专利名称：一种多电平功率电路控制方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种多电平功率电路控制方法和装置。
背景技术：
多电平电路特点是大功率、无谐波，较常见的为串联功率单元电路，采用η个功率 单元串联构造电平数为2η+1个，输出电压谐波含量随着η的增大而减小。在高压大功率场 合可以通过串联更多的功率单元来满足大容量的需求。这种大功率电路的控制实质上就是 控制算法的物理实现，分为两个方面第一、功率电路自身开关器件的控制脉冲产生与分配 问题；第二、控制对象以及控制策略算法。传统的PI控制是将受控对象与参考信号的误差 通过PI调节作为调制信号，与三角载波比较得到开关信号，但是PI调节本身带宽有限，对 于干扰抑制能力较差。变结构控制通过改变自身结构来影响受控对象，使受控对象快速跟 随参考信号，具有鲁棒性好、响应速度快等优点，其特性非常适合电力电子等开关系统。但 是传统方法存在高频抖动，这种抖动增加了大功率器件的切换频率，使开关损耗增加，因而 在大功率电压控制方面受到了限制，尤其在电压控制方面，未见相关专利出现。所以有必要 采取措施消除这种抖动，降低切换频率，使其适用于大功率多电平电力电子系统。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种多电平功率电路控制方法和装置。具体的，本发明提供一种多电平功率电路控制方法，包括Α，控制器基于功率电路中负载侧电压，构造切换函数S = ；式中k>0，Xl*
负载侧电压与理想负载电压的差值；x2
atB,控制器对所述切换函数s进行缓冲控制；C，控制器利用缓冲控制后的切换函数s和控制系统收敛条件得到切换不等式，并 基于该切换不等式进行逻辑判断，得到开关函数Ux的控制律；D，控制器基于功率电路所连接的电网电压Us与理想电网电压的差值d在所述Ux 控制律中的位置，确定功率电路中投入工作的功率单元数。进一步的，本发明还提供一种控制器，包括函数构造模块，用于基于功率电路中负载侧电压，构造切换函数s = kxi+x2 ；式中
k > ο ;Xl为负载侧电压与理想负载电压的差值；X2 =^;
at缓冲控制模块，用于对所述切换函数S进行缓冲控制；逻辑判断模块，用于利用缓冲控制后的切换函数s和控制系统收敛条件得到切换 不等式，并基于该切换不等式进行逻辑判断，得到开关函数Ux的控制律；电路控制模块，用于基于功率电路所连接的电网电压Us与理想电网电压的差值d 在所述Ux控制律中的位置，确定功率电路中投入工作的功率单元数。
与现有技术相比，本发明有益效果如下本发明所述方法通过受控对象的变化控制器自动改变结构来适应输出的需要。输 出电压信号是由基于非载波调制的方式产生，这一点有别于传统电压控制领域内利用载波 相移调制的方式，能够以较小的开关频率实现较理想的控制效果。另外，传统的PI控制将 会产生暂态振荡误差，其控制性能受多方面影响。本发明所述方法在控制电压型串联多电 平功率电路时，充分利用多电平的特性来优化电压输出效果，根据受控电压的变化自动调 整投入工作的功率单元数量，避免了开关器件频繁动作，总体上可以降低工作频率，减少发 热，提高系统安全性。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是 本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还 可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明提供的一种多电平功率电路控制方法流程图；图2为本发明所述方法中功率电路的电路图；图3为本发明实施例提供的一种多电平功率电路控制方法流程图；图4为本发明实施例中功率电路输出端开关频率变化情况图；图5为本发明实施例中功率电路输出端及功率单元的电压波形图；图6为本发明所述控制方法的结构框图；图7为本发明提供的一种控制器的结构图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种多电平功率电路控制方法和装 置，所述控制方法尤其适用于串联型大功率功率电路，消除了高频抖动现象，不仅可以满足 输出电压质量要求，还可以改变投入功率单元的数量进一步降低损耗，具有较强的工程实 用意义。具体的，本发明所述方法中，电压型多电平功率电路由若干功率单元串联而成，功 率单元主要由电力电子开关器件组成H全桥结构，每个功率单元的直流侧电压相等；功率 电路的输出端电压为单个功率单元输出的叠加；本发明所述控制方法的核心思想是根据 现场采集的负载侧电压信号，计算出跟踪误差，根据跟踪误差及其变化趋势，建立切换函 数，为了防止切换函数频繁抖动，加入了缓冲；根据跟踪误差以及切换函数可以通过逻辑阵 列确定投入功率单元的数量以及输出电压波形。如图1所示，本发明提供一种多电平功率电路控制方法，具体包括步骤S101，控制器基于功率电路中负载侧电压，构造切换函数s = kxi+x2 ；式中k> 0，X1为负载侧电压与理想负载电压的差值；χ2
at步骤S102，控制器对所述切换函数s进行缓冲控制；步骤S103，控制器利用缓冲控制后的切换函数s和控制系统收敛条件得到切换不 等式，并基于该切换不等式进行逻辑判断，得到开关函数Ux的控制律；步骤S104，控制器基于功率电路所连接的电网电压Us与理想电网电压的差值d在 所述Ux控制律中的位置，确定功率电路中投入工作的功率单元数。下面根据图2 图6给出本发明一个较佳的实施例，并结合对实施例的描述，进一 步给出本发明的技术细节，使其能够更好地说明本发明所述方法的具体实现过程。如图2所示，为本发明所述方法中功率电路的电路图，所述功率电路包括N个功率 单元、LC滤波电路、变压器和负载；其中，功率单元彼此串联，各功率单元直流侧理想电压源Udl Utffl相等，均为ud， Kni Kn4为电力电子开关器件，u为功率电路输出电压，i为输出电流，变压器变比可以为 1 1，滤波参数为电感L和滤波电容C，上级电网电压us，负载侧电压为ua。其中，u = UxUd ；式中，Ux为功率电路开关函数，由各功率单元的下级开关函数Uxi 决定:ux = Σ uxi i = 1,2... N ；N为串联单元数，Uxi取值范围为1，0，-1，当开关Kil和Ki4导通，Uxi取1，功率单元 i输出电压为+Ud ；Ki2和Ki3导通，Uxi取-1，功率单元i输出电压为-Ud ；其余时间功率单元 i保持一个开关管导通，Uxi取0。
根据电路图进一步有
r di
u = L--Yu
dt c
,+ =Cd^ c dt
= K+K
IuC =Us~Uai为功率电路输出电流瞬时量；U。、i。为电容电压和电流；ia为变压器原边电流。定义跟踪误差Au = Uref-Ua,定义参考电压信号;ref = ^Uref sinω ，其中ω t为
电网基波频率信号，Uref为参考电压有效值，实现对功率电路控制的目的在于使ua精确跟随 参考电压信号。具体的，如图3所示，本发明所述方法包括以下步骤步骤S301、控制器采集功率电路中负载侧电压Ua，计算其与理想负载电压的偏差
值 X1 = Au = Uref-Ua。步骤S302、计算所述偏差值X1的变化量，得到& = ^，基于X1和&构造切换函
at
数 s = loq+x” k > 0。根据所述&的变化量还可以得到电网电压补偿控制器模型，具体为
该模型简洁地表明了控制系统受控的跟踪误差Au与控制作用UxUd之间的数学关 系；同时在该控制器模型中认为与电网有关的参数Us、与负载有关的参数ia以及参考信号 Uref均归结为控制器外部扰动变量e。进一步的，构造切换函数s = kXl+X2后，还可以根据焱< 0 (其中處是对s进行微分 处理)时控制系统收敛，得到切换不等式
权利要求
1.一种多电平功率电路控制方法，其特征在于，包括A，控制器基于功率电路中负载侧电压，构造切换函数s = kxi+x2 ；式中k > 0，X1为负 载侧电压与理想负载电压的差值；
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B中控制器对切换函数s进行缓冲控制得到控制系统最大切换频率
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述控制系统收敛条件为；切换 不等式为
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述开关函数Ux控制律为
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤D具体包括所述控制器采集功率电路所连接的电网电压us，并计算Us与理想电网电压的差值d，判 断该差值d在所述控制律中所处的数据段，得到该数据段对应的开关函数ux，根据开关函数
6.一种控制器，其特征在于，包括函数构造模块，用于基于功率电路中负载侧电压，构造切换函数S = kXl+X2 ；式中k > 0 ；X1为负载侧电压与理想负载电压的差值；x2
7.如权利要求6所述的控制器，其特征在于，所述缓冲控制模块对切换函数s进行缓冲控制得到控制系统最大切换频率Fmax =F0
8.如权利要求6或7所述的控制器，其特征在于，所述逻辑判断模块中控制系统收敛条 件为；切换不等式为
9.如权利要求8所述的控制器，其特征在于，所述逻辑判断模块中得到的开关函数Ux 控制律为
10.如权利要求9所述的控制器，其特征在于，所述电路控制模块包括 电压采集子模块，用于采集功率电路所连接的电网电压Us ；误差计算子模块，用于计算所述Us与理想电网电压的差值d ； 函数生成子模块，用于判断所述差值d在所述控制律中所处的数据段，得到该数据段 对应的开关函数ux;电路控制子模块，用于根据得到的所述开关函数Ux的取值，确定功率电路中投入工作 的功率单元数。
全文摘要
本发明公开了一种多电平功率电路控制方法和装置，所述方法包括A、控制器基于功率电路中负载侧电压，构造切换函数s＝kx1+x2；B、控制器对所述切换函数s进行缓冲控制；C、控制器利用缓冲控制后的切换函数s和控制系统收敛条件得到切换不等式，并基于该切换不等式进行逻辑判断，得到开关函数ux的控制律；D、控制器基于功率电路所连接的电网电压us与理想电网电压的差值d在所述ux控制律中的位置，确定功率电路中投入工作的功率单元数。本发明所述装置包括函数构造模块、缓冲控制模块、逻辑判断模块和电路控制模块。本发明所述方法和装置不仅能够降低功率电路的开关频率，还可以优化输出波形。
文档编号H02M7/49GK102064727SQ20111000171
公开日2011年5月18日 申请日期2011年1月6日 优先权日2011年1月6日
发明者乔建敏, 寇宗乾, 李学斌, 杨加生, 白莉, 赵兴东, 郑斌 申请人:中铁建电气化局集团有限公司, 北京中铁建电气化设计研究院有限公司