一种基于一致性控制的级联PWM整流器电压平衡的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于一致性控制的级联PWM整流器电压平衡的方法，包括：建立级联PWM整流器数学模型，以DQ旋转坐标系为基准，考虑基于PI控制的电压外环和基于PI控制的电流内环实现整流器单位功率因数运行，在各H桥模块直流侧电容电压的不平衡的情况下，分别考虑基于PI控制器的电压平衡调节和基于一致性算法的电压平衡调节；考虑一般的比例形式的一致性算法和基于PI形式的一致性算法。本发明专利技术在各H桥模块直流侧电容电压的不一致的情况下，通过一致性算法对各模块占空比进行独立修正从而实现了电压的快速平衡。实现了电压的快速平衡。实现了电压的快速平衡。

【技术实现步骤摘要】
一种基于一致性控制的级联PWM整流器电压平衡的方法


[0001]本专利技术属于整流器控制
，具体为一种基于一致性控制的级联PWM整流器电压平衡的方法。

技术介绍

[0002]级联型PWM整流器由于各独立H桥模块存在开关损耗差异、脉冲延时差异、结构参数差异以及直流端负载不一致等问题导致直流侧电容电压的不平衡，其可能会导致系统失控以及器件过流过压和电容击穿等问题，因此解决此问题是保证整个系统稳定可靠运行的前提。近年来，国内外学者对此也进行了大量的研究，采取的主要是交换平衡和独立电压闭环控制的方法，然而传统上这些方法存在负载发生突变后的电容电压恢复速度慢的问题，而且基本都是采用的集中式控制，随着级联数量的增多，过于复杂的交换平衡算法或过多的 PI 控制器会导致处理运算量的激增、硬件资源的匮乏和控制器的饱和器分析设计困难等问题。而基于一致性控制的方法，各个H桥模块独立采样和控制，只需要获取相邻H桥模块的状态信息就可以实现输出侧电容电压的平衡。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种基于一致性控制的级联PWM整流器电压平衡的方法，在级联PWM整流器各H桥模块输出电压不平衡时，通过一致性算法对各H桥模块调制波幅度进行修正使各输出电压基本一致。技术方案如下：一种基于一致性控制的级联PWM整流器电压平衡的方法，包括以下步骤：步骤1：建立级联PWM整流器数学模型，以DQ旋转坐标系为基准，考虑基于PI控制的电压外环和基于PI控制的电流内环，实现整流器单位功率因数运行；步骤2：考虑各H桥模块输出侧电容电压的不平衡性，采用基于PI控制器的电压闭环控制对各H桥模块调制波幅度进行修正，在通信拓扑中加入一致性控制算法；步骤3：考虑一般形式的一致性控制算法，采用基于比例积分的一致性控制策略对各H桥模块调制波幅度进行修正。
[0004]进一步的，所述步骤1具体为：DQ旋转坐标系下级联PWM整流器的基本双闭环控制器的动态方程描述为下式：（1）其中，u
sd
和u
sq
分别为交流侧输入电压d轴分量和q轴分量，i
sd
和i
sq
分别为交流侧电感电流d轴分量和q轴分量，ω为基波角频率，L
s
为交流侧输入电感，R
s
为交流侧等效电阻，N
为H桥级联数量，为直流侧平均电压，d
d
与d
q
分别为基本双闭环控制器调节产生的公共有功占空比与无功占空比；t为时间；对i
sq
和i
sd
采用前馈解耦策略进行解耦，另构建两个独立变量u
md
和u
mq
，其表达式为：（2）因此得到：（3）将电流内环设计为：（4）其中，i
sd*
与i
sq*
分别电感电流d轴和q轴分量参考值，s为Laplace算子，K
dp
和K
di
分别为电流内环d轴PI控制器比例和积分增益，K
qp
和K
qi
分别为电流内环q轴PI控制器比例和积分增益；将直流侧输出电压作为电压外环的反馈量，与电压给定信号经过PI调节器后得到电流控制信号，电流控制信号经过以上推得的电流内环公式得出dq轴的电压分解信号，最后经PWM脉冲发生器给开关管导通信号，对整流器进行控制。
[0005]更进一步的，所述步骤2在通信拓扑中加入一致性控制算法具体为：针对各H桥模块因各因素造成的输出电压不平衡问题，引入一致性控制算法：（5）其中，为第i个模块调制波修正量，为所有模块数量；a
ij
为第i个模块直流侧输出电压和第j个模块直流侧输出电压的电压差反馈权重，其值与通信拓扑紧密相关；
引入Laplacian矩阵L=[l
ij
]，其中l
ij
=a
ij
，i≠j，且；则（6）其中，U(t)=[U
dc1
(t), U
dc2
(t),
…
, U
dcn
(t)]T
；为公共占空比修正量；则得到：要保证修正环节不影响整体控制，上式需满足： ，即此时只能采用平衡图进行通信，则有：（7）更进一步的，所述步骤3中基于比例积分的一致性控制策略，对一致性算法进行修正的原则为：采用基于比例积分的一致性控制策略对比例系数进行调节：（8）其中，k
p
和k
i
分别为比例和积分系数，表示成矩阵形式为：（9）。
[0006]本专利技术与现有技术相比的有益技术效果为：本专利技术在基于dq旋转坐标系的情况下，提出一种一致性控制算法，对级联PWM整流器直流侧电容电压的不平衡进行修正，各个H桥模块可以采用独立采样和分布式控制，克服了传统的集中式控制的缺点，另外在收敛速度上也有所提高。
附图说明
[0007]图1为级联 H 桥整流器拓扑结构图。
[0008]图2为旋转坐标系下基本双闭环控制框图。
[0009]图3为基于PI控制的电压平衡控制框图。
[0010]图4为一种通信拓扑结构及对应矩阵。
[0011]图5为基于一致性算法控制的电压平衡控制框图。
[0012]图6为基于一致性算法的电压平衡调节的四级联PWM整流器控制框图。
[0013]图7为采用PI控制器的电压平衡调节的各模块电容电压波形图。
[0014]图8为采用PI控制器的电压平衡调节的稳态时各模块电容电压波形图。
[0015]图9为采用一致性算法的电压平衡调节的各模块电容电压波形图。
[0016]图10为采用一致性算法的电压平衡调节的稳态时各模块电容电压波形图。
具体实施方式
[0017]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。
[0018]级联PWM整流器拓扑结构如图1所示，i
s
为交流侧输入电流，u
s
为交流侧输入电压，L
s
为交流侧输入电感，R
s
为交流侧等效电阻，U
dc
为整流器直流侧电压，d为驱动开关的占空比信号，{U
dc1
，U
dc2
，
…
，U
dcn
}为各H桥直流侧电容电压。
[0019]通过图1中利用KVL可得：（1）通过SOGI虚拟u
s
正交分量u
m
：（2）其中，i
m
为交流侧输入电流i
s
的正交分量，d
m
为驱动开关的占空比的正交分量；将静止坐标系转化到旋转坐标系，引入转移矩阵算子：（3）通过坐标转换得到旋转坐标系下级联PWM整流器的基本双闭环控制器的动态方程：（4）进一步的有：（5）其中，u
sd
和u
sq
分别为交流侧输入电压d轴分量和q轴分量，i
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于一致性控制的级联PWM整流器电压平衡的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立级联PWM整流器数学模型，以DQ旋转坐标系为基准，考虑基于PI控制的电压外环和基于PI控制的电流内环，实现整流器单位功率因数运行；步骤2：考虑各H桥模块输出侧电容电压的不平衡性，采用基于PI控制器的电压闭环控制对各H桥模块调制波幅度进行修正，在通信拓扑中加入一致性控制算法；步骤3：考虑一般形式的一致性控制算法，采用基于比例积分的一致性控制策略对各H桥模块调制波幅度进行修正。2.根据权利要求1所述的一种基于一致性控制的级联PWM整流器电压平衡的方法，其特征在于，所述步骤1具体为：DQ旋转坐标系下级联PWM整流器的基本双闭环控制器的动态方程描述为下式：（1）其中，u
sd
和u
sq
分别为交流侧输入电压d轴分量和q轴分量，i
sd
和i
sq
分别为交流侧电感电流d轴分量和q轴分量，ω为基波角频率，L
s
为交流侧输入电感，R
s
为交流侧等效电阻，N为H桥级联数量，为直流侧平均电压，d
d
与d
q
分别为基本双闭环控制器调节产生的公共有功占空比与无功占空比；t为时间；对i
sq
和i
sd
采用前馈解耦策略进行解耦，另构建两个独立变量u
md
和u
mq
，其表达式为：（2）因此得到：（3）将电流内环设计为：
（4）其中，i
sd*
与i
sq*
分别电感电流d轴和q轴分量参考值，s为Laplace算子，K
dp
和K
di

【专利技术属性】
技术研发人员：王顺亮，蒋久祥，马俊鹏，刘天琪，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：