一种混合级联单相九电平整流器及其控制方法

本发明涉及电气工程领域，尤其涉及一种混合级联单相九电平整流器及其控制方法。

背景技术：

1、传统工频变压器具有体积大、造价高、效率低等缺点，限制了诸如牵引变流器这样电气设备轻量化的发展进程，以多电平换流器为基础的电力电子变压器具有传输效率高、运输方便等优点，已经成为发展主流。级联h桥整流器相较于飞跨电容型和二极管钳位型拓扑来说，具有模块化、易于组装、维护简单等优点，常用于电力电子变压器输入端、光伏发电、电动汽车充电、直流负载拖动以及静止无功补偿器等领域。

2、传统级联h桥多电平换流器随着电平数增加，需要增添大量的级联单元，不仅会使换流器体积增大，且其调制难度也会大幅增加。为简化级联拓扑结构，国内外学者相继提出不对称级联h桥换流器拓扑和混合级联换流器拓扑。文献[混合级联多电平逆变器的改进混合调制技术]提出1:3型不对称两单元级联h桥九电平拓扑，但是该拓扑存在两个级联单元功率交互的现象，减低了系统的性能。文献[混合九电平逆变器改进调制策略及功率均衡控制方法]采用1:1:2型不对称级联换流器拓扑，但级联单元较多，会增加换流器体积。[一种基于npc和h桥混合级联的6kv静止无功发生器]将钳位二极管三电平单元和两个全桥单元级联，但同样存在着单元间功率交互的问题。

3、对于整流器的控制一般分为对交流侧电流和直流侧电压的控制，对于混合级联h桥整流器拓扑则还需增加直流侧电容电压平衡控制。对于整流器电压外环的控制，国内外学者已经进行了深入的研究，其中滑模控制具有对系统参数不敏感，鲁棒性强等特点被广泛应用在工业领域中。文献[永磁同步电机调速系统的积分型滑模变结构控制]在永磁同步电机调速系统中采用线性积分滑模控制，通过在滑模面中引入积分项来增强系统的抗干扰能力，但由于采用的是线性积分，在系统误差过大时会出现积分过饱和现象，导致系统超调过大。

技术实现思路

1、本发明目的是针对上述问题，提供一种提高整流器动态性能、消除整流器稳态误差的混合级联单相九电平整流器及其控制方法。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

3、一种混合级联单相九电平整流器，包括第一级联单元、第二级联单元，所述第一级联单元、第二级联单元均与交流电源连接；所述第一级联单元包括第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管，所述第一功率开关管、第三功率开关管的集电极分别与第一电容的一端、第一电阻的一端电连接，所述第一功率开关管的发射极分别与等效电感的一端以及第二功率开关管的集电极电连接，所述第三功率开关管的发射极分别与第二级联单元以及第四功率开关管的集电极电连接，所述第二功率开关管、第四功率开关管的发射极分别与第一电容的另一端以及第一电阻的另一端电连接，等效电感的另一端以及第二级联单元均与交流电源电连接。

4、进一步的，所述第二级联单元包括第五功率开关管、第六功率开关管、第七功率开关管、第八功率开关管、第九功率开关管、第十功率开关管，所述第五功率开关管、第七功率开关管、第九功率开关管的集电极分别与第二电容的一端、第二电阻的一端电连接，所述第五功率开关管的发射极分别与第三功率开关管的发射极、第四功率开关管的集电极、第六功率开关管的集电极电连接，所述第七功率开关管的发射极分别与第一耦合电感的一端、第八功率开关管的集电极电连接，所述第九功率开关管的发射极分别与第二耦合电感的一端、第十功率开关管的集电极电连接，第一耦合电感的另一端、第二耦合电感的另一端分别与交流电源电连接，所述第六功率开关管、第八功率开关管、第十功率开关管的发射极分别与第二电容的另一端、第二电阻的另一端连接。

5、一种混合级联单相九电平整流器的控制方法，包括以下步骤：

6、s1、构建混合级联单相九电平整流器的数学模型；

7、s2、基于所述混合级联单相九电平整流器的数学模型，当两个级联单元电容电压相等时，采用非线性积分滑模控制方法对整流器电压外环进行控制，具体包括：在滑模面的设计中加入非线性积分项，并选择幂次趋近律作为滑动模态趋近律，从而得到非线性积分滑模控制下电流内环的参考值；电流内环采用pi控制，由pi控制器得到交流侧电压在αβ坐标系的分量；最后经park反变换得到调制电压，送入svpwm环节得到各个开关管的通断信号，对所述混合级联单相九电平整流器进行控制；

8、s3、当两个级联单元负载电阻不相等引起两个电容电压不平衡时，基于s2中非线性积分滑模控制方法，采用基于补偿时间分量的电容电压平衡控制策略，控制两个级联单元电容电压动态相等，具体包括：在冗余矢量基本作用时间之上叠加补偿时间分量，得到冗余矢量的最终作用时间，与基于s2中非线性积分滑模控制方法获取的调制电压一起送入svpwm环节得到各个开关管的通断信号，对所述混合级联单相九电平整流器进行控制；

9、s4、在两个级联单元负载电阻不相等引起两个电容电压不平衡时，界定s3中电容电压平衡控制策略的负载不平衡度适用范围，当负载不平衡度超出该适用范围时，所述混合级联单相九电平整流器将不能在交流输入侧产生九电平。

10、进一步的，所述步骤s1包括以下步骤：

11、s11、根据基尔霍夫定律得到混合级联单相九电平整流器的初步数学模型，其计算公式为：

12、

13、式(a-1)中，ls为整流器交流侧电感；us、is分别为网侧电压和网侧电流；s1、s2分别为第一级联单元和第二级联单元的开关函数；udc1、udc2分别为第一级联单元和第二级联单元直流侧电压，稳定工作状态时有udc1＝udc2＝udc，且令udc1+udc2＝ud；c1、c2分别为第一级联单元和第二级联单元直流侧电容，且存在c1＝c2＝c；r1、r2分别第一级联单元和第二级联单元直流侧负载电阻。式(a-1)简化后得：

14、

15、式(a-2)中，s为整流器总开关函数。

16、s12、通过正交延迟90°的方法构造出混合级联单相九电平整流器网侧电压和网侧电流的虚拟矢量，并通过park变换，得到混合级联单相九电平整流器在d-q坐标系下的动态方程组：

17、

18、式(a-3)中，usd、usq和isd、isq分别是网侧电压和网侧电流在d轴和q轴上的分量，sd、sq是开关状态函数分别在d-q坐标轴下的分量，ω为工频下的角频率。

19、进一步的，所述步骤s2包括以下步骤：

20、s21、进行滑模面的设计，其计算公式为：

21、s1＝e+α∫f(e)dt (a-4)

22、式(a-4)中，为误差信号；为直流侧总电压给定值；α为积分项系数；f(e)为非线性积分项。其表达式为：

23、

24、式中，β为系统参数；

25、可得：

26、

27、s22、在系统到达稳态时存在以下约束条件：

28、

29、可得：

30、

31、s23、选择幂次趋近律作为滑动模态趋近律：

32、

33、式(a-9)中，k和ε为幂次趋近律的系数，sign为符号函数。

34、s24、在非线性积分滑模控制下电流内环的参考值为：

35、

36、式(a-10)中，il1和il2表示流经负载r1和r2的电流。

37、进一步的，所述步骤s3包括以下步骤：

38、s31、首先确定交流侧电压分别为-udc和udc状态下冗余矢量v3,1、v3,2和v7,1、v7,2的基本作用时间(表示为)和补偿作用时间(表示为tic)，其中i表示冗余矢量的代码，i＝1、2、3或4；i取1、2、3、4时分别表示矢量v3,1、v3,2、v7,1、和v7,2；

39、其中电压矢量v3,1和v3,2分别单独作用下，交流侧电压输出电平均为-udc，故称v3,1和v3,23为冗余矢量；电压矢量v7,1和v7,2分别单独作用下，交流侧电压输出电平均为udc，因此v7,1和v7,2也是冗余矢量；并且矢量v3,1和v7,2能够使电容c1充电、c2放电，矢量v3,2和v7,1能够使电容c1放电、c2充电。调节矢量v3,1和v7,2以及矢量v3,2和v7,1的作用时间就可以平衡电容c1和c2上的电压，也即平衡两级联单元的输出电压。和t1c表示v3,1的基本作用时间和补偿作用时间，和t2c表示v3,2的基本作用时间和补偿作用时间，和t3c表示v7,1的基本作用时间和补偿作用时间，和t4c表示v7,2的基本作用时间和补偿作用时间，且存在t1c+t2c＝0，t3c+t4c＝0；

40、叠加后冗余矢量的作用时间表示为：

41、

42、式(a-11)中，为冗余矢量的基本作用时间，tic为冗余矢量补偿作用时间。

43、s32、将电压补偿时间分量转化为时间补偿时间分量，如下式所示：

44、

45、式(a-12)中，δu为第一级联单元电容电压与直流侧平均电压的差值；

46、则冗余矢量的最终作用时间为：

47、

48、s33、将s32得到的冗余矢量的最终作用时间，与基于s2中非线性积分滑模控制方法获取的调制电压一起送入svpwm环节得到各个开关管的通断信号，对所述混合级联单相九电平整流器进行控制，重新分配两个电容的充放电时间，从而使两级联单元直流侧电容电压平衡。

49、进一步的，所述步骤s4包括以下步骤：

50、s41、计算调制度大于0.5时，第一级联单元最大输入功率：

51、

52、式(a-14)中，p1-max为第一级联单元输入功率最大值，x＝arcsin(0.5ma)，im为网侧电流幅值，为网侧电压超前交流侧电压的角度，稳态工作时系统工作在单位功率整流状态；

53、s42、计算调制度大于0.5时，第一级联单元最小输入功率：

54、

55、式(a-15)中，p1-min为第一级联单元输入功率最小值，y＝arcsin(0.75ma)；

56、s43、计算整流器输入功率以及两个级联单元输出功率：

57、

58、式(a-16)中，pin为整流器总交换功率，p1-out与p2-out分别为两个级联单元的输出功率，um为网侧电流幅值；

59、稳态时存在udc1＝udc2＝udc，由功率守恒可得：

60、

61、s44、计算在调制度大于0.5时两个级联单元负载不平衡度r1/r2范围：

62、

63、式(a-18)中，

64、

65、负载不平衡度在该范围内时，该整流器系统具有自动调节能力。

66、与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

67、(1)本发明基于传统级联h桥换流器拓扑，将h桥单元和含耦合电感五电平单元级联，形成混合级联单相九电平整流器拓扑；该混合级联单相九电平拓扑相较于传统级联h桥拓扑来说，在电压等级相同时功率开关管的通断损耗更小，且获得相同电平数所采用的级联单元更少；相较于1:3型和1:1:2型h桥级联拓扑来说，在负载不平衡条件下不存在不同级联单元之间的功率交互问题。

68、(2)针对传统滑模控制具有稳态误差这一不足之处，本发明采用非线性积分滑模控制，在保留系统快速性的同时，消除了系统稳态误差。

69、(3)针对直流侧电容电压不平衡问题，提出叠加补偿时间分量调节冗余矢量作用时间的方法，实现了负载不平衡条件下直流侧电容电压的平衡；并推导界定了该电容电压平衡控制方法所适用的负载不平衡度范围，能够防止由于两路负载偏差过大引起整流器系统运行失败。