一種鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌鞯墓β誓K動(dòng)態(tài)均壓控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌鞯墓β誓K動(dòng)態(tài)均壓控制方法，所述的均壓方法由單相軟件鎖相環(huán)、符號(hào)函數(shù)和比例控制器串聯(lián)構(gòu)成，首先通過軟件鎖相環(huán)檢測出鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌鬏敵鲭娏髦泄ゎl分量的相位，并將此相位信息輸入到符號(hào)函數(shù)得到均壓控制的調(diào)節(jié)方向，然后由比例控制器根據(jù)單個(gè)功率模塊的直流電壓偏差得到均壓控制的調(diào)節(jié)量，最后將所述的調(diào)節(jié)方向與調(diào)節(jié)量相乘，得到該功率模塊輸出電壓中的均壓分量，均壓分量與該相輸出電壓瞬時(shí)值相加即為該模塊的輸出電壓。所述的動(dòng)態(tài)均壓控制方法克服了小電流工況下的諧波電流，以及快速變化的動(dòng)態(tài)負(fù)載對功率模塊均壓造成的影響，有效解決鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌髟谳p載和動(dòng)態(tài)負(fù)載工況下的均壓問題。
【專利說明】一種鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌鞯墓β誓K動(dòng)態(tài)均壓控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力電子變流器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌髦泄β誓K直流電容的動(dòng)態(tài)均壓控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]功率模塊的動(dòng)態(tài)均壓一直是鏈?zhǔn)蕉嚯娖浇Y(jié)構(gòu)面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題，在IOkV電壓等級(jí)的應(yīng)用中，目前廣泛采用的動(dòng)態(tài)均壓算法都是以變流器輸出電流的瞬時(shí)值作為重要的調(diào)節(jié)依據(jù)。在直掛35kv及以上電網(wǎng)的鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌髦?，串?lián)的功率模塊數(shù)量大大增力口，達(dá)到幾十甚至上百個(gè)。大量增加的串聯(lián)模塊數(shù)量使功率模塊的均壓控制面臨更加苛刻的應(yīng)用條件。在補(bǔ)償電弧爐等劇烈變化的沖擊性負(fù)載的應(yīng)用中，一方面負(fù)載工況波動(dòng)造成變流器輸出電流快速大幅變化，引起模塊直流電壓不平衡；另一方面，負(fù)載的頻繁啟停使得變流器經(jīng)常運(yùn)行與輕載甚至空載工況，輸出電流幅值非常小，通常僅為額定電流的I?2%，且湮沒于高頻的諧波成分中。這兩方面的問題使得傳統(tǒng)的均壓算法不再有效:一是超多模塊串聯(lián)條件下，極低的載波頻率使得均壓控制效果受輸出電流幅值變化的影響顯著；二是在空載和小電流情況下，依靠輸出電流幅值的算法均壓效果不理想，無法長期穩(wěn)定運(yùn)行。
[0003]本發(fā)明針對傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)均壓方法存在的問題，提出了一種新的基于軟件鎖相環(huán)和符號(hào)函數(shù)的動(dòng)態(tài)均壓方法，可以有效解決35kV以上鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌髟谳p載和動(dòng)態(tài)負(fù)載工況下的均壓問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有的均壓控制方法在35kV以上電壓等級(jí)的鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌髦袘?yīng)用時(shí)，出現(xiàn)的輕載和動(dòng)態(tài)負(fù)載工況下均壓效果不佳，無法長期穩(wěn)定運(yùn)行的問題。 申請人:通過研究發(fā)現(xiàn)，在35kV以上電壓等級(jí)的應(yīng)用中，串聯(lián)模塊數(shù)量增加引起的單個(gè)模塊開關(guān)頻率下降是造成均壓困難的關(guān)鍵因素。鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌鞯墓β誓K在極低載波頻率下運(yùn)行時(shí)，載波移相引起的功率模塊間的有功功率偏差(即不平衡功率)變得顯著，并成為引起功率模塊直流電壓不平衡的主要因素之一。通過設(shè)計(jì)與模塊間不平衡功率相匹配的均壓調(diào)節(jié)量，可以有效消除變流器輸出電流幅值變化對均壓效果產(chǎn)生的影響。對于在空載條件下，輸出電流中極小的工頻分量被紋波電流淹沒的問題，設(shè)置合適的低通濾波器，同時(shí)克服濾波延時(shí)是提高均壓效果的關(guān)鍵。在上述分析的基礎(chǔ)上，本發(fā)明通過將單相軟件鎖相環(huán)、符號(hào)函數(shù)和比例調(diào)節(jié)器相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種新的動(dòng)態(tài)均壓控制方法，可以有效解決大量模塊串聯(lián)造成的均壓難題。
[0005]本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案。
[0006]一種鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌鞯墓β誓K動(dòng)態(tài)均壓控制方法，其特征在于，所述的均壓方法由單相軟件鎖相環(huán)、符號(hào)函數(shù)和比例控制器串聯(lián)構(gòu)成，具體包括以下步驟:
[0007](I)采用單相軟件鎖相環(huán)算法，檢測出鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌鬏敵鲭娏髦泄ゎl分量的相位；
[0008](2)將所述輸出電流工頻分量的相位信息輸入到符號(hào)函數(shù)，其輸出作為均壓控制的調(diào)節(jié)方向，+1表示有功流入功率模塊，-1表示有功流出功率模塊；
[0009](3)將單個(gè)功率模塊的直流電壓與其直流電壓目標(biāo)值作差，得到該功率模塊的直流電壓偏差；
[0010](4)將所述的直流電壓偏差輸入到比例控制器，得到該功率模塊用于均壓控制的
調(diào)節(jié)量；
[0011](5)將所述的均壓控制的調(diào)節(jié)方向與調(diào)節(jié)量相乘，得到該模塊輸出電壓的均壓分量;
[0012](6)該相輸出電壓除以鏈節(jié)數(shù)再與模塊的均壓分量相加，即為該模塊的輸出電壓。
[0013]本發(fā)明還優(yōu)選包括以下方案:
[0014]步驟(2)所述的符號(hào)函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式可以描述為:當(dāng)輸入信號(hào)大于O時(shí)，其輸出為I ;當(dāng)輸入信號(hào)小于O時(shí)，其輸出為-1;當(dāng)輸入信號(hào)等于零時(shí)，其輸出為O。
[0015]步驟(3)所述的功率模塊直流電壓，為半個(gè)工頻周期的平均值，通過滑動(dòng)平均方法計(jì)算得到；步驟(3)所述的模塊直流電壓目標(biāo)值，為鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌髦?，與該模塊串聯(lián)的所有功率模塊直流電壓的平均值。
[0016]步驟(I)所述的單相軟件鎖相環(huán)是一種閉環(huán)快速鎖相算法，具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0017]I)利用鎖相環(huán)輸出的相位信號(hào)，通過余弦函數(shù)計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)工頻正弦信號(hào)；
[0018]2)將所述鎖相環(huán)的輸入信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)工頻正弦信號(hào)相乘，作為相位誤差信號(hào)；
[0019]3)將所述的相位誤差信號(hào)輸入到比例積分控制器，得到頻率偏差的校正項(xiàng)；
[0020]4)將所述的頻率偏差校正項(xiàng)與工頻頻率相加，作為鎖相環(huán)的累加頻率；
[0021]5)按照所述的累加頻率積分，得到鎖相環(huán)輸出的相位信號(hào)。
[0022]本發(fā)明的有益效果是:采用單相軟件鎖相環(huán)算法，可以有效地從鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌鞯妮敵鲭娏髦刑崛〕龉ゎl分量，同時(shí)避免了低通濾波器引入的延時(shí)；而引入符號(hào)函數(shù)則使得均壓調(diào)節(jié)量可以在不同負(fù)載條件下均與載波移相引起的不平衡功率相平衡。通過這兩方面的措施，有效解決鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌髟谳p載和動(dòng)態(tài)負(fù)載工況下的均壓問題，克服了傳統(tǒng)均壓控制方法在35kV以上電壓等級(jí)應(yīng)用時(shí)存在的技術(shù)難題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明提出的鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌鞯膭?dòng)態(tài)均壓方法的控制框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合說明書附圖【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)說明。本申請公開了一種鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌鞯墓β誓K動(dòng)態(tài)均壓控制方法，如附圖1中所示假設(shè)鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌鞯拿肯鄻虮酃灿笑莻€(gè)功率模塊。
[0025]實(shí)施例1本發(fā)明的技術(shù)方案具體包括以下步驟:
[0026]步驟1:通過就地采樣和光纖通信，得到某相η個(gè)功率模塊電容電壓的瞬時(shí)值，分
別為Udcl?Udcn ;[0027]步驟2:通過滑動(dòng)窗，選取最近半個(gè)工頻周期內(nèi)直流電壓的采樣值，分別計(jì)算出各個(gè)模塊電容電壓的平均值，即模塊直流電壓；
[0028]步驟3:求取該相所有η個(gè)功率模塊直流電壓的平均值，并將其作為該相單個(gè)功率模塊直流電壓的目標(biāo)值Udrarf ；
[0029]步驟4:將目標(biāo)值ud_f與每個(gè)模塊的直流電壓作差，得到該模塊的直流電壓偏差A(yù)udcd，直流電壓偏差與比例控制器的系數(shù)Kp相乘，即得到該模塊均壓控制的調(diào)節(jié)量。
[0030]步驟5:采用單相軟件鎖相環(huán)算法，檢測出鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌鬏敵鲭娏髦泄ゎl分量的相位，相位信息呈現(xiàn)為鋸齒形三角波，當(dāng)工頻分量為正時(shí)，三角波幅值為正；當(dāng)工頻分量為負(fù)時(shí)，三角波幅值也為負(fù)。
[0031]所述的單相軟件鎖相環(huán)是一種閉環(huán)快速鎖相算法，具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0032]I)利用鎖相環(huán)輸出的相位信號(hào)，通過余弦函數(shù)計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)工頻正弦信號(hào)；
[0033]2)將所述鎖相環(huán)的輸入信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)工頻正弦信號(hào)相乘，作為相位誤差信號(hào)；
[0034]3)將所述的相位誤差信號(hào)輸入到比例積分控制器，得到頻率偏差的校正項(xiàng)；
[0035]4)將所述的頻率偏差校正項(xiàng)與工頻頻率相加，作為鎖相環(huán)的累加頻率；
[0036]5)按照所述的累加頻率積分，得到鎖相環(huán)輸出的相位信號(hào)。
[0037]步驟6:將所述的鎖相環(huán)的輸出，經(jīng)過符號(hào)函數(shù)后，即得到鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌鬏敵鲭娏髦泄ゎl分量的符號(hào)，將此符號(hào)作為功率模塊均壓控制的調(diào)節(jié)方向，+1表示有功流入功率模塊，一 I表示有功流出功率模塊。所述符號(hào)函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以描述為:當(dāng)輸入信號(hào)大于O時(shí)，其輸出為+1 ;當(dāng)輸入信號(hào)小于O時(shí)，其輸出為一 I ;當(dāng)輸入信號(hào)等于零時(shí)，其輸出為O。
[0038]步驟7:將所述的均壓控制的調(diào)節(jié)方向與調(diào)節(jié)量相乘，得到第i個(gè)模塊的均壓分量
Uri ;
[0039]步驟8:該相輸出電壓除以鏈節(jié)數(shù)得到模塊平均輸出電壓us，Us與均壓分量I^i相加，即得到該模塊的輸出電壓Usi，最后通過載波移調(diào)制策略相生成PWM信號(hào)。
[0040]實(shí)施例2 —種鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌鞯墓β誓K動(dòng)態(tài)均壓控制方法，具體包括以下步驟:
[0041]步驟1:通過就地采樣和光纖通信，得到某相η個(gè)功率模塊電容電壓的瞬時(shí)值，分
別為Udcl~Udcn ;
[0042]步驟2:通過滑動(dòng)窗，選取最近半個(gè)工頻周期內(nèi)直流電壓的采樣值，分別計(jì)算出各個(gè)模塊電容電壓的平均值，即模塊直流電壓；
[0043]步驟3:求取該相所有η個(gè)功率模塊直流電壓的平均值，并將其作為該相單個(gè)功率模塊直流電壓的目標(biāo)值Udrarf ；
[0044]步驟4:采用單相軟件鎖相環(huán)算法，檢測出鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌鬏敵鲭娏髦泄ゎl分量的相位；
[0045]①利用鎖相環(huán)輸出的相位信號(hào)，通過余弦函數(shù)計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)工頻正弦信號(hào)；
[0046]②將所述鎖相環(huán)的輸入信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)工頻正弦信號(hào)相乘，作為相位誤差信號(hào)；
[0047]③將所述的相位誤差信號(hào)輸入到比例積分控制器，得到頻率偏差的校正項(xiàng)；
[0048]④將所述的頻率偏差校正項(xiàng)與工頻頻率相加，作為鎖相環(huán)的累加頻率；
[0049]⑤按照所述的累加頻率積分，得到鎖相環(huán)輸出的相位信號(hào)。[0050]步驟5:將所述輸出電流工頻分量的相位信息輸入到符號(hào)函數(shù)，其輸出作為均壓控制的調(diào)節(jié)方向，+1表示有功流入功率模塊，-1表示有功流出功率模塊；
[0051]步驟6:將每個(gè)模塊的直流電壓與目標(biāo)值Uttorf作差，得到該模塊的直流電壓偏差Δ Udci ;
[0052]步驟7:直流電壓偏差與比例控制器的系數(shù)Kp相乘，即得到該模塊均壓控制的調(diào)節(jié)量。
[0053]步驟8:將所述的均壓控制的調(diào)節(jié)方向與調(diào)節(jié)量相乘，得到第i個(gè)模塊的均壓分量
Uri ;
[0054]步驟9:該相輸出電壓除以鏈節(jié)數(shù)再與模塊的均壓分量相加，即為該模塊的輸出電壓。當(dāng)已經(jīng)獲知單個(gè)功率模塊直流電壓的目標(biāo)值Udrarf時(shí)，步驟1-步驟3可省略。
[0055]本發(fā)明 申請人:結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的實(shí)施例做了詳細(xì)的說明與描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，以上實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，詳盡的說明只是為了幫助讀者更好地理解本發(fā)明精神，而并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，相反，任何基于本發(fā)明的發(fā)明精神所作的任何改進(jìn)或修飾都應(yīng)當(dāng)落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌鞯墓β誓K動(dòng)態(tài)均壓控制方法,其特征在于: 所述的均壓方法首先檢測出鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌鬏敵鲭娏髦泄ゎl分量的相位，基于所述工頻分量的相位得到該功率模塊輸出電壓中的均壓分量，該相輸出電壓除以鏈節(jié)數(shù)再與均壓分量相加，即為該模塊的輸出電壓。
2.一種鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌鞯墓β誓K動(dòng)態(tài)均壓控制方法，其特征在于，所述的均壓方法基于單相軟件鎖相環(huán)、符號(hào)函數(shù)和比例控制器實(shí)現(xiàn)，具體包括以下步驟: (1)采用單相軟件鎖相環(huán)算法，檢測出鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌鬏敵鲭娏髦泄ゎl分量的相位； (2)將所述輸出電流工頻分量的相位信息輸入到符號(hào)函數(shù)，其輸出作為均壓控制的調(diào)節(jié)方向，+1表示有功流入功率模塊，-1表示有功流出功率模塊； (3)將單個(gè)功率模塊的直流電壓與其直流電壓目標(biāo)值作差，得到該功率模塊的直流電壓偏差； (4)將所述的直流電壓偏差輸入到比例控制器，得到該功率模塊用于均壓控制的調(diào)節(jié)量; (5)將均壓控制的調(diào)節(jié)方向與調(diào)節(jié)量相乘，得到該模塊輸出電壓的均壓分量； (6)該相輸出電壓除以鏈節(jié)數(shù)再與模塊的均壓分量相加，即為該模塊的輸出電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率模塊動(dòng)態(tài)均壓控制方法，其特征在于: 步驟(2)所述的符號(hào)函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式可以描述為:當(dāng)輸入信號(hào)大于O時(shí)，其輸出為I ;當(dāng)輸入信號(hào)小于O時(shí)，其輸出為-1 ;當(dāng)輸入信號(hào)等于零時(shí)，其輸出為O。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的功率模塊動(dòng)態(tài)均壓控制方法，其特征在于: 步驟(I)所述的單相軟件鎖相環(huán)算法，具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下: ①利用鎖相環(huán)輸出的相位信號(hào)，通過余弦函數(shù)計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)工頻正弦信號(hào)； ②將所述鎖相環(huán)的輸入信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)工頻正弦信號(hào)相乘，作為相位誤差信號(hào)； ③將所述的相位誤差信號(hào)輸入到比例積分控制器，得到頻率偏差的校正項(xiàng)； ④將所述的頻率偏差校正項(xiàng)與工頻頻率相加，作為鎖相環(huán)的累加頻率； ⑤按照所述的累加頻率積分，得到鎖相環(huán)輸出的相位信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的功率模塊動(dòng)態(tài)均壓控制方法，其特征在于: 步驟(3)所述的功率模塊的直流電壓，為半個(gè)工頻周期的平均值，通過滑動(dòng)平均方法計(jì)算得到；步驟(3)所述的模塊直流電壓目標(biāo)值，為鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌髦校c該模塊串聯(lián)的所有功率模塊直流電壓的平均值。
【文檔編號(hào)】H02M5/00GK103944403SQ201410193386
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】梅紅明, 劉樹, 劉建政, 王一, 史秋娟, 鐘啟迪, 石山, 操豐梅, 賈海林, 陳秋榮, 周前程 申請人:北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司, 張家港智電柔性輸配電技術(shù)研究所有限公司