一种混合级联单相九电平整流器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种混合级联单相九电平整流器及其控制方法，混合级联单相九电平整流器包括第一级联单元、第二级联单元，第一级联单元、第二级联单元均与交流电源连接；控制方法包括：S1、构建上述整流器的数学模型；S2、采用非线性积分滑模控制方式对上述整流器电压外环进行控制；S3、采用在冗余矢量基本作用时间之上叠加补偿时间分量的方式实现两级联单元电容电压的平衡控制；S4、界定电容电压平衡控制策略的负载不平衡度适用范围。本发明专利技术能够在取得九电平整流的同时解决不同级联单元之间的功率交互问题，可以获得单位功率因数，准确跟踪给定直流电压，并使系统具有良好的动态性能。同时，能在一定的负载不平衡范围内实现两级联单元的电容电压平衡。级联单元的电容电压平衡。级联单元的电容电压平衡。

【技术实现步骤摘要】
一种混合级联单相九电平整流器及其控制方法


[0001]本专利技术涉及电气工程领域，尤其涉及一种混合级联单相九电平整流器及其控制方法
。

技术介绍

[0002]传统工频变压器具有体积大
、
造价高
、
效率低等缺点，限制了诸如牵引变流器这样电气设备轻量化的发展进程，以多电平换流器为基础的电力电子变压器具有传输效率高
、
运输方便等优点，已经成为发展主流
。
级联
H
桥整流器相较于飞跨电容型和二极管钳位型拓扑来说，具有模块化
、
易于组装
、
维护简单等优点，常用于电力电子变压器输入端
、
光伏发电
、
电动汽车充电
、
直流负载拖动以及静止无功补偿器等领域
。
[0003]传统级联
H
桥多电平换流器随着电平数增加，需要增添大量的级联单元，不仅会使换流器体积增大，且其调制难度也会大幅增加
。
为简化级联拓扑结构，国内外学者相继提出不对称级联
H
桥换流器拓扑和混合级联换流器拓扑
。
文献
[
混合级联多电平逆变器的改进混合调制技术
]提出
1:3
型不对称两单元级联
H
桥九电平拓扑，但是该拓扑存在两个级联单元功率交互的现象，减低了系统的性能
。
文献
[
混合九电平逆变器改进调制策略及功率均衡控制方法
]采用
1:1:2
型不对称级联换流器拓扑，但级联单元较多，会增加换流器体积
。[
一种基于
NPC
和
H
桥混合级联的
6kV
静止无功发生器
]将钳位二极管三电平单元和两个全桥单元级联，但同样存在着单元间功率交互的问题
。
[0004]对于整流器的控制一般分为对交流侧电流和直流侧电压的控制，对于混合级联
H
桥整流器拓扑则还需增加直流侧电容电压平衡控制
。
对于整流器电压外环的控制，国内外学者已经进行了深入的研究，其中滑模控制具有对系统参数不敏感，鲁棒性强等特点被广泛应用在工业领域中
。
文献
[
永磁同步电机调速系统的积分型滑模变结构控制
]在永磁同步电机调速系统中采用线性积分滑模控制，通过在滑模面中引入积分项来增强系统的抗干扰能力，但由于采用的是线性积分，在系统误差过大时会出现积分过饱和现象，导致系统超调过大
。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的是针对上述问题，提供一种提高整流器动态性能
、
消除整流器稳态误差的混合级联单相九电平整流器及其控制方法
。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：
[0007]一种混合级联单相九电平整流器，包括第一级联单元
、
第二级联单元，所述第一级联单元
、
第二级联单元均与交流电源连接；所述第一级联单元包括第一功率开关管
、
第二功率开关管
、
第三功率开关管
、
第四功率开关管，所述第一功率开关管
、
第三功率开关管的集电极分别与第一电容的一端
、
第一电阻的一端电连接，所述第一功率开关管的发射极分别与等效电感的一端以及第二功率开关管的集电极电连接，所述第三功率开关管的发射极分别与第二级联单元以及第四功率开关管的集电极电连接，所述第二功率开关管
、
第四功率
开关管的发射极分别与第一电容的另一端以及第一电阻的另一端电连接，等效电感的另一端以及第二级联单元均与交流电源电连接
。
[0008]进一步的，所述第二级联单元包括第五功率开关管
、
第六功率开关管
、
第七功率开关管
、
第八功率开关管
、
第九功率开关管
、
第十功率开关管，所述第五功率开关管
、
第七功率开关管
、
第九功率开关管的集电极分别与第二电容的一端
、
第二电阻的一端电连接，所述第五功率开关管的发射极分别与第三功率开关管的发射极
、
第四功率开关管的集电极
、
第六功率开关管的集电极电连接，所述第七功率开关管的发射极分别与第一耦合电感的一端
、
第八功率开关管的集电极电连接，所述第九功率开关管的发射极分别与第二耦合电感的一端
、
第十功率开关管的集电极电连接，第一耦合电感的另一端
、
第二耦合电感的另一端分别与交流电源电连接，所述第六功率开关管
、
第八功率开关管
、
第十功率开关管的发射极分别与第二电容的另一端
、
第二电阻的另一端连接
。
[0009]一种混合级联单相九电平整流器的控制方法，包括以下步骤：
[0010]S1、
构建混合级联单相九电平整流器的数学模型；
[0011]S2、
基于所述混合级联单相九电平整流器的数学模型，当两个级联单元电容电压相等时，采用非线性积分滑模控制方法对整流器电压外环进行控制，具体包括：在滑模面的设计中加入非线性积分项，并选择幂次趋近律作为滑动模态趋近律，从而得到非线性积分滑模控制下电流内环的参考值；电流内环采用
PI
控制，由
PI
控制器得到交流侧电压在
αβ
坐标系的分量；最后经
park
反变换得到调制电压，送入
SVPWM
环节得到各个开关管的通断信号，对所述混合级联单相九电平整流器进行控制；
[0012]S3、
当两个级联单元负载电阻不相等引起两个电容电压不平衡时，基于
S2
中非线性积分滑模控制方法，采用基于补偿时间分量的电容电压平衡控制策略，控制两个级联单元电容电压动态相等，具体包括：在冗余矢量基本作用时间之上叠加补偿时间分量，得到冗余矢量的最终作用时间，与基于
S2
中非线性积分滑模控制方法获取的调制电压一起送入
SVPWM
环节得到各个开关管的通断信号，对所述混合级联单相九电平整流器进行控制；
[0013]S4、
在两个级联单元负载电阻不相等引起两个电容电压不平衡时，界定
S3
中电容电压平衡控制策略的负载不平衡度适用范围，当负载不平衡度超出该适用范围时，所述混合级联单相九电平整流器将不能在交流输入侧产生九电平
。
[0014]进一步的，所述步骤
S1
包括以下步骤：
[0015]S11、
根据基尔霍夫定律得到混合级联单相九电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种混合级联单相九电平整流器，其特征在于，所述混合级联单相九电平整流器包括第一级联单元
、
第二级联单元，所述第一级联单元
、
第二级联单元均与交流电源连接；所述第一级联单元包括第一功率开关管
、
第二功率开关管
、
第三功率开关管
、
第四功率开关管，所述第一功率开关管
、
第三功率开关管的集电极分别与第一电容的一端
、
第一电阻的一端电连接，所述第一功率开关管的发射极分别与等效电感的一端以及第二功率开关管的集电极电连接，所述第三功率开关管的发射极分别与第二级联单元以及第四功率开关管的集电极电连接，所述第二功率开关管
、
第四功率开关管的发射极分别与第一电容的另一端以及第一电阻的另一端电连接，等效电感的另一端以及第二级联单元均与交流电源电连接
。2.
如权利要求1所述的混合级联单相九电平整流器，其特征在于，所述第二级联单元包括第五功率开关管
、
第六功率开关管
、
第七功率开关管
、
第八功率开关管
、
第九功率开关管
、
第十功率开关管，所述第五功率开关管
、
第七功率开关管
、
第九功率开关管的集电极分别与第二电容的一端
、
第二电阻的一端电连接，所述第五功率开关管的发射极分别与第三功率开关管的发射极
、
第四功率开关管的集电极
、
第六功率开关管的集电极电连接，所述第七功率开关管的发射极分别与第一耦合电感的一端
、
第八功率开关管的集电极电连接，所述第九功率开关管的发射极分别与第二耦合电感的一端
、
第十功率开关管的集电极电连接，第一耦合电感的另一端
、
第二耦合电感的另一端分别与交流电源电连接，所述第六功率开关管
、
第八功率开关管
、
第十功率开关管的发射极分别与第二电容的另一端
、
第二电阻的另一端连接
。3.
一种如权利要求2所述的混合级联单相九电平整流器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
S1、
构建混合级联单相九电平整流器的数学模型；
S2、
基于所述混合级联单相九电平整流器的数学模型，当两个级联单元电容电压相等时，采用非线性积分滑模控制方法对整流器电压外环进行控制，具体包括：在滑模面的设计中加入非线性积分项，并选择幂次趋近律作为滑动模态趋近律，从而得到非线性积分滑模控制下电流内环的参考值；电流内环采用
PI
控制，由
PI
控制器得到交流侧电压在
αβ
坐标系的分量；最后经
park
反变换得到调制电压，送入空间矢量脉冲宽度调制
(
简称为
SVPWM)
环节得到各个开关管的通断信号，对所述混合级联单相九电平整流器进行控制；
S3、
当两个级联单元负载电阻不相等引起两个电容电压不平衡时，基于
S2
中非线性积分滑模控制方法，采用基于补偿时间分量的电容电压平衡控制策略，控制两个级联单元电容电压动态相等，具体包括：在冗余矢量基本作用时间之上叠加补偿时间分量，得到冗余矢量的最终作用时间，与基于
S2
中非线性积分滑模控制方法获取的调制电压一起送入
SVPWM
环节得到各个开关管的通断信号，对所述混合级联单相九电平整流器进行控制；
S4、
在两个级联单元负载电阻不相等引起两个电容电压不平衡时，界定
S3
中电容电压平衡控制策略的负载不平衡度适用范围，当负载不平衡度超出该适用范围时，所述混合级联单相九电平整流器将不能在交流输入侧产生九电平
。4.
如权利要求3所述的混合级联单相九电平整流器的控制方法，其特征在于，构建混合级联单相九电平整流器数学模型的具体步骤包括：
S11、
根据基尔霍夫定律得到混合级联单相九电平整流器的初步数学模型，其计算公式为：
式
(1)
中，
L
s
为整流器交流侧电感；
u
s
、i
s
分别为网侧电压和网侧电流；
S1、S2分别为第一级联单元和第二级联单元的开关函数；
U
dc1
、U
dc2
分别为第一级联单元和第二级联单元直流侧电压，稳定工作状态时有
U
dc1
＝
U
dc2
＝
U
dc
，且令
U
dc1
+U
dc2
＝
U
d
；
C1、C2分别为第一级联单元和第二级联单元直流侧电容，且存在
C1＝
C2＝
C
；
R1、R2分别第一级联单元和第二级联单元直流侧负载电阻；式
(1)
简化后得：式
(2)
中，
S
为整流器总开关函数；
S12、
通过正交延迟
90
°
的方法构造出混合级联单相九电平整流器网侧电压和网侧电流的虚拟矢量，并通过
park
变换，得到混合级联单相九电平整流器在
d
‑
q
坐标系下的动态方程组：式
(3)
中，
u
sd
、u
sq
和
i

【专利技术属性】
技术研发人员：朱艺锋，周飞杉，贾小磊，李绍令，李斌，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：