一種基于一致性控制的級聯PWM整流器電壓平衡的方法技術

本發明專利技術公開了一種基于一致性控制的級聯PWM整流器電壓平衡的方法，包括：建立級聯PWM整流器數學模型，以DQ旋轉坐標系為基準，考慮基于PI控制的電壓外環和基于PI控制的電流內環實現整流器單位功率因數運行，在各H橋模塊直流側電容電壓的不平衡的情況下，分別考慮基于PI控制器的電壓平衡調節和基于一致性算法的電壓平衡調節；考慮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。本發明專利技術在各H橋模塊直流側電容電壓的不一致的情況下，通過一致性算法對各模塊占空比進行獨立修正從而實現了電壓的快速平衡。實現了電壓的快速平衡。實現了電壓的快速平衡。

【技術實現步驟摘要】
一種基于一致性控制的級聯PWM整流器電壓平衡的方法


[0001]本專利技術屬于整流器控制
，具體為一種基于一致性控制的級聯PWM整流器電壓平衡的方法。

技術介紹

[0002]級聯型PWM整流器由于各獨立H橋模塊存在開關損耗差異、脈沖延時差異、結構參數差異以及直流端負載不一致等問題導致直流側電容電壓的不平衡，其可能會導致系統失控以及器件過流過壓和電容擊穿等問題，因此解決此問題是保證整個系統穩定可靠運行的前提。近年來，國內外學者對此也進行了大量的研究，采取的主要是交換平衡和獨立電壓閉環控制的方法，然而傳統上這些方法存在負載發生突變后的電容電壓恢復速度慢的問題，而且基本都是采用的集中式控制，隨著級聯數量的增多，過于復雜的交換平衡算法或過多的 PI 控制器會導致處理運算量的激增、硬件資源的匱乏和控制器的飽和器分析設計困難等問題。而基于一致性控制的方法，各個H橋模塊獨立采樣和控制，只需要獲取相鄰H橋模塊的狀態信息就可以實現輸出側電容電壓的平衡。

技術實現思路

[0003]本專利技術的目的是提供一種基于一致性控制的級聯PWM整流器電壓平衡的方法，在級聯PWM整流器各H橋模塊輸出電壓不平衡時，通過一致性算法對各H橋模塊調制波幅度進行修正使各輸出電壓基本一致。技術方案如下：一種基于一致性控制的級聯PWM整流器電壓平衡的方法，包括以下步驟：步驟1：建立級聯PWM整流器數學模型，以DQ旋轉坐標系為基準，考慮基于PI控制的電壓外環和基于PI控制的電流內環，實現整流器單位功率因數運行；步驟2：考慮各H橋模塊輸出側電容電壓的不平衡性，采用基于PI控制器的電壓閉環控制對各H橋模塊調制波幅度進行修正，在通信拓撲中加入一致性控制算法；步驟3：考慮一般形式的一致性控制算法，采用基于比例積分的一致性控制策略對各H橋模塊調制波幅度進行修正。
[0004]進一步的，所述步驟1具體為：DQ旋轉坐標系下級聯PWM整流器的基本雙閉環控制器的動態方程描述為下式：（1）其中，u
sd
和u
sq
分別為交流側輸入電壓d軸分量和q軸分量，i
sd
和i
sq
分別為交流側電感電流d軸分量和q軸分量，ω為基波角頻率，L
s
為交流側輸入電感，R
s
為交流側等效電阻，N
為H橋級聯數量，為直流側平均電壓，d
d
與d
q
分別為基本雙閉環控制器調節產生的公共有功占空比與無功占空比；t為時間；對i
sq
和i
sd
采用前饋解耦策略進行解耦，另構建兩個獨立變量u
md
和u
mq
，其表達式為：（2）因此得到：（3）將電流內環設計為：（4）其中，i
sd*
與i
sq*
分別電感電流d軸和q軸分量參考值，s為Laplace算子，K
dp
和K
di
分別為電流內環d軸PI控制器比例和積分增益，K
qp
和K
qi
分別為電流內環q軸PI控制器比例和積分增益；將直流側輸出電壓作為電壓外環的反饋量，與電壓給定信號經過PI調節器后得到電流控制信號，電流控制信號經過以上推得的電流內環公式得出dq軸的電壓分解信號，最后經PWM脈沖發生器給開關管導通信號，對整流器進行控制。
[0005]更進一步的，所述步驟2在通信拓撲中加入一致性控制算法具體為：針對各H橋模塊因各因素造成的輸出電壓不平衡問題，引入一致性控制算法：（5）其中，為第i個模塊調制波修正量，為所有模塊數量；a
ij
為第i個模塊直流側輸出電壓和第j個模塊直流側輸出電壓的電壓差反饋權重，其值與通信拓撲緊密相關；
引入Laplacian矩陣L=[l
ij
]，其中l
ij
=a
ij
，i≠j，且；則（6）其中，U(t)=[U
dc1
(t), U
dc2
(t),
…
, U
dcn
(t)]T
；為公共占空比修正量；則得到：要保證修正環節不影響整體控制，上式需滿足： ，即此時只能采用平衡圖進行通信，則有：（7）更進一步的，所述步驟3中基于比例積分的一致性控制策略，對一致性算法進行修正的原則為：采用基于比例積分的一致性控制策略對比例系數進行調節：（8）其中，k
p
和k
i
分別為比例和積分系數，表示成矩陣形式為：（9）。
[0006]本專利技術與現有技術相比的有益技術效果為：本專利技術在基于dq旋轉坐標系的情況下，提出一種一致性控制算法，對級聯PWM整流器直流側電容電壓的不平衡進行修正，各個H橋模塊可以采用獨立采樣和分布式控制，克服了傳統的集中式控制的缺點，另外在收斂速度上也有所提高。
附圖說明
[0007]圖1為級聯 H 橋整流器拓撲結構圖。
[0008]圖2為旋轉坐標系下基本雙閉環控制框圖。
[0009]圖3為基于PI控制的電壓平衡控制框圖。
[0010]圖4為一種通信拓撲結構及對應矩陣。
[0011]圖5為基于一致性算法控制的電壓平衡控制框圖。
[0012]圖6為基于一致性算法的電壓平衡調節的四級聯PWM整流器控制框圖。
[0013]圖7為采用PI控制器的電壓平衡調節的各模塊電容電壓波形圖。
[0014]圖8為采用PI控制器的電壓平衡調節的穩態時各模塊電容電壓波形圖。
[0015]圖9為采用一致性算法的電壓平衡調節的各模塊電容電壓波形圖。
[0016]圖10為采用一致性算法的電壓平衡調節的穩態時各模塊電容電壓波形圖。
具體實施方式
[0017]下面結合附圖和具體實施方式對本專利技術作進一步詳細的說明。
[0018]級聯PWM整流器拓撲結構如圖1所示，i
s
為交流側輸入電流，u
s
為交流側輸入電壓，L
s
為交流側輸入電感，R
s
為交流側等效電阻，U
dc
為整流器直流側電壓，d為驅動開關的占空比信號，{U
dc1
，U
dc2
，
…
，U
dcn
}為各H橋直流側電容電壓。
[0019]通過圖1中利用KVL可得：（1）通過SOGI虛擬u
s
正交分量u
m
：（2）其中，i
m
為交流側輸入電流i
s
的正交分量，d
m
為驅動開關的占空比的正交分量；將靜止坐標系轉化到旋轉坐標系，引入轉移矩陣算子：（3）通過坐標轉換得到旋轉坐標系下級聯PWM整流器的基本雙閉環控制器的動態方程：（4）進一步的有：（5）其中，u
sd
和u
sq
分別為交流側輸入電壓d軸分量和q軸分量，i
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【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種基于一致性控制的級聯PWM整流器電壓平衡的方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1：建立級聯PWM整流器數學模型，以DQ旋轉坐標系為基準，考慮基于PI控制的電壓外環和基于PI控制的電流內環，實現整流器單位功率因數運行；步驟2：考慮各H橋模塊輸出側電容電壓的不平衡性，采用基于PI控制器的電壓閉環控制對各H橋模塊調制波幅度進行修正，在通信拓撲中加入一致性控制算法；步驟3：考慮一般形式的一致性控制算法，采用基于比例積分的一致性控制策略對各H橋模塊調制波幅度進行修正。2.根據權利要求1所述的一種基于一致性控制的級聯PWM整流器電壓平衡的方法，其特征在于，所述步驟1具體為：DQ旋轉坐標系下級聯PWM整流器的基本雙閉環控制器的動態方程描述為下式：（1）其中，u
sd
和u
sq
分別為交流側輸入電壓d軸分量和q軸分量，i
sd
和i
sq
分別為交流側電感電流d軸分量和q軸分量，ω為基波角頻率，L
s
為交流側輸入電感，R
s
為交流側等效電阻，N為H橋級聯數量，為直流側平均電壓，d
d
與d
q
分別為基本雙閉環控制器調節產生的公共有功占空比與無功占空比；t為時間；對i
sq
和i
sd
采用前饋解耦策略進行解耦，另構建兩個獨立變量u
md
和u
mq
，其表達式為：（2）因此得到：（3）將電流內環設計為：
（4）其中，i
sd*
與i
sq*
分別電感電流d軸和q軸分量參考值，s為Laplace算子，K
dp
和K
di

【專利技術屬性】
技術研發人員：王順亮，蔣久祥，馬俊鵬，劉天琪，
申請(專利權)人：四川大學，
類型：發明
國別省市：