[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

说明书

本发明公开了一种单相级联H桥多电平变流器的负载平衡范围优化方法，该方法通过变流器输入与输出功率守恒的关系，定量推导出了级联H桥变流器的负载平衡范围，分析了变流器交流侧电流与电压相对于电源电压的相角差对变流器平衡范围的影响。在所推导的平衡范围的基础上，提出了扩大级联H桥多电平变流器负载平衡范围的方法，并为变流器参数的设计提供了参考。本发明基于经典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，能够定量计算级联H桥多电平变流器直流侧负载的平衡限制范围，在此基础上，能够扩大平衡限制范围，并对系统参数的设计提供参考。

技术领域

本发明涉及变流器控制与调制技术领域，具体为一种基于经典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。

背景技术

级联多电平变换器具有结构简单，模块化程度高、易于多级拓展和体积小等优点。现在已广泛应用于有源滤波器、电力电子变压器等大容量、大功率的场合。但由于级联H桥整流器的负载会受到后续电路的影响，造成各个级联单元的输出等效电阻不等。并且，直流侧负载的不平衡也将会引起直流侧电容电压的不等，从而造成半导体开关管的损坏，甚至是系统的失控；当负载不平衡度超过一定值会超出平衡控制的范围，会使得直流侧电容电压一直处于不平衡状态。因此，负载不平衡限制范围是系统稳定运行的重要指标，对于级联H桥整流器负载不平衡范围的研究，能为级联H桥整流器的整体系统参数设计提供理论指导。

级联H桥整流器直流侧电容电压平衡方法一直是该拓扑结构研究的重点问题。对于级联H桥整流器特性的研究大致可以分为两大类：直流侧电容电压快速平衡方法和级联整流器稳定运行限制范围。目前，国内外主要集中于直流侧电容电压的快速平衡方法方面，而对于级联H桥整流器的稳定运行限制范围研究相对较少，并且，主要是对于平衡范围的定性分析，无法直接给系统参数的设计提供参考。因此，级联H桥变流器直流负载平衡限制范围则需要更进一步的研究。

发明内容

本发明的目的在于针对级联H桥多电平变流器的直流侧负载不平衡而引起的直流侧电容电压不平衡的问题，提出了一种能够定量计算级联整流器稳定运行限制范围的方法，并基于此提出了扩大限制范围的方式，为系统参数的设计提供了参考。技术方案如下：

一种基于经典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：

步骤A：负载平衡限制范围的分析

交流电源电压u_s，交流侧电流i_s及每个H桥单元的调制信号u_abri，可以表示为：

其中，N为级联H桥单元的个数；U_m和I_m为电源电压u_s和交流侧电流i_s的峰值；m_i是第i个H桥的调制度(0<m_i<1)；m为变流器交流侧总电压的调制信号峰值(0<m<N)；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。

每个H桥单元的交流侧电压u_abi可以表示为：

u_abi＝S_iU_dci (2)

式中，S_i为第i个H桥的开关函数；U_dci为第i个H桥的直流侧电压。

由(2)可以得出第i个H桥在一个基波周期内的输入功率为：