一种电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法技术

本发明专利技术公开了一种电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法，采用切换系统理论建立包含温度、时间、检修、材料等影响因素在内的电容器充电和放电的伏秒特性曲线和瓦秒特性模型，能够充分、真实、全程、精细地反电容器的行为特征，采用最优切换控制方法建立桥臂切换算法的数学模型、桥臂子模块切换优化数学模型和子模块工作模式切换模型，既能获得复杂条件下的电容器电压均压，还能够简单、高效产生模块型高压无功发生器输出控制的PWM信号，消除不可控成分的技术问题，提高控制精度，又能简化控制器的设计，实现了高效性、经济性、可靠性和高精度的良好结合，具有广泛的实用性，工程应用价值重大。

【技术实现步骤摘要】
一种电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法
本专利技术涉及电力系统中电容均压控制相关
，特别是指一种电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法。
技术介绍
电容是模块型高压无功发生器最基本的元件之一。模块型高压无功发生器的子模块电容作为模块型高压无功发生器的储能元件，由于电容储能的波动，电容电压必然会存在一定的波动，子模块电容电压波动会导致同一相内上、下桥臂的子模块电容瞬时功率波动出现非同步性，进而影响到同一相内上、下桥臂的子模块的正常工作。模块型高压无功发生器电容电压进行均压控制是提模块型高压无功发生器组成单元的利用效率、维持正常工作的最有效途径，也是减少模块型高压无功发生器组成单元数量的最有效途径。模块型高压无功发生器电容电压在进行充电和放电的过程中，一方面受模块单元运行模式、环境温度、电气参数、故障类型、运行时间的影响，另一方面电容器自身存在着非理想因素和杂散特性，使得各模块单元电容电压在工作过程中存在很大差异，其均压控制成为不得不面对的重要问题。模块型高压无功发生器的工作过程，存在着模块单元不断投入和退出的切换过程，各模块的电容器存在着充电、放电、停运不断切换的过程，呈现出典型的混成切换系统特征，电容电压均压控制具有相当大的难度。此外，电容器自身存在的非理想因素和杂散特性，使得电容器电压呈现出一定的不确定性、非线性，难以用简单的连续曲线来描述，更增加了电容电压均压控制过程的复杂性。现有的电容电压均压控制方法多采用最近电平调制技术，其基本思想是基于排序，先对电容电压排序，再根据桥臂电流方向选择投入电压最高或者最低的若干模块，使总体电压平衡。电容电压均压控制最近电平调制技术的最大优势是容易实现，此外还具有谐波含量少、开关频率低和输出特性好等优点。但是，当模块型高压无功发生器的子模块数目很大时，这种传统的基于排序的最近电平调制电容电压均压控制方法的排序计算量呈指数倍增加，给控制技术和硬件设计带来困难。另外，这类方法在进行排序计算时，未能充分、真实、全程、精细地计及电容器的不确定性的特征和非线性特征，存在不可控成分，难以表现出优异的电容电压均压控制效果。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提出一种电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法，能够充分考虑到电容器自身存在的非理想因素和杂散特性，有效减少模块型高压无功发生器的子模块单元数量，降低成本，简化控制，提高整体模块型高压无功发生器工作效能，因此具有广泛的应用前景。基于上述目的本专利技术提供的电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法，包括：第一步：基于电力系统的结构，获取系统中与均压控制相关的参数数据；其中，所述电力系统包括多个子模块且所述参数数据包括：系统电压us、系统电流is、直流母线电压udc、子模块电容器电压umndc、子模块交流电压umn、子模块交流电流imn、子模块IGBT温度θmn以及环境温度θ；第二步：基于系统中电容器的充电和放电原理，分别建立电容器充电的伏秒特性曲线模型和放电的伏秒特性曲线模型；其中，电容器充电时的伏秒特性曲线为：电容器放电时的伏秒特性曲线为：其中，C为电容器的电容，UC0为电容器的初始电压，R为电容器回路电阻，U为电容器回路外加电压；第三步：基于第一步中获取的直流母线电压范围，建立直流母线电压约束模型；所述直流母线电压约束模型为：0.8UDCN≤Udc≤1.2UDCN；其中，UDCN为直流母线电压的额定值，Udc为直流母线的实际电压；第四步：基于系统结构，判断三相对称性并且相应的建立桥臂切换算法的数学模型；其中，模块型高压无功发生器交流侧a、b、c相的实际电压有效值分别为Uca、Ucb、Ucc，当Uca＝Ucb＝Ucc＝UcN时，IGBT的导通宽度为DN，a、b、c相实际电压Uca、Ucb、Ucc对应的IGBT导通宽度分别为Da、Db、Dc，且通过下式计算：由此得到，桥臂切换算法的数学模型为：同一桥臂中IGBT的后续状态由下式切换算法计算：其中，IGBT导通状态为“1”，IGBT关断状态为“0”；若Uca、Ucb、Ucc都小于UcN，且有Ucp(p＝a,b,c)<Ucq(q＝a,b,c；q≠i)<Ucr(r＝a,b,c；r≠i；r≠q)，a、b、c相不同桥臂中IGBT的后续状态由下式的切换算法计算：第五步：基于第一步中获取的子模块电容电压范围，建立子模块电容电压约束模型：0.8UN≤Uijk≤1.2UN；其中，UN为子模块电容电压的额定值，Uijk为子模块电容实际电压；第六步：建立桥臂子模块切换优化数学模型，所述桥臂子模块切换优化数学模型为：MinEi，i＝a,b,c；其中，E为子模块的状态改变数；子模块从上一个状态“1”或“0”改变为下一个状态“0”或“1”为一次状态改变；第七步：通过上述模型求解最优子模块切换解，包括：(1)i(ia,b,c)相桥中，上桥臂投入子模块个数Eupi和下桥臂投入子模块个数Edowni别表示如下：其中，round为四舍五入函数；(2)Ei＝Eupi+Edowni；(3)调取上次投入的子模块数Eio；(4)下次应投入的最小子模块数为Emini＝Ei-Ei0；(5)调取上次投入的子模块对象；(6)选取下次投入的子模块对象；第八步：建立子模块工作模式切换模型；设子模块ijk的两个IGBT的状态适量分别为Tijk1和Tijk2；其中，i＝a,b,c；j＝1,2；k＝1,2,…,N；第九步：基于上述计算，给出各个IGBT的驱动信号。从上面所述可以看出，本专利技术提供的电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法，利用混成系统理论中的混成切换系统模型对模块型高压无功发生器工作过程进行建模，结合模块型高压无功发生器子模块电容器伏秒特性和瓦秒特性，根据切换子模块次数最少的优化目标函数模型获取子模块PWM控制信号，既能充分、真实、全程、精细地反映电容电压的动态行为，消除优化结果不完全正确的技术问题，提高电容电压均压控制精度，又能简化控制器的设计，提高电容电压均压控制的可靠性和经济性，实现了高精度和高经济性、高可靠性的良好结合。因此，本申请能够充分考虑到电容器自身存在的非理想因素和杂散特性，有效减少模块型高压无功发生器的子模块单元数量，降低成本，简化控制，提高整体模块型高压无功发生器工作效能，因此具有广泛的应用前景。附图说明图1为本专利技术提供的电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法的模块型高压无功发生器系统结构示意图；图2为本专利技术提供的电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法的模块型高压无功发生器主电路的结构原理示意图；图3为本专利技术提供的电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法的模块型高压无功发生器子模块主电路的原理结构示意图；图4为本专利技术提供的电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法的基于电容电压均压最优切换控制的模块型高压无功发生器输出控制PWM信号产生原理模型示意图；图5为本专利技术提供的电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法的电容电压均压最优切换控制算法原理框图；图6为本专利技术提供的电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法一个实施例的流程图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法，其特征在于，包括：第一步：基于电力系统的结构，获取系统中与均压控制相关的参数数据；其中，所述电力系统包括多个子模块且所述参数数据包括：系统电压us、系统电流is、直流母线电压udc、子模块电容器电压umndc、子模块交流电压umn、子模块交流电流imn、子模块IGBT温度θmn以及环境温度θ；第二步：基于系统中电容器的充电和放电原理，分别建立电容器充电的伏秒特性曲线模型和放电的伏秒特性曲线模型；其中，电容器充电时的伏秒特性曲线为：

【技术特征摘要】
1.一种电压型高压无功发生器中电容的均压切换控制方法，其特征在于，包括：第一步：基于电力系统的结构，获取系统中与均压控制相关的参数数据；其中，所述电力系统包括多个子模块且所述参数数据包括：系统电压us、系统电流is、直流母线电压udc、子模块电容器电压umndc、子模块交流电压umn、子模块交流电流imn、子模块IGBT温度θmn以及环境温度θ；第二步：基于系统中电容器的充电和放电原理，分别建立电容器充电的伏秒特性曲线模型和放电的伏秒特性曲线模型；其中，电容器充电时的伏秒特性曲线为：电容器放电时的伏秒特性曲线为：其中，C为电容器的电容，UC0为电容器的初始电压，R为电容器回路电阻，U为电容器回路外加电压；第三步：基于第一步中获取的直流母线电压范围，建立直流母线电压约束模型；所述直流母线电压约束模型为：0.8UDCN≤Udc≤1.2UDCN；其中，UDCN为直流母线电压的额定值，Udc为直流母线的实际电压；第四步：基于系统结构，判断三相对称性并且相应的建立桥臂切换算法的数学模型；其中，模块型高压无功发生器交流侧a、b、c相的实际电压有效值分别为Uca、Ucb、Ucc，当Uca＝Ucb＝Ucc＝UcN时，IGBT的导通宽度为DN，a、b、c相实际电压Uca、Ucb、Ucc对应的IGBT导通宽度分别为Da、Db、Dc，且通过下式计算：由此得到，桥臂切换算法的数学模型为：同一桥臂中IGBT的后续状态由下式切换算法计算：其中，IGBT导...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏代雄，万元，胡蝶，胡边，潘平衡，粟时平，邓盛名，李汉臻，姜晓峰，张培，刘桂英，
申请(专利权)人：湖南五凌电力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43