[发明专利]单相级联H桥多电平变流器的负载平衡范围优化方法

权利要求书

1.一种基于PI电压平衡控制的单相级联H桥多电平变流器的负载平衡范围优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.负载平衡限制范围的分析：通过变流器输入与输出功率守恒的关系，定量推导出级联H桥变流器的负载平衡范围；

负载平衡限制范围的分析计算方法包括：

第i个H桥在一个基波周期内的输入功率为：

其中u_abi为第i个H桥的调制波，i_s为交流侧电流，U_dci为第i个H桥的直流侧电容电压，S_i为第i个H桥的开关函数；

第i个H桥在一个基波周期内输入的有功功率为：

α为变流器交流侧电压u_ab和电源电压u_s的相位差，θ为交流侧电流i_s和电源电压u_s的相位差；

第i个H桥输出的有功功率为：

忽略开关损耗时，根据N个H桥级联时的输入输出功率守恒定律，其输入输出功率的关系可以为：

P_in＝P_out-1+P_out-2+…+P_out-N (4)

联立(2)、(3)和(4)，则交流侧电流幅值I_m可以表示为：

U_m与I_m分别为级联H桥交流电网侧总电压与电流的幅值；N为H桥单元的总数；U_dci与R_i分别为第i个H桥直流侧电容电压与直流侧负载等效电阻；

由稳定运行时第1个H桥的输入输出功率守恒可得：

设U_dc*为直流侧电容电压的参考值，且有U_dc1＝U_dc2＝…＝U_dcN＝U_dc*，联立(5)和(6)，则直流负载的关系可以表示为：

当第1个H桥的调制度m₁取最大值1时，则(7)表示为：

假设R₁为直流侧负载的最小值，则直流负载的平衡限制范围可以表示为：

由于R₁为直流侧负载的最小值，因此存在R₁/R_i≤1；则直流侧负载还存在以下关系：

联立(9)和(10)，则N个H桥级联的单相整流器负载平衡限制范围可以表示为：

对于N个H桥级联的整流器来说，任意2个直流侧负载都满足(11)的平衡限制范围，因此对于任意两个负载R₁和R₂的关系可以表示为：

(12)简写为：

由此，N个H桥级联的整流器直流侧负载平衡限制范围可以表示为：

B.系统参数设计：在所推导的平衡范围的基础上推导出变流器直流侧参考电压的设计参数取值范围；

系统参数设计参考的计算方法包括：

由于(14)所表示的级联H桥变流器直流负载平衡限制范围的上下限也有上下限范围的限制，因此可得如下关系：

可得出U_dc*的取值范围为：

C.负载平衡限制范围扩大：通过优化电容电压平衡控制方式和优化系统参数来扩大级联H桥多电平变流器负载平衡范围；

负载平衡限制范围扩大的方法包括：

a)优化平衡控制方法

当使用传统的经典PI平衡控制方式时，在一个基波周期内进行平衡控制的有效面积A_area1和无效面积A_area2可以表示为：

u_r为级联H桥交流侧总调制参考电压；u_r1为第1个H桥交流侧调制参考电压；ω为交流侧电压角频率；

由此可以得知，当交流侧电压u_ab和电源电压u_s的相位差α增大时，有效面积会减小，无效面积增大，即相位差α会影响直流侧电容的充放电时间，从而影响其平衡效果；

b)优化系统参数

N个H桥级联的整流器，当运行在单位功率因数时，其平衡限制范围中的参数cosα可以表示为：

将(18)带入平衡限制范围(14)，可得：

由(19)可明显看出，当减小系统功率P和增大直流侧电容参考电压U_dc^*时，负载平衡限制范围均能增大。