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一种高压级联的谐波电源装置及控制方法

阅读：1发布：2021-01-30

专利汇可以提供一种高压级联的谐波电源装置及控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提出的一种高压级联的谐波电源装置及控制方法，包括移相变压器，级联H桥功率单元和输出滤波单元；所述的H桥功率单元由输入至输出包括输入的三相整流桥，直流电容、输出H桥结构，还包括控制系统；所述的输出滤波单元包括电抗器和滤波电容滤波部分；输出谐波范围为2—50次谐波，输出谐波的最大电压为额定电压的10％，并且可同时可以输出两路谐波。可输出三相基波电压额定范围为0—10kv，并且有1.35倍电压过载能力，使用设备可以进行三相电压的高穿1.35倍和1.25倍和低穿及零穿试验，进行低穿试验的三相对称低穿20％额定电压波形。，下面是一种高压级联的谐波电源装置及控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高压级联的谐波电源装置，其特征在于，包括380V-690V的移相变压器、级联H桥功率单元和输出滤波单元；所述的H桥功率单元由输入至输出包括输入的三相整流桥，直流电容、输出H桥结构，还包括控制系统；
所述的输出滤波单元包括电抗器和滤波电容滤波部分；输出谐波范围为2—50次谐波，输出谐波的最大电压为额定电压的10％，并且可同时可以输出两路谐波。
2.权利要求1所述的一种高压级联的谐波电源装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在界面上直接给定输出目标电压和频率，电压控制器通过给定电压和反馈电压进行PI控制输出目标电压；
步骤二、电压控制环的输出作为电流控制环的输入给定，电流控制环通过输入和反馈电流进行PI控制；
步骤三、电流环的输出部分进行解耦控制，同时独立解耦的电流闭环控制实现同步旋转坐标系下的电流指令无静差跟踪，输出目标调制波；
步骤四、调制波通过PWM板下发到功率单元，功率单元的控制器驱动IGBT功率器件，输出目标电压；
其中：park变换部分角度由锁相环提供；
谐波控制器部分输出两路谐波，可以分别设置谐波电压值和频率；谐波控制器计算得到目标电压后，在调制波上叠加此电压作为最终输出；
其中谐波控制部分采用PR控制；其核心控制算法为：
PR控制器传递函数为：
ωc为截止频率,ω0为谐振频率,KP和KI均为常数。
3.根据权利要求1所述的一种高压级联的谐波电源装置的控制方法，其特征在于，系统输出连接变压器进行隔离和电压转换时，减小和消除直流分量部分的控制是非常必要的；
其电流中直流分量控制方法的实现方法为通过三相分别控制，每一相通过检测电流信号，经过低通滤波器后的电流为Ifb，与其给定的目标电流Iref进行比较,得到的差值Idelta进过PI控制器进行积分控制，积分输出部分进行限制幅度叠加到三相输出调制波；可以消除由于系统硬件采集运放电路零点漂移及逆变单元部分死区导致的输出的直流分量。

说明书全文

一种高压级联的谐波电源装置及控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种高压级联的谐波电源装置及控制方法。

背景技术

[0002] 谐波抑制和谐波补偿在国内有广泛的研究和应用。但是高压领域的电压谐波研究受限于谐波源的功能。同时无功补偿领域的电压高穿和低穿试验也受限于电源的控制，高压电网基本不可能完成电压的高穿和低穿试验，所以本装置的研制不仅可以解决谐波补偿领域缺少谐波源的问题，也可以适用于电压高低穿试验部分的电压波动及频率变化试验。

[0003] 电源系统中有变压器进行电压等级的转换或者隔离时，采用SPWM控制技术的电源或者逆变器输出有直流分量的时候会导致直流偏磁，会导致变压器铁芯饱和，增加损耗的同时会引起输出的畸变或者设备损坏。

[0004] 本发明正是在此背景下，在已有的理论研究支持下，展开此项技术的研究工作。

发明内容

[0005] 为了解决背景技术提出的问题，本发明提出的一种高压级联的谐波电源装置及控制方法，适用于高压电压谐波抑制领域的研究及高压高低穿试验。

[0006] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

[0007] 一种高压级联的谐波电源装置，包括移相变压器380V-690V，级联H桥功率单元和输出滤波单元；所述的H桥功率单元由输入至输出包括输入的三相整流桥，直流电容、输出H桥结构，还包括控制系统；

[0008] 所述的输出滤波单元包括电抗器和滤波电容滤波部分；输出谐波范围为2—50次谐波，输出谐波的最大电压为额定电压的10％，并且可同时可以输出两路谐波。

[0009] 所述的一种高压级联的谐波电源装置的控制方法，包括以下步骤：

[0010] 步骤一、在界面上直接给定输出目标电压和频率，电压控制器通过给定电压和反馈电压进行PI控制输出目标电压；

[0011] 步骤二、电压控制环的输出作为电流控制环的输入给定，电流控制环通过输入和反馈电流进行PI控制；

[0012] 步骤三、电流环的输出部分进行解耦控制，同时独立解耦的电流闭环控制实现同步旋转坐标系下的电流指令无静差跟踪，输出目标调制波；

[0013] 步骤四、调制波通过PWM板下发到功率单元，功率单元的控制器驱动IGBT功率器件，输出目标电压；

[0014] 其中：park变换部分角度由锁相环提供；

[0015] 谐波控制器部分能够输出两路谐波，可以分别设置谐波电压值和频率；谐波控制器计算得到目标电压后，在调制波上叠加此电压作为最终输出；

[0016] 其中谐波控制部分采用PR控制；其核心控制算法为：

[0017] PR控制器传递函数为：

[0018]

[0019] ωc为截止频率,ω0为谐振频率,KP和KI均为常数。

[0020] 进一步地，系统输出连接变压器进行隔离和电压转换时，变压器原边电压较小的直流电压分量，会有较大的直流电流环流，降低了电源系统的可靠性；减小和消除直流分量部分的控制是非常必要的；其电流中直流分量控制方法的实现方法为通过三相分别控制，每一相通过检测电流信号，经过低通滤波器后为Ifb，与其给定的目标电流Iref进行比较,得到的差值Idelta进过PI控制器进行积分控制，积分输出部分进行限制幅度叠加到三相输出调制波；可以消除由于系统硬件采集运放电路零点漂移及逆变单元部分死区导致的输出的直流分量。

[0021] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0022] 1、本发明可输出三相基波电压额定范围为0—10kv，并且有1.35倍电压过载能力，使用设备可以进行三相电压的高穿1.35倍和1.25倍和低穿及零穿试验，进行低穿试验的三相对称低穿20％额定电压波形；

[0023] 2、本发明对于有变压器连接的系统中输出部分的直流分量进行控制，防止变压器铁芯饱和和输出畸变，严重时导致设备损坏；

[0024] 3、本发明在电压控制及谐波电压控制和电压高低穿领域有着控制方便，结构简单，成本低等优点。附图说明

[0025] 图1系统拓扑结构图；

[0026] 图2功率单元部分结构；

[0027] 图3输出谐波电压图

[0028] 图4输出电压低穿20％的电压波形

[0029] 图5控制算法图；

[0030] 图6变压器直流偏磁抑制控制；

[0031] 图7变压器直流偏磁抑制输出电压谐波分析。

具体实施方式

[0032] 以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

[0033] 高压级联的谐波电源装置的基本拓扑结构如图1所示。系统由输入控制部分，移相变压器380V-690V，级联H桥功率单元部分、输出滤波部分，控制部分和通信及保护等组成。

[0034] 高压级联的谐波电源装置的基本功率单元组成如图2所示。其由四部分组成，输入的三相整流桥，直流电容、输出H桥结构和控制部分。

[0035] 高压级联的谐波电源装置输出部分由电抗器和滤波电容等滤波部分组成。

[0036] 本发明可输出谐波范围为2—50次谐波，输出谐波的最大电压为额定电压的10％，并且可同时可以输出两路谐波。输出50次谐波的电压波形如图3。

[0037] 本发明可输出三相基波电压额定范围为0—10kv，并且有1.35倍电压过载能力，使用设备可以进行三相电压的高穿1.35倍和1.25倍和低穿及零穿试验，进行低穿试验的三相对称低穿20％额定电压波形图4同时，其控制算法流程如图5。

[0038] 本发明对于有变压器连接的系统中输出部分的直流分量进行控制，防止变压器铁芯饱和和输出畸变，严重时导致设备损坏。其控制逻辑部分如图6。

[0039] 结合图1，图2，图5，图6说明本实施方式，系统输入可直接取用低压AC380v，380v经过移相变压器输出690v电压给功率单元供电，功率单元是H桥结构输出，每相由12个单元级联组成。系统共36个功率单元。输出部分经过连接滤波电抗器，再经过并联的RC滤波部分。

[0040] 控制算法中信号要经过以下几个步骤：

[0041] 1、在界面上直接给定输出目标电压和频率，电压控制器通过给定电压和反馈电压进行PI控制输出目标电压。

[0042] 2、电压控制环的输出作为电流控制环的输入给定，电流控制环通过输入和反馈电流进行PI控制。

[0043] 3、电流环的输出部分进行解耦控制，同时独立解耦的电流闭环控制实现同步旋转坐标系下的电流指令无静差跟踪，输出目标调制波。

[0044] 4、调制波通过PWM板下发到功率单元，功率单元的控制器驱动IGBT功率器件，输出目标电压。

[0045] 5、其中park变换部分角度由锁相环提供。

[0046] 6、谐波控制器部分可以输出两路谐波，可以分别设置谐波电压值和频率。谐波控制器计算得到目标电压后，在调制波上叠加此电压作为最终输出。

[0047] 7、其中谐波控制部分采用PR控制。其核心控制算法为：

[0048] PR控制器传递函数为：

[0049]

[0050] ωc为截止频率,对应差分表述形式为

[0051] y(k)＝b0u(k)+b1u(k-1)+b2u(k-2)-a1y(k-1)-a2y(k-2)

[0052] 其中y(k)是PR控制器的输出结果y(k-1)是PR控制器的上一次计算输出结果，u(k)是PR控制器的输入变量。表达式中的系数值为：

[0053]

[0054] ω为谐振频率；Ts为控制系统的采样周期。

[0055] 8、系统输出连接变压器进行隔离和电压转换时，变压器原边电压较小的直流电压分量，会有较大的直流电流环流，降低了电源系统的可靠性。减小和消除直流分量部分的控制是非常必要的。

[0056] 其电流中直流分量控制方法原理图如图6，实现方法为通过三相分别控制，每一相通过检测电流信号，经过低通滤波器后为Ifb，与其给定的目标电流Iref进行比较,得到的差值Idelta进过PI控制器进行积分控制，积分输出部分进行限制幅度叠加到三相输出调制波。可以消除由于系统硬件采集运放电路零点漂移及逆变单元部分死区导致的输出的直流分量。依照上述方法得到的控制效果为图7变压器直流偏磁抑制输出电压谐波分析[0057] 以上这些步骤均为通过DSP来进行算法控制和数据处理。

[0058] 以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

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