级联H桥多电平变流器中各单元瞬时功率计算方法与流程

本发明涉及大功率级联h桥多电平变流器的电能变换技术领域，具体涉及一种级联h桥多电平变流器中各单元瞬时功率计算方法。

背景技术：

级联h桥多电平变流器由于能够输出任意电平电压波形和单元化结构，使得其在大功率交流-直流、直流-交流变换场合得到广泛应用。级联h桥多电平变流器调制方法主要有载波移相调制、空间电压矢量调制、最近电平逼近调制等。其中最近电平逼近调制通过调制电压和直流侧电压信息的取整运算实现阶梯波电压的输出，特别适用于级联单元数较多的应用场合，如高压直流输电领域，具有开关频率较低、算法实现简便的优点。

但是，由于最近电平逼近调制方法相比于其他调制方法的开关频率较低，每个h桥单元单元在一个基波周期中只进行一次正向和反向投入，并且各h桥单元正、反向投入时间不同且差异较大，使得各h桥单元交流侧等效交流电压差异较大。由于级联连接的电路拓扑结构，流经各h桥的电流相同，所以各h桥单元单元出现严重的功率不均衡。

功率在级联h桥多电平变流器各h桥单元单元间分配差异较大，开关状态切换速度较慢，这会导致各级联h桥单元的发热不均衡，不利于散热器的设计；同时，在输出功率较大的情况，各h桥单元的投切均相当于一个冲击负载，会引起中间直流电压的大幅波动，进而影响整个变流装置的控制性能。为了进一步改善级联h桥多电平变流器直流侧电能供给质量，为各h桥逆变单元提供所需功率，需要准确获得各h桥单元单元的功率信息。此功率信息为直流侧供电装置提供参考，有利于供电装置与级联h桥多电平变流器联合运行，进一步提升系统性能。

但是，现有技术缺少级联h桥多电平变流器工作于最近电平逼近调制方法下的各h桥单元单元功率计算方法。若采集各h桥单元单元交流侧电压和电流信息间接计算各单元单元功率，需要大量电压传感器，大大增加系统硬件成本，可靠性不高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种级联h桥多电平变流器中各单元瞬时功率计算方法，该方法信息采集量较少，各单元功率值计算准确度较高，算法实现简便，具有较强的通用性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种级联h桥多电平变流器中各单元瞬时功率计算方法，包括以下步骤：

步骤1：根据级联h桥变流器在最近电平逼近调制下各h桥单元交流侧电压正、反向投入时刻对应的电角度和各h桥单元直流侧电压，建立h桥单元交流侧电压关于时间的关系式；

步骤2：通过傅立叶变换求解步骤1中交流电压等效正弦量的表达式；

步骤3：将得到的h桥单元交流侧电压与流经各h桥单元电流关系式相乘获得h桥单元瞬时功率关于时间的表达式；

步骤4：通过功率正比例分配关系求解各h桥单元的有功功率和无功功率。

进一步的，通过步骤2得到的表达式为：

其中，vi为基波交流量，vi为第i个h桥单元交流侧电压的基波交流量幅值，vdc为各级联h桥多电平变流器单元直流侧电压，αi1和αi2分别为第i个h桥单元正向投入的起止时刻。

进一步的，所述步骤3中瞬时功率的表达式为：

其中，si为第i个h桥单元交流侧瞬时功率，im为级联h桥多电平变流器交流侧电流幅值；为变流器调制电压和交流侧电流间的相位角。

进一步的，所述步骤4得到的各h桥单元中分配的有功功率和无功功率分别为：

其中，ptotal和qtotal分别为级联h桥多电平变换器运行时的总的有功功率和总的无功功率，um为级联h桥多电平变换器调制电压幅值。

进一步的，各单元功率计算表达式中级联h桥多电平变流器总功率通过采集变流器电压电流信息直接计算得到，或者通过变流器控制算法中电参数信息间接求解得到。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用本发明方法，仅需采集变流器总功率和调制电压信息，以较少的信息采集量实现了各h桥单元单元功率计算。

2、采用本发明方法，变换器总功率和调制电压幅值容易准确获得，从而该方法计算功率值准确可靠。

3、本发明方法移植性较强，适用于单/三相任意单元数量的级联h桥变流器的各单元实时功率计算方法，具有较强的通用性。

附图说明

图1是本发明方法流程示意图。

图2是本发明中级联h桥多电平变流器拓扑结构示意图。

图3是最近电平逼近调制原理示意图。

图4是本发明中三单元级联h桥多电平变流器在最近电平逼近调制方法下工作状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明方法只通过采集变流器功率和变换器交流侧电流幅值，在线计算各h桥单元中分配的有功功率和无功功率。级联h桥多电平变流器拓扑结构如附图2所示，最近电平逼近调制方法原理如附图3所示。该方法包含以下步骤：

首先，对于任意单元数的级联h桥变流器，设各级联h桥多电平变流器单元直流侧电压为vdc，设第i个h桥单元交流侧电压的基波交流量vi表示为式(1)：

vi＝visinωt(1)

式中，vi为第i个h桥单元交流侧电压的基波交流量幅值。

根据傅立叶变换，得第i个h桥单元交流侧电压的基波交流量幅值为式(2)：

式中，αi1和αi2分别为第i个h桥单元正向投入的起止时刻。

设级联h桥多电平变流器交流侧电流为il，表示为式(3)

式中，im为级联h桥多电平变流器交流侧电流幅值；为变流器调制电压和交流侧电流间的相位角。

为形象示意，附图4所示为i＝3时，级联h桥多电平变流器在最近电平逼近调制下工作状态示意图。

第i个单元交流侧瞬时功率pi可以表示为式(4)：

进而，第i个h桥单元交流侧瞬时功率表达式(5)：

其次，由式(5)可知，第i个单元交流侧有功功率为：

式(6)中功率计算表达式中包含网侧电流和调制波相位角对应的余弦值，当获得的相位角与真实值存在较小误差时，计算得到的功率会产生较大误差。为此，应减小对相位角信息的依赖性。

为分析简便，假设最近电平逼近调制中各h桥单元选择对称的开关切换时刻，即αi1＝αi2＝αi，有：

所以，开关切换时刻是造成各h桥单元有功功率不同的原因，即

pi∝cosαi(8)

同理，无功功率也满足关系

qi∝cosαi(9)

最近电平逼近调制下，开关切换时刻满足式(10)关系：

umsinαi＝(i-0.5)vdc(10)

式中，um为级联h桥多电平变换器调制电压幅值。

得到

最后，根据各h桥单元功率分配关系，得到在逆变器实时工作时各h桥单元中分配的有功功率和无功功率，为式(12)和式(13)：

式中，ptotal和qtotal分别为级联h桥多电平变换器运行时总的有功功率和总的无功功率。

对于最近电平逼近调制中各单元选择非对称的开关切换时刻时，该计算思路仍然适用，只需将所有开关切换时刻考虑到计算环节即可。