本发明提供一种级联H桥变换器耐受不对称电压暂降的单元个数设计方法，该方法首先由不对称电压暂降下各功率单元不控整流器桥臂导通特性得出不对称电压暂降下各功率单元直流侧平均电压表达式；利用直流侧平均电压表达式，依据级联H桥变换器输出额定电压、直流电压和调制比约束条件，从而确定耐受不对称电压暂降级联H桥变换器所需级联单元个数。本发明以提高级联H桥变换器自身电压暂降耐受能力为出发点，使其具备免疫不对称电压暂降能力，极大降低了电压暂降治理成本，易于实现。
1.一种级联H桥变换器耐受不对称电压暂降的单元个数设计方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一、获取级联H桥变换器输出侧额定电压UoN；
步骤二、确定IGBT电压等级，由IGBT耐压等级综合考虑安全性，进而确定各功率单元直流侧额定电压UdcN；
步骤三、确定当电网侧出现不对称电压暂降时，级联H型变换器各功率单元直流侧电压平均变化量k；
步骤四、结合UoN、UdcN与k，由级联H桥变换器输出额定电压调制比约束条件，确定级联H桥变换器耐受不对称电压暂降所需要的功率单元数目；
所述步骤三中，电网出现不对称电压暂降时，三相不控整流转变为单相不控整流，输入交流电压为 U2N为移相变压器二次侧额定电压，U2N＝UdcN/1.35，其中 为移相变压器移相角，此时，各功率单元直流侧电压 0.9≤Kd≤1.414，各功率单元直流电压平均值变化量k满足： 其计算过程如下：
2.如权利要求1所述的级联H桥变换器耐受不对称电压暂降的单元个数设计方法，其特征在于：所述步骤二中，根据H桥变换器常用IGBT功率器件的电压等级，结合H桥变换器综合成本、控制复杂度及应用场景，确定IGBT耐压等级，然后由IGBT耐压等级综合考虑安全性，确定各功率单元直流侧额定电压UdcN。
3.如权利要求1所述的级联H桥变换器耐受不对称电压暂降的单元个数设计方法，其特征在于：一般Kd取为1.2，当Kd取为1.2时，k≈0.85。
4.如权利要求1所述的级联H桥变换器耐受不对称电压暂降的单元个数设计方法，其特征在于：所述步骤四中，结合UoN、UdcN与k，由级联H桥变换器输出额定电压调制比约束条件m≤1，确定级联H桥变换器耐受不对称电压暂降所需要的功率单元数目N：不对称电压暂降下，调制比 N表示为 由m
≤1可知，为耐受不对称电压暂降所需的级联单元个数 根据单元
5.如权利要求1所述的级联H桥变换器耐受不对称电压暂降的单元个数设计方法，其特征在于：所提出的级联单元个数设计方法适用于接于10kV配电网的级联H桥变换器，各级联单元整流器采用三相不控整流器，且调制方式为载波移相调制。
6.如权利要求1所述的级联H桥变换器耐受不对称电压暂降的单元个数设计方法，其特征在于：所述不对称电压暂降由母线近区发生两相金属性短路引起。
级联H桥变换器耐受不对称电压暂降的单元个数设计方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电力电子技术领域，具体是一种级联H桥变换器耐受不对称电压暂降的单元个数设计方法。
背景技术
[0002] 级联H桥变换器由于拥有高电压等级、高功率等级、高波形质量及高度模块化等显著优点，近几十年逐渐在诸多领域内获得广泛应用。在过去的几十年间级联H桥变换器相关的研究主要集中在级联H 桥变换器内部的功率平衡和能量交换问题与级联H桥变换器的调制方法和控制策略上。所作研究普遍基于电网电压为理想情况的前提，这简化了级联H桥变换器的研究难度。但电网中存在电压暂降等电能质量问题，会影响电力电子设备正常工作，故作为电力电子设备之一的级联H桥变换器会受到电压暂降影响。
[0003] 为了保护电力电子设备等以免受电压暂降的影响，目前的研究主要集中在如何设计SVC，D-STATCOM，DVR，UPQC等电压暂降补偿装置，但忽略了电力电子设备自身耐受暂降能力，增加了电压暂降治理成本。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种级联H桥变换器耐受不对称电压暂降(电网两相相间短路和两相接地短路时的电压暂降)的级联单元个数设计方法，利用级联H桥变换器自身电压暂降耐受能力，使其在不对称电压暂降下不需要其他电压暂降补偿装置仍能输出正常电压。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006] 一种级联H桥变换器耐受不对称电压暂降的单元个数设计方法，以不对称电压暂降下级联H桥变换器每相中各功率单元直流侧电压之和仍然大于级联H桥变换器输出电压幅值为目标，给出级联数N 与移相变压器二次侧额定相电压U2N的约束条件，从而得到为耐受不对称电压暂降级联H桥变换器功率单元所需数，具体包括如下步骤：
[0007] 步骤一、获取级联H桥变换器输出侧额定电压UoN；
[0008] 步骤二、确定IGBT电压等级，由IGBT耐压等级综合考虑安全性，进而确定各功率单元直流侧额定电压UdcN；
[0009] 步骤三、确定当电网侧出现不对称电压暂降时，级联H型变换器各功率单元直流侧电压平均变化量k；
[0010] 步骤四、结合UoN、UdcN与k，由级联H桥变换器输出额定电压调制比约束条件，确定级联H桥变换器耐受不对称电压暂降所需要的功率单元数目。
[0011] 进一步的，所述步骤二中，根据H桥变换器常用IGBT功率器件的电压等级，结合H桥变换器综合成本、控制复杂度及应用场景，确定IGBT耐压等级，然后由IGBT耐压等级综合考虑安全性，确定各功率单元直流侧额定电压UdcN。
[0012] 进一步的，所述步骤三中，电网出现不对成电压暂降时，三相不控整流转变为单相不控整流，输入交流电压为 U2N为移相变压器二次侧额定电压，U2N＝UdcN/1.35，其中 为移相变压器移相角，此时，各功率单元直流侧电压 0.9≤Kd≤1.414，，各功率单元直流电压平均值变化量k满足： 其计算过程如下：
[0013]
[0014] 进一步的，一般Kd取为1.2，当Kd取为1.2时，k≈0.85。
[0015] 进一步的，所述步骤四中，结合UoN、UdcN与k，由级联H桥变换器输出额定电压调制比约束条件m≤1，确定级联H桥变换器耐受不对称电压暂降所需要的功率单元数目N：
[0016] 不对称电压暂降下，调制比 N可表示为由m≤1可知，为耐受不对称电压暂降所需的级联单元个数 根据单
元冗余需求确定N值。
[0017] 进一步的，所提出的级联单元个数设计方法适用于接于10kV配电网的级联H桥变换器，各级联单元整流器采用三相不控整流器，且调制方式为载波移相调制。
[0018] 进一步的，所述不对称电压暂降由母线近区发生两相金属性短路引起。
[0019] 本发明的有益效果是：本发明充分考虑了相间电压暂降对H桥变换器的影响，实现级联H桥变换器具备免疫电网相间金属性直接短路时的不对称电压暂降能力，确保H桥变换器及其负载在电网出现不对称电压暂降时仍能正常运行，提高了系统运行可靠性，同时系统不需要添加其他电压暂降治理装置，降低了系统成本。
附图说明
[0020] 图1为本发明所用的级联H桥变换器拓扑结构图；
[0021] 图2为本发明所用的级联H桥变换器各功率单元拓扑结构图；
[0022] 图3为不对称电压暂降下级联H桥变换器电源侧、移相变压器二次侧、各功率单元直流侧以及级联输出侧电压波形图。
具体实施方式
[0023] 下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0024] 图1是本发明的实施例中级联H桥变换器的拓扑结构，包括多绕组移相变压器和多个功率单元。功率单元拓扑结构如图2所示，包括三相不控整流器(D1-D6)和H桥逆变器(Q1-Q4)。多绕组移相变压器输出电压经过各功率单元中三相不控整流电路，作为各功率单元H桥逆变器的直流电源，各功率单元串联形成桥臂后采用PS调制方式为负载供电。
[0025] 下面结合实例对本发明级联H桥变换器耐受不对称电压暂降的级联个数设计方法作进一步说明，所述方法包括如下步骤：
[0026] 步骤一，获取级联H桥变换器的性能参数。
[0027] 本发明实施时的有关电气参数设置如下：
[0028] 级联H桥变换器输出侧额定电压UoN均为10kV。
[0029] 步骤二、本案例中，应用与中压的IGBT电压等级有1000V、1700V 和3300V，综合考虑成本、控制复杂度，本案例IGBT电压等级选为 1700V，考虑到一定的安全裕度，直流侧额定电压UdcN选取为900V。步骤三、电网出现不对成电压暂降时，可以得到在不对称电压暂降下级联H桥变换器直压平均跌落程度k≈0.85。
[0030] 步骤四、依据UoN＝10kV，UdcN＝900V，k＝0.85，由式 可以求出N≥11，考虑到一级冗余，本案例中N 最终取12，由Matlab/Simulink搭建模型，对级联单元个数设计方法的正确性进行验证。
[0031] 图3为不对称电压暂降下，级联H桥变换器电源侧，移相变压器二次侧，各功率单元直流侧与级联输出侧电压波形。
[0032] 图3(a)展示了不对称电压暂降下级联H桥变换器电源侧线电压波形，由图可见不对称电压暂降出现在0.1s时刻，
[0033] 图3(b)展示了不对称电压暂降下移相角 的移相变压器二次侧线电压波形，结合三相不控整流器各桥臂二极管导通特性，因此不对称电压暂降下各功率单元三相不控整流器可以等效为单相不控整流器。
[0034] 图3(c)给出了不对称电压暂降下级联H桥变换器单相中12个功率单元直流侧电压波形，在不对称电压暂降下，各功率单元直流侧电压随着为其供电的移相变压器移相角呈余弦变化，其变化规律与步骤三中给出的不对称电压暂降下各功率单元直流侧电压表达式一致。
[0035] 图3(d)给出了不对称电压暂降下由移相角 的移相变压器供电的功率单元直流侧电压波形与由步骤三给出的不对称电压暂降下级联H桥变换器直流侧平均电压表达式得出的理论值一致，结合图3(a)与图3(b)验证了本发明提出的不对称电压暂降下级联H 桥变换器各个功率单元直流侧电压计算公式是适用的。
[0036] 图3(e)为不对称电压暂降下级联H桥变换器输出侧线电压，由图3(e)可以看出在0.1s发生暂降时，变换器输出侧电压幅值略有下降，但在控制装置的作用下迅速恢复至额定值，故不对称电压暂降并不会对级联H桥变换器造成太大影响。
[0037] 故在由本发明提出的级联个数设计方案下级联H桥变换器具备免疫不对称电压暂降的能力。
[0038] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
