CN103973143A - 一种抑制三电平并网逆变器中点电位波动的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制三电平并网逆变器中点电位波动的控制方法。先从直流母线电容两端提取直流母线电压的信号，确定直流母线电容中点电位波动的估计值，直流母线电压的信号包括直流母线电压的跟踪值以及一阶和二阶的微分信号；利用非线性PI控制器，控制直流母线电压的参考值和实际值之差；由直流母线电容中点电位波动的估计值补偿逆变器直流母线电容中点电位的波动，得到逆变器的实际控制量。本发明降低三电平并网逆变器直流母线电容中点电位的不平衡程度，减小逆变器输出电流的谐波畸变，提高逆变器输出电能质量；减小逆变器开关器件所承受的电压，提高逆变器开关器件和分压电容的使用寿命；提高系统鲁棒性，抵抗不可测扰动对系统的不利影响。

Description

一种抑制三电平并网逆变器中点电位波动的控制方法

技术领域

本发明涉及一种逆变器控制方法，尤其是涉及一种抑制三电平并网逆变器中点电位波动的控制方法。

背景技术

新能源并网发电对于缓解能源短缺，改善生存环境，保障社会可持续发展起到了重要作用。逆变器作为新能源并网发电系统中的核心设备，其控制性能的优劣直接决定了并网系统的供电可靠性和电能质量。在所有并网逆变器拓扑结构中，二极管钳位式三电平并网逆变器是近年来发展较快的变流器，具有运行效率高、电压变化率小和谐波含量少等优点，在新能源并网发电、有源电力滤波器等领域得到了广泛应用。

然而，由于在直流母线端采用电容分压的形式，使得二极管钳位式三电平并网逆变器产生中点电位不平衡问题。中点电位不平衡不仅会增大输出电流的谐波畸变，而且会增加开关器件所承受的电压，甚至会损坏开关器件和分压电容。因此，如何改进三电平并网逆变器中点电位平衡控制方法以提高并网发电系统性能，对于新能源并网发电的大规模高效应用具有重要意义。

现有的中点电位平衡方法，主要通过改进逆变器空间矢量调制策略实现中点电位波动的抑制，属于间接控制方法，未能实现中点电位波动的直接补偿。寻找一种不依赖于系统精确数学模型，能够抑制中点电位波动，且能够抵御内外扰动的三电平并网逆变器控制方法，以代替现有的直接控制方法，实现直流母线电压的有效控制，成为了目前亟需解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种抑制三电平并网逆变器中点电位波动的控制方法，以达到减小三电平并网逆变器中点电位波动、提高系统可靠性和电能质量的目的。

本发明保留了经典PI控制器的“基于误差消除误差”的优点，同时是一种利用现代控制理论，并结合大量的仿真分析而得到的，可以抑制一定幅值范围的不可测中点电位扰动的鲁棒非线性控制器。

本发明的技术方案采用如下步骤：

1)对逆变器进行控制，首先从逆变器的直流母线电容两端提取直流母线电压的信号，确定逆变器直流母线电容中点电位波动的估计值，直流母线电压的信号包括直流母线电压的跟踪值以及一阶和二阶的微分信号；

2)然后利用非线性PI控制器，控制逆变器直流母线电压的参考值和实际值之差；

3)由步骤1)得到的直流母线电容中点电位波动的估计值补偿逆变器直流母线电容中点电位的波动，得到逆变器的实际控制量。

所述的步骤1)中的直流母线电压的信号通过三阶扩张状态观测器采用以下公式1进行提取并估计逆变器直流母线电容中点电位的波动，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ϵ}=z_1-u_{\mathrm{dc}}\\ {\mathrm{fe}}_1=\mathrm{fal}(\mathrm{\ϵ}.0.25,\mathrm{\δ}),{\mathrm{fe}}_2=\mathrm{fal}(\mathrm{\ϵ},0.125,\mathrm{\δ})\\ z_1(k+1)=z_1\left(k\right)+h(z_2\left(k\right)-{\mathrm{\β}}_{01}\mathrm{\ϵ}+\mathrm{bu})\\ z_2(k+1)z_2\left(k\right)+h\left({-\mathrm{\β}}_{02}{\mathrm{fe}}_1\right)\\ z_3(k+1)=z_3\left(k\right)+h\left({-\mathrm{\β}}_{03}{\mathrm{fe}}_2\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，u_dc为逆变器直流母线电压实际值，z₁为u_dc的跟踪值，z₂为中点电位波动的估计值，z₃为除了中点电位波动以外其他扰动的估计值，ε为z₁与u_dc之差，β₀₁、β₀₂、β₀₃分别为第一、第二、第三三阶扩张状态观测器待调参数，u为控制逆变器的控制量，b为控制量u的增益；fal(·)为参考文献“韩京清.非线性PID控制器[J].自动化学报,1994,20(4),487-490”中定义的函数，δ为ε的阀值，k表示z₁、z₂、z₃变量的第k步运算，h为采样步长。

所述的步骤2)中的逆变器直流母线电压的参考值和实际值之差ε₁通过非线性PI控制器采用以下公式2进行控制，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_1=u_{\mathrm{dc}}^{*}-u_{\mathrm{dc}},{\mathrm{\ϵ}}_2=\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ϵ}}_1\\ u_0={\mathrm{\β}}_1{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\β}}_2{\mathrm{\ϵ}}_2^{2/3}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，为逆变器直流母线电压参考值，ε₁为与u_dc之差，ε₂为ε₁的累加值，u₀为非线性PI控制器输出的控制量，β₁、β₂分别为第一、第二非线性PI控制器待调参数。

所述的步骤3)中的逆变器直流母线电容中点电位波动的估计值补偿逆变器直流母线电容中点电位的波动，通过补偿器采用以下公式3进行补偿，得到逆变器的实际控制量u：

$u=\frac{u_0-z_2-z_3}{b}---\left(3\right)$

其中，u为逆变器的实际控制量。

所述的控制量u的增益b取1。

本发明具有的有益的效果是：

降低三电平并网逆变器直流母线电容中点电位的不平衡程度，减小逆变器输出电流的谐波畸变，提高逆变器输出电能质量；减小逆变器开关器件所承受的电压，提高逆变器开关器件和分压电容的使用寿命；提高系统鲁棒性，抵抗不可测扰动对系统的不利影响。

附图说明

图1为本发明方法的控制流程逻辑图。

图2为本发明背景技术的系统拓扑结构图。

图3为本发明三电平并网逆变器中电电位波动模型框图。

图4为本发明三电平并网逆变器直流侧等效电路图。

图5为实施例满载(10kW)稳定运行时的图实验截图。

图6为实施例三电平并网逆变器输入功率突增时的实验截图。

图7为实施例三电平并网逆变器输入功率突减时的实验截图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括以下步骤：

1)对逆变器进行控制，首先从逆变器的直流母线电容两端提取直流母线电压的信号，确定逆变器直流母线电容中点电位波动的估计值，直流母线电压的信号包括直流母线电压的跟踪值以及一阶和二阶的微分信号；

2)然后利用高效的非线性PI控制器，控制逆变器直流母线电压的参考值和实际值之差；

3)由步骤1)得到的直流母线电容中点电位波动的估计值补偿逆变器直流母线电容中点电位的波动，得到逆变器的实际控制量，进而抑制中点点位波动。

上述步骤1)中的直流母线电压的信号通过三阶扩张状态观测器采用以下公式1进行提取并估计逆变器直流母线电容中点电位的波动，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ϵ}=z_1-u_{\mathrm{dc}}\\ {\mathrm{fe}}_1=\mathrm{fal}(\mathrm{\ϵ}.0.25,\mathrm{\δ}),{\mathrm{fe}}_2=\mathrm{fal}(\mathrm{\ϵ},0.125,\mathrm{\δ})\\ z_1(k+1)=z_1\left(k\right)+h(z_2\left(k\right)-{\mathrm{\β}}_{01}\mathrm{\ϵ}+\mathrm{bu})\\ z_2(k+1)z_2\left(k\right)+h\left({-\mathrm{\β}}_{02}{\mathrm{fe}}_1\right)\\ z_3(k+1)=z_3\left(k\right)+h\left({-\mathrm{\β}}_{03}{\mathrm{fe}}_2\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，u_dc为逆变器直流母线电压实际值，z₁为u_dc的跟踪值，z₂为中点电位波动的估计值，z₃为除了中点电位波动以外其他扰动的估计值，ε为z₁与u_dc之差，β₀₁、β₀₂、β₀₃分别为第一、第二、第三三阶扩张状态观测器待调参数，u为控制逆变器的控制量，b为控制量u的增益；fal(·)为参考文献“韩京清.非线性PID控制器[J].自动化学报,1994,20(4),487-490”中定义的函数，δ为ε的阀值，k表示z₁、z₂、z₃变量的第k步运算，h为采样步长。

上述步骤2)中的逆变器直流母线电压的参考值和实际值之差ε₁通过非线性PI控制器采用以下公式2进行控制，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_1=u_{\mathrm{dc}}^{*}-u_{\mathrm{dc}},{\mathrm{\ϵ}}_2=\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ϵ}}_1\\ u_0={\mathrm{\β}}_1{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\β}}_2{\mathrm{\ϵ}}_2^{2/3}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，为逆变器直流母线电压参考值，ε₁为与u_dc之差，ε₂为ε₁的累加值，u₀为非线性PI控制器输出的控制量，β₁、β₂分别为第一、第二非线性PI控制器待调参数。

上述步骤3)中的逆变器直流母线电容中点电位波动的估计值补偿逆变器直流母线电容中点电位的波动，通过补偿器采用以下公式3进行补偿，得到逆变器的实际控制量u：

$u=\frac{u_0-z_2-z_3}{b}---\left(3\right)$

其中，u为逆变器的实际控制量。

具体实施中，上述公式1中的控制量u的增益b可取1。

本发明尤其适用于三电平并网逆变器的中点电位波动控制。

本发明的步骤1)三阶扩张状态观测器不仅可以提取三电平并网逆变器直流母线电压的跟踪值和中点电位波动、其他扰动信号的估计值，还可以通过将能够影响系统直流母线电压的扰动作用扩张成新的状态变量，并用特殊的反馈机制来建立能够观测被扩张的状态，进而实现影响系统稳定运行的其他不可测扰动的估计。

本发明的步骤2)是一种非线性误差反馈控制律。本发明的反馈控制器(即为非线性PI控制器)是一种含有比例作用和积分作用的高效非线控制误差的控制器，以克服积分控制所固有的积分饱和作用及其对系统响应快速性和稳定性的不利影响，同时实现三电平并网逆变器直流母线电压的有效控制。

本发明的步骤3)是一种扰动补偿器，用于实现三电平并网逆变器中点电位波动和含有的所有扰动的补偿，从而提高系统的鲁棒性。

本发明基于具有开关应力低、器件损耗小、输出电流谐波较小等特点的二极管箝位式三电平光伏并网逆变器作为主电路拓扑结构，见附图2。

本发明针对中小功率(10～50kW)三电平并网逆变器，基于二极管箝位式三电平并网逆变器作为主电路拓扑结构，本发明方法应用于该逆变器的控制之中，见附图2。

新能源作为三电平并网逆变器的输入直流电源接于正负极之间。电解电容C₁、C₂作为稳压滤波电容并接于直流母线两端，C_dc＝C₁//C₂；三电平并网逆变器每相桥臂分别由4个开关管S₁-S₄串联接于直流母线两端，每个开关管两端反并联一个二极管D₁-D₄，由每相桥臂的中点引出A、B、C三个相线，分别经由逆变器侧滤波电感L和滤波电容C构成的LC滤波器接入三相电网；每相桥臂各有两个串联箝位二极管D₅和D₆接于上面两个开关管和下面两个开关管之间，每个中点与两串联电容的中点相连。

根据如图3所示的三电平并网逆变器中点电位小信号模型，建立如图4所示的直流侧等效电路图，得到该主电路拓扑结构直流母线电压的状态方程的模型，如下所示：

$\stackrel{.}{x}=-\frac{2}{R_e{C}_{\mathrm{de}}}x+\frac{1}{C_{\mathrm{de}}}u+w$

式中，x＝u_dc，w＝(u_o+i_s)/C_dc为扰动量，u_o为直流母线电容中点电压，i_s为逆变器直流侧直流电源输出电流，R_e为线路、滤波电感和滤波电容等效阻抗之和，C_dc为直流母线电容。

上式为逆变器直流母线电压在实际工况下的模型，该模型是实现逆变器直流母线电压中点电位控制的重要理论依据。

本发明的具体实施例如下：

在10kW三电平并网逆变器样机上对本发明提出的控制方法进行了实验。试验参数如表1所示。

表1

通过示波器检测实验波形，通过精确功率分析仪分析实验数据，采用本发明提出的控制方法，所得实验数据：中点电位波动<±5V(满载，10kW)，直流母线电压变化率<4.5％(输入功率突变，)，中点电位变化率<3.2％(输入功率突变，)。

实验截图如下：

(1)三电平并网逆变器稳定运行时，在满载(10kW)下检测逆变器母线电压u_dc和中点电位电压u_o，如图5所示。由图5可以看出：本发明提出的方法不仅可以保证直流母线电压稳定控制，而且可以实现两个分裂电容上电压的均衡，同时抑制中点电位波动，使中点电位几乎为零，具有优良的稳态性能。

(2)三电平并网逆变器输入功率突变(包括突增和突减)下检测逆变器母线电压u_dc和中点电位电压u_o，如图6、图7所示。由图6、图7可以看出：本发明提出的方法可以实现直流母线电压的平稳过渡，同时保证了中点电位抑制效果，使系统具有较好的动态特性。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种抑制三电平并网逆变器中点电位波动的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)对逆变器进行控制，首先从逆变器的直流母线电容两端提取直流母线电压的信号，确定逆变器直流母线电容中点电位波动的估计值，直流母线电压的信号包括直流母线电压的跟踪值以及一阶和二阶的微分信号；

2)然后利用非线性PI控制器，控制逆变器直流母线电压的参考值和实际值之差；

3)由步骤1)得到的直流母线电容中点电位波动的估计值补偿逆变器直流母线电容中点电位的波动，得到逆变器的实际控制量。

2.根据权利要求1所述的一种抑制三电平并网逆变器中点电位波动的控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中的直流母线电压的信号通过三阶扩张状态观测器采用以下公式1进行提取并估计逆变器直流母线电容中点电位的波动，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&epsiv;}=z_1-u_{\mathrm{dc}}\\ {\mathrm{fe}}_1=\mathrm{fal}(\mathrm{\&epsiv;}.0.25,\mathrm{\&delta;}),{\mathrm{fe}}_2=\mathrm{fal}(\mathrm{\&epsiv;},0.125,\mathrm{\&delta;})\\ z_1(k+1)=z_1\left(k\right)+h(z_2\left(k\right)-{\mathrm{\&beta;}}_{01}\mathrm{\&epsiv;}+\mathrm{bu})\\ z_2(k+1)z_2\left(k\right)+h\left({-\mathrm{\&beta;}}_{02}{\mathrm{fe}}_1\right)\\ z_3(k+1)=z_3\left(k\right)+h\left({-\mathrm{\&beta;}}_{03}{\mathrm{fe}}_2\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，u_dc为逆变器直流母线电压实际值，z₁为u_dc的跟踪值，z₂为中点电位波动的估计值，z₃为除了中点电位波动以外其他扰动的估计值，ε为z₁与u_dc之差，β₀₁、β₀₂、β₀₃分别为第一、第二、第三三阶扩张状态观测器待调参数，u为控制逆变器的控制量，b为控制量u的增益；fal(·)为参考文献“韩京清.非线性PID控制器[J].自动化学报,1994,20(4),487-490”中定义的函数，δ为ε的阀值，k表示z₁、z₂、z₃变量的第k步运算，h为采样步长。

3.根据权利要求1所述的一种抑制三电平并网逆变器中点电位波动的控制方法，其特征在于：所述的步骤2)中的逆变器直流母线电压的参考值和实际值之差ε₁通过非线性PI控制器采用以下公式2进行控制，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&epsiv;}}_1=u_{\mathrm{dc}}^{*}-u_{\mathrm{dc}},{\mathrm{\&epsiv;}}_2=\mathrm{\&Sigma;}{\mathrm{\&epsiv;}}_1\\ u_0={\mathrm{\&beta;}}_1{\mathrm{\&epsiv;}}_1+{\mathrm{\&beta;}}_2{\mathrm{\&epsiv;}}_2^{2/3}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，为逆变器直流母线电压参考值，ε₁为与u_dc之差，ε₂为ε₁的累加值，u₀为非线性PI控制器输出的控制量，β₁、β₂分别为第一、第二非线性PI控制器待调参数。

4.根据权利要求1所述的一种抑制三电平并网逆变器中点电位波动的控制方法，其特征在于：所述的步骤3)中的逆变器直流母线电容中点电位波动的估计值补偿逆变器直流母线电容中点电位的波动，通过补偿器采用以下公式3进行补偿，得到逆变器的实际控制量u：

$u=\frac{u_0-z_2-z_3}{b}---\left(3\right)$

其中，u为逆变器的实际控制量。

5.根据权利要求2所述的一种抑制三电平并网逆变器中点电位波动的控制方法，其特征在于：所述的控制量u的增益b取1。