CN102664549B - 一种基于功率器件开关分配的级联型逆变器电压平衡控制方法 - Google Patents

一种基于功率器件开关分配的级联型逆变器电压平衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于功率器件开关分配的级联型逆变器电压平衡控制方法，根据指令电流信号瞬时值ic *和并网电流瞬时值ic，由电流跟踪控制决定逆变器输出电压的升降，生成开关动作指令Ucup；根据并网电流瞬时值ic和开关动作指令Ucup，预测开关动作对级联单元直流侧输入功率的影响，生成直流侧输入功率预测信息Udcup；对直流侧电压Udc[n]进行采样，根据各级联单元直流侧电压的大小和直流侧输入功率预测信息，决定开关动作分配的优先权，将开关动作优先分配至直流侧电压最大或最小的级联单元，最终形成开关状态PWM[2n]；本发明能够消除各级联单元间直流侧电压不平衡现象，可提高装置可靠性，改善并网电流的电能质量。

Description

一种基于功率器件开关分配的级联型逆变器电压平衡控制方法
技术领域
本发明涉及逆变器的控制方法,特别是一种基于功率器件开关分配的级联型逆变器电压平衡控制方法。
背景技术
级联型逆变器主电路结构：以单相全桥逆变电路为级联单元，由多个级联单元在交流端直接串联，再经连接电抗器与电网相接，具有以下优点：所需器件数量少，不需要钳位器件；容易实现模块化，易于扩展，适用不同的电压等级，可应用于中高压电网无功补偿、谐波治理和大功率新能源并网。
目前，级联型逆变器广泛采用电压电流双闭环控制方法，生成电压调制信号；调制方法为载波移相脉宽调制，由一组移相的三角载波与调制信号相比较，生成多路PWM波，用于控制级联单元中功率器件的通断，载波移相脉宽调制能够保证各功率器件负荷平衡，以较低的开关频率实现补偿电流输出。
理论上，级联型静止同步补偿器和有源滤波器与电网只进行无功功率的交换，一个电网周期内交换的能量为零，但是由于功率器件并非理想器件，存在开关损耗，静止同步补偿器和有源滤波器需从电网获得一定的有功功率维持直流侧电压稳定，级联型逆变器各个级联单元直流侧电容相互独立，参数的分散性、开关损耗的不同以及脉冲延时的差异会造成直流侧电压不平衡。
直流侧电压不平衡现象，一方面，会影响装置输出电压和并网电流的谐波特性；另一方面，不平衡现象特别严重时，会造成一些级联单元直流侧电压过高，超出器件的电压应力，威胁到整个装置的安全运行。
针对直流侧电压不平衡，专利200310115393.2通过增加外部设备实现直流侧电压平衡控制，增加了投入和维护费用；专利200910062883.8提出一种分层控制的方法，上层控制实现总的功率控制，下层控制通过在上层控制的基础上叠加一个与电流方向平行的纯有功矢量，从而对各个级联单元进行有功功率再分配，使得各级联单元直流侧电压趋于平衡，但该方法控制参数多，难以调整，且直流侧平衡控制采用比例控制，无法完全消除直流侧电压不平衡现象。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于功率器件开关分配的级联型逆变器电压平衡控制方法，消除各级联单元直流侧电压不平衡现象。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于功率器件开关分配的级联型逆变器电压平衡控制方法，包括级联型逆变器，级联型逆变器分为单相级联型逆变器和三相级联型逆变器，单相级联型逆变器包括若干个级联单元组成的逆变模块，相邻的级联单元之间两两连接，第一个级联单元通过电感接入交流电源，最后一个级联单元接入交流电源；三相级联型逆变器包括三个并联的逆变模块，三个逆变模块分别通过电感接入三相电源；所述级联单元包括左右两个并联桥臂和一个直流侧电容值支路，直流侧电容支路与桥臂并联；所述桥臂包括两个串联的功率器件，该方法的步骤如下：
1）根据指令电流信号瞬时值ic *和并网电流瞬时值ic，由电流跟踪控制方法决定逆变器输出电压的升降，生成开关动作指令Ucup，Ucup的判定依据如下：如果ic(0) >ic(0) *，那么Ucup=1；如果ic(0)≤ic(0) *，那么Ucup=0，其中ic(0)、ic(0) *为本次采样时刻的并网电流瞬时值和指令电流瞬时值；；
2）对将执行开关动作的级联单元直流侧输入功率进行预测，生成预测信息Udcup，Udcup的判定依据如下：如果sign（ic）=1 且Ucup=1，那么Udcup=1；如果sign（ic）=0 且 Ucup=1，那么Udcup=0；如果sign（ic）=1 且Ucup=0，那么Udcup=0；如果sign（ic）=0且 Ucup=0，那么Udcup=1；sign（）为符号函数。
3）若直流侧输入功率预测信息Udcup为1，则级联单元按直流侧电压Udc[n]的升序排列；若直流侧输入功率预测信息Udcup为0，则级联单元按直流侧电压Udc[n]的降序排列；
4）由各级联单元动作标志位RorL[n]决定同一级联单元中左、右桥臂的排序，若第i个级联单元动作标志位RorL[i]为1，则该级联单元右桥臂排序先于左桥臂；若第i个级联单元动作标志位RorL[n]为0，则该级联单元左桥臂排序先于右桥臂，其中，i=1,2…n；
5）级联型逆变器各桥臂按上述排列顺序依次判定，若开关动作指令Ucup为1，则第一个开关状态为0的桥臂翻转为1，其余开关状态不变；若开关动作指令Ucup为0，则第一个开关状态为1的桥臂翻转为0，其余开关状态不变；若翻转的开关状态对应右桥臂，则该级联单元的动作标志位RorL[n]设置为0；若翻转的开关状态对应左桥臂，则该级联单元的动作标志位RorL[n]设置为1。
本发明的有益效果在于：本发明采用定时比较控制，控制参数少，易于数字实现，相对于载波移相调制方式，无需产生多路三角载波信号，逆变器并网电流跟踪效果良好，各级联单元直流侧电压平衡，各功率器件动作次数均衡，最高开关频率为控制时钟频率的1/4。
附图说明
图1为三相级联型逆变器主电路结构图；
图2为级联单元结构示意图；
图3为级联型有源滤波器的控制方法示意图；
图4为负载电流和有源滤波器投入后电网电流波形图；
图5为逆变器输出电压与电网电压波形图；
图6为10个级联单元直流侧电压波形图；
图7为同一级联单元左、右桥臂动作次数示意图。
具体实施方式
图1为三相级联型逆变器主电路结构图，以单相全桥逆变电路为级联单元，由n个级联单元在交流端直接串联组成一相链接，三相链接采用Y型连接，再经连接电抗器与电网相接，单相全桥逆变电路包括左右两个并联的桥臂和一个直流侧电容支路，每个桥臂由两个IGBT串联组成，电容支路与桥臂并联，每个级联单元经电压检测电路输出一路直流侧电压信号，输入两路来自控制系统的PWM信号，三相级联型逆变器可对非线性负载进行高压动态无功补偿和谐波治理，改善配电网电能质量。
图2为级联单元结构示意图，每个级联单元由两个半桥电路和直流侧电容组成，每个级联单元接受来自控制系统的两路PWM信号PWM[2i-1]、PWM[2i]，左桥臂两开关由PWM[2i-1]互补驱动，当PWM[2i-1]=1时，上管开通，下管截止；当PWM[2i-1]=0时，上管截止，下管开通；右桥臂两开关由PWM[2i]互补驱动，当PWM[2i]=1时，下管开通，上管截止；当PWM[2i]=0时，下管截止，上管开通。其中，i=1,2…n；每个级联单元的直流侧电压经电压检测电路输出至控制系统。
任取一相级联逆变模块作为研究对象，图3为一种适用于级联型有源滤波器的控制方法示意图，该控制方法同样适用于其他两相链接控制方法，只需将输入信号与输出信号作相应调整。
该控制方法由指令电流生成部分、电流跟踪控制部分和电压平衡控制部分组成。
1、指令电流生成部分比较各级联单元直流侧电压之和
Figure BDA0000169625041
与直流侧电压设定值Udc *，产生直流侧电压误差，经PI环节，生成有功电流幅值信号，与电网电压同步的单位正弦量相乘，产生与电网电压同相位的有功电流信号；检测负载电流，经补偿电流提取环节，获得补偿电流信号，补偿电流提取环节可采用基于瞬时无功理论的无功和谐波电流检测算法；有功电流信号与补偿电流信号叠加，产生逆变器指令电流信号ic *。
2、电流跟踪控制部分可采用滞环电流跟踪方法、定时比较的方法和三角波比较的方法。本实例中采用定时比较电流跟踪控制方法，每个时钟周期对逆变器并网电流ic进行采样，并与指令电流信号ic *进行比较，决定逆变器输出电压的升降，生成开关动作指令Ucup。
若并网电流ic大于指令电流ic *，则逆变器输出电压需要上升，以降低并网电流，设置开关动作指令Ucup为1,判据见式（1）
如果 (ic>ic *)  那么 Ucup=1     （1）
其中，ic、ic *为本次采样时刻的逆变器并网电流和指令电流瞬时值。
若并网电流ic小于指令电流ic *，则逆变器输出电压需要下降，以增加并网电流，设置开关动作指令Ucup为0, 判据见式（2）
如果 (ic≤ic *)  那么 Ucup=0      （2）
3、本发明提出的电压平衡控制部分首先对将执行开关动作的级联单元直流侧输入功率进行预测，生成预测信息Udcup。
若逆变器并网电流为正（即sign（ic）=1）且开关动作指令Ucup为1，则执行该开关动作的级联单元直流侧输入功率将增加，设置直流侧输入功率预测信息Udcup为1，判据见式（3）
如果 (sign（ic(0)）=1 且 Ucup=1)  那么 Udcup=1  （3）
若逆变器并网电流为正（即sign（ic）=0）且开关动作指令Ucup为1，则执行该开关动作的级联单元直流侧输入功率将减少，设置直流侧输入功率预测信息Udcup为0，判据见式（4）
如果 (sign（ic(0)）=0 且Ucup=1) 那么 Udcup=0  （4）
若逆变器并网电流为正（即sign（ic）=1）且开关动作指令Ucup为0，则执行该开关动作的级联单元直流侧输入功率将减少，设置直流侧输入功率预测信息Udcup为0，判据见式（5）
如果 (sign（ic(0)）=1且 Ucup=0)  那么 Udcup=0  （5）
若逆变器并网电流为正（即sign（ic）=0）且开关动作指令Ucup为0，则执行该开关动作的级联单元直流侧输入功率将增加，设置直流侧输入功率预测信息Udcup为1，判据见式（6）
如果 (sign（ic(0)）=0 且 Ucup=0)  那么 Udcup=1   （6）
4、若直流侧输入功率预测信息Udcup为1，则各级联单元按直流侧电压Udc[n]的升序排列；  若直流侧输入功率预测信息Udcup为0，则各级联单元按直流侧电压Udu[n]的降序排列。
5、若级联单元动作标志位RorL[n]为1，则同一级联单元中，右桥臂排序先于左桥臂；若各级联单元动作标志位RorL[n]为0，则同一级联单元中，左桥臂排序先于右桥臂。
6、开关状态PWM[2n]按照对应桥臂的排列顺序执行以下判定：若开关动作指令Ucup为1，则PWM[2n]中第一个为0的开关状态翻转为1；若开关动作指令Ucup为0，则PWM[2n]中第一个为1的开关状态翻转为0。若翻转的开关状态对应右桥臂，则该级联单元的动作标志位RorL[n]设置为0，下周期执行判定时，左桥臂先于右桥臂；若翻转的开关状态对应左桥臂，则该级联单元的动作标志位RorL[n]设置为1，下周期执行判定时，右桥臂先于左桥臂。
动作标志位RorL[n]的引入，有助于左、右两桥臂开关次数均衡。
图4、图5、图6、图7为本发明效果图。
图4为负载电流和有源滤波器投入后电网电流波形图。电网负载为典型的可控整流负载，逆变器投入后电网电流波形接近正弦波。
图5为逆变器输出电压与电网电压波形图。
图6为10个级联单元直流侧电压波形图。由图可知，本发明提出的电流跟踪控制方法消除了直流侧电压不平衡现象。
图7为同一级联单元左、右桥臂动作次数示意图。由图可知，左、右桥臂动作次数均衡。

Claims (1)

1.一种基于功率器件开关分配的级联型逆变器电压平衡控制方法，包括级联型逆变器，该级联型逆变器为单相级联型逆变器或三相级联型逆变器，单相级联型逆变器包括若干个级联单元组成的逆变模块，相邻的级联单元之间两两连接，第一个级联单元通过电感接入交流电源正端/负端，最后一个级联单元接入交流电源负端/正端；三相级联型逆变器包括三个并联的逆变模块，三个逆变模块分别通过电感接入三相电源；所述级联单元包括左右两个并联桥臂和一个直流侧电容支路，直流侧电容支路与桥臂并联；所述桥臂包括两个串联的功率器件，其特征在于，该方法的步骤如下：
1）根据指令电流信号瞬时值 
Figure 2012101715905100001DEST_PATH_IMAGE002
和并网电流瞬时值，由电流跟踪控制方法决定逆变器输出电压的升降，生成开关动作指令
Figure 2012101715905100001DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 652752DEST_PATH_IMAGE006
的判定依据如下：如果 
Figure 133674DEST_PATH_IMAGE004
>，那么 =1；如果
Figure 2012101715905100001DEST_PATH_IMAGE008
，那么 
Figure 70089DEST_PATH_IMAGE006
=0，其中
Figure 337122DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 536023DEST_PATH_IMAGE002
为本次采样时刻的逆变器并网电流和指令电流瞬时值；
2）对将执行开关动作的级联单元直流侧输入功率进行预测，生成预测信息
Figure 2012101715905100001DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 267218DEST_PATH_IMAGE010
的判定依据如下：如果sign（
Figure 824364DEST_PATH_IMAGE004
）=1 且
Figure 578693DEST_PATH_IMAGE006
=1，那么=1；如果sign（
Figure 901407DEST_PATH_IMAGE004
）=0 且 
Figure 331252DEST_PATH_IMAGE006
=1，那么
Figure 572877DEST_PATH_IMAGE010
=0；如果sign（
Figure 910317DEST_PATH_IMAGE004
）=1 且 
Figure 553788DEST_PATH_IMAGE006
=0，那么
Figure 951272DEST_PATH_IMAGE010
=0；如果sign（
Figure 680193DEST_PATH_IMAGE004
）=0且 =0，那么=1；sign（）为符号函数；
3）若直流侧输入功率预测信息
Figure 580695DEST_PATH_IMAGE010
为1，则级联单元按直流侧电压
Figure 2012101715905100001DEST_PATH_IMAGE012
的升序排列；若直流侧输入功率预测信息
Figure 593650DEST_PATH_IMAGE010
为0，则级联单元按直流侧电压
Figure 476156DEST_PATH_IMAGE012
的降序排列；
4）由各级联单元动作标志位
Figure 2012101715905100001DEST_PATH_IMAGE014
决定同一级联单元中左、右桥臂的排序，若第i个级联单元动作标志位为1，则该级联单元右桥臂排序先于左桥臂；若第i个级联单元动作标志位
Figure 890957DEST_PATH_IMAGE014
为0，则该级联单元左桥臂排序先于右桥臂，其中，
Figure 2012101715905100001DEST_PATH_IMAGE018
；
5）级联型逆变器各桥臂按上述排列顺序依次判定，若开关动作指令
Figure 895822DEST_PATH_IMAGE006
为1，则第一个开关状态为0的桥臂翻转为1，其余开关状态不变；若开关动作指令
Figure 333756DEST_PATH_IMAGE006
为0，则第一个开关状态为1的桥臂翻转为0，其余开关状态不变；若翻转的开关状态对应右桥臂，则该级联单元的动作标志位
Figure 318155DEST_PATH_IMAGE014
设置为0；若翻转的开关状态对应左桥臂，则该级联单元的动作标志位
Figure 790725DEST_PATH_IMAGE014
设置为1。
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