实现双极性直流母线电压独立控制的拓扑结构与系统的制作方法

本发明属于电力电子领域，尤其涉及一种实现双极性直流母线电压独立控制的拓扑结构与系统。

背景技术：

双极性直流母线结构的t型三电平变换器具有谐波小、开关损耗低、电磁干扰小、功率损耗均匀等优点，适合并已广泛应用于高压直流输电、分布式发电、微电网、电动汽车充电领域的交直流变换场所。利用三电平变换器固有的分裂电容直接产生双极性直流母线，结构简单、体积小、成本低，是国内外学术界及工业界的研究热点。然而，使得双极性直流母线结构的三电平变换器适应性差，难以满足多样的电压等级与复杂负载类型，迫切需要解决基于t型三电平变换器的双极性母线电压独立控制。

由于直流母线电压不对称与负载不平衡互相耦合，使得双极性直流母线负载不平衡时，尤其是某一母线空载，另一母线带载而产生极端不平衡时，难以精确控制双极性直流母线电压。因此改进或者提出新的变换器拓扑及控制方法是实现t型三电平变换器双极性直流母线独立控制且稳定运行的关键。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种实现双极性直流母线电压独立控制的拓扑结构与系统，本发明考虑极端不平衡负载情况设计控制系统，独立精确控制双极性直流母线电压，实现不对称电压与不平衡负载的解耦控制。本发明的新型三电平变换器拓扑简单、高效，其系统控制器易于数字化实现，所设计的控制系统使t型三电平变换器具有高品质独立的直流输出，且高效稳定运行，极大拓展了基于t型三电平变换器的双极性直流母线结构的应用场合。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种实现双极性直流母线电压独立控制的拓扑结构，包括t型三电平变换器与单相不平衡桥臂，t型三电平变换器包括并联的三相桥臂，每相桥臂包括两个串联的igbt管，各相桥臂的中点一侧串联两个方向不同的igbt管，另一侧经滤波器与电网连接；

直流母线之间串联两个分裂的直流母线电容，直流母线与电容中点构成双极性直流母线，两个电容中点连接各相桥臂的两个方向不同igbt管的一端，各个igbt管均由控制电路驱动，两个分裂的直流母线电容分别并联两个不平衡的负载，正负直流母线之间设置有单相不平衡桥臂，桥臂由两个串联的igbt管组成，桥臂中点经过不平衡电感后接电容中点。

所述滤波器为滤波电感。

一种实现双极性直流母线电压独立控制系统，具有控制器，包括t型三电平变换器控制模块与单相不平衡桥臂控制模块，所述t型三电平变换器控制模块，被配置为确保整流或逆变过程单位功率因数下运行，调节双极性直流母线总电压；单相不平衡桥臂控制模块被配置为调节负直流母线电压，实现双极性直流母线电压独立控制。

所述单相不平衡桥臂控制模块使正负直流母线具有完全带载能力，其中某一母线可空载，另一母线带载产生极端不平衡状态下仍能稳定运行。

所述控制器接收不平衡电感电流和负直流母线电压参考值，输出pwm调制信号来驱动单相不平衡桥臂工作。

所述t型三电平变换器控制模块采用电压外环、电流内环的双环控制结构。

所述t型三电平变换器控制模块采集电网电压经过并网锁相获得电压矢量的旋转角度、根据旋转角度将采集到的电网电流信号进行坐标变换，得到旋转坐标系下电流分量，双极性直流母线总电压与期望的直流母线电压的差值通过pi控制器后作为电流内环d轴控制的参考值，电流内环q轴控制的参考值为零。

进一步的，所述t型三电平变换器控制模块电流内环的参考值与实际测量值分别经过d轴与q轴的pi控制器再经过坐标反变换为静止坐标系α、β轴分量后通过svpwm矢量调制，得到pwm波形驱动开关管。

单相不平衡桥臂控制模块采用电压外环、电流内环的双环控制结构。

进一步的，电压外环期望的负直流母线电压与实时采集的负直流母线电压的差值通过pi控制器后作为电流内环的电流参考值，此参考值与采集的不平衡电感电流差值经过电流内环pi控制器，控制器输出与三角载波进行比较，生成pwm调制波形驱动单相不平衡桥臂中两个开关管。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明所提拓扑结构基于三电平变换器固有的分裂电容，可以大幅减少直流母线电容的设计容量，使得双极性直流母线结构简单、体积小、成本低。

(2)本发明所提的双极性直流母线电压独立控制能够产生三个分别独立可调节的直流母线电压等级，可适应更为广泛的直流源/载，极大的拓展了三电平变换器的应用场合。

(3)本发明所提三电平拓扑结构及其控制系统在旋转坐标系下，通过空间矢量调制易数字化实现。

(4)本发明所提三电平变换器拓扑及其控制系统适用于多台、多电压等级直流设备随机运行的情况，可推广应用于电池测试、分布式充电设施、新能源发电系统、微电网等领域。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1利用三电平变换器分离电容产生双极性直流母线系统结构图；

图2为所提出新型三电平变换器拓扑结构图；

图3为t型三电平变换器控制系统图；

图4单相不平衡桥臂控制系统图；

图5为在负载平衡条件下应用本发明所提拓扑与控制系统时，双极性直流母线电压独立控制动态仿真波形图；

图6为在双极性直流母线电压独立控制条件下应用本发明所提拓扑及其控制系统时，直流母线负载动态切换的仿真波形图；

图7为在双极性直流母线电压独立控制条件下应用本发明所提拓扑及控制系统，直流母线负载动态切换三电平变换器交流侧仿真波形图；

图8为本发明的原理图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在由于直流母线电压不对称与负载不平衡互相耦合，使得双极性直流母线负载不平衡时，尤其是某一母线空载，另一母线带载而产生极端不平衡时，难以精确控制双极性直流母线电压的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种三电平变换器拓扑与基于新拓扑的双极性直流母线电压独立控制系统。

三电平变换器拓扑由t型三电平变换器与单相不平衡桥臂组成。t型三电平变换器包括并联的三相桥臂，每相桥臂包括两个串联的igbt管，各相桥臂的中点一侧串联两个方向不同的igbt管，另一侧经滤波器与电网连接；直流母线之间串联两个分裂的直流母线电容，直流母线与电容中点构成双极性直流母线；两个电容中点连接各相桥臂的两个方向不同igbt管的一端，各个igbt管均由控制电路驱动；两个分裂的直流母线电容分别并联两个不平衡的负载。正负直流母线之间添加单相桥臂，桥臂由两个串联的igbt管组成，桥臂中点经过不平衡电感后接电容中点，新型三电平变换器拓扑如图2所示。

基于新拓扑的双极性直流母线电压独立控制结构分为t型三电平变换器控制与单相不平衡桥臂分别控制。

(1)t型三电平变换器的主要功能是确保整流或逆变过程单位功率因数下运行；调节双极性直流母线总电压。本发明提供的t型三电平变换器控制系统结构如图3所示。所述控制器用于接收三相输入电流和三相参考电压，输出pwm调制信号来驱动t型三电平变换器。

(2)单相不平衡桥臂的主要功能是调节负直流母线电压，并分别使正负直流母线具有完全带载功能，即使其中某一母线可空载，另一母线带载产生极端不平衡状态下仍能稳定运行。本发明提供了一种用于单相不平衡桥臂的控制系统，所述控制器接收不平衡电感电流和负直流母线电压参考值，输出pwm调制信号来驱动单相不平衡桥臂工作，其控制结构如图4所示。

通过调节双极性直流母线总电压、负直流母线电压，最终实现双极性直流母线电压独立控制。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，以本发明所提新型三电平变换器拓扑结构阐述双极性直流母线电压独立控制策略。

图2为本发明所提新型三电平变换器拓扑结构图，主电路可分为t型三电平变换器和单相不平衡桥臂。t型三电平变换器包括并联的三相桥臂，每相桥臂包括两个串联的igbt管，各相桥臂的中点一侧串联两个方向不同的igbt管，另一侧经电感滤波器与电网连接；直流母线之间串联两个分裂的直流母线电容c1、c2，直流母线与电容中点o构成双极性直流母线；两个电容中点连接各相桥臂的两个方向不同igbt管的一端，各个igbt管均由控制电路驱动；两个分裂的直流母线电容分别并联两个不平衡的直流负载电阻r1、r2。正负直流母线之间添加单相桥臂，桥臂由两个串联的igbt管组成，桥臂中点经过不平衡电感后接电容中点o。所述滤波器为滤波电感la、lb、lc。

信号调理电路将霍尔传感器测得的相关信号进行调理，得到采样电路可以接收的模拟信号。ad转换器的采样与转换由dsp进行控制，将调理好的模拟信号转换为数字量。数字信号的处理、单相不平衡桥臂的pwm调制信号产生均由dsp实现，最终生成的pwm信号送给驱动电路来控制igbt管的开通与关断。

本发明所提双极性直流母线电压独立控制系统分别通过t型三电平变换器调节双极性直流母线总电压与单相不平衡桥臂调节负直流母线电压实现。

t型三电平变换器的控制方法如图3所示，采集电网电压经过并网锁相获得电压矢量的旋转角度θ、根据旋转角度将采集到的电网电流信号进行坐标变换，得到旋转坐标系下电流分量id、iq。双极性直流母线总电压(v1+v2)由dsp采样，与期望的直流母线电压vdc_ref的差值通过pi控制器后作为电流内环d轴控制的参考值id_ref。为实现单位功率下运行，电流内环q轴控制的参考值iq_ref为零。电流内环的参考值与实际测量值分别经过d轴与q轴的pi控制器再经过坐标反变换为静止坐标系α、β轴分量后通过svpwm矢量调制，得到pwm波形驱动开关管。

单相不平衡桥臂控制方法同样采用电压外环、电流内环的双环控制结构如图4所示，期望的负直流母线电压v2_ref与实时采集的负直流母线电压的差值通过pi控制器后作为电流内环的电流参考值。此参考值与采集的不平衡电感电流差值经过电流内环pi控制器，控制器输出与三角载波进行比较，生成pwm调制波形驱动单相不平衡桥臂中两个开关管b1、b2。

通过matlab仿真验证本发明所提拓扑、控制结构可实现双极性直流母线电压独立控制。当直流母线负载不平衡时，尤其是直流母线负载极端不平衡，即某一母线空载，另一母线带载的极端不平衡条件下，证明所提出的新型拓扑及其控制系统能够精确独立控制双极性直流母线电压使之保持不对称下稳定运行。仿真软件选用matlab/simulink2014a，仿真参数如表2所示，仿真结果证明了提出的新型三电平变换器拓扑及其控制结构实现了不受直流不平衡负载的影响下双极性直流母线电压独立控制，使直流母线电压不对称并产生三个独立的直流母线电压等级。

表2仿真参数

图5为应用本发明所提拓扑及其控制系统，双极性直流母线电压独立控制在负载平衡条件下仿真波形图。波形(1)交流侧线电压波形；波形(2)为双极性直流母线正负直流母线电压，虚线表示正直流母线电压，实线表示负直流母线电压；波形(3)为交流侧电网电流波形。图5所示在仿真0.1s～0.2s时间内，双极性直流母线电压初始状态为对称相等；在仿真0.2s～0.3s时间内，正直流母线电压v1被调节至500v，负直流母线电压v2被调节至200v；仿真0.3s～0.4s时间内，正直流母线电压v1被精确调节至400v，负直流母线电压v2被精确调节至300v；仿真0.4s～0.5s时间内，正直流母线电压v1被精确调节至300v，负直流母线电压v2被精确调节至400v；仿真0.5s～0.6s时间内，正直流母线电压与负直流母线电压再次被控制对称相等。通过分析图5中波形可知，本发明所提的三电平变换器新型拓扑及控制系统在直流母线带平衡负载情况下，可实现双极性直流母线电压独立控制。

本发明所提供的双极性直流母线电压独立控制，对双极性直流母线不平衡负载具有较强的鲁棒性。尤其是当某一母线空载产生严重不平衡的负载扰动时(即某一母线空载时，另一母线带载时)，本发明所提新型三电平变换器拓扑及其系统控制器能够精确独立控制双极性直流母线电压。

为证明本发明所提新型三电平变换器拓扑及其控制系统具有独立控制双极性直流母线电压功能，并且不受直流母线负载扰动的影响，设计了直流母线负载动态切换仿真。初始状态0.15s～0.2s时间内，双极性直流母线电压对称相等；仿真0.2s时刻，正直流母线电压v1被调节至400v，负直流母线电压被调节至300v，其后观察直流负载动态切换对双极性直流母线电压独立控制的影响。仿真0.15～0.3s时间内，母线接平衡负载r1＝r2；仿真0.3～0.4s时间内，正直流母线空载，负直流母线接负载r2；仿真0.4～0.5s时间内，正直流母线接负载r1，负直流母线空载；仿真时间0.5～0.6s时间内，正负直流母线同时接平衡负载r1＝r2。

图6中波形(1)为交流侧线电压波形；波形(2)为双极性直流母线电压在直流负载切换时的动态波形；波形(3)是经新型三电平变换器流过直流零线的负载电流。通过分析图6仿真结果可知，双极性直流母线上直流负载的随机动态切换，正直流母线电压v1仍然被控制在400v保持不变，负直流母线电压v2仍然被控制在300v保持不变。即使是直流母线负载出现某一母线控制，另一母线带载情况下，即极端不平衡情况下，并不影响双极性直流母线电压的精确独立控制，实现不对称电压与不平衡负载的解耦控制。

图7所示波形为直流负载动态切换过程中，交流侧三相电网电流与单相电网电压、电流的波形。通过图7波形可知，直流负载动态切换过程中，三电平变换器交流侧输入功率与直流侧输出功率一致，所提控制系统保证三电平变换器高功率因数下稳定运行。

本发明所提新型三电平变换器拓扑与其系统控制器，可实现双极性直流母线电压独立控制，并对直流负载不平衡的情况具有较强抗干扰性。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。