一种抑制无功环流的混合三电平变换器及其控制方法、装置、电子设备与流程

本发明涉及大功率高压电能变换，具体涉及一种抑制无功环流的混合三电平变换器及其控制方法、装置、电子设备。

背景技术：

1、在大功率高压电能变换领域，包含原边二极管中点钳位三电平桥臂与副边全桥的混合三电平变换器，凭借其良好的器件耐压降低能力与高频隔离特性得到了广泛应用。在系统实际运行中，有效抑制变换器高频链路内部的无功环流，是降低器件通态损耗、减少发热以及提高整机能量转换效率的重要环节。

2、然而，目前的混合三电平变换器控制策略在应对宽范围输入输出电压波动时，仍面临无功环流难以有效抑制以及容易丧失零电压开通特性的技术缺点。导致该问题的主要原因在于，现有的多自由度移相控制方法未能深入结合变换器实时端电压比与系统零电压开通临界条件之间的耦合制约机制。在实际运行中，由于未能根据交直流两端的实际运行电压去动态推导移相变量的合理运行区间，控制器在对总移相需求进行解耦分配时，往往缺乏对外移相角本身的上限限制，也缺乏对外移相角与内移相角之间关联比例的动态下限约束。这种脱离了实时电压比与物理软开关边界的分配机制，使得移相指令在非额定工况下容易越限，导致原副边桥臂开关器件脱离软开关可行域，进而激发出在隔离变压器两侧往复振荡的无功环流，增加了系统的整体损耗。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种抑制无功环流的混合三电平变换器及其控制方法、装置、电子设备，能够解决现有技术中混合三电平变换器在应对宽范围输入输出电压波动时，由于缺乏对移相变量的动态物理边界约束导致移相指令容易越限，进而引发系统无功环流并增加开关损耗的问题。

2、本发明一实施例提供了一种抑制无功环流的混合三电平变换器控制方法，所述混合三电平变换器包括原边二极管中点钳位三电平桥臂、隔离变压器以及副边全桥；所述控制方法包括：

3、获取混合三电平变换器的原边实际输入电压和副边实际输出电压；

4、根据原边实际输入电压、副边实际输出电压以及预设的隔离变压器变比，计算端电压比；根据副边实际输出电压和预设的参考输出电压，计算总移相需求；

5、根据预设的零电压开通临界条件和所述端电压比，确定外移相角占空比的上限阈值，以及外移相角占空比相较于内移相角占空比的关联下限；

6、根据总移相需求、上限阈值以及关联下限，计算目标内移相角占空比和目标外移相角占空比；其中，所述目标内移相角占空比为控制原边二极管中点钳位三电平桥臂内部开关管动作的移相变量；所述目标外移相角占空比为控制副边全桥的开关管相对于原边二极管中点钳位三电平桥臂的开关管进行跨桥延迟动作的移相变量；

7、根据目标内移相角占空比和目标外移相角占空比，生成原边驱动脉冲信号和副边驱动脉冲信号；利用原边驱动脉冲信号控制原边二极管中点钳位三电平桥臂动作，利用副边驱动脉冲信号控制副边全桥动作。

8、进一步的，根据原边实际输入电压、副边实际输出电压以及预设的隔离变压器变比，计算端电压比，包括：

9、根据预设的隔离变压器变比，对原边实际输入电压进行电压折算，生成等效折算电压；

10、根据等效折算电压以及副边实际输出电压，确定端电压比。

11、进一步的，根据副边实际输出电压和预设的参考输出电压，计算总移相需求，包括：

12、根据预设的参考输出电压以及副边实际输出电压，确定电压偏差值；

13、将电压偏差值输入至预设的闭环电压调节器进行调节处理，生成调节输出结果；

14、根据调节输出结果，确定总移相需求。

15、进一步的，根据预设的零电压开通临界条件和所述端电压比，确定外移相角占空比的上限阈值，以及外移相角占空比相较于内移相角占空比的关联下限，包括：

16、根据端电压比以及预设的零电压开通临界条件，构建目标工作模式下的软开关边界约束模型；

17、从软开关边界约束模型中，提取满足预设功率传输方向且维持零电压开通的最大外移相角占空比临界值，作为外移相角占空比的上限阈值；

18、基于软开关边界约束模型，确定保障开关器件零电压开通时，外移相角占空比跟随内移相角占空比动态变化的最小边界条件，将最小边界条件作为外移相角占空比相较于内移相角占空比的关联下限。

19、进一步的，根据总移相需求、上限阈值以及关联下限，计算目标内移相角占空比和目标外移相角占空比，包括：

20、基于上限阈值和关联下限，构建移相工作区间边界；

21、将总移相需求与移相工作区间边界进行比对，确定变换器当前所属的目标移相工作区间；

22、根据预设的移相工作区间与分配规则之间的映射关联，获取对应目标移相工作区间的目标分配规则；

23、基于目标分配规则对总移相需求进行解耦计算，生成目标内移相角占空比和目标外移相角占空比。

24、进一步的，根据目标内移相角占空比和目标外移相角占空比，生成原边驱动脉冲信号和副边驱动脉冲信号，包括：

25、提取预设的全局开关周期载波作为统一的相位基准；

26、基于相位基准，将目标内移相角占空比转换为原边桥臂内移相时间，并根据原边桥臂内移相时间配置原边二极管中点钳位三电平桥臂中内侧开关管与外侧开关管的动作时序差，生成原边驱动脉冲信号；

27、将目标外移相角占空比转换为原副边桥间移相时间，并以原边驱动脉冲信号的发波相位为起点，根据原副边桥间移相时间配置副边全桥开关管相对于原边二极管中点钳位三电平桥臂的延迟动作时序，生成副边驱动脉冲信号。

28、进一步的，利用原边驱动脉冲信号控制原边二极管中点钳位三电平桥臂动作，利用副边驱动脉冲信号控制副边全桥动作，包括：

29、将原边驱动脉冲信号分别施加至原边二极管中点钳位三电平桥臂的外侧开关管和内侧开关管的控制端，合成包含正电平、零电平与负电平序列的原边高频交流电压；

30、将副边驱动脉冲信号分别施加至副边全桥的各开关管的控制端，控制副边全桥按照预设的非对称导通时序执行开通与关断动作，合成对应的副边高频交流电压；

31、通过原边高频交流电压与副边高频交流电压在高频变压器原副边绕组间产生的电压差驱动有功功率传输。

32、在上述方法项实施例的基础上，本发明对应提供了装置项实施例。

33、本发明一实施例提供了一种抑制无功环流的混合三电平变换器控制装置，所述混合三电平变换器包括原边二极管中点钳位三电平桥臂、隔离变压器以及副边全桥；

34、所述控制装置包括：数据获取模块、参数计算模块、约束边界确定模块、占空比解耦计算模块和驱动控制模块；

35、所述数据获取模块，用于获取混合三电平变换器的原边实际输入电压和副边实际输出电压；

36、所述参数计算模块，用于根据原边实际输入电压、副边实际输出电压以及预设的隔离变压器变比，计算端电压比；根据副边实际输出电压和预设的参考输出电压，计算总移相需求；

37、所述约束边界确定模块，用于根据预设的零电压开通临界条件和所述端电压比，确定外移相角占空比的上限阈值，以及外移相角占空比相较于内移相角占空比的关联下限；

38、所述占空比解耦计算模块，用于根据总移相需求、上限阈值以及关联下限，计算目标内移相角占空比和目标外移相角占空比；其中，所述目标内移相角占空比为控制原边二极管中点钳位三电平桥臂内部开关管动作的移相变量；所述目标外移相角占空比为控制副边全桥的开关管相对于原边二极管中点钳位三电平桥臂的开关管进行跨桥延迟动作的移相变量；

39、所述驱动控制模块，用于根据目标内移相角占空比和目标外移相角占空比，生成原边驱动脉冲信号和副边驱动脉冲信号；利用原边驱动脉冲信号控制原边二极管中点钳位三电平桥臂动作，利用副边驱动脉冲信号控制副边全桥动作。

40、在上述方法项实施例的基础上，本发明对应提供了电子设备项实施例。

41、本发明一实施例提供了一种电子设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法项实施例中任一项所述抑制无功环流的混合三电平变换器控制方法。

42、本发明一实施例提供了一种抑制无功环流的混合三电平变换器，包括：原边二极管中点钳位三电平桥臂、高频隔离变压器以及副边全桥；

43、所述混合三电平变换器具有原边直流输入端，所述原边直流输入端的正极与负极之间接入有第一分压电容与第二分压电容，所述第一分压电容的第一端连接所述正极，所述第二分压电容的第二端连接所述负极，所述第一分压电容的第二端与所述第二分压电容的第一端相接以形成第一公共连接点；

44、所述原边二极管中点钳位三电平桥臂包括第一至第八开关管以及对应的钳位二极管，其中所述第一至第四开关管依次首尾相接构成超前桥臂，所述第五至第八开关管依次首尾相接构成滞后桥臂；

45、所述第一公共连接点不仅与所述原边二极管中点钳位三电平桥臂的钳位中点相接，且直接延伸连接至所述高频隔离变压器原边绕组的中心抽头端；

46、所述混合三电平变换器还包括等效谐振电感，所述等效谐振电感的第一端连接所述原边二极管中点钳位三电平桥臂的桥臂中点，所述等效谐振电感的第二端连接所述高频隔离变压器的原边绕组；

47、所述副边全桥包括第九至第十二开关管；所述混合三电平变换器还包括隔直电容，所述隔直电容的第一端连接所述高频隔离变压器的副边绕组，所述隔直电容的第二端连接所述副边全桥的输入中点；

48、所述混合三电平变换器具有副边输出端，所述副边输出端的正极与负极之间接入有第一输出滤波电容与第二输出滤波电容，所述第一输出滤波电容的第一端连接所述副边输出端的正极，所述第二输出滤波电容的第二端连接所述副边输出端的负极，以用于连接负载。

49、与现有技术对比，本发明具有如下有益效果：

50、本发明实施例提供一种抑制无功环流的混合三电平变换器及其控制方法、装置、电子设备。所述方法获取混合三电平变换器的原边实际输入电压和副边实际输出电压；根据原边实际输入电压、副边实际输出电压及隔离变压器变比计算端电压比，并结合参考输出电压确定总移相需求；依据零电压开通临界条件和端电压比确定外移相角占空比的上限阈值及其与内移相角占空比的关联下限；根据总移相需求计算目标内移相角占空比和目标外移相角占空比；基于目标内、外移相角占空比生成原边驱动脉冲信号和副边驱动脉冲信号，以控制原边三电平桥臂和副边全桥协同动作。

51、本发明通过实时计算端电压比并结合预设的零电压开通临界条件，动态确定了外移相角占空比的上限阈值以及外移相角占空比相较于内移相角占空比的关联下限，弥补了现有技术在宽压工况下缺乏动态物理边界约束的缺陷。在此基础上，本方案将总移相需求置于上述上限阈值与关联下限的制约下进行解耦计算，使得最终输出的目标内、外移相角占空比维持在软开关可行域内，从而有效抑制了因移相指令越限引发的无功功率环流，并降低了变换器的硬开关损耗。