一种用于减小直流侧电压二次波动的功率同步控制方法

(12)发明专利说明书

(21)申请号 CN201310142484.9 (22)申请日 2013.04.23 (71)申请人 西安交通大学

地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号 (72)发明人 刘进军 王新宇 徐涛涛 王晓剑 孟飞 (74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任公司 代理人 汪人和 (51)Int.CI

H02M1/14 H02M5/48

(10)申请公布号 CN 103248210 A (43)申请公布日 2013.08.14

权利要求说明书 说明书 幅图

()发明名称

一种用于减小直流侧电压二次波动

的功率同步控制方法 (57)摘要

本发明公开了一种用于减小直流侧

电压二次波动的功率同步控制方法，其特征在于，对基于H桥串并联结构的功率变换器，包含输入级、隔离级和输出级，对直流侧进行交流-直流-交流的变换；基于功率变换器负载侧输出电压初始相位角可

任意设定的特性，通过设定功率变换器负载侧输出电压初始相位角，减小每相瞬时输入功率减去瞬时输出功率之差的幅值，以减小直流侧电容电压二倍频波动的幅值。本发明提供的方法能够有效利用现有装置，不需要额外的硬件装置；而且对于平衡负载和不平负载都有效。 法律状态

法律状态公告日 法律状态信息

未缴年费专利权终止IPC(主分类):H02M 1/14专利

2023-03-31 号:ZL2013101424849申请日:20130423授权公告日:20150805

法律状态

专利权的终止

权 利 要 求 说 明 书

1.一种用于减小直流侧电压二次波动的功率同步控制方法，其特征在于， 直

对基于H桥串并联结构的功率变换器，包含输入级、隔离级和输出级，对

流侧进行交流-直流-交流的变换；基于功率变换器负载侧输出

角可任意设定的特性，对功率变换器进行以下操

电压初始相位 作：

通过设定功率变换器负载侧输出电压初始相位角，减小每相瞬时输入功

控制输入级的直流侧的电容电压达到预定的指令值，并控制输入电压和

率减去瞬时输出功率之差的幅值，以减小直流侧电容电压二倍频波动的幅值；

电流实现同相位；隔离级控制输出级的直流侧的电容电压达到预定的指令值；

输出级实现输出电压的调节及每个并联模块的均流控制，使得

载侧输出电压初始相位角为所设定的输出电压初

功率变换器负 始相位角。

2.如权利要求1所述的用于减小直流侧电压二次波动的功率同步控制方

1）当电网通过功率变换器向负载供电时，通过电网侧锁相环锁定三相电

2）当输电系统经过暂态进入稳态时，通过负载侧电流传感器测得负载的

网的相位，从而给输出电压初始相位角β；

法，其特征在于，所述的功率变换器负载侧输出电压初始相位角的设定为：

三相电流信息，依据负载的三相电流信息计算得到对应三相负载的电流幅值

I_u、I_v、I_w及功率因数角

3）在得到三相负载电流幅值和功率因数角信息后，计算对应的功率同步

角β₁^*：

${\beta }_1^{*}=1/2\arctan (A_{\mathrm{num}}/B_{\mathrm{den}});$ 其中：

4）将功率同步角β₁^*与输出电压初始相位角β作和得到功率同步角β^*；

以功率同步角β^*作为功率变

换器负载侧输出电压初始相位角。

3.如权利要求2所述的于减小直流侧电压二次波动的功率同步控制方

法，其特征在于，若电网侧锁相环锁定的是三相电网相电压的相位，则

若电网侧锁相环锁定的是三相电网线电压的相位，则β=30°。

β=0°；

说 明 书

技术领域

本发明功率变换器技术领域，涉及一种用于减小直流侧电压二次波动的 背景技术

在过去的三十年中，电力电子技术从功率器件、控制芯片、产品应用等

等方面都有了长足并全面的快速发展。而随着最近这些年新能源、分布式发

电、智能电网等概念的研究和发展，越来越多的电力电子功率变换器

电网中。应用于电网的功率变换器按照输入输出类型总体可分交流型、交流-直流型和交流-直流-交流型。而对于高压大功率

于现有硅器件单管处理高压的性能并不好或成本太高，

是采用功率器件的串并联结构或模块化的串并联

联结构需要处理串并联器件之间的均压均

题，并且对于器件的串并联数目有

功率同步控制方法。

应用到

为直接交流- 应用场合，由

实际采用的解决方案

结构。其中功率器件的串并

流控制、驱动信号同步等等技术问 一定的，因此应用范围有限。

基于模块化串并联结构总体可分为二极管钳位（或飞跨电容）多电平结

对于处理高压大功率场合而言，基于模块化级联H桥多电平结构是目前 桥

来讲比较可行的选择。而对于基于模块化H桥单元级联结构而言，每个H

的直流侧会存在功率二次波动问题，从而导致直流侧电压二倍频波动。侧电压二倍频波动会导致功率器件所需承受电压电流应力上升，进而

构和基于模块化级联H桥单元（或者2H桥单元、半桥斩波单元等）多电平 结构。这两种模块化结构中，二极管钳位多电平结构对于电平数有，一

般不超过五电平，而H桥结构则无此。

直流

影响器 件寿命，也会影响网侧电压电流THD值等等。因此需要对直

幅度进行控制。

流侧二次波动 发明内容

本发明的目的在于针对现有基于H桥串并联结构并包含内部直流侧的交

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用于减小直流侧电压二次波动的功率同步控制方法，对基于H桥串 -

并联结构的功率变换器，包含输入级、隔离级和输出级，对直流侧进行交流

直流-交流的变换；基于功率变换器负载侧输出电压初始相位角可任

特性，对功率变换器进行以下操作：

流-直流-交流功率变换器的直流侧电压会产生二倍频波动，提供一种用于减 小直流侧电压二次波动的功率同步控制方法，本方法能够有效利用现有装置，

控制方法简单，无需而外的辅助装置。

意设定的

通过设定功率变换器负载侧输出电压初始相位角，减小每相瞬时输入功

控制输入级的直流侧的电容电压达到预定的指令值，并控制输入电压和

电流实现同相位；隔离级控制输出级的直流侧的电容电压达到预定的指令值；

输出级实现输出电压的调节及每个并联模块的均流控制，在得到待设

率同步角β^*之后，使得功率变换器负载侧输出电

出电压初始相位角。

率减去瞬时输出功率所得之差的幅值，以减小直流侧电容电压二倍频波动的

幅值；

定的功

压初始相位角为所设定的输

所述的功率变换器负载侧输出电压初始相位角的设定为：

1）当电网通过功率变换器向负载供电时，通过电网侧锁相环锁定三相电

2）当输电系统经过暂态进入稳态时，通过负载侧电流传感器测得负载的

3）在得到三相负载电流幅值和功率因数角信息后，计算对应的功率同步

${\beta }_1^{*}=1/2\arctan (A_{\mathrm{num}}/B_{\mathrm{den}});$ 其中：

角β₁^*：

三相电流信息，依据负载的三相电流信息计算得到对应三相负载的电流幅值

I_u、I_v、I_w及功率因数角

网的相位，从而给输出电压初始相位角β；

4）将功率同步角β₁^*与输出电压初始相位角β作和得到功率同步角β^*； 载侧输出电压初始相位角。

若电网侧锁相环锁定的是三相电网相电压的相位，则β=0°；若电网侧锁

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的用于减小直流侧电压二次波动的功率同步控制方法，基于

功率变换器负载侧输出电压初始相位角可任意设定的特性，利用调节负载侧

输出电压初始相位角，减小每相瞬时输入功率减去瞬时输出功率之差

以减小直流侧电容电压二倍频波动的幅值，来减小直流侧电压

相环锁定的是三相电网线电压的相位，则β=30°。

以功率同步角β^*作为功率变换器负

的幅值，

二次的波动。

本发明提供的用于减小直流侧电压二次波动的功率同步控制方法，能够

本发明提供的用于减小直流侧电压二次波动的功率同步控制方法，控制 附图说明

图1为基于多级多模块级联结构的三相电力电子变压器的拓扑整体结构

框图；

算法简单；易于扩展应用到基于H桥串并联结构并包含内部直流侧的交流-

直流-交流功率变换器。

有效利用现有装置，不需要额外的硬件装置；而且对于平衡负载和不平负载

都有效。

图2为全桥功率变换器单元的电路结构图；

图3为减小直流侧二次波动的功率同步控制框图；

图4为当功率同步角为0°时输入级三相9个直流侧电压波形；

图5为当功率同步角为0°时输出级三相9个直流侧电压波形；

图6为当功率同步角为22.5°时输入级三相9个直流侧电压波形；

图7为当功率同步角为22.5°时输出级三相9个直流侧电压波形；

其中，1为电抗器、2为输入级功率变换器、3为输入级直流储能电容、 功

4为高频DC/AC环节功率变换器、5为高频变压器、6为高频AC/DC环节

率变换器、7为输出级直流储能电容、8为输出级功率变换器、9为

器；

LC滤波

11为第一输入端、12为第二输入端、13为第一输出端、14为第二输出

具体实施方式

下面结合具体的实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对

本发明提供的用于减小直流侧电压二次波动的功率同步控制方法，对基 侧

于H桥串并联结构的功率变换器，包含输入级、隔离级和输出级，对直流

进行交流-直流-交流的变换；基于功率变换器负载侧输出电压初始相

任意设定的特性，对功率变换器进行以下操作：通过设定功率

本发明的解释而不是限定。

端。

位角可

变换器负载侧 输出电压初始相位角，减小每相瞬时输入功率减去瞬时

以减小直流侧电容电压二倍频波动的幅值。

输出功率之差的幅值，

具体的以如图1所示的功率变换器为例进行具体说明。图1所示中每个

Sub类型的功率变换器具体电路如图2所示。图1所示的功率变换器整体结 构分为三级：输入级、隔离级和输出级，每级的功率变换器均包括两个输入

端和两个输出端，采取输入级串联、输出级并联的方案，三相结构相

立；

同且独

输入级的三相中，每相包括N个相同的串联的输入级功率变换器2，N 网

隔离级的三相中，每相包括N个通过高频变压器5连接的高频DC/AC 应

输出级的三相中，每相的输出级功率变换器8与高频AC/DC环节的功

各相的输出级功率变换器8的一个输出端连接LC后并联后分别汇集成

a相、b相和c相，所有输出级功率变换器8的另一个输出端汇集于n点。

率变换器6一一对应连接，N个中的每个输出级功率变换器8的两个输入端 之间并联有输出级直流储能电容7，交流侧连接有LC滤波器9；

环节功率变换器4和高频AC/DC环节的功率变换器6；每相的每个高频 DC/AC环节功率变换器4与输入级的对应相的输入级功率变换器2一一对

连接；

为自然数，每个输入级功率变换器2的两个输出端之间并联有直流储能电容 3；每相串联的输入级功率变换器总的交流侧连接有电抗器1，再与输入电

的一相相连接，相与相之间三角形连接或星形连接；

具体的，所述的输入级功率变换器2、高频DC/AC环节功率变换器4、

所述的输入级功率变换器2输出端与高频DC/AC环节功率变换器4的

高频DC/AC环节功率变换器4的输出端接高频变压器5的原边，高频

高频AC/DC环节的功率变换器6的输出端与输出级功率变换器8的输

对于上述基于H桥串并联结构并包含内部直流侧的交流-直流-交流功率

变换器，输入级连接电网，通过相应的控制策略控制输入级的直流侧3的电 容电压达到预定的指令值，并控制输入电压和电流实现同相位，即单位功率

因数；其隔离级通过相应的控制策略控制输出级的直流侧7的电容电

预定的指令值；其输出级通过相应的控制策略实现输出电压的

联模块的均流控制；比如在得到待设定的功率同步角

负载侧输出电压初始相位角为所设

入端相连接；输出级功率变换器8的输出端连接LC滤波器9的输入端，LC 滤波器9接三相负载。

变压器5的副边接高频AC/DC环节的功率变换器6的输入端；

输入端相连接；

高频AC/DC环节的功率变换器6和输出级功率变换器8均采用全控型单相 全桥变换器。

压达到

调节及每个并

β^*之后使得功率变换器

定的输出电压的最终初始相位角β^*。

具体的功率变换器负载侧输出电压初始相位角的设定为：

步骤1当系统启动时，通过网侧锁相环锁定三相电网的相位，从而给 压初始相位角β（如果锁相环锁定的是三相电网相电压的相位，β=0°；

如果锁定的是三相电网线电压的相位，β=30°）；

输出电

步骤2当系统经过暂态进入稳态时，通过负载侧电流传感器测得负载 电流信息，从而可以计算得到对应三相负载的电流幅值I_u、I_v、I_w及功

步骤3在得到三相负载电流幅值和功率因数角信息后，计算对应的功 角β₁^*；

${\beta }_1^{*}=1/2\arctan (A_{\mathrm{num}}/B_{\mathrm{den}})$ 其中：

步骤4将通过步骤3计算得到的功率同步角β₁^*同输出电压初始相位角

β作和得到最终的功率同步角β^*，以功率

出电压初始相位角。

率同步

率因数角

的三相

同步角β^*作为功率变换器负载侧输

为了验证本发明，图4-图7给出了本发明的仿真效果。仿真模型为一个 是

380V-380V，50kW的系统，每相中有3个H桥，其中输入级直流侧电压设 定为200V，输出级直流侧电压设定为400V。仿真中通过锁相环PLL锁的

三相电网相电压的信息，所以步骤1中β=0°。仿真中所接三相负载

流幅值和功率因数角为：I_u=75.7A、

对应的电

I_v=37.9A、I_w=75.7A；通过上述步骤1、2、3可计算对应功率同步角β₁^*=0°，即最终的功

率同步角

β^*=0°。图4和图5为当功率同步角为0°时输入级直流侧3和输出 侧

级直流侧7的电压波形。图6和图7为当功率同步角为22.5°时输入级直流

3和输出级直流侧7的电压波形。如图4所示，当功率同步角为0°时

直流侧电压二倍频波动幅度为8V；而如图6所示，功率同步

入级直流侧电压二倍频波动幅度为12V，高出了50%。不同功率同步角对于输出级直流侧电压二倍频波动没什

离级的控制环速度比较快，能够很好地跟踪指令

发明能够良好地减小直流侧电压二倍频波

输入级

角为22.5°时输

如图5和图7所示， 么影响，这是因为隔

电压。上述仿真结果表明本 动幅度。