本發明涉及智能電網領域，特別涉及一種單相多模塊級聯H橋變換器電壓平衡控制方法。

背景技術：

近年來，隨著智能電網、分布式發電等建設的不斷推進，高壓大功率的智能型電力電子設備在工業方面的應用越來越廣泛，對功率開關器件的性能要求也隨之提高，雖然近年來功率半導體技術取得了很大進步，并研發出了SiC、CaN等新型材料的功率開關器件，但受限于目前的工藝水平，單個開關器件的功率等級與開關頻率之間相互制約的問題仍舊沒能得到很好的解決。

級聯H橋變換器，是解決現有電力電子功率器件耐壓等級和電力電子變流器高壓大功率之間矛盾的有效技術方案，通過多個相同的H橋功率模塊以串聯組合的結構所形成的單相變換器，能夠在運用較低電壓應力開關器件情況下，實現電力電子裝置電壓等級的提升。相對于二極管鉗位型和電容鉗位型等多電平拓撲結構，級聯H橋變換器具有控制簡單、結構模塊化、易于擴展、功率開關器件較少等諸多優勢。因此，該拓撲結構廣泛應用于中高壓大功率電力電子設備中。

由于各H橋變換器功率器件參數、驅動信號延時、直流側負載大小不完全一致等因素，會導致各H橋變換器直流側電壓不平衡，將對級聯H橋變換器交流側輸出特性產生惡化影響，諧波畸變率將相應增大。當不平衡度較大時會影響系統的穩定運行并引起裝置的損壞，需要通過附加一個電壓平衡控制器來實現各個H橋變換器直流側電壓的平衡。但在設計電壓平衡控制器時，沒有考慮在電壓不平衡情況下附加的電壓平衡控制器與主控制系統之間的耦合效應，將影響整個系統控制環路的動態性能。所以必須采取相應的控制方法來保證各模塊直流側電壓平衡，并且減小電壓平衡控制器與主控制系統之間的耦合效應。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種單相多模塊級聯H橋變換器電壓平衡控制方法。

本發明的目的通過以下的技術方案實現：

一種單相多模塊級聯H橋變換器電壓平衡控制方法，包含以下步驟：

S1、在靜止坐標系下采用雙閉環控制結構作為系統的主控制器，輸出系統的共同調制比，其中電壓外環采取PI控制，電流內環采取準PR控制；

S2、通過電壓平衡控制器實現各個H橋變換器的直流側電壓平衡，由均壓環得到前N-1個H橋變換器的調制比修正量，通過求取耦合效應系數最小值時得到第N個H橋變換器的調制比修正量，由N個H橋變換器的調制比修正量分別與系統的共同調制比疊加構成N個H橋變換器調制比，使得各個H橋變換器有功功率按需分配，維持各個H橋變換器直流側電壓平衡，其中N≥2。

所述步驟S1，具體為：系統主控制器采用在靜止坐標系下的雙閉環控制方式，包括

S101、對各個H橋變換器的直流側電壓進行采樣，將采樣電壓的平均值作為電壓外環的反饋量與給定值進行比較，二者之間的誤差經過電壓外環PI調節后得到網側電流指令值的幅值，再與交流電網電壓PLL鎖相環提供的相位信息相乘作為電流內環的指令電流；

S102、對網側電流進行采樣，將指令電流與網側采樣電流進行比較，二者之間的誤差經過電流內環準PR調節后得到系統的共同調制比。

所述步驟S2，具體為：通過修改各個H橋變換器的調制比的方式來實現電壓平衡，包括

S201、對于前N-1個H橋變換器：將前N-1個H橋變換器的直流采樣電壓分別作為各均壓環的反饋量，將N個H橋變換器的直流采樣電壓的平均值作為各均壓環的給定值，兩者進行比較，誤差經過均壓環PI調節后得到的值與交流電網電壓PLL鎖相環得到的相位信息相乘，得到前N-1個H橋變換器的調制比修正量；

S202、對于第N個H橋變換器：求取主控制器與電壓平衡控制器之間的耦合效應系數ε的最小值，得到第N個H橋變換器的調制比修正量Δd_N，將其與交流電網電壓PLL鎖相環得到的相位信息相乘，即得到第N個H橋變換器的調制比修正量；

S203、將各個H橋變換器的調制比修正量分別與系統的共同調制比疊加，構造各個H橋變換器的調制比；

S204、N個H橋變換器分別得到對應的調制比信號，三角載波依次移相180°/N，各個H橋變換器的調制比信號分別與移相三角載波比較得到各個H橋變換器的驅動信號。

步驟S202中，所述主控制器與電壓平衡控制器之間的耦合效應系數ε的計算公式如下：

式中，為N個H橋變換器的直流側總電壓的平均值，d為系統的共同調制比，V_dci為第i個H橋變換器的直流側電壓，d_i為第i個H橋變換器的調制比；i＝1,2,...,N-1。

步驟S202中，所述第N個H橋變換器的調制比修正量Δd_N的計算公式如下：

式中，ΔV_i為前N-1個H橋變換器的誤差電壓，d為系統的共同調制比，V_dci為第i個H橋變換器的直流側電壓，Δd_i為為第i個H橋變換器的調制比修正量，V_dcN為第N個H橋變換器的直流側電壓；i＝1,2,...,N-1。

所述級聯H橋變換器采用N個H橋變換器串聯，每個H橋變換器的直流側輸出相同的直流電壓，級聯H橋變換器的功率主電路輸入側連接高壓交流電網。

本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果：

本發明可以實現各模塊直流側電壓平衡，同時可以實現電網側單位功率因數運行、交流側輸入電流高度正弦、單個開關管器件電壓應力低等功能。相比于以前的控制方式，該控制方式不僅能夠維持直流側電壓平衡，并且能夠有效減小附加的電壓平衡控制器與主控制系統之間的耦合效應，提高整個系統控制環路的動態性能。

附圖說明

圖1為本發明所述單相N模塊級聯H橋變換器主功率電路的電路圖。

圖2為本發明所述電壓電流雙閉環主控制器的示意圖。

圖3為本發明所述電壓平衡控制器的示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。

一種單相多模塊級聯H橋變換器電壓平衡控制方法，能夠維持直流側電壓平衡，并且能夠有效減小附加的電壓平衡控制器與主控制系統之間的耦合效應。

圖1為單相N模塊級聯H橋變換器的功率主電路(其中N＝1,2,…,n)。

圖2為級聯H橋變換器主控制器采用的是靜止坐標系下雙閉環控制，包括電壓外環與電流內環，經過雙閉環輸出共同調制比，在載波移相調制下實現級聯H橋變換器各H橋模塊直流側電壓之和的穩定輸出、電網側單位功率因數、交流側輸入電流正弦化，虛線部分是由電壓平衡控制器產生的調制比修正量。該方法包括以下步驟：

(a)對各H橋模塊直流側電壓V_dci進行檢測并求和V_D，并與直流側電壓總給定值進行比較，它們的誤差經過電壓外環PI調節輸出指令電流的幅值，PLL鎖相環提供交流電網電壓V_s的相位信息cos(ωt+θ)，將指令電流幅值與cos(ωt+θ)相乘得到指令電流表達式如(1-1)：

(b)對網側交流輸入電流I_s進行檢測，將(a)中得到的指令電流與網側交流輸入電流I_s進行比較，它們的誤差經過電流內環準PR調節并加入前饋量電網電壓V_s，再除以各H橋模塊直流側電壓之和V_D得到系統的共同調制比d。

如圖1所示級聯H橋變換器主電路拓撲，根據KVL可列出雙閉環主控制器系統下的電路微分方程如式(1-2)：

系統在加入電壓平衡控制器后，定義各H橋模塊的調制比為d_i，如圖2虛線部分所示，可得式(1-3)：

d_i＝d+Δd_i (1-3)

其中Δd_i為附加電壓平衡控制器產生的各H橋模塊調制比修正量。

可以得到在加入電壓平衡控制器后的電路微分方程如式(1-4)：

將式(1-4)改寫為式(1-5)

其中為各H模塊直流側總電壓的平均值，表達式如(1-6)：

通過比較式(1-5)和式(1-2)可以發現，是由加入電壓平衡控制器后產生的附加項，即電壓平衡控制器與主控制系統之間具有耦合關系，需要合理設計電壓平衡控制器減小耦合效應，使附加均壓環節對主控制系統不產生影響。

定義電壓平衡控制器與主控制系統之間的耦合效應系數如式(1-7)：

圖3為減小控制器之間耦合效應的電壓平衡控制方法，通過電壓平衡控制器得到各H橋模塊的調制比修正量，該方法包括以下步驟：

(a)對前N-1個H橋模塊直流側電壓V_dci(i＝1,2,...,N-1)進行檢測，并分別與直流側總電壓的平均值進行比較，它們的誤差ΔV_i(i＝1,2,...,N-1)分別經過均壓環PI調節并與交流電網電壓PLL鎖相環得到的相位信息相乘，得到前N-1個H橋模塊的調制比修正量Δd_i(i＝1,2,...N-1)。

(b)對于第N個H橋模塊，為減小主控制器與電壓平衡控制器之間的耦合效應，耦合效應系數需要取得最小值，即滿足式(1-8)：

其中各H橋模塊直流側電壓V_dci表達式可寫為(1-9)：

結合式(1-3)、(1-9)，式(1-8)可改寫為式(1-10)：

式(1-10)經過簡化運算處理，得到第N個H橋模塊的調制比修正量表達式如(1-11)：

第N個H橋模塊直流側電壓V_dcN與直流側電壓平均值比較得到誤差ΔV_N，與前N-1個H模塊的誤差電壓ΔV_i(i＝1,2,...,N-1)相加得到將與雙閉環控制輸出的共同調制比d相乘并累加得到將前N-1個H橋模塊直流側電壓V_dci(i＝1,2,...,N-1)分別與各自H橋模塊對應的調制比修正量Δd_i(i＝1,2,...N-1)相乘并累加得到將與作差，再除以第N個模塊直流側電壓V_dci，從而得到第N個H橋模塊的調制比修正量Δd_N。

(c)如圖2虛線部分所示，將各H橋模塊調制比修正量Δd_i(i＝1,2,...N)，分別與共同調制比d疊加，構成各H橋模塊調制比d_i(i＝1,2,...N)。

(d)N個H橋模塊分別得到對應的調制比信號d_i，三角載波依次移相180°/N，各模塊的調制信號d_i分別與移相三角載波比較得到各H橋模塊的驅動信號。

上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。