一种混合三电平PET模块直流母线电压均衡控制方法及装置

本发明属于电力电子，具体涉及一种混合三电平pet模块直流母线电压均衡控制方法及装置。

背景技术：

1、电力电子变压器(pet)由于其较高的可控性、灵活性、自我保护能力等优点，在智能电网，数据中心电源等领域有较为广泛的应用前景。其常见的结构为模块isop(输入串联输出并联)结构，每个模块一般包含ac-dc、dc-dc、dc-ac三级或ac-dc、dc-dc两级。混合三电平pet模块较传统两电平拓扑模块，使用相同器件所制成的模块电压等级高，所需模块少，可以大大减小电力电子变压器的体积。但三电平拓扑需要解决母线电容电压均衡问题，结构和控制更为复杂。

2、目前，常见的多电平变换器拓扑解决母线电容均压问题的方法可以分为硬件方法和软件方法。常见的硬件方法有：加入均压电阻、增加额外的均压电路。硬件方法中，加入均压电阻于每个母线电容并联会带来额外损耗，在大容量的装置中其损耗和发热难以接受。增加额外的均压电路会使变换器的结构更加复杂、且成本提高。在ac-dc级，常见的软件方法有：零序电压注入、svpwm(空间矢量脉宽调制)的冗余矢量控制。软件方法中零序电压注入通过在每相调制波中加入相同的零序分量，实现电容均压，且线电压由两相电压相减的特性保证了输出线电压、相电流不受注入电压影响，但零序电压的计算量较大。svpwm的冗余矢量控制，根据当前母线电容电压偏差，选择合适矢量平衡当前电压偏差，其本质也是一种零序电压注入的方法。这两种软件方法更适合在三相共用母线电容的拓扑中使用，针对模块级联型的结构，电容数量多、输出电平多，这两种从三相整体出发的方法使用起来较为复杂。在dc-dc级，可以通过控制电路模态持续时间，平衡母线电容电压，但这种方式会占用dc-dc级的控制自由度。这会导致实现dc-dc级的偏磁抑制、电流应力优化等策略的自由度减少，降低了其灵活性。

3、可见，目前使用硬件均压方式均会增加成本和损耗；在ac-dc级的软件均压方式计算较为复杂，且不太适合使用在模块级联的混合三电平pet模块中；在dc-dc级的软件母线电容均压方法会降低pet模块控制的灵活性。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种混合三电平pet模块直流母线电压均衡控制方法及装置，用于解决混合三电平电力电子变压器模块中使用传统硬件直流母线电压均衡方法会增加损耗和成本，以及使用传统软件控制方法过于复杂、占用dc-dc级控制自由度的技术问题。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种混合三电平pet模块直流母线电压均衡控制方法，包括以下步骤：

4、s1、根据母线电容电压vc1、vc2确定电容电压差v12；

5、s2、将步骤s1得到的电容电压差v12输入比例积分控制器，比例积分控制器的输出乘以电网流入电流符号，并进行采样保持，得到模态需要调整的时间δt；

6、s3、将步骤s2得到的调整时间δt转化为调制中使用的变化量δm；

7、s4、将原调制波分别加上步骤s3得到的δm和减去δm，得到两个新的调制波(m+δm)和(m-δm)；将调制波(m+δm)和载波cc2、cc4比较，得到第二桥臂的驱动信号，将调制波(m-δm)和载波cc1、cc3比较，得到第一桥臂的驱动信号，实现直流母线电压均衡控制。

8、具体的，步骤s1中，电容cb1和电容cb2的电压差δv12为：

9、

10、其中，ic1为流入电容cb1的电流，ic2为流入电容cb2的电流，δvc1、δvc2分别为电容cb1、cb2的电压变化，c1为电容cb1的容值，c2为电容cb2的容值。

11、进一步的，电容cb1、cb2的电压变化δvc1、δvc2分别为：

12、

13、

14、具体的，步骤s2中，变量δt具体为：

15、采样两个母线电容电压vc1、vc2，求两量电容电压差v12，电压差经比例积分控制器，将比例积分控制器的输出结果乘以电网流入电流符号，得到δt的正负，最后经过一个零阶采样保持器得到δt。

16、进一步的，使用比例积分控制器获得控制量幅值，比例积分控制器gpi的传递函数为：

17、

18、其中，kp为比例项系数，ki为积分项系数。

19、具体的，步骤s3中，调制变化量δm具体为：

20、δm＝δt×mpp/ts

21、其中，mpp为一个载波峰峰值，ts为一个载波周期时间。

22、具体的，步骤s4中，将载波层叠移相混合调制分为四个区域，每个区域单个开关周期内的电容电压变化值分为不变项、上升项和降低项；不变项处于模态时电容电压差几乎没有变化；处于上升项、降低项模态时，电路输出电压相同，电容压差变化相反，在上升项持续时间中减去δt，降低项持续时间中增加δt，以控制母线电压均衡。

23、进一步的，将载波层叠移相混合调制分为四个区域具体为：

24、调制区域1的单个载波周期电容电压差变化值δv12_ts1：

25、

26、调制区域2的单个载波周期电容电压差变化值δv12_ts2：

27、

28、调制区域3的单个载波周期电容电压差变化值δv12_ts3：

29、

30、调制区域4的单个载波周期电容电压差变化值δv12_ts4：

31、

32、其中，t+1+为一开关周期内模态m+1+的持续时间，t+1-为一开关周期内模态m+1-的持续时间，t-1+为一开关周期内模态m-1+的持续时间，t-1-为一开关周期内模态m-1-的持续时间，t+2为一开关周期内模态m+2的持续时间，t-2为一开关周期内模态m-2的持续时间，c1为电容cb1的容值，c2为电容cb2的容值。

33、进一步的，处于上升项、降低项模态时，电容压差变化方向与电网流入电流方向相关，跟据电网流入电流方向确定δt的符号；调整时间δt在载波层叠移相混合调制的一个载波的峰值和谷值时进行采样保持。

34、第二方面，本发明实施例提供了一种混合三电平pet模块直流母线电压均衡控制装置，包括：

35、采样模块，根据母线电容电压vc1、vc2确定电容电压差v12；

36、控制模块，将采样模块得到的电容电压差v12输入比例积分控制器的输出乘以电网流入电流符号，并进行采样保持，得到模态需要调整的时间δt；

37、转化模块，将控制模块得到的调整时间δt转化为调制中使用的变化量δm；

38、调制模块，将原调制波分别加上转化模块得到的δm和减去δm，得到两个新的调制波(m+δm)和(m-δm)；将调制波(m+δm)和载波cc2、cc4比较，得到第二桥臂的驱动信号，将调制波(m-δm)和载波cc1、cc3比较，得到第一桥臂的驱动信号，实现直流母线电压均衡控制。

39、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

40、本发明一种混合三电平pet模块直流母线电压均衡控制方法，采取母线电容均压方法将均压控制器输出量叠加到调制波上，通过载波层叠移相混合调制实现均压，是一种软件均压方法，不会增加额外的器件、成本和损耗；且仅使用ac-dc级就可以实现模块母线电容的均压，不会占用dc-dc级自由度，模块控制灵活性更佳；在采样到两个母线电容电压差后仅需要做简单的比例积分运算，就可以得到均压调制策略所需要的控制量；母线电容均压方法计算量很小，可以在每个pet模块的控制器中直接实现，实现方式简单；不会改变每个调制波周期内模块输出的每种电平的持续时间，使用面积等效法分析输出模块交流侧输出电压与加入该方法前相同，对pet输出波形影响小，且可以传统的pet相间、模块间均压控制策略兼容。

41、进一步的，电容cb1和电容cb2的电压差δv12的设置明确了电压均衡策略被控制量的数值。

42、进一步的，电容cb1、cb2的电压变化δvc1、δvc2的设置明确了被控量的随时间变化特性。

43、进一步的，变量δt的设置定义了解决母线电压不均衡问题的控制量。

44、进一步的，使用的比例积分控制器使得控制策略可以排除装置内其他参数的影响，自适应地改变控制量，得到合适的控制参数，降低了策略的实施难度。

45、进一步的，调制变化量δm设置明确了将控制量δt转换到装置运行参数对应的调制量改变，将控制策略中的控制量转换为装置运行的物理量。

46、进一步的，将变换器的运行状态进行分类，并总结出适用于所有状态的控制母线电压平衡的统一控制量和控制方法，进一步简化了控制策略。

47、进一步的，将载波层叠移相混合调制分为四个区域，揭示了电压不均衡量变化特点，明确了电压不均衡量与其他运行参数的关系。

48、进一步的，跟据电网流入电流方向确定δt的符号，以保证母线电压差在策略作用下持续向减小方向变化；调整时间δt在载波层叠移相混合调制的一个载波的峰值和谷值时进行采样保持保证了一个周期内各电平的输出持续时间不变，使该策略不影响装置输出波形质量。

49、可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

50、综上所述，本发明方法实现简单，不占用dc-dc级控制自由度，且不会对spwm调制的面积等效原则产生影响。

51、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。