CN104300823A - 一种逆变器双输入功率独立调节的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逆变器双输入功率独立调节的装置及方法。三电平逆变器直流侧正负母线输入两路独立直流源，通过检测两路直输入源的功率，利用两路功率反馈，以及并网电流反馈，建立两路输入源的功率闭环控制环路和并网电流控制环路，输出调节三电平的驱动信号，实现两个输入直流源的功率独立控制，同时，加入解耦控制，减小环路间的相互影响。本发明实现了两组输入源的功率独立控制，使得三电平逆变器的正负母线输入源能运行在不同的工作点，扩展三电平逆变器的适用场合，提高两组输入源的利用率，同时保证三电平逆变器满足功率因数，并网谐波等并网要求，简单可靠，易实现。

Description

一种逆变器双输入功率独立调节的装置及方法

技术领域

本发明涉及逆变器的控制技术，尤其涉及一种逆变器双输入功率独立调节的装置及方法。

背景技术

逆变器是将直流电转换为交流电的装置，应用广泛。相比于两电平逆变器，三电平逆变器可以减小并网滤波器的体积，并且提高并网逆变器的效率。传统的三电平电路在正常工作时，正负母线往往保持相同工作电压，整体输出变换功率。目前，在新能源领域，三电平的应用越来越多，比如在光发电应用中，如果能够改变传统的工作方式，让三电平的正负母线独立工作在不同电压，三电平电路可以独立接入两路光伏组件，两组光伏组件各自做最大功率跟踪，并且通过逆变器输出功率。相比于正常的单组光伏组件接入三电平逆变器，采用两组光伏组件独立控制后，能够使得两组光伏组件各自工作在最大功率点，获得较大的功率输出，增加发电量，具有很高的经济效益。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种逆变器双输入功率独立调节的装置及方法。

一种逆变器双输入功率独立调节的装置是：第一输入和第二输入分别为三电平逆变器的正母线输入和负母线输入，三电平逆变器的输出连接电网，第一功率检测模块的输入连接第一输入的输出，用于检测第一输入的电压电流，第一功率检测模块的输出信号为第一输入的功率P₁，第二功率检测模块的输入连接第二输入的输出，用于检测第二输入的电压电流，第二功率检测模块的输出信号为第二输入的功率P₂，并网电流检测模块的输入端连接三电平逆变器的输出，用于检测逆变器输出的三相电流，并网电流检测模块的输出信号为并网电流d轴分量i_d与q轴分量i_q；

第一功率指令模块输出信号为第一输入的功率指令值P₁ ^*，第二功率指令模块输出信号为第二输入的功率指令值P₂ ^*，P₁ ^*与P₁的差值，加上P₂ ^*与P₂的差值，得到的信号作为第一调节器的输入，第一调节器的输出为并网电流d轴分量指令值i_d ^*，i_d ^*与并网电流d轴分量i_d相减，作为第二调节器的输入，第二调节器的输出减去第二解耦模块的输出，得到的信号为d轴占空比正序分量d_dp，连接到PWM调制器的输入，第二解耦模块的输入连接第三调节器的输出；

P₂ ^*与P₂的差值减去P₁ ^*与P₁的差值作为第三调节器的输入，第三调节器的输出加上第一解耦模块的输出，得到的信号为d轴占空比零序分量d_dz，连接到PWM调制器的输入，第一解耦模块的输入连接第二调节器的输出；

q轴电流指令模块的输出信号为并网电流q轴指令值i_q ^*，i_q ^*与并网电流q轴分量i_q相减，作为第四调节器的输入，第四调节器的输出减去第三解耦模块的输出，得到的信号为q轴占空比正序分量d_qp，连接到PWM调制器的输入，q轴零序分量指令模块输出信号为q轴零序分量指令值d_qz ^*，q轴零序分量指令模块输出分别连接第三解耦模块的输入和PWM调制器；

PWM调制器的输入信号分别为d轴占空比正序分量d_dp和零序分量d_dz，q轴占空比正序序分量d_qp和零序分量d_qz，PWM调制器的输出信号连接三电平逆变器。

所述的第一解耦模块，第二解耦模块，第三解耦模块的输出信号分别为解耦模块的输入信号乘以对应的解耦系数，实现环路间的解耦控制。

所述的PWM调制器的输出信号为输入的dq坐标系下的占空比的正序分量d_dp，d_qp和零序分量d_dz，d_qz按dq反变换生成对应的三电平逆变器三相占空比，作为三电平逆变器的驱动信号。

所述的d轴占空比正序分量d_dp对应的为三电平三相桥臂上管占空比d轴分量，q轴占空比正序分量d_qp对应的为三电平三相桥臂上管占空比q轴分量，d轴占空比零序分量d_dz对应的为三电平三相桥臂钳位管占空比d轴分量，q轴占空比正序分量d_dp对应的为三电平三相桥臂钳位管占空比q轴分量。

一种逆变器双输入功率独立调节的方法是：采样检测三电平逆变器的正负母线输入源的电压电流，得到第一输入功率P₁和第二输入功率P₂，第一功率指令值P₁ ^*与第一输入功率P₁的差值，加上第二功率指令值P₂ ^*与第二输入的功率P₂的差值，得到的信号通过第一调节器来调节输出得到并网电流d轴分量指令值i_d ^*，然后i_d ^*和并网电流d轴分量i_d做差通过第二调节器进行调节控制，第二调节器的输出的信号减去第二解耦模块的输出，得到三电平逆变器的d轴占空比正序分量d_dp，并网电流指令值q轴分量i_q ^*与并网电流q轴分量i_q做差通过第四调解器进行调节控制，第四调节器的输出的信号减去第三解耦模块的输出信号，得到三电平逆变器的q轴占空比正序分量d_qp，根据P₂ ^*与P₂的差值，减去P₁ ^*与P₁的差值，得到的差值通过第三调节器调节控制，第三调节器的输出加上第一解耦模块的输出，得到三电平逆变器的d轴占空比零序分量d_dz，q轴占空比零序分量d_qz通过指令值直接输出，d轴占空比正序分量d_dp与d轴占空比零序分量d_dz通过第一解耦模块和第二解耦模块进行解耦，第一解耦模块的输出信号为第二调节器的输出乘以对应解耦系数，第二解耦模块的输出信号为第三调节器的输出乘以对应解耦系数，q轴占空比正序分量d_qp与q轴占空比零序分量d_qz通过第三解耦模块进行解耦，第三解耦模块的输出为q轴零序占空比乘以对应解耦系数，PWM调制器根据占空比d_dp，d_qp，d_dz，d_qz输出三电平逆变器的开关驱动信号控制三电平逆变器。

本发明提出的逆变器双输入功率独立调节的方法，针对的为T型或NPC三电平逆变器，独立采样两组输入源的功率和总输出功率，分别对总输出功率和输入功率的功率差进行控制，实现了两组输入源的不同功率控制，能够提高两组输入源的利用率，同时保证三电平逆变器满足功率因数，并网谐波等并网要求，简单可靠，易实现。

附图说明

图1为逆变器双输入功率独立调节的装置框图；

图2为适用于本方法三电平逆变器主电路；

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明；

参见图1为本申请的一种逆变器双输入功率独立调节的装置，通过分别对三电平的正输入和负输入的功率进行闭环反馈控制，调节三电平逆变器对应的占空比，进而控制三电平逆变器的输入功率；

第一输入(1)和第二输入2分别为三电平逆变器3的正母线输入和负母线输入，三电平逆变器(3)的输出连接电网4，第一功率检测模块5的输入连接第一输入1的输出，用于检测第一输入1的电压电流，第一功率检测模块5的输出信号为第一输入1的功率P₁，第二功率检测模块6的输入连接第二输入2的输出，用于检测第二输入2的电压电流，第二功率检测模块6的输出信号为第二输入2的功率P₂，并网电流检测模块7的输入端连接三电平逆变器3的输出，用于检测逆变器输出的三相电流，并网电流检测模块7的输出信号为并网电流d轴分量i_d与q轴分量i_q；

第一功率指令模块9输出信号为第一输入的功率指令值P₁ ^*，第二功率指令模块8输出信号为第二输入的功率指令值P₂ ^*，P₁ ^*与P₁的差值，加上P₂ ^*与P₂的差值，得到的信号作为第一调节器10的输入，第一调节器10的输出为并网电流d轴分量指令值i_d ^*，i_d ^*与并网电流d轴分量i_d相减，作为第二调节器11的输入，第二调节器11的输出减去第二解耦模块14的输出，得到的信号为d轴占空比正序分量d_dp，连接到PWM调制器19的输入，第二解耦模块14的输入连接第三调节器12的输出；

P₂ ^*与P₂的差值减去P₁ ^*与P₁的差值作为第三调节器12的输入，第三调节器12的输出加上第一解耦模块13的输出，得到的信号为d轴占空比零序分量d_dz，连接到PWM调制器19的输入，第一解耦模块13的输入连接第二调节器11的输出；

q轴电流指令模块15的输出信号为并网电流q轴指令值i_q ^*，i_q ^*与并网电流q轴分量i_q相减，作为第四调节器17的输入，第四调节器17的输出减去第三解耦模块18的输出，得到的信号为q轴占空比正序分量d_qp，连接到PWM调制器19的输入，q轴零序分量指令模块16输出信号为q轴零序分量指令值d_qz ^*，q轴零序分量指令模块16输出分别连接第三解耦模块18的输入和PWM调制器19；

PWM调制器19的输入信号分别为d轴占空比正序分量d_dp和零序分量d_dz，q轴占空比正序序分量d_qp和零序分量d_qz，PWM调制器19的输出信号连接三电平逆变器3。

所述的第一解耦模块13，第二解耦模块14，第三解耦模块18的输出信号分别为解耦模块的输入信号乘以对应的解耦系数，实现环路间的解耦控制。

所述的PWM调制器19的输出信号为输入的dq坐标系下的占空比的正序分量d_dp，d_qp和零序分量d_dz，d_qz按dq反变换生成对应的三电平逆变器三相占空比，作为三电平逆变器的驱动信号。

所述的d轴占空比正序分量d_dp对应的为三电平三相桥臂上管占空比d轴分量，q轴占空比正序分量d_qp对应的为三电平三相桥臂上管占空比q轴分量，d轴占空比零序分量ddz对应的为三电平三相桥臂钳位管占空比d轴分量，q轴占空比正序分量d_dp对应的为三电平三相桥臂钳位管占空比q轴分量。

图2为适用于一种逆变器双输入功率独立调节的方法的主电路，可以为NPC三电平或者T型三电平逆变器，直流侧输入两路独立的直流源，本方法采样检测三电平逆变器的正负母线输入源的电压电流，得到第一输入功率P₁和第二输入功率P₂，第一功率指令值P₁ ^*与第一输入功率P₁的差值，加上第二功率指令值P₂ ^*与第二输入的功率P₂的差值，得到的信号通过第一调节器10来调节输出得到并网电流d轴分量指令值i_d ^*，然后i_d ^*和并网电流d轴分量i_d做差通过第二调节器11进行调节控制，第二调节器11的输出的信号减去第二解耦模块14的输出，得到三电平逆变器的d轴占空比正序分量d_dp，并网电流指令值q轴分量i_q ^*与并网电流q轴分量i_q做差通过第四调解器17进行调节控制，第四调节器17的输出的信号减去第三解耦模块18的输出信号，得到三电平逆变器的q轴占空比正序分量d_qp，根据P₂ ^*与P₂的差值，减去P₁ ^*与P₁的差值，得到的差值通过第三调节器12调节控制，第三调节器12的输出加上第一解耦模块13的输出，得到三电平逆变器的d轴占空比零序分量d_dz，q轴占空比零序分量d_qz通过指令值直接输出，d轴占空比正序分量d_dp与d轴占空比零序分量d_dz通过第一解耦模块13和第二解耦模块14进行解耦，第一解耦模块14的输出信号为第二调节器11的输出乘以对应解耦系数，第二解耦模块14的输出信号为第三调节器12的输出乘以对应解耦系数，q轴占空比正序分量d_qp与q轴占空比零序分量d_qz通过第三解耦模块18进行解耦，第三解耦模块18的输出为q轴零序占空比乘以对应解耦系数，PWM调制器根据占空比d_dp，d_qp，d_dz，d_qz输出三电平逆变器的开关驱动信号控制三电平逆变器。

工作原理：

首先通过检测三电平逆变器输入直流源的电压电流，电压乘以电流得到输入源各自的功率，检测三相并网电流，通过dq变换，得到并网电流的d轴分量和q轴分量，变换矩阵：

$\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)& \cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)& -\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right]$

根据设定的功率指令，分别将第一输入的功率指令与实际功率做差，第二输入的功率指令与实际功率做差，得到的两个误差信号相加，进行调节输出作为并网电流d轴分量的给定，采样并网电流，d轴电流的指令值i_d ^*与d轴电流i_d做差作为第二调节器的输入，第二调节器的输出信号减去第二解耦模块的输出，即第三调节器与对应解耦系数的乘积，得到的信号做为d轴占空比的正序分量d_dp，

第二输入指令功率与实际功率的误差值减去第一输入指令功率与实际功率的误差值，得到的结果作为第三调节的输入，第三调解器的输出加上第一解耦模块的输出，即第二调节器与对应解耦系数的乘积，得到的信号作为d轴占空比的零序分量d_dz，

并网电流指令值q轴分量i_q ^*与并网电流q轴分量i_q做差作为第四调节器的输入，第四调节器的输出减去第三解耦模块的输出，也即d_qz与对应解耦系数的乘积，得到的信号作为q轴占空比的正序分量d_qp，

PWM调制器根据上管的占空比和钳位管的占空比输出三电平逆变器的开关驱动信号控制三电平逆变器，三相上下管的驱动信号：A相上管驱动d_ap，B相上管驱动d_bp，C相上管驱动d_cp，A相下管驱动d_an，B相下管驱动d_bn，C相下管驱动d_cn

$\left[\begin{array}{c}{d}_{\mathrm{ap}}\\ d_{\mathrm{bp}}\\ d_{\mathrm{cp}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)& -\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)& \frac{1}{\sqrt{2}}\\ \cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \frac{1}{\sqrt{2}}\\ \cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{d}_{\mathrm{dp}}\\ d_{\mathrm{qp}}\\ d_{\mathrm{op}}\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{d}_{\mathrm{an}}\\ d_{\mathrm{bn}}\\ d_{\mathrm{cn}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)& -\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)& \frac{1}{\sqrt{2}}\\ \cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \frac{1}{\sqrt{2}}\\ \cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{-d}_{\mathrm{dp}}-d_{\mathrm{dz}}\\ -d_{\mathrm{qp}}-d_{\mathrm{qz}}\\ d_{\mathrm{on}}\end{array}\right]$

变量d_op的设定保证占空比d_ap，d_bp，d_cp大于零，变量d_on的设定为保证占空比d_an，d_bn，d_cn大于零，从而得到三电平的三相驱动，实现双输入逆变器的功率独立控制。

Claims (5)

1. 一种逆变器双输入功率独立调节的装置，其特征在于包括第一控制检测模块（5），第二功率检测模块（6），第一功率指令模块（9），第二功率指令模块（8），q轴电流指令模块（15），q轴零序占空比指令模块（16），并网电流检测模块（7），第一调节器（10），第二调节器（11），第三调节器（12），第四调节器（17），第一解耦模块（13），第二解耦模块（14），第三解耦模块（18），PWM调制器（19）；

第一输入（1）和第二输入（2）分别为三电平逆变器（3）的正母线输入和负母线输入，三电平逆变器（3）的输出连接电网（4），第一功率检测模块（5）的输入连接第一输入（1）的输出，用于检测第一输入（1）的电压电流，第一功率检测模块（5）的输出信号为第一输入（1）的功率P ₁ ，第二功率检测模块（6）的输入连接第二输入（2）的输出，用于检测第二输入（2）的电压电流，第二功率检测模块（6）的输出信号为第二输入（2）的功率P ₂ ，并网电流检测模块（7）的输入端连接三电平逆变器（3）的输出，用于检测逆变器输出的三相电流，并网电流检测模块（7）的输出信号为并网电流d轴分量i _d 与q轴分量i _q ；

第一功率指令模块（9）输出信号为第一输入的功率指令值P ₁ ^* ，第二功率指令模块（8）输出信号为第二输入的功率指令值P ₂ ^* ，P ₁ ^* 与P ₁ 的差值，加上P ₂ ^* 与P ₂ 的差值，得到的信号作为第一调节器（10）的输入，第一调节器（10）的输出为并网电流d轴分量指令值i _d ^* ，i _d ^* 与并网电流d轴分量i _d 相减，作为第二调节器（11）的输入，第二调节器（11）的输出减去第二解耦模块（14）的输出，得到的信号为d轴占空比正序分量d _dp ，连接到PWM调制器（19）的输入，第二解耦模块（14）的输入连接第三调节器（12）的输出；

P ₂ ^* 与P ₂ 的差值减去P ₁ ^* 与P ₁ 的差值作为第三调节器（12）的输入，第三调节器（12）的输出加上第一解耦模块（13）的输出，得到的信号为d轴占空比零序分量d _dz ，连接到PWM调制器（19）的输入，第一解耦模块（13）的输入连接第二调节器（11）的输出；

q轴电流指令模块（15）的输出信号为并网电流q轴指令值i _q ^* ，i _q ^* 与并网电流q轴分量i _q 相减，作为第四调节器（17）的输入，第四调节器（17）的输出减去第三解耦模块（18）的输出，得到的信号为q轴占空比正序分量d _qp ，连接到PWM调制器（19）的输入，q轴零序分量指令模块（16）输出信号为q轴零序分量指令值d _qz ^* ，q轴零序分量指令模块（16）输出分别连接第三解耦模块（18）的输入和PWM调制器(19)；

PWM调制器（19）的输入信号分别为d轴占空比正序分量d _dp 和零序分量d _dz ，q轴占空比正序序分量d _qp 和零序分量d _qz ，PWM调制器（19）的输出信号连接三电平逆变器（3）。

2.根据权利要求1所述的一种逆变器双输入功率独立调节的装置，其特征在于：所述的第一解耦模块（13），第二解耦模块（14），第三解耦模块（18）的输出信号分别为解耦模块的输入信号乘以对应的解耦系数，实现环路间的解耦控制。

3.根据权利要求1所述的一种逆变器双输入功率独立调节的装置，其特征在于：所述的PWM调制器(19)的输出信号为输入的dq坐标系下的占空比的正序分量d _dp ，d _qp 和零序分量d _dz ，d _qz 按dq反变换生成对应的三电平逆变器三相占空比，作为三电平逆变器的驱动信号。

4.根据权利要求1所述的一种逆变器双输入功率独立调节的装置，其特征在于：所述的d轴占空比正序分量d _dp 对应的为三电平三相桥臂上管占空比d轴分量，q轴占空比正序分量d _qp 对应的为三电平三相桥臂上管占空比q轴分量，d轴占空比零序分量d _dz 对应的为三电平三相桥臂钳位管占空比d轴分量，q轴占空比正序分量d _dp 对应的为三电平三相桥臂钳位管占空比q轴分量。

5.一种使用如权利要求1所述装置的一种逆变器双输入功率独立调节的方法，其特征在于：采样检测三电平逆变器的正负母线输入源的电压电流，得到第一输入功率P ₁ 和第二输入功率P ₂ ，第一功率指令值P ₁ ^* 与第一输入功率P ₁ 的差值，加上第二功率指令值P ₂ ^* 与第二输入的功率P ₂ 的差值，得到的信号通过第一调节器（10）来调节输出得到并网电流d轴分量指令值i _d ^* ，然后i _d ^* 和并网电流d轴分量i _d 做差通过第二调节器（11）进行调节控制，第二调节器（11）的输出的信号减去第二解耦模块（14）的输出，得到三电平逆变器的d轴占空比正序分量d _dp ，并网电流指令值q轴分量i _q ^* 与并网电流q轴分量i _q 做差通过第四调解器（17）进行调节控制，第四调节器（17）的输出的信号减去第三解耦模块（18）的输出信号，得到三电平逆变器的q轴占空比正序分量d _qp ，根据P ₂ ^* 与P ₂ 的差值，减去P ₁ ^* 与P ₁ 的差值，得到的差值通过第三调节器（12）调节控制，第三调节器（12）的输出加上第一解耦模块（13）的输出，得到三电平逆变器的d轴占空比零序分量d _dz ， q轴占空比零序分量d _qz 通过指令值直接输出，d轴占空比正序分量d _dp 与d轴占空比零序分量d _dz 通过第一解耦模块（13）和第二解耦模块（14）进行解耦，第一解耦模块（14）的输出信号为第二调节器（11）的输出乘以对应解耦系数，第二解耦模块（14）的输出信号为第三调节器（12）的输出乘以对应解耦系数，q轴占空比正序分量d _qp 与q轴占空比零序分量d _qz 通过第三解耦模块（18）进行解耦，第三解耦模块（18）的输出为q轴零序占空比乘以对应解耦系数，PWM调制器根据占空比d _dp ，d _qp ，d _dz ，d _qz 输出三电平逆变器的开关驱动信号控制三电平逆变器。