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基于调制波重构的级联H桥型变流器大功率直流电源直流电压均衡控制原理分析

为了抑制级联H桥型变流器大功率直流电源直流电压的不均衡,分析变流器交流侧和直流侧的功率传输,然后以调制波重构的思想详细分析大功率直流电源直流电压均衡控制的原理。提出基于单位化的变流器输出电流构造调制波微调量的改进大功率直流电源直流电压均衡方法。

 

根据分析结果,给出在整流、无功补偿、谐波补偿等应用场合大功率直流电源直流电压均衡控制策略的构成方法及建议。仿真和实验结果表明大功率直流电源直流电压均衡控制策略的有效性。

 

级联型多电平变流器也称为级联H桥型(Cascaded H-Bridge, CHB)变流器或多单元串联型多电平变流器,由于是多单元串联、各单元结构相同,在直流侧相互独立,易采用模块化设计和安装,能够实现高电压、多电平的输出,成为高电压大功率电力电子装置的主流拓扑结构,广泛应用于静止同步补偿器、光伏并网逆变器、电力电子变压器等场合[1-4]。

 

级联H桥型变流器也存在缺点:由于开关损耗、器件断态损耗、电容自身损耗和吸收回路损耗的差异以及输入脉冲延时的不同会造成大功率直流电源直流电压的不均衡[5,6],而大功率直流电源直流电压的均衡是级联H桥型变流器正常工作的基础。因此,大功率直流电源直流电压均衡控制是级联H桥型多电平变流器的研究热点。

 

文献[7,8]采用增加额外均衡电路的方法调节等效并联损耗或直流母线能量实现了大功率直流电源直流电压的均衡,虽然没有增加控制算法的复杂程度,但是增加了硬件电路的功率损耗。文献[9]利用单元间大功率直流电源直流电压差实现均衡控制,但仅适合两单元级联变流器。文献[10]阐述了脉冲轮换均衡电压的原理,采用叠加有功电压矢量的方法。

 

文献[11-14]实现了级联H桥型静止无功补偿器大功率直流电源直流电压的均衡控制。文献[15]实现了级联H桥型整流器大功率直流电源直流电压的均衡控制,但缺少详细的大功率直流电源直流电压均衡控制原理的分析,且均衡方法不具有通用性。文献[16]通过沿电流放电建立微调量实现了级联静止无功发生器(Static VarGenerator, SVG)大功率直流电源直流电压均衡控制。

 

文献[17]通过大功率直流电源直流电压排序选择需要投入的功率单元,实现了大功率直流电源直流电压均衡控制。文献[18]采用相移空间矢量调试方法,通过冗余矢量的选择实现了三相级联SVG大功率直流电源直流电压均衡控制。

 

本文基于调制波重构的思想,以与电网电压同相和垂直的单位交流量以及CHB变流器电流分别构造调制波微调量,分析了这几种不同的调制波微调量均衡大功率直流电源直流电压的原理和适用场合,给出了级联H桥型变流器在整流、无功补偿和谐波补偿应用场合的调制波微调量构造方法和建议,并通过仿真和实验验证了算法的有效性。

 基于调制波重构的级联H桥型变流器大功率直流电源直流电压均衡控制原理分析

图6 大功率直流电源直流电压均衡控制原理框图


结论

针对级联H桥型变流器大功率直流电源直流电压不均衡现象,通过调节变流器交流侧吸收功率来重构每个功率单元的调制波,以达到大功率直流电源直流电压均衡的目的。对级联H桥型变流器用于整流、无功补偿和谐波补偿场合的大功率直流电源直流电压均衡控制分别作了原理分析、仿真及实验验证,结果表明: 

1)级联H桥型变流器用于整流时,可用与电网电压同相的交流信号构造调制波微调量,或以单位化的变流器输出电流构造。前者无需检测电流峰值,实现起来相对简单,因此应优先选择前者。 

2)级联H桥型变流器用于无功补偿时,可用与电网电压垂直的交流信号构造调制波微调量,或以单位化的变流器交流电流构造,同理应优先选择前者。 

3)级联H桥型变流器用于谐波补偿时,可用单位化的变流器交流电流构造调制波微调量。兼补无功功率时,亦可用与电网电压垂直的交流信号  构造。

4)采用单位化的CHB变流器电流构造调制波微调量,比直接采用CHB变流器电流的方法,参数整定更加简单,更适合带有随机性、时变性负载的大功率直流电源直流电压均衡控制。

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