CN105680712B - Shepwm控制电路、两台t型三电平shepwm逆变器并联系统及其方法 - Google Patents

Shepwm控制电路、两台t型三电平shepwm逆变器并联系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了SHEPWM控制电路、两台T型三电平SHEPWM逆变器并联系统及其方法，其中，两台T型三电平SHEPWM逆变器并联系统包括两台T型三电平逆变器，所述T型三电平逆变器的直流侧并联连接至同一台直流电压源，T型三电平逆变器的各个IGBT管均由SHEPWM控制电路驱动，T型三电平逆变器的交流侧经过滤波器滤波后并联连接来实现并网功能。

Description

SHEPWM控制电路、两台T型三电平SHEPWM逆变器并联系统及其 方法
技术领域
本发明属于逆变器领域，尤其涉及一种SHEPWM控制电路、两台T型三电平SHEPWM逆变器并联系统及其方法。
背景技术
伴随着光伏发电系统在内的分布式能源大规模接入低压配电网，电网对并网逆变器输出电流波形质量提出更高的要求，传统两电平并网逆变器很难满足大电网高电能质量要求。T型三电平并网逆变器的出现解决了上述问题，如图2所示，和传统两电平相比，该逆变器具有谐波小、开关损耗低、电磁干扰小等优点；和传统二极管钳位型三电平逆变器相比，该逆变器具有开关数目少、导通损耗小和功率损耗均匀等优点；且T型三电平逆变器开关频率在4kHZ到30kHZ之间效率最高。因此T型三电平逆变器已经广泛应用到光伏发电和微电网等分布式发电场合，但是容量一直是制约其快速发展的瓶颈。
多机T型三电平并网逆变器的并联能够增加系统容量、可靠性和效率，已经成为大功率分布式发电的重要选择，但是模块之间硬件不匹配、死区时间以及控制算法执行时间等差别会产生环流。环流会增加系统损耗和引起并网电流畸变，严重影响IGBT开关管的寿命，因此研究并联T型三电平逆变器的环流抑制意义重大。
特定谐波消除脉宽调制(Selective Harmonic Elimination Pulse WidthModulation，SHEPWM)，通过开关时刻的优化选择，产生PWM来消除选定的低次谐波，具有波形质量高、效率高、直流电压利用率高、直流侧滤波器尺寸小等显著优点，越来越受到人们的青睐。相比于正弦脉宽调制(SPWM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)调制，特定谐波消除法(SHEPWM)具有开关频率低、开关损耗小、输出电压质量好及损耗小等一系列优点，适用于大功率场合，是一种电力电子领域中经常用来消除低次谐波的调制方法。
发明内容
为了解决现有技术的缺点，本发明提供一种SHEPWM控制电路、两台T型三电平SHEPWM逆变器并联系统及其方法。本发明在传统三相SHEPWM的调制后增加了一个小矢量控制器，通过测量每台逆变器中点电压和输出电流来确定是否替换该台逆变器中小矢量的开关状态，用于有效抑制环流，保障T型三电平逆变器并联系统稳定高效运行。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种SHEPWM控制电路，包括两个SHEPWM信号发生器，每个SHEPWM信号发生器均与一个小矢量控制器相连；每个SHEPWM信号发生器产生三相SHEPWM信号，分别传送至相应的小矢量控制器；
其中，一个小矢量控制器与电流检测模块相连，该小矢量控制器根据接收的三相SHEPWM信号进行判断相应三电平逆变器的开关状态，若出现小电压矢量开关状态，则根据电流检测模块检测到的零序环流信号与零序环流阈值的大小比较结果，进行改变相应三电平逆变器的开关状态改变；否则，该小矢量控制器处于闭锁状态；
另一个小矢量控制器与电压检测模块相连，该小矢量控制器根据接收的三相SHEPWM信号进行判断相应三电平逆变器的开关状态，若出现小电压矢量开关状态，则根据电压检测模块检测到的直流侧中点电压信号与直流侧中点电压阈值的大小比较结果，进行改变相应三电平逆变器的开关状态改变；否则，该小矢量控制器处于闭锁状态。
所述三电平逆变器为T型三电平逆变器。
所述T型三电平逆变器包括并联的三相桥臂，每相桥臂包括两个串联的IGBT管，各相桥臂的中点一侧还串联两个方向不同的IGBT管，另一侧与滤波器连接；每台T型三电平逆变器的直流侧并联两个电容，两个电容的连接点还与各相桥臂的两个方向不同IGBT管的一端相连。
一种基于SHEPWM控制电路的工作方法，包括：
步骤(1)：电流检测模块和电压检测模块分别将检测到的相应三电平逆变器的零序环流信号和直流侧中点电压信号分别传送至相应小矢量控制器；小矢量控制器根据接收的三相SHEPWM信号进行判断相应三电平逆变器的开关状态；
步骤(2)：若出现小电压矢量开关状态，则与电流检测模块相连的小矢量控制器，根据获取的零序环流信号与零序环流阈值的大小比较结果，进行改变相应三电平逆变器的开关状态改变；否则，该小矢量控制器处于闭锁状态；
步骤(3)：若出现小电压矢量开关状态，则与电压检测模块相连的小矢量控制器，根据获取的直流侧中点电压信号与直流侧中点电压阈值的大小比较结果，进行改变相应三电平逆变器的开关状态改变；否则，该小矢量控制器处于闭锁状态。
所述步骤(2)中，与电流检测模块相连的小矢量控制器的工作状态包括：
状态一：|iZ|>Irange，此状态下小矢量被替换；
a)iZ>0：开关状态被改变为N型小矢量；
b)iZ<0：开关状态被改变为P型小矢量；
状态二：|iZ|<Irange，开关状态不改变；
其中，Irange是零序环流电流阈值，iZ是零序环流电流信号。
所述步骤(3)中，与电压检测模块相连的小矢量控制器的工作状态包括：
状态一：|VZ|>Vrange，此状态下小矢量被替换；
a)VZ>0：开关状态被改变为N型小矢量；
b)VZ<0：开关状态被改变为P型小矢量。
状态二：|VZ|<Vrange，开关状态不改变；
其中，Vrange是直流侧中点电压阈值，VZ是直流侧中点电压信号。
一种应用SHEPWM控制电路的两台T型三电平SHEPWM逆变器并联系统，包括两台T型三电平逆变器，所述T型三电平逆变器的直流侧并联连接至同一台直流电压源，T型三电平逆变器的各个IGBT管均由SHEPWM控制电路驱动，T型三电平逆变器的交流侧经过滤波器滤波后并联连接来实现并网功能。
一种基于两台T型三电平SHEPWM逆变器并联系统的控制方法，包括：
步骤一：根据消去谐波次数的个数来确定两台T型三电平SHEPWM逆变器并联系统的每四分之一个周期中的开关角个数，并计算开关角度；
步骤二：SHEPWM信号发生器根据开关角度产生相应的两路三相SHEPWM信号；小矢量控制器根据接收的三相SHEPWM信号进行判断相应三电平逆变器的开关状态；
步骤三：若出现小电压矢量开关状态，则与电流检测模块相连的小矢量控制器，根据获取的零序环流信号与零序环流阈值的大小比较结果，进行改变相应三电平逆变器的开关状态改变；否则，该小矢量控制器处于闭锁状态；
若出现小电压矢量开关状态，则与电压检测模块相连的小矢量控制器，根据获取的直流侧中点电压信号与直流侧中点电压阈值的大小比较结果，进行改变相应三电平逆变器的开关状态改变；否则，该小矢量控制器处于闭锁状态。
所述步骤三中，与电流检测模块相连的小矢量控制器的工作状态包括：
状态一：|iZ|>Irange，此状态下小矢量被替换；
a)iZ>0：开关状态被改变为N型小矢量；
b)iZ<0：开关状态被改变为P型小矢量；
状态二：|iZ|<Irange，开关状态不改变；
其中，Irange是零序环流电流阈值，iZ是零序环流电流信号。
所述步骤三中，与电压检测模块相连的小矢量控制器的工作状态包括：
状态一：|VZ|>Vrange，此状态下小矢量被替换；
a)VZ>0：开关状态被改变为N型小矢量；
b)VZ<0：开关状态被改变为P型小矢量。
状态二：|VZ|<Vrange，开关状态不改变；
其中，Vrange是直流侧中点电压阈值，VZ是直流侧中点电压信号。
本发明的有益效果为：
(1)本发明中SHEPWM控制方式可以将中点电压限定在一个更小的波动区域，中点电压偏离平衡点时迅速使其恢复平衡，和传统SHEPWM对特定谐波消除的能力基本相同。
(2)本发明中两台T型三电平SHEPWM逆变器并联系统具备三电平拓扑谐波含量小、系统效率高的优点，还兼具了并联系统可维护性好、冗余性高、便于扩容的优势。
(3)本发明中两台T型三电平SHEPWM逆变器并联系统很好的解决了环流抑制问题和中点电压平衡问题。
附图说明
图1为两台三电平逆变器并联系统拓扑图；
图2为三电平逆变器拓扑图；
图3为三电平逆变器SHEPWM的典型波形；
图4为小矢量对中点电压的影响示意图；
图5(a)为开关角状态大电压矢量[PPN]对三电平逆变器中点电压影响示意图；
图5(b)为开关角状态中电压矢量[PON]对三电平逆变器中点电压影响示意图；
图5(c)为开关角状态零电压矢量[PPP]对三电平逆变器中点电压影响示意图；
图5(d)为开关角状态P型小电压矢量[POO]对三电平逆变器中点电压影响示意图；
图5(e)为开关角状态N型小电压矢量[ONN]对三电平逆变器中点电压影响示意图；
图6为T型三电平SHEPWM逆变器的中点电压控制方法的控制原理；
图7为T型三电平SHEPWM逆变器的中点电压控制方法流程图；
图8为T型三电平SHEPWM逆变器的零序环流控制方法的控制原理；
图9为T型三电平SHEPWM逆变器的零序环流控制方法流程图；
图10(a)为第一台逆变器的输出电压的仿真结果；
图10(b)为第二台逆变器的输出电压的仿真结果；
图11为逆变器输出电压仿真结果的谐波分析；
图12(a)为第一台逆变器直流侧电容的仿真结果；
图12(b)为第二台逆变器直流侧电容的仿真结果；
图13为两台逆变器之间环流的仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
三电平逆变器并联系统拓扑图如图1所示，两台逆变器共享交直流母线，P、N为并联系统的正负母线；A、B、C为并联系统的三相并网点；aj、bj、cj为逆变器输出的交流端，Cj1、Cj2为与直流侧并联的两个电容，中点为Zj，滤波器采用LC滤波器，滤波电感为Li，滤波电容为Cmj，零序电流为izj，imj为第j台逆变器的m相输出电流，m＝a、b、c，j＝1、2，3；iA、iB、iC为系统并网电流。
以如图2所示单台逆变器结构阐述逆变器控制策略。直流侧串联两个电容C1和C2，中点为Z，从而使逆变器的上部器件和下部器件的开关将产生正电平和负电平。a、b、c三相各连接四个带有反并联二极管的开关器件，通过LA、LB、LC滤波后连接三相负载。每一个半桥逆变器有三种状态：正电平、负电平、零电平。其中，T型三电平逆变器的直流侧并联连接至同一台直流电压源，各个IGBT管均由SHEPWM控制电路驱动，T型三电平逆变器的交流侧经过滤波器滤波后并联连接来实现并网功能。
以如图2所示单台逆变器结构阐述逆变器控制策略。
传统SHEPWM调制方法为计算每四分之一周期内的N个开关角，为求解N个开关角，需要构成N个方程，其中N-1个方程消除低次谐波，一个方程确定调制比M。一种典型的三电平SHEPWM波形如图3所示，其中Vxz是单相的输出电压，其傅里叶级数为
其中x＝a，b，c；bn是傅立叶系数；bn由下式给出
其中n＝1,5,7,…,3N-2。
通过以下价值函数，来选取方程最优解：
其中M为调制指数。开关状态可以表示为空间电压矢量，根据空间电压矢量的大小可将其分为零矢量、小矢量、大矢量、中矢量，小电压矢量又可以分为P型矢量和N型矢量，如图4和表1所示。
表1空间电压矢量与开关状态的关系
SHEPWM的中点电压VZ表示为
其中VC1和VC2是直流侧电容C1和C2的电压值。开关状态对中点电压的影响如图5所示：大矢量和零矢量对中点电压没有影响，因为在这种情况下中点Z没有和直流侧的正、负极相连，因为两个电容没有充放电，所以两电容电压没有变化，中点电压也不变化，如图5(a)、(c)所示；图5(b)显示了中矢量的效果图，此时中点和直流侧的正负侧相连接，中点电压的变化情况由此时的中点电流决定；当逆变器选择P型小矢量开关状态时，负载接在中点与直流侧的正极，电容C1放电，电流流进中点，中点电压上升，如图5(d)所示；与此相反，N型小矢量会使中点电压下降，如图5(e)所示。
第i台逆变器零序电流izi为：
izi＝iai+ibi+ici (5)
其中i＝1、2。对于两台并联T型三电平逆变器零序环流大小相等，方向相反，系统环流定义如下：
iz＝iz1＝-iz2 (6)
T型三电平逆变器的零序环流和输出滤波器电感L、中点电位和开关状态有关。两台T型三电平逆变器的零序环流iz为：
本发明中SHEPWM逆变器通过替换小电压矢量来保持中点电压平衡和抑制环流，控制原理如图6所示。SHEPWM开关信号由传统SHEPWM信号发生器产生，当小电压矢量开关状态出现时小电压矢量控制器作用；当小电压矢量开关状态没有出现时，小矢量控制器被闭锁，开关状态不变。
如图6所示，本发明的SHEPWM控制电路，包括两个SHEPWM信号发生器，每个SHEPWM信号发生器均与一个小矢量控制器相连；每个SHEPWM信号发生器产生的两路三相SHEPWM信号，分别传送至相应的小矢量控制器及三电平逆变器；
其中，一个小矢量控制器与电流检测模块相连，该小矢量控制器根据接收的三相SHEPWM信号进行判断相应三电平逆变器的开关状态，若出现小电压矢量开关状态，则根据电流检测模块检测到的零序环流信号与零序环流阈值的大小比较结果，进行改变相应三电平逆变器的开关状态改变；否则，该小矢量控制器处于闭锁状态；
另一个小矢量控制器与电压检测模块相连，该小矢量控制器根据接收的三相SHEPWM信号进行判断相应三电平逆变器的开关状态，若出现小电压矢量开关状态，则根据电压检测模块检测到的直流侧中点电压信号与直流侧中点电压阈值的大小比较结果，进行改变相应三电平逆变器的开关状态改变；否则，该小矢量控制器处于闭锁状态。
进一步地，三电平逆变器为T型三电平逆变器。
本发明的SHEPWM控制电路的工作方法，包括：
步骤(1)：电流检测模块和电压检测模块分别将检测到的相应三电平逆变器的零序环流信号和直流侧中点电压信号分别传送至相应小矢量控制器；小矢量控制器根据接收的三相SHEPWM信号进行判断相应三电平逆变器的开关状态；
步骤(2)：若出现小电压矢量开关状态，则与电流检测模块相连的小矢量控制器，根据获取的零序环流信号与零序环流阈值的大小比较结果，进行改变相应三电平逆变器的开关状态改变；否则，该小矢量控制器处于闭锁状态；
步骤(3)：若出现小电压矢量开关状态，则与电压检测模块相连的小矢量控制器，根据获取的直流侧中点电压信号与直流侧中点电压阈值的大小比较结果，进行改变相应三电平逆变器的开关状态改变；否则，该小矢量控制器处于闭锁状态。
本发明中保持中点电压平衡控制原理如图7所示，其相对应的小矢量控制器的工作状态包括：
状态一：|VZ|>Vrange，此状态下小矢量被替换；
a)VZ>0：开关状态被改变为N型小矢量；
b)VZ<0：开关状态被改变为P型小矢量。
状态二：|VZ|<Vrange，开关状态不改变；
其中，Vrange是直流侧中点电压阈值，VZ是直流侧中点电压信号。
本发明中通过替换小电压矢量来保持中点电压平衡，控制原理如图8所示。逆变器的开关信号由传统SHEPWM系统产生，当小矢量开关状态出现时小电压矢量控制器作用；当小电压矢量开关状态没有出现时，小矢量控制器被闭锁，开关状态不变。
本发明中零序电流控制的流程图由图9给出，相应的小矢量控制器的工作状态如下：
状态一：|iZ|>Irange，此状态下小矢量被替换；
a)iZ>0：开关状态被改变为N型小矢量；
b)iZ<0：开关状态被改变为P型小矢量；
状态二：|iZ|<Irange，开关状态不改变；
其中，Irange是零序环流电流阈值，iZ是零序环流电流信号。
本发明中所提出的两台T型三电平SHEPWM逆变器并联系统可以明显地减小直流侧中点电压的震荡范围，不仅具备三电平拓扑谐波含量小、系统效率高的优点，还兼具了并联系统可维护性好、冗余性高、便于扩容的优势，很好的解决了环流抑制问题和中点电压平衡问题。
本发明的两台T型三电平SHEPWM逆变器并联系统的控制方法，包括：
步骤一：根据消去谐波次数的个数来确定两台T型三电平SHEPWM逆变器并联系统的每四分之一个周期中的开关角个数，并计算开关角度；
步骤二：SHEPWM信号发生器根据开关角度产生相应的两路三相SHEPWM信号；小矢量控制器根据接收的三相SHEPWM信号进行判断相应三电平逆变器的开关状态；
步骤三：若出现小电压矢量开关状态，则与电流检测模块相连的小矢量控制器，根据获取的零序环流信号与零序环流阈值的大小比较结果，进行改变相应三电平逆变器的开关状态改变；否则，该小矢量控制器处于闭锁状态；
若出现小电压矢量开关状态，则与电压检测模块相连的小矢量控制器，根据获取的直流侧中点电压信号与直流侧中点电压阈值的大小比较结果，进行改变相应三电平逆变器的开关状态改变；否则，该小矢量控制器处于闭锁状态。
其中，步骤一中，采用多目标粒子群优化算法来求解开关角。
本发明中所提出的两台T型三电平SHEPWM逆变器并联系统可以明显地减小直流侧中点电压的震荡范围，不仅具备三电平拓扑谐波含量小、系统效率高的优点，还兼具了并联系统可维护性好、冗余性高、便于扩容的优势，很好的解决了环流抑制问题和中点电压平衡问题。
在MATLAB/simulink 2012B中，以图1所示的两台三电平逆变器并联系统拓扑结构对本发明提出的控制策略进行仿真研究。对第一台逆变器给定电流为10A，第二台逆变器给定电流为20A，仿真结果如图10至图13所示，图10(a)和图10(b)分别为第一台逆变器和第二台输出电压波形，从图11所示电压的谐波分析可知，通过SHEPWM消除了指定低次谐波。由于两台逆变器共用交直流母线而且中点相互连接，两台逆变器的直流侧中点电位相等，如图12(a)和图12(b)所示，其中实线表示上侧电容电压值，虚线表示下侧电容电压值，直流侧上下两个电容的电压值均为100V，中点电压被限制在一个很小的波动范围。同时，由图13可知，两台逆变器之间的环流限定在0A，环流被有效抑制。
通过以上仿真结果可知，本发明中SHEPWM控制方式可以将中点电压和零序环流限定在一个很小的波动区域，并且保持传统SHEPWM消除特定谐波的能力，很好地解决了环流抑制问题和中点电压平衡问题。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种SHEPWM控制电路，其特征在于，包括两个SHEPWM信号发生器，每个SHEPWM信号发生器均与一个小矢量控制器相连；每个SHEPWM信号发生器产生的两路三相SHEPWM信号，分别传送至相应的小矢量控制器及相应的三电平逆变器；
其中，一个小矢量控制器与电流检测模块相连，与电流检测模块相连的小矢量控制器的工作状态包括：
状态一：|iZ|>Irange，此状态下小矢量被替换；
a)iZ>0：开关状态被改变为N型小矢量；
b)iZ<0：开关状态被改变为P型小矢量；
状态二：|iZ|<Irange，开关状态不改变；
其中，Irange是零序环流电流阈值，iZ是零序环流电流信号；
另一个小矢量控制器与电压检测模块相连，与电压检测模块相连的小矢量控制器的工作状态包括：
状态一：|VZ|>Vrange，此状态下小矢量被替换；
a)VZ>0：开关状态被改变为N型小矢量；
b)VZ<0：开关状态被改变为P型小矢量；
状态二：|VZ|<Vrange，开关状态不改变；
其中，Vrange是直流侧中点电压阈值，VZ是直流侧中点电压信号；
两台三电平逆变器并联连接，所述三电平逆变器为T型三电平逆变器；
所述T型三电平逆变器包括并联的三相桥臂，每相桥臂包括两个串联的IGBT管，各相桥臂的中点一侧还串联两个方向不同的IGBT管，另一侧与滤波器连接；每台T型三电平逆变器的直流侧并联两个串联电容，两个电容的连接点还与各相桥臂的两个方向不同IGBT管的另一端相连；所述滤波器为LC滤波器。
2.一种SHEPWM控制电路的工作方法，其特征在于，包括：
步骤(1)：电流检测模块和电压检测模块分别将检测到的相应三电平逆变器的零序环流信号和直流侧中点电压信号分别传送至相应小矢量控制器；小矢量控制器根据接收的三相SHEPWM信号进行判断相应三电平逆变器的开关状态；
步骤(2)：若出现小电压矢量开关状态，则与电流检测模块相连的小矢量控制器的工作状态包括：
状态一：|iZ|>Irange，此状态下小矢量被替换；
a)iZ>0：开关状态被改变为N型小矢量；
b)iZ<0：开关状态被改变为P型小矢量；
状态二：|iZ|<Irange，开关状态不改变；
其中，Irange是零序环流电流阈值，iZ是零序环流电流信号；
步骤(3)：若出现小电压矢量开关状态，则与电压检测模块相连的小矢量控制器的工作状态包括：
状态一：|VZ|>Vrange，此状态下小矢量被替换；
a)VZ>0：开关状态被改变为N型小矢量；
b)VZ<0：开关状态被改变为P型小矢量；
状态二：|VZ|<Vrange，开关状态不改变；
其中，Vrange是直流侧中点电压阈值，VZ是直流侧中点电压信号。
3.一种应用如权利要求1所述的SHEPWM控制电路的两台T型三电平SHEPWM逆变器并联系统，其特征在于，包括两台T型三电平逆变器，所述T型三电平逆变器的直流侧并联连接至同一台直流电压源，T型三电平逆变器的各个IGBT管均由SHEPWM控制电路驱动，T型三电平逆变器的交流侧经过滤波器滤波后并联连接来实现并网功能。
4.一种基于如权利要求3所述的两台T型三电平SHEPWM逆变器并联系统的控制方法，其特征在于，包括：
步骤一：根据消去谐波次数的个数来确定两台T型三电平SHEPWM逆变器并联系统的每四分之一个周期中的开关角个数，并计算开关角度；
步骤二：SHEPWM信号发生器根据开关角度产生相应的两路三相SHEPWM信号；小矢量控制器根据接收的三相SHEPWM信号进行判断相应三电平逆变器的开关状态；
步骤三：若出现小电压矢量开关状态，则与电流检测模块相连的小矢量控制器的工作状态包括：
状态一：|iZ|>Irange，此状态下小矢量被替换；
a)iZ>0：开关状态被改变为N型小矢量；
b)iZ<0：开关状态被改变为P型小矢量；
状态二：|iZ|<Irange，开关状态不改变；
其中，Irange是零序环流电流阈值，iZ是零序环流电流信号；
若出现小电压矢量开关状态，则与电压检测模块相连的小矢量控制器的工作状态包括：
状态一：|VZ|>Vrange，此状态下小矢量被替换；
a)VZ>0：开关状态被改变为N型小矢量；
b)VZ<0：开关状态被改变为P型小矢量；
状态二：|VZ|<Vrange，开关状态不改变；
其中，Vrange是直流侧中点电压阈值，VZ是直流侧中点电压信号。
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