專利名稱：一種多電平功率電路控制方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及電子技術領域，尤其涉及一種多電平功率電路控制方法和裝置。
背景技術：
多電平電路特點是大功率、無諧波，較常見的為串聯功率單元電路，采用η個功率 單元串聯構造電平數為2η+1個，輸出電壓諧波含量隨著η的增大而減小。在高壓大功率場 合可以通過串聯更多的功率單元來滿足大容量的需求。這種大功率電路的控制實質上就是 控制算法的物理實現，分為兩個方面第一、功率電路自身開關器件的控制脈沖產生與分配 問題；第二、控制對象以及控制策略算法。傳統的PI控制是將受控對象與參考信號的誤差 通過PI調節作為調制信號，與三角載波比較得到開關信號，但是PI調節本身帶寬有限，對 于干擾抑制能力較差。變結構控制通過改變自身結構來影響受控對象，使受控對象快速跟 隨參考信號，具有魯棒性好、響應速度快等優點，其特性非常適合電力電子等開關系統。但 是傳統方法存在高頻抖動，這種抖動增加了大功率器件的切換頻率，使開關損耗增加，因而 在大功率電壓控制方面受到了限制，尤其在電壓控制方面，未見相關專利出現。所以有必要 采取措施消除這種抖動，降低切換頻率，使其適用于大功率多電平電力電子系統。
發明內容
為了解決現有技術中存在的問題，本發明提供一種多電平功率電路控制方法和裝置。具體的，本發明提供一種多電平功率電路控制方法，包括Α，控制器基于功率電路中負載側電壓，構造切換函數S = ；式中k>0，Xl*
負載側電壓與理想負載電壓的差值；x2
atB,控制器對所述切換函數s進行緩沖控制；C，控制器利用緩沖控制后的切換函數s和控制系統收斂條件得到切換不等式，并 基于該切換不等式進行邏輯判斷，得到開關函數Ux的控制律；D，控制器基于功率電路所連接的電網電壓Us與理想電網電壓的差值d在所述Ux 控制律中的位置，確定功率電路中投入工作的功率單元數。進一步的，本發明還提供一種控制器，包括函數構造模塊，用于基于功率電路中負載側電壓，構造切換函數s = kxi+x2 ；式中
k > ο ;Xl為負載側電壓與理想負載電壓的差值；X2 =^;
at緩沖控制模塊，用于對所述切換函數S進行緩沖控制；邏輯判斷模塊，用于利用緩沖控制后的切換函數s和控制系統收斂條件得到切換 不等式，并基于該切換不等式進行邏輯判斷，得到開關函數Ux的控制律；電路控制模塊，用于基于功率電路所連接的電網電壓Us與理想電網電壓的差值d 在所述Ux控制律中的位置，確定功率電路中投入工作的功率單元數。
與現有技術相比，本發明有益效果如下本發明所述方法通過受控對象的變化控制器自動改變結構來適應輸出的需要。輸 出電壓信號是由基于非載波調制的方式產生，這一點有別于傳統電壓控制領域內利用載波 相移調制的方式，能夠以較小的開關頻率實現較理想的控制效果。另外，傳統的PI控制將 會產生暫態振蕩誤差，其控制性能受多方面影響。本發明所述方法在控制電壓型串聯多電 平功率電路時，充分利用多電平的特性來優化電壓輸出效果，根據受控電壓的變化自動調 整投入工作的功率單元數量，避免了開關器件頻繁動作，總體上可以降低工作頻率，減少發 熱，提高系統安全性。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是 本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還 可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發明提供的一種多電平功率電路控制方法流程圖；圖2為本發明所述方法中功率電路的電路圖；圖3為本發明實施例提供的一種多電平功率電路控制方法流程圖；圖4為本發明實施例中功率電路輸出端開關頻率變化情況圖；圖5為本發明實施例中功率電路輸出端及功率單元的電壓波形圖；圖6為本發明所述控制方法的結構框圖；圖7為本發明提供的一種控制器的結構圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發明保護的范圍。為了解決現有技術中存在的問題，本發明提出一種多電平功率電路控制方法和裝 置，所述控制方法尤其適用于串聯型大功率功率電路，消除了高頻抖動現象，不僅可以滿足 輸出電壓質量要求，還可以改變投入功率單元的數量進一步降低損耗，具有較強的工程實 用意義。具體的，本發明所述方法中，電壓型多電平功率電路由若干功率單元串聯而成，功 率單元主要由電力電子開關器件組成H全橋結構，每個功率單元的直流側電壓相等；功率 電路的輸出端電壓為單個功率單元輸出的疊加；本發明所述控制方法的核心思想是根據 現場采集的負載側電壓信號，計算出跟蹤誤差，根據跟蹤誤差及其變化趨勢，建立切換函 數，為了防止切換函數頻繁抖動，加入了緩沖；根據跟蹤誤差以及切換函數可以通過邏輯陣 列確定投入功率單元的數量以及輸出電壓波形。如圖1所示，本發明提供一種多電平功率電路控制方法，具體包括步驟S101，控制器基于功率電路中負載側電壓，構造切換函數s = kxi+x2 ；式中k> 0，X1為負載側電壓與理想負載電壓的差值；χ2
at步驟S102，控制器對所述切換函數s進行緩沖控制；步驟S103，控制器利用緩沖控制后的切換函數s和控制系統收斂條件得到切換不 等式，并基于該切換不等式進行邏輯判斷，得到開關函數Ux的控制律；步驟S104，控制器基于功率電路所連接的電網電壓Us與理想電網電壓的差值d在 所述Ux控制律中的位置，確定功率電路中投入工作的功率單元數。下面根據圖2 圖6給出本發明一個較佳的實施例，并結合對實施例的描述，進一 步給出本發明的技術細節，使其能夠更好地說明本發明所述方法的具體實現過程。如圖2所示，為本發明所述方法中功率電路的電路圖，所述功率電路包括N個功率 單元、LC濾波電路、變壓器和負載；其中，功率單元彼此串聯，各功率單元直流側理想電壓源Udl Utffl相等，均為ud， Kni Kn4為電力電子開關器件，u為功率電路輸出電壓，i為輸出電流，變壓器變比可以為 1 1，濾波參數為電感L和濾波電容C，上級電網電壓us，負載側電壓為ua。其中，u = UxUd ；式中，Ux為功率電路開關函數，由各功率單元的下級開關函數Uxi 決定:ux = Σ uxi i = 1,2... N ；N為串聯單元數，Uxi取值范圍為1，0，-1，當開關Kil和Ki4導通，Uxi取1，功率單元 i輸出電壓為+Ud ；Ki2和Ki3導通，Uxi取-1，功率單元i輸出電壓為-Ud ；其余時間功率單元 i保持一個開關管導通，Uxi取0。
根據電路圖進一步有
r di
u = L--Yu
dt c
,+ =Cd^ c dt
= K+K
IuC =Us~Uai為功率電路輸出電流瞬時量；U。、i。為電容電壓和電流；ia為變壓器原邊電流。定義跟蹤誤差Au = Uref-Ua,定義參考電壓信號;ref = ^Uref sinω ，其中ω t為
電網基波頻率信號，Uref為參考電壓有效值，實現對功率電路控制的目的在于使ua精確跟隨 參考電壓信號。具體的，如圖3所示，本發明所述方法包括以下步驟步驟S301、控制器采集功率電路中負載側電壓Ua，計算其與理想負載電壓的偏差
值 X1 = Au = Uref-Ua。步驟S302、計算所述偏差值X1的變化量，得到& = ^，基于X1和&構造切換函
at
數 s = loq+x” k > 0。根據所述&的變化量還可以得到電網電壓補償控制器模型，具體為
該模型簡潔地表明了控制系統受控的跟蹤誤差Au與控制作用UxUd之間的數學關 系；同時在該控制器模型中認為與電網有關的參數Us、與負載有關的參數ia以及參考信號 Uref均歸結為控制器外部擾動變量e。進一步的，構造切換函數s = kXl+X2后，還可以根據焱< 0 (其中處是對s進行微分 處理)時控制系統收斂，得到切換不等式
權利要求
1.一種多電平功率電路控制方法，其特征在于，包括A，控制器基于功率電路中負載側電壓，構造切換函數s = kxi+x2 ；式中k > 0，X1為負 載側電壓與理想負載電壓的差值；
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟B中控制器對切換函數s進行緩沖控制得到控制系統最大切換頻率
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述控制系統收斂條件為；切換 不等式為
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述開關函數Ux控制律為
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟D具體包括所述控制器采集功率電路所連接的電網電壓us，并計算Us與理想電網電壓的差值d，判 斷該差值d在所述控制律中所處的數據段，得到該數據段對應的開關函數ux，根據開關函數
6.一種控制器，其特征在于，包括函數構造模塊，用于基于功率電路中負載側電壓，構造切換函數S = kXl+X2 ；式中k > 0 ；X1為負載側電壓與理想負載電壓的差值；x2
7.如權利要求6所述的控制器，其特征在于，所述緩沖控制模塊對切換函數s進行緩沖控制得到控制系統最大切換頻率Fmax =F0
8.如權利要求6或7所述的控制器，其特征在于，所述邏輯判斷模塊中控制系統收斂條 件為；切換不等式為
9.如權利要求8所述的控制器，其特征在于，所述邏輯判斷模塊中得到的開關函數Ux 控制律為
10.如權利要求9所述的控制器，其特征在于，所述電路控制模塊包括 電壓采集子模塊，用于采集功率電路所連接的電網電壓Us ；誤差計算子模塊，用于計算所述Us與理想電網電壓的差值d ； 函數生成子模塊，用于判斷所述差值d在所述控制律中所處的數據段，得到該數據段 對應的開關函數ux;電路控制子模塊，用于根據得到的所述開關函數Ux的取值，確定功率電路中投入工作 的功率單元數。
全文摘要
本發明公開了一種多電平功率電路控制方法和裝置，所述方法包括A、控制器基于功率電路中負載側電壓，構造切換函數s＝kx1+x2；B、控制器對所述切換函數s進行緩沖控制；C、控制器利用緩沖控制后的切換函數s和控制系統收斂條件得到切換不等式，并基于該切換不等式進行邏輯判斷，得到開關函數ux的控制律；D、控制器基于功率電路所連接的電網電壓us與理想電網電壓的差值d在所述ux控制律中的位置，確定功率電路中投入工作的功率單元數。本發明所述裝置包括函數構造模塊、緩沖控制模塊、邏輯判斷模塊和電路控制模塊。本發明所述方法和裝置不僅能夠降低功率電路的開關頻率，還可以優化輸出波形。
文檔編號H02M7/49GK102064727SQ20111000171
公開日2011年5月18日 申請日期2011年1月6日 優先權日2011年1月6日
發明者喬建敏, 寇宗乾, 李學斌, 楊加生, 白莉, 趙興東, 鄭斌 申請人:中鐵建電氣化局集團有限公司, 北京中鐵建電氣化設計研究院有限公司