CN105048845A - 一种抑制三电平逆变器并联零序环流的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制三电平逆变器并联零序环流的系统，通过三电平逆变器并联运行的方式，使系统的功率容量增大；在逆变器内部采用2MV1Z调制算法，不需要各并联逆变器载波同步就能够有效减少并联逆变器间的零序激励源，从而较好的抑制零序环流；同时采用中点电位控制的零序环流抑制方法，通过在一定范围内主动扰动中点电位，以抑制可能出现偏移的零序环流，具有控制算法简单，零序电流小的优点，同时能够减小共模电压，增加设备安全性。

Description

一种抑制三电平逆变器并联零序环流的系统

技术领域

本发明属于逆变器应用技术领域，更为具体地讲，涉及一种抑制三电平逆变器并联零序环流的系统。

背景技术

随着系统功率容量和耐压等级的不断增加，单台传统两电平逆变器已经不能满足实际应用要求，因此，衍生出三电平逆变器，三电平逆变器虽然能够在一定程度上增加系统的功率容量和耐压等级，但是仍无法满足大功率场合的应用。

针对当前的快速发展，一种有效的解决方法是采用三电平逆变器并联运行。但是对于有电流内环的并网逆变器来说，并联运行会有零序环流的产生，且零序环流会增加系统的损耗，降低系统效率，造成并联逆变器电流应力的不均衡和严重的电磁干扰，影响开关管的寿命。

下面具体描述一下零序环流产生具备的两个条件：1、要有零序的激励源；2、要有完整的零序环路。这就为我们抑制零序环流提供了想法和思路。国内外学者对此已经进行了大量的研究，并提出了多种方法，通常的思路包括切断零序环路、增大零序环路阻抗和减小零序激励源这三个方面：

1、切断零序环路：对应这种思路的常用办法是直流侧分别接独立电源和网侧通过变压器隔离两种方法。采用直流侧分别接独立电源的方法会增加系统成本，且不利于系统扩容；采用网侧通过变压器隔离的方法也会增加系统成本，同时变压器的引入也会降低系统的效率，所以实际一般不采用这两种方法。

2、增大零序环路阻抗：对应这种思路的常用办法是在并联变流器的每相之间添加一个对于零序环流高阻抗的电抗器，以达到抑制零序环流的目的。但是电抗器对低频的零序环流抑制有限，且电抗器的引入增加了系统成本和体积，降低了系统的效率，所以这种方法在实际应用中也很少采用。

3、减小零序激励源：采用这种思路的大部分控制策略都较复杂，不易实现，同时需要载波同步；且三电平的零序环路和零序激励源更复杂，目前对其并联系统零序环流抑制方法研究还很少。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种抑制三电平逆变器并联零序环流的系统，在基于中矢量调制和中点电位控制基础上，来抑制三电平逆变器并联时产生的零序环流。

为实现上述发明目的，本发明一种抑制三电平逆变器并联零序环流的系统，其特征在于，包括连接电网的N台三电平逆变器，其中，每台三电平逆变器又包括主电路和控制两部分，且均采用共交、直流母线的并联结构；

所述的主电路，包括零序环流抑制电路、三相三电平模块和LCL滤波器；零序环流抑制电路的输入端直接与直流电源相连接，其输出端与三相三电平模块的输入端相连接；三相三电平模块的输出端与LCL滤波器模块的输入端连接；LCL滤波器模块的输出端直接与公共电网相连；

其中，零序环流抑制电路由开关管S1、S2、S3、S4及电感L组成，它通过控制直流母线中点电位来抑制零序环流；三相三电平模块用于实现对直流电压的DC/AC逆变；LCL滤波器模块用于实现对并网波形滤波；

所述的控制部分，包括电流控制环模块、2MV1Z调制算法模块和零序环流抑制模块；

首先，电流传感器将采集得到三相电流i_a、i_b、i_c，有功电流给定和无功电流给定输入到电流控制环模块，得到参考电压v_α、v_β，从而计算出参考矢量V_ref的相角，即参考矢量相角θ，θ满足

其次，电压传感器采集得到直流侧电压U_dc，再将直流侧电压U_dc、参考电压v_α和v_β、参考矢量相角θ输入到2MV1Z调制算法模块，通过2MV1Z调制算法模块处理得到三相三电平模块对应开关管的驱动信号；

最后，将电压传感器采集得到直流侧正负母线电容电压差ΔU和三相电流i_a、i_b、i_c相加，得到零序环流i_z并输入到零序环流抑制模块，通过零序环流抑制模块处理得到零序环流抑制电路的驱动信号。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明抑制三电平逆变器并联零序环流的系统，通过三电平逆变器并联运行的方式，使系统的功率容量增大；在逆变器内部采用2MV1Z调制算法，不需要各并联逆变器载波同步就能够有效减少并联逆变器间的零序激励源，从而较好的抑制零序环流；同时采用中点电位控制的零序环流抑制方法，通过在一定范围内主动扰动中点电位，以抑制可能出现偏移的零序环流，具有控制算法简单，零序电流小的优点，同时能够减小共模电压，增加设备安全性。

附图说明

图1是本发明抑制三电平逆变器并联零序环流的系统原理框图；

图2是图1所示主电路拓扑结构原理框图；

图3是图1所示电流控制环原理图；

图4是图1所示2MV1Z调制算法模块空间矢量分布图结构图；

图5是图1所示零序环流抑制模块原理图；

图6是本发明基于中矢量调制和中点电位控制的零序环流波形图；

图7是本发明基于中矢量调制和中点电位控制的中点电位波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明抑制三电平逆变器并联零序环流的系统原理框图。

在本实施例中，本发明一种抑制三电平逆变器并联零序环流的系统，包括连接电网的N台三电平逆变器，其中，每台三电平逆变器又包括主电路和控制两部分，且均采用共交、直流母线的并联结构。

在本实施例中，如图1所示，以两台T型三电平逆变器并联为例，在每台T型三电平逆变器的主电路中，包括零序环流抑制电路、三相三电平模块和LCL滤波器；

主电路的拓扑结构如图2所示，其中，零序环流抑制电路的输入端直接与直流电源相连接，其输出端与三相三电平模块的输入端相连接；三相三电平模块的输出端与LCL滤波器模块的输入端连接；LCL滤波器模块的输出端直接与公共电网相连；

其中，零序环流抑制电路通过控制直流母线中点电位抑制零序环流；三相三电平模块用于实现对直流电压的DC/AC逆变；LCL滤波器模块用于实现对并网波形滤波。

如图1所示，在每台T型三电平逆变器的控制部分，包括电流控制环模块、2MV1Z调制算法模块和零序环流抑制模块；其中，电流控制环模块是采用同步旋转坐标系下，基于PID调节器的电流闭环控制方式，从而控制三相三电平模块实现DC/AC的逆变；而零序环流抑制模块是采用基于PID调节器的双闭环控制方式。

当两台并联逆变器并网启动后，首先，利用电流传感器采集三相电流i_a、i_b、i_c，再将采集三相电流i_a、i_b、i_c、有功电流给定和无功电流给定输入到电流控制环模块；在电流控制环模块中，如图3所示，电流控制环模块先对采集得到的三相电流i_a、i_b、i_c进行abc-dq坐标变换，得到为dq坐标系下的d轴有功电流i_d和q轴无功电流i_q；再将i_d、i_q分别跟有功电流给定无功电流给定作差，经过PID运算处理得到输出指令电压v_d和v_q；最后将电压v_d和v_q经过坐标反变换，得到参考电压v_α、v_β，从而计算出参考矢量V_ref的相角，即参考矢量相角θ，θ满足 $\mathrm{\θ}=\arctan \frac{v_{\mathrm{\β}}}{v_{\mathrm{\α}}};$

其次，利用电压传感器采集直流侧电压U_dc，再将直流侧电压U_dc、参考电压v_α和v_β、参考矢量相角θ输入到2MV1Z调制算法模块；在2MV1Z调制算法模块中，如图4所示，2MV1Z调制算法模块进行如下处理：

1)、定义空间矢量V_mi,i＝0,1,…,6；在本实施例中，空间矢量的定义可以参考文献“三相T型三电平非隔离并网逆变器的研究_童鸣庭”，在此不再赘述；

2)、确定参考电压v_α和v_β所在扇区及对应扇区中参与合成的空间矢量

在本实施例中，首先需要构建一个默认的扇区表，在扇区表中存在6个扇区，即第I扇区～第VI扇区，扇区是按照相位角的大小划分；

表1是扇区表；

表1

在具体处理时：先输入参考电压v_α、v_β和参考矢量相角θ到2MV1Z调制算法模块，2MV1Z调制算法模块结合扇区表，根据参考矢量相角θ的大小判断参考电压v_α和v_β所在扇区及对应扇区中参与合成的空间矢量；

当-30°≤θ＜30°时，在扇区表中为第I扇区，选取空间矢量V_m6、V_m1、V_m0参与参考矢量的合成；

当30°≤θ＜90°时，在扇区表中为第II扇区，选取空间矢量V_m1、V_m2、V_m0参与参考矢量V_ref的合成；

当90°≤θ＜150°时，在扇区表中为第III扇区，选取空间矢量V_m2、V_m3、V_m0参与参考矢量V_ref的合成；

当150°≤θ＜210°时，在扇区表中为第IV扇区，选取空间矢量V_m3、V_m4、V_m0参与参考矢量V_ref的合成；

当210°≤θ＜270°时，在扇区表中为第V扇区，选取空间矢量V_m4、V_m4、V_m0参与参考矢量V_ref的合成；

当270°≤θ＜-30°时，在扇区表中为第VI扇区，选取空间矢量V_m5、V_m6、V_m0参与参考矢量V_ref的合成；

3)、结合直流电压U_dc，根据各扇区中参与合成的空间矢量的作用时间及矢量合成方式，输出得到三相三电平模块的驱动信号。

下面以参考电压v_α和v_β位于第I扇区为例进行说明：

当参考电压v_α和v_β位于第I扇区时，即参考矢量V_ref位于第I扇区，选取空间矢量V_m1、V_m2、V_m0参与参考矢量V_ref的合成；

首先根据伏秒数守恒定理可知一个开关周期T_s内参考矢量V_ref作用伏秒数等于空间矢量V_m1、V_m6和V₀作用伏秒数得到方程一：

V_m1T₁+V_m6T₆+V₀T₀＝V_refT_s(1)

其次，根据三个空间矢量V_m1、V_m6和V₀作用时间之和等于参考矢量V_ref的作用时间得到方程二：

T₁+T₆+T₀＝T_s(2)

最后由中矢量的模值可得方程三：

$\left|V_{m1}\right|=\left|V_{m6}\right|=\sqrt{3}{U}_{dc}/3---\left(3\right)$

综合上述三个由方程，由方程两端虚实部分别相等，可以得出三个空间矢量V_m1、V_m6和V₀作用时间T₁、T₆和T₀分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_1=2\left|V_{ref}\right|T_{s}sin(\mathrm{\θ}+\mathrm{\π}/6)/U_{dc}\\ T_6=2\left|V_{ref}\right|T_{s}sin(\mathrm{\π}/6-\mathrm{\θ})/U_{dc}\\ T_0=T_s-T_1-T_6\end{array}\right.$

其他扇区作用时间计算与此类似，这里不一一列出，最后得到各扇区的发波顺序如表2所示：

表2是各扇区的发波顺序表；

扇区	发波顺序
		I	Vm6→Vm1→V0→Vm1→Vm6
II	Vm1→Vm2→V0→Vm2→Vm1
		III	Vm2→Vm3→V0→Vm3→Vm2
IV	Vm3→Vm4→V0→Vm4→Vm3
		V	Vm4→Vm5→V0→Vm5→Vm4
VI	Vm5→Vm6→V0→Vm6→Vm5

表2

最后，利用电压传感器采集直流侧正负母线电容电压差ΔU，将采集到的电容电压差ΔU和三相电流i_a、i_b、i_c相加，得到零序环流i_z，再输入到零序环流抑制模块；

零序环流抑制模块采用基于PID调节器的双闭环控制方式，如图5所示，在限幅之前为外环，外环为零序环流控制环，当零序环流给定0和零序环流i_z的差值经过PID运算，PID运算的输出再经过限幅，得到内环中点电位控制环的指令值ΔU^*；

限幅之后为内环，通过中点电位控制内环，当外环输出的指令值ΔU^*与输入直流侧正负母线电容电压之差ΔU的差值经过PID运算后，输出得到中点电位控制电路对应开关管的驱动信号。

其中，零序环流i_z可为正、负两种；

当零序环流i_z为正时，利用中点电位控制电路驱动信号常闭零序环流抑制电路中的开关管S₁、S₂，同时利用中点电位控制电路驱动信号对开关管S₃、S₄进行开、关动作；

当零序环流i_z为负时，利用中点电位控制电路驱动信号常闭零序环流抑制电路中的开关管S₃、S₄，同时利用中点电位控制电路驱动信号对开关管S₁、S₂进行开、关动作。

图6和图7分别是本发明基于中矢量调制和中点电位控制的零序环流和中点电位波动仿真波形图。

本实施例中，给定每台逆变器额定功率10kW，母线电压650V，额定网侧相电压220V，电网频率50Hz；其中逆变器一网侧滤波电感L_g为0.2mH，逆变器二网侧滤波电感L_g为0.3mH；两台并联逆变器载波相位相差180°；且其中逆变器一满载，逆变器二半载；通过图6和图7的仿真波形图，可以看出零序环流几乎为零，并网电流波形质量好，且中点电位在很小的范围内波动，说明了本发明的有效性。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种抑制三电平逆变器并联零序环流的系统，其特征在于，包括连接电网的N台三电平逆变器，其中，每台三电平逆变器又包括主电路和控制两部分，且均采用共交、直流母线的并联结构；

所述的主电路，包括零序环流抑制电路、三相三电平模块和LCL滤波器；零序环流抑制电路的输入端直接与直流电源相连接，其输出端与三相三电平模块的输入端相连接；三相三相电平模块的输出端与LCL滤波器模块的输入端连接；LCL滤波器模块的输出端直接与公共电网相连；

其中，零序环流抑制电路由开关管S1、S2、S2、S4及电感L组成，它通过控制直流母线中点电位来抑制零序环流；三相三电平模块用于实现对直流电压的DC/AC逆变；LCL滤波器模块用于实现对并网波形滤波；

所述的控制部分，包括电流控制环模块、2MV1Z调制算法模块和零序环流抑制模块；

首先，电流传感器将采集得到三相电流i_a、i_b、i_c，有功电流给定和无功电流给定输入到电流控制环模块，得到参考电压v_α、v_β，从而计算出参考矢量相角θ，θ满足 $\mathrm{\θ}=\arctan \frac{v_{\mathrm{\β}}}{v_{\mathrm{\α}}};$

其次，电压传感器采集得到直流侧电压U_dc，再将直流侧电压U_dc、参考电压v_α和v_β、参考矢量相角θ输入到2MV1Z调制算法模块，通过2MV1Z调制算法模块处理得到三相三电平模块对应开关管的驱动信号；

最后，将电压传感器采集得到直流侧正负母线电容电压差ΔU和三相电流i_a、i_b、i_c相加，得到零序环流i_z并输入到零序环流抑制模块，通过零序环流抑制模块处理得到零序环流抑制电路的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的一种抑制三电平逆变器并联零序环流的系统，其特征在于，所述的电流控制环模块是采用同步旋转坐标系下，基于PID调节器的电流闭环控制方式，从而控制三相三电平模块实现DC/AC的逆变；其具体方法为：

2.1、将三相电流i_a、i_b、i_c经过坐标变化得到为dq坐标系下的d轴有功电流i_d和q轴无功电流i_q；

2.2、将i_d、i_q分别跟有功电流给定无功电流给定作差，经过PID运算处理得到输出指令电压v_d和v_q；

2.3、将电压v_d和v_q经过坐标反变换输出参考电压v_α和v_β。

3.根据权利要求1所述的一种抑制三电平逆变器并联零序环流的系统，其特征在于，所述的2MV1Z调制算法模块的处理方法为：

3.1、定义空间矢量V_mi,i＝1,…,6，其中V_m0为零矢量，V_m1～V_m6为中矢量；

3.2、确定参考电压v_α和v_β所在扇区及对应扇区中参与合成的空间矢量

输入参考电压v_α、v_β和参考矢量相角θ到2MV1Z调制算法模块，2MV1Z调制算法模块结合扇区表，根据参考矢量相角θ的大小判断参考电压v_α和v_β所在扇区及对应扇区中参与合成的空间矢量；

当-30°≤θ＜30°时，在扇区表中为第I扇区，选取空间矢量V_m6、V_m1、V_m0参与参考矢量的合成；

当30°≤θ＜90°时，在扇区表中为第II扇区，选取空间矢量V_m1、V_m2、V_m0参与参考矢量V_ref的合成；

当90°≤θ＜150°时，在扇区表中为第II扇区，选取空间矢量V_m2、V_m3、V_m0参与参考矢量V_ref的合成；

当150°≤θ＜210°时，在扇区表中为第IV扇区，选取空间矢量V_m3、V_m4、V_m0参与参考矢量V_ref的合成；

当210°≤θ＜270°时，在扇区表中为第V扇区，选取空间矢量V_m4、V_m4、V_m0参与参考矢量V_ref的合成；

当270°≤θ＜-30°时，在扇区表中为第VI扇区，选取空间矢量V_m5、V_m6、V_m0参与参考矢量V_ref的合成；

3.3、结合直流电压U_dc，根据各扇区中参与合成的空间矢量的作用时间及矢量合成方式，输出得到三相三电平模块的驱动信号。

4.根据权利要求1所述的一种抑制三电平逆变器并联零序环流的系统，其特征在于，所述的零序环流抑制模块采用基于PID调节器的双闭环控制方式；其中，外环为零序环流控制环，当零序环流给定0和零序环流i_z的差值经过PID运算，PID运算的输出再经过限幅，得到内环中点电位控制环的指令值ΔU^*；

中点电位控制内环，当外环输出的指令值ΔU^*与输入直流侧正负母线电容电压之差ΔU的差值经过PID运算后，输出得到中点电位控制电路对应开关管的驱动信号。

5.根据权利要求4所述的一种抑制三电平逆变器并联零序环流的系统，其特征在于，所述的零序环流i_z可为正、负两种；

当零序环流i_z为正时，利用中点电位控制电路驱动信号常闭零序环流抑制电路中的开关管S₁、S₂，同时利用中点电位控制电路驱动信号对开关管S₃、S₄进行开、关动作；

当零序环流i_z为负时，利用中点电位控制电路驱动信号常闭零序环流抑制电路中的开关管S₃、S₄，同时利用中点电位控制电路驱动信号对开关管S₁、S₂进行开、关动作。