Hybrid Cascaded Multilevel Converter with Integrated Series Active Power Filter for Interfacing Energy Storage System to Medium Voltage Grid. Proceedings ofthe 2010IEEE IPEC，2010，1236-1243.

發明內容
本發明的目的是提出一種混合串聯H橋多電平并網逆變器高壓模塊和低壓模塊之間的均壓控制方法。具體地說是利用混合多電平調制方法實現級聯不同高低壓H橋模塊間的指令電壓分配來達到充分利用不同性能電力電子器件和保證高低壓模塊直流母線電壓平衡的目的。為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案一種混合串聯H橋多電平并網逆變器直流母線電壓控制方法，逆變器包括ABC三相，每相其中有一個模塊為低壓H橋模塊，其他模塊為高壓H橋模塊；其特征在于，該方法包括如下步驟檢測混合多電平并網逆變器的ABC三相所有H橋單元模塊直流側電壓；并求出各相N個H橋單元模塊直流側電壓的和；電流指令計算將各相H橋單元模塊直流側電壓的和與每相總直流側電壓給定值相比較，其輸出經過比例積分調節器后，與標準基波正序值的正弦量sincot相乘，得到各相中用于總的直流側電壓調節的基波有功電流指令；電壓指令計算①將各相所述電壓和乘以每個高壓H橋模塊在每相H橋單元模塊直流側電壓中占的指令比值，得到的積與同相第N個高壓H橋模塊直流側電壓相比較，其輸出經過比例積分調節，最后得到各相第1 N個高壓H橋模塊電壓偏差指令；②檢測所述多電平并網逆變器的各相輸出電流，并與各相第N個高壓H橋模塊電壓偏差指令經過單相乘法器相乘，其輸出作為所述多電平并網逆變器各相第1 N個高壓 H橋模塊PWM調制波的微調指令；⑧把各相第1 N所述微調指令與所述多電平并網逆變器同相輸出指令電壓PWM 調制波經過單路加法器相與，其輸出作為各相第1 N個高壓H橋模塊最終PWM調制波；④將上述調制波與設定的閥值u。mp進行比較，高于閥值u。mp時生成高電平信號，低于-11。_時生成低電平信號，其余生成零電平信號，一個工頻周期內高壓H橋模塊開關管只開通關斷一次，最終生成高壓H橋模塊的開關控制信號；⑤將所述開關控制信號和相應高壓H橋模塊直流側電壓相乘求和；將各相經過計算得到的最原始調制波PWM調制波與上述和相比較，得到指令調制波，將其通過三角波PWM 調制，生成低壓模塊的輸出PWM電壓波形，最后與高壓H橋模塊最終PWM調制波相加，逆變器出口 PWM電壓波形。所述H橋模塊最終PWM調制波為梯形波。本發明通過利用混合多電平調制方法實現級聯不同高低壓模塊間的指令電壓分配來達到對模塊吸收有功功率的分配，使得高低壓模塊直流側電壓均穩定在給定值附近， 無需額外的輔助裝置，方法簡單易行。從仿真結果中可以看到，本發明能夠很好地實現對于高低壓模塊直流側電壓的均壓控制。同時實驗室中搭建了容量為5kVA，每相一個高壓H橋模塊和一個低壓H橋模塊串聯的小型實驗樣機，對本發明中方法進行了實驗驗證，仿真和實驗結果都證明了該方法的正確、可靠性，為工程應用提供了很好的參考價值。


圖1是混合串聯H橋多電平并網逆變器主電路結構圖；圖2是混合串聯H橋多電平并網逆變器總的控制系統框圖；圖3是本發明中總電壓控制系統框圖4是本發明中高低壓模塊指令電壓分解及均壓控制系統框圖；圖5是不加圖3控制環和圖4控制環時混合串聯H橋多電平并網逆變器直流側電壓仿真波形圖；圖6是只加圖3控制環，不加圖4控制環時混合串聯H橋多電平并網逆變器直流側電壓仿真波形圖；圖7是同時加圖3控制環和圖4控制環時混合串聯H橋多電平并網逆變器直流側電壓仿真波形圖；圖8是同時加圖3控制環和圖4控制環，混合串聯H橋多電平并網逆變器做無功補償器時，電網電壓，補償電流和變流器輸出電壓仿真波形圖；圖9是同時加圖3控制環和圖4控制環，混合串聯H橋多電平并網逆變器做無功補償器時的實驗波形圖。圖10是同時加圖3控制環和圖4控制環時，混合串聯H橋多電平并網逆變器做無功補償器時的實驗波形圖。
具體實施例方式參照圖1，三相電源和負載之間連接混合串聯H橋多電平并網逆變器，該并網逆變器做無功補償器運行。混合串聯H橋多電平并網逆變器的主電路結構，主要包括3個高壓 H橋模塊H，3個低壓H橋模塊L和3個進線電感Lsa、Lsb, Lsc0高低壓H橋模塊由直流側儲能電容元件和電壓源型PWM變流器組成，其中直流側儲能元件一般由電力電容器串并聯構成，電壓源型PWM變換器采用全控器件如IGBT、GTO等組成。進線電感一端串聯在高低壓 H橋模塊上，一端接在三相電源和負載之間，其參數的選擇主要取決于低壓H橋模塊的開關頻率。為了敘述方便，本發明中，以兩個模塊為例進行詳細說明。電源三相電壓記為us， 即usa、usb、us。；電源三相電流記為is，gp :isa、isb、is。；混合串聯H橋多電平并網逆變器的6 個單相全橋單元模塊直流側電壓分別記為ud。a H, Udca L, Udcb H，Udcb L,
Udcc_H，Udcc_L ； 高低壓H橋
模塊直流側電壓給定值記為Utk l^n Udc^;混合串聯H橋多電平并網逆變器輸出的三相補償電流記為i。，即i。a、i。b、icc ；三相負載電流記為I，即ila、ilb、ik。參照圖2，圖3，圖4，本發明中的混合串聯H橋多電平并網逆變器直流母線電壓控制方法，包括兩個控制環，其中步驟1、2為第一個控制環，即圖3總的AC/DC能量交換，步驟 3、4、5、6、7、8為第二個控制環，對應圖4中的電壓環均衡控制微調指令，具體步驟如下步驟1，檢測混合多電平并網逆變器的ABC三相所有H橋單元模塊直流側電壓Udc ai、ud。bi、ud。。i(i = 1,2... N)，每相其中有一個模塊為低壓H橋模塊，其他模塊為高壓H橋模塊，得3 · N個直流側電壓值，并求出各相N個H橋單元模塊直流側電壓的和ua SUffl、Ub sim, uc
sum0步驟2，將A相H橋單元模塊直流側電壓的和與每相總直流側電壓給定值Uref經過單路減法器相比較，其輸出經過單路比例積分調節器調整，單路比例積分器的輸出值與 A相電網電壓鎖相得到的標準基波正序值的正弦量sin ω t相乘，得到混合多電平并網逆變器A相中用于總的直流側電壓調節的基波有功電流指令△ iap，沿用同樣思路求得B、C 兩相的基波有功電流指令，最后得到混合多電平并網逆變器直流側與交流側能量交換指令Δ iap> Δ ibp> Δ icp°步驟3，將A相H橋單元模塊直流側電壓和Ua ■乘以每個高壓H橋模塊在每相H 橋單元模塊直流側電壓中占的指令比值 ^fe-"+ ，與A相第一個高壓H橋模塊直
V) dc _Hdc _L
流側電壓ud。—Hal經過單路減法器相比較，其輸出經過單路比例積分調節器調整，單路比例積分調節器的輸出作為A相第一個高壓H橋模塊電壓偏差指令Δ Ucjalo步驟4，按照步驟3要求，分別求出A相第二到第N-I個高壓H橋模塊電壓偏差指令 Δ udc Ha2,... Δ Udcjafrl)，B相第一到第N-I個高壓H橋模塊電壓偏差指令Δ Udcjlbl,... Δ udc_ Hb(N-I)禾口 C相第一到第N-I個高壓H橋模塊電壓偏差指令Δ
udc_Hcl，· · · d udc_Hc (N-I) °步驟5，檢測混合多電平并網逆變器的A相輸出電流i。a，并與A相第一個高壓H橋模塊電壓偏差指令Audcjal經過單相乘法器，其輸出作為混合多電平并網逆變器A相第一個高壓H橋模塊PWM調制波的微調指令Δ UaH1 “，以此類推得到A相剩余高壓H橋模塊PWM 調制波的微調指令Auall2"，... Auallfrl)"，B相、C相中所有高壓H橋模塊PWM調制波的微調f皆令 ΔubH1〃，··· Δ%ην〃，Δ
UcHl ，· · · d Ucll(N-I) 。步驟6，混合多電平并網逆變器電流環控制系統對指令電流和輸出電流進行閉環調節跟蹤控制，得到了輸出指令電壓PWM調制波。把A相第一個高壓H橋模塊PWM調制波的微調指令Δ UaH1 “與混合多電平并網逆變器A相輸出指令電壓PWM調制波Ua經過單路加法器，其輸出作為A相第一個高壓H橋模塊最終PWM調制波uaH1。以此類推得到A相中剩余高壓H橋模塊最終PWM調制波uaH2，. . . Uallfrl), B相、C相中所有高壓H橋模塊最終PWM調制
波
權利要求
1.一種混合串聯H橋多電平并網逆變器直流母線電壓控制方法，逆變器包括ABC三相， 每相其中有一個模塊為低壓H橋模塊，其他模塊為高壓H橋模塊；其特征在于，該方法包括如下步驟1)檢測混合多電平并網逆變器的ABC三相所有H橋單元模塊直流側電壓；并求出各相 N個H橋單元模塊直流側電壓的和；2)電流指令計算將各相H橋單元模塊直流側電壓的和與每相總直流側電壓給定值相比較，其輸出經過比例積分調節器后，與標準基波正序值的正弦量sincot相乘，得到各相中用于總的直流側電壓調節的基波有功電流指令；3)電壓指令計算①將各相所述電壓和乘以每個高壓H橋模塊在每相H橋單元模塊直流側電壓中占的指令比值，得到的積與同相第N個高壓H橋模塊直流側電壓相比較，其輸出經過比例積分調節，最后得到各相第1 N個高壓H橋模塊電壓偏差指令；②檢測所述多電平并網逆變器的各相輸出電流，并與各相第N個高壓H橋模塊電壓偏差指令經過單相乘法器相乘，其輸出作為所述多電平并網逆變器各相第1 N個高壓H橋模塊PWM調制波的微調指令；⑧把各相第1 N所述微調指令與所述多電平并網逆變器同相輸出指令電壓PWM調制波經過單路加法器相與，其輸出作為各相第1 N個高壓H橋模塊最終PWM調制波；④將上述調制波與設定的閥值u。mp進行比較，高于閥值11。_時生成高電平信號，低于_11。_時生成低電平信號，其余生成零電平信號，一個工頻周期內高壓H橋模塊開關管只開通關斷一次，最終生成高壓H橋模塊的開關控制信號；⑤將所述開關控制信號和相應高壓H橋模塊直流側電壓相乘求和；將各相經過計算得到的最原始調制波PWM調制波與上述和相比較，得到指令調制波，將其通過三角波PWM調制，生成低壓模塊的輸出PWM電壓波形，最后與高壓H橋模塊最終PWM調制波相加，逆變器出口 PWM電壓波形。
2.根據權利要求1所述的控制方法，其特征在于所述H橋模塊最終PWM調制波為梯形波。
全文摘要
本發明通過利用混合多電平調制方法實現級聯不同高低壓模塊間的指令電壓分配來達到對模塊吸收有功功率的分配，使得高低壓模塊直流側電壓均穩定在給定值附近，無需額外的輔助裝置，方法簡單易行。從仿真結果中可以看到，本發明能夠很好地實現對于高低壓模塊直流側電壓的均壓控制。同時實驗室中搭建了容量為5kVA，每相一個高壓H橋模塊和一個低壓H橋模塊串聯的小型實驗樣機，對本發明中方法進行了實驗驗證，仿真和實驗結果都證明了該方法的正確、可靠性，為工程應用提供了很好的參考價值。
文檔編號H02M7/48GK102545675SQ201210006038
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者何英杰, 劉進軍, 杜思行, 林繼亮 申請人:西安交通大學