电子器件投稿论文格式参考:大功率高频辅助电源整流级均压控制技术研究∗

关键词：大功率高频电源;整流级;均压控制;电源拓扑结构;辅助电源

作者：刘芬;徐光辉

作者单位：荆州职业技术学院;湖北工业大学

　　摘要:大功率高频辅助电源分布不平衡会极大影响电网运行电压的稳定性,提出一种大功率高频辅助电源整流级均压控制技术。根据单级性二值逻辑开关函数以及基尔霍夫电压定律,获取电源电压的状态。利用Clarke变换获取大功率高频辅助电源之间的拓扑关系,生成电源整流级别电压控制规律。确定电源离散化直接功率的控制方案，对电源各个模块的功率实时重新分配,获取不平衡电压的补偿结果,实现大功率高频辅助电源整流级均压控制。实验结果表明:所提技术均压控制效果较好且适用范围广。

　　电源是电网的主要设备之一，固态的电源因自身具有质量轻以及体积小的特性，所以电源整流级电压控制能力至关重要。各模块所用电源之间的延时不同，导致整流级模块的主流电压均压不平衡。为了控制整流级均压，则需要对电压进行补偿，从而有效控制均压。

　　杨亮等分析电网电压的不平衡现象，在电压 - 光伏有功的基础上，得出不同初始相负载对线路配置灵敏度的影响，从而得出均压策略的关键，最后通过加强负载配置实现整流级均压控制。罗远峰等首先依据投入 / 切出划分电网状态，并对电压按从大到小的顺序排列；其次将设定的均压效果阈值和实际均压进行对比，得出电压控制器的输入，从而生成实际均压效果阈值，根据电流方向得出子模块投入差值，生成均压效果阈值关系式，以此计算出电压最小交换值，实现整流级均压控制。以上两种方法对电源整流级进行均压控制过程中，受大功率高频辅助电源自身功率等因素的影响，不能有效地掌握电源电压的变化规律，导致均压适用范围较小和均压控制效果不理想。

　　为了解决以上存在的问题，提出一种大功率高频辅助电源整流级均压控制技术。采用单级性二值逻辑开关函数以及基尔霍夫电压定律获取电源电压状态，基于 Clarke 变换获取大功率高频辅助电源拓扑关系，生成电源整流级别电压控制规律，对电源各个模块的功率实时重新分配，获取不平衡电压的补偿结果，实现大功率高频辅助电源整流级均压控制。

　　1 计算大功率高频辅助电源拓扑关系

　　在对大功率高频辅助电源的均压进行控制前，应提前对电源的拓扑结构进行分析，为了简便分析过程，设定电源中的三相电路的等效电阻表达式：

　　实际上，在级联方式下的各个电源模块间的直流侧电压出现的不平衡情况是因为每个模块自身得到的有功功率出现差异导致的，电源整流级均压在控制过程中因占空比的作用导致模块之间的电压不平衡。因此在对电源整流级均压控制过程中，需要对电源中的模块输入功率重新进行分配，保证电压的均衡，整流级均压控制均是使用电压电流双闭环，因此若含大功率高频辅助电源的电网运行稳定时，电压矢量的相角以及输入电流矢量的相位均是一样的。

　　基于含大功率高频辅助电源的电网整流器线性调制定理，得出电源的交流侧输入电压以及调制功率波矢量相位之间是线性联系，所以在均压控制过程中仅仅调节 d 轴上调制功率波矢量的分量，就可以完成电源有功功率的均衡分配，进而实现大功率高频辅助电源整流级的均压控制。

　　根据以上分析得出，对电源整流级进行均压控制就是对有功功率进行重新分配，因此需要根据参考值对其中的功率进行补偿，在保证总电压不变的原则下，得出第 n 个模块的均压控制补偿值(Delta d_{n})，其计算公式为：

　　3实验结果与分析

　　为了验证大功率高频辅助电源整流级均压控制技术的整体有效性，对其均压控制效果进行相关测试，并对所提方法、不平衡配电网均压控制策略方法 (文献 [4] 方法) 和全桥型子模块优化均压控制方法 (文献 [5] 方法) 进行比较。

　　3.1 实验环境

　　为了有效验证所提方法的能力，在 10kV/10Mvar 链式 STATCOM 的 PSCAD 仿真模型中进行相关试验，图 1 为实验模型的 PSCAD 仿真模型图。

　　实验接入的大功率高频辅助电源为采用纳米晶材料的主高频变压器。该电源的电路采用全桥全波输出，PWM 控制，闭环采样，软启动、过压、过流、过热保护，使电源得以稳定、可靠、安全地工作。均压控制的固定频率为 8kHz，STATCOM 与电源连接的电抗器结果为 4mH，电源的功率单元直流侧电容为 6000mF，直流电压标准值为 9.1kV，在理想状态下各个模块的功率直流电压是 958V。

　　实验主要从两个方面入手，分别是均压控制效果以及适用范围分析，在两种指标下对比三种方法的最终实验结果，根据实验结果详细证明所提方法的整流级均压控制能力。

　　3.2均压控制效果以及适用范围分析

　　通常情况下电源中各个模块的有功损耗在 2kW - 4kW 之间，为了确保所提方法的适用范围较广，选取因不同有功损耗而导致的电压失衡情况。

　　将 STATCOM 模型内 A 相第一个功率模块的直流侧位置并联 200Ω 电阻，其中的功耗为 3kW，模型中的其他模块均并联 5000Ω 的电阻，此电阻下的功耗为 120kW，获得进行均压控制的 A 相暂态电压，如图 2 所示。

　　由图 2 可知，在未对 A 相电压进行控制前，A 相的第一个功率模块因其功耗过大，导致直流电压偏离平均值，实验进行到 0.025s 时，A 相的功率与其余功率之间的直流电压偏差已经大于 100V。

　　利用上述三种方法分别得出暂态均压控制结果，实验结果如图 3 - 图 5 所示。

　　由图 3 可知，所提方法在 0.045s 内将所有发生不平衡的电压在短时间内拉回平均值，因此，运用所提方法控制电压均压效果明显；由图 4 和图 5 可知，不平衡配电网均压控制法和全桥型子模块优化均压控制法的暂态电压均压结果不理想，仅能将其中一部分不平衡的电压恢复成均压，在 0.045s 内未形成有效控制。由此证明所提方法的暂态均压能力更强。

　　为了进一步探究所提方法的使用范围，设定稳态控制实验时间为 9min，将所提方法运用到直流电压中进行测试，并与未测试前的直流稳态电压结果进行对比。其中，控制前的直流稳态电压如图 6 所示。

　　由图 6、图 7 的实验结果可知，未控制前的直流电压表现状态不平衡，偏差较大。根据图 7 的实验结果可知，经过所提方法均压控制后，电源电压在 9min 内一直处于电压平均值，因此证明所提方法能够实现暂态和稳态控制，且实用性更高，均压控制效果更好，使用范围广。

　　4 结束语

　　大功率电压补偿器经常因整流级电压不均匀出现闭锁以及跳闸现象，为此提出大功率高频辅助电源整流级均压控制技术，该技术首先对电源的拓扑结构进行分析；其次，生成离散化直接功率控制策略，最后得出不平衡电压补偿值，实现大功率高频辅助电源整流级均压控制，提高了均压适用范围以及均压控制效果，从而保证电源的稳定运行。