用于级联H桥变换器的闭环零序电压优化注入法的制作方法

本发明涉及变流器技术领域，特别是涉及一种闭环零序电压优化注入法，具体来说，该方法应用于级联h桥变换器相间功率控制，可以拓展零序电压注入范围，提高变换器直流母线电压利用率，并以闭环控制形式防止三相调制波注入零序电压后发生过调制。

背景技术：

变流技术是将电能由直流转变为交流或交流转变为直流的技术，在当今工业应用中扮演着重要的角色。级联h桥变流器在高压大功率供能场合应用非常广泛，其原理是以四个开关管所构成的h桥电路作为基本单元，采用串联形式搭建主电路，再配以相应的调制方法，控制开关管的开关状态，使输入/输出电流波形近似正弦。三相级联h桥变流器由于采用级联h桥模块单元构成，各模块单元输出功率需要进行均衡，分为相间功率均衡与相内功率均衡。对于相间功率均衡，工业界通常采用在三相调制信号中注入一个特定的零序信号，从而灵活调整各相输出功率。零序电压注入后调制信号幅值可能超过载波幅值，发生过调制问题，此时级联h桥功率均衡与输出电流电能质量无法达到要求。

技术实现要素：

针对零序电压注入后调制信号幅值可能超过载波幅值，发生过调制问题，本发明提出一种用于级联h桥变换器的闭环零序电压优化注入法，通过所设计的闭环控制算法，生成包含对应基频分量的不规则零序电压，减小零序电压注入后调制信号幅值，从而扩展级联h桥相间功率调节范围。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

用于级联h桥变换器的闭环零序电压优化注入法，包括以下步骤：

(1)通过电流控制器获取级联h桥三相原始调制波da、db、dc；

(2)通过相间功率控制器获取待注入零序电压幅值ezero与相角θzero，用零序电压幅值与相角产生零序信号基频成分vzero，f，计算公式为：

vzero，f＝ezerosin(ωf·t+θzero)(1-1)

其中ωf为截止频率，t为采样时间；

(3)将信号da、db、dc分别送入过调制成分提取函数fext，得到过调制成分的波形将和相加得到信号d^over，过调制成分提取函数d^over表达式为：

其中di(i＝a，b，c)为三相原始调制波，threshold为调制波过调制阈值，取0.95；

(4)将步骤(3)所得d^over分别经过低通滤波传递函数gf(s)、增益系数k与基频陷波器gtrap(s)，得到用于抑制过调制的零序信号成分vzero，h；其中gf(s)为低通滤波传递函数，其表达式为：

其中ωcut为一阶低通滤波器截止角频率，s是复频域的变量；

(5)将步骤(4)所得vzero，h与步骤(2)得到的零序信号基频成分vzero，f相加，得到优化零序电压vzero，op，并将优化零序电压vzero，op注入到原始调制波da、db、dc中，得到开关信号sa、sb、sc。

进一步的，步骤(2)～(5)共同构成三相输出功率控制结构，控制结构对应传递函数公式为：

vzero，h＝[fext(da)+fext(db)+fext(dc)]·gf(s)·k·gtrap(s)(1-5)

ωc为陷波器截止角频率，ω0为工频对应的角频率；

ωcut为一阶低通滤波器截止角频率；

vzero，op＝vzro，f+vzero，h(1-8)

sa＝da+vzero，op(1-9)

sb＝db+vzero，op(1-10)

sc＝dc+vzero，op(1-11)

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明应用于级联h桥变换器相间功率控制，省略了复杂的三角函数计算，直接通过功率误差的比例积分控制，可以以较低运算量实现优化不规则零序电压的快速生成；并通过过调制提取函数，减小零序电压注入后调制信号幅值，减少过调制情况的发生，从而扩展级联h桥相间功率调节范围；同时通过闭环控制可以提高相间功率控制的准确性和精度，具有一定的工程实践意义。

附图说明

图1为本发明实施中三相级联h桥并网变换器拓扑结构示意图。

图2a为本发明实施中三相级联h桥并网变换器控制结构示意图。

图2b为本发明实施中零序电压优化控制器结构图。

图3为本发明网侧电压波形图。

图4a为三相功率平衡且相等情况下的网侧电流波形。

图4b为采用闭环零序电压注入法实现三相功率重新分配且平衡的网侧电流波形。

图4c为采用本发明提出的闭环零序电压优化注入法实现三相功率重新分配且平衡的网侧电流波形。

图5a为三相功率平衡且相等情况下的三相功率控制效果图。

图5b为采用闭环零序电压注入法实现三相功率重新分配且平衡的三相功率控制效果图。

图5c为采用本发明提出的闭环零序电压优化注入法实现三相功率重新分配且平衡的三相功率控制效果图。

图6a为三相功率平衡且相等情况下的级联h桥变换器输出调制信号波形。

图6b为采用闭环零序电压注入法实现三相功率重新分配且平衡的情况下的级联h桥变换器输出调制信号波形。

图6c为采用本发明提出的闭环零序电压优化注入法实现三相功率重新分配且平衡的情况下的级联h桥变换器输出调制信号波形。

图7a为采用本发明前的零序电压vzero，f注入波形图。

图7b为采用本发明提出的闭环零序电压优化注入法后的零序电压vzero，op注入波形图。

具体实施方式

下面结合图表对本发明用于级联h桥变换器功率均衡的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。以并网运行的级联h桥变换器为例，图1是本发明在该工况下具体实施方式的拓扑结构示意图，图2a和图2b为控制结构示意图。如图1所示，级联变换器由结构完全相同的h桥变换器模块单元串联而成，各模块单元直流侧可接入电池、光伏、直流负荷等源荷设备，从而实现低压源荷装置接入中高压电网。由于各模块所发出功率各不相同，同时三相并网电流需要平衡，此时必须要向三相调制信号中注入零序信号以保证三相输出功率达到要求并保持三相电流平衡，当各相发出功率差异较大时，注入零序信号幅值较大，可能会发生某相过调制的情况，此时需要应用本发明抑制三相调制信号过调制，同时保证电流电能质量不受影响。

本发明用于级联h桥变流器功率控制的基本步骤如下：

步骤1：通过电流控制器获取级联h桥三相原始调制波da、db、dc。

步骤2：通过相间功率控制器获取待注入零序电压幅值ezero与相角θzero，用零序电压幅值与相角产生零序信号基频成分vzero，f，将其加入到步骤(1)所得的三相原始调制波da、db、dc中，产生信号da、db、dc，计算公式为：

vzero_f＝ezerosin(ωf·t+θzero)(1-1)

da＝vzero，f+da(1-2)

db＝vzero，f+db(1-3)

dc＝vzero，f+dc(1-4)

其中ωf为截止频率，t为采样时间。

步骤3：将信号da、db、dc分别送入过调制成分提取函数fext(x)，得到过调制成分的波形将其相加得到信号d^over。过调制成分提取函数fext(x)表达式为：

t为x的任一限值。

因此，过调制成分提取函数d^over表达式为：

threshold为调制波过调制阈值，一般取0.95。

步骤4：将步骤3所得d^over分别经过低通滤波传递函数gf(s)、增益系数k与基频陷波器gtrap(s)，得到用于抑制过调的零序信号成分vzero，h。其中gf(s)为低通滤波传递函数，其表达式为：

其中ωcut为一阶低通滤波器截止角频率。

步骤5：将步骤4所得vzero，h与步骤二得到的零序信号基频成分vzero，f相加，得到优化零序电压vzero，op，并将其注入到原始调制波da、db、dc中，得到信号sa、sb、sc，对应驱动信号输出。

所述步骤2～5共同构成三相输出功率控制结构，控制结构对应传递函数公式为：

vzero，h＝[fext(da)+fext(db)+fext(dc)]·gf(s)·k·gtrap(s)(1-7)

ωc为陷波器截止角频率，ω0为工频对应的角频率

vzero，op＝vzero，f+vzero，h(1-10)

sa＝da+vzero，op(1-11)

sb＝db+vzero，op(1-12)

sc＝dc+vzero，op(1-13)

步骤6：用matlab/simulink搭建如图1所示的仿真模型，对本发明提出的零序电压优化注入方法进行验证。

图3为本发明网侧电压波形图，图4a至图4c为应用本发明前后网侧电流波形图。其中图4a为三相功率平衡且相等情况下的网侧电流波形，图4b为采用闭环零序电压注入法实现三相功率重新分配且平衡的网侧电流波形，图4c为采用本发明提出的闭环零序电压优化注入法实现三相功率重新分配且平衡的网侧电流波形。由图4a可以看出并网电流与电网电压同相位，实现了基本的功率平衡控制。图4b可以看出零序电压简单注入法由于存在h桥模块过调制问题而导致并网电流波形出现畸变，影响并网装置的性能和可靠性，而图4c本发明提出的零序电压优化注入法可以很好的解决过调制问题。

图5a为三相功率平衡且相等情况下的三相功率控制效果图，λa＝λb＝λc＝1/3，pa＝pb＝pc＝2000w；图5b为采用零序电压注入法实现三相功率重新分配且平衡的三相功率控制效果图，λa＝0.333，λb＝0.234，λc＝0.433，pa＝2000w，pb＝1400w，pc＝2600w；图5c为采用闭环零序电压优化注入法实现三相功率重新分配且平衡的三相功率控制效果图，λa＝0.333，λb＝0.234，λc＝0.433，pa＝2000w，pb＝1400w，pc＝2600w。

图6a为三相功率平衡且相等情况下的级联h桥变换器输出调制信号波形，图6b为采用闭环零序电压注入法实现三相功率重新分配且平衡的情况下的级联h桥变换器输出调制信号波；图6c为采用本发明提出的闭环零序电压优化注入法实现三相功率重新分配且平衡的情况下的级联h桥变换器输出调制信号波。已知vdc＝130v，由于h桥输出电压峰值vp通常低于3vdc，只有当功率不平衡增加到临界点时，vp＝3vdc。由图可知，图6b出现过调制问题，而如图6c采用闭环零序电压优化注入法可控制调制信号小于等于3vdc。

图7a为采用本发明前的零序电压vzero，f注入波形图；图7b为采用本发明提出的零序电压优化注入法后的零序电压vzero，op注入波形图。

综上，本发明公开了一种闭环零序电压优化注入法，应用于级联h桥变换器相间功率控制，可以拓展级联h桥相间功率的调节范围，提高变换器直流母线电压利用率，并以闭环控制形式防止三相调制波注入零序电压后发生过调制，是一种值得推广的新型零序电压注入方法。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。