CN105743378A - 一种t型三电平逆变器并联系统及其解耦控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种T型三电平逆变器并联解耦控制系统及方法，包括：脉宽调制信号发生器和小矢量控制器；所述脉宽调制信号发生器产生的三相脉宽调制信号分成两路，一路传送至小矢量控制器，另一路传送至三电平逆变器；所述小矢量控制器还与三电平逆变器的各个开关管相连；本发明有益效果：本发明中解耦控制方式可以将中点电压限定在较小的波动区域，中点电压偏离平衡点时迅速使其恢复平衡。

Description

一种T型三电平逆变器并联系统及其解耦控制方法
技术领域
本发明属于逆变器领域，涉及一种T型三电平逆变器并联系统及其解耦控制方法。
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。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种T型三电平逆变器并联系统及其解耦控制方法，该系统及方法在传统三相脉宽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，本发明采用下述技术方案：
一种T型三电平逆变器并联解耦控制系统，包括：脉宽调制信号发生器和小矢量控制器；所述脉宽调制信号发生器产生的三相脉宽调制信号分成两路，一路传送至小矢量控制器，另一路传送至三电平逆变器；所述小矢量控制器还与三电平逆变器的各个开关管相连；
所述小矢量控制器与电流检测模块和电压检测模块分别相连，电流检测模块和电压检测模块分别将检测到的三电平逆变器的零序环流信号和直流侧中点电压信号传送至小矢量控制器；所述小矢量控制器通过判断零序环流信号和直流侧中点电压信号方向来改变三电平逆变器的当前开关状态。
进一步地，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。
进一步地，所述T型三电平逆变器并联系统包括：两台T型三电平逆变器，所述两台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型三电平逆变器的交流侧分别经过滤波器滤波后并联连接来实现并网功能。
一种T型三电平逆变器并联解耦控制方法，包括：
步骤(1)：采集三电平逆变器的零序环流信号和直流侧中点电压信号并传送至小矢量控制器；
步骤(2)：小矢量控制器根据接收到的PWM信号发生器产生的三相PWM信号判断三电平逆变器的开关状态；
若出现小电压矢量开关状态，则小矢量控制器通过判断零序环流信号和直流侧中点电压信号方向来改变三电平逆变器的当前开关状态；否则，进入下一步；
步骤(3)：小矢量控制器处于闭锁状态，三电平逆变器的当前开关状态不变，三相PWM信号控制三电平逆变器中开关管的通断。
进一步地，T型三电平逆变器的开关状态表示为空间电压矢量，根据空间电压矢量的大小将T型三电平逆变器的开关状态分为零电压矢量、小电压矢量、中电压矢量和大电压矢量。
进一步地，所述小电压矢量具体为：
T型三电平逆变器的每相有三种状态：状态P，上臂开关器件导通；状态N，下臂开关器件导通；状态O，辅助开关器件导通；
接收到的PWM信号发生器产生的三相PWM信号判断三电平逆变器的开关状态，当出现[PNN]、[PPN]、[NPN]、[NPP]、[NNP]以及[PNP]状态时，判断为小电压矢量。
进一步地，所述步骤(2)中，若小矢量控制器接收到的第i台逆变器的零序环流信号IZi>0且直流侧中点电压信号VZi>0，则将第i台逆变器的开关状态改变为N型小矢量，其中，i＝1或2。
进一步地，所述步骤(2)中，若小矢量控制器接收到的第i台逆变器的零序环流信号IZi<0且直流侧中点电压信号VZi<0，则将第i台逆变器的开关状态改变为P型小矢量，其中，i＝1或2。
进一步地，所述步骤(2)中，若小矢量控制器接收到的第i台逆变器的零序环流信号IZi<0且直流侧中点电压信号VZi>0，或者第i台逆变器的零序环流信号IZi>0且直流侧中点电压信号VZi<0，则第i台逆变器的开关状态不做控制，其中，i＝1或2。
本发明的有益效果是：
(1)本发明中解耦控制方式可以将中点电压限定在较小的波动区域，中点电压偏离平衡点时迅速使其恢复平衡。
(2)本发明中采用解耦控制的T型三电平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)本发明中采用解耦控制的T型三电平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为小矢量对中点电压的影响示意图；
图4(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4(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4(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4(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4(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5为采用解耦控制的T型三电平逆变器并联系统的控制原理；
图6为采用解耦控制的T型三电平逆变器并联系统的控制流程图；
图7(a)为第一台逆变器输出零序环流大于零，直流侧中点电压大于零时控制策略；
图7(b)为第一台逆变器输出零序环流大于零，直流侧中点电压小于零时控制策略；
图7(c)为第二台逆变器输出零序环流小于零，直流侧中点电压大于零时控制策略；
图7(d)为第一台逆变器输出零序环流小于零，直流侧中点电压大于零时控制策略；
图8(a)为直流侧中点电压；
图8(b)为第一台逆变器输出零序环流；
图8(c)为第一台逆变器小矢量控制器的闭锁开关状态；
图8(d)为第二台逆变器小矢量控制器的闭锁开关状态；
图9(a)为直流侧中点电压；
图9(b)为第一台逆变器输出零序环流；
图9(c)为第一台逆变器输出电压；
图9(d)为第二台逆变器输出电压；
图9(e)为第一台逆变器输出电压谐波分析。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
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；Cj1、Cj2为与直流侧并联的两个电容，中点为Zj；系统采用L滤波器，滤波电感为Lj，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；iA、iB、iC为系统并网电流。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，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。
每台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。直流侧串联两个电容C1和C2，制造出中点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向三相负载供电。每一个半桥逆变器有三种状态(各种状态的开关状态如表1所示)：状态P，上臂开关器件导通；状态N，下臂开关器件导通；状态O，辅助开关器件导通。分别输出正电平、负电平、零电平。滤波器为L滤波电路。
表1开关状态
状态 开关状态
状态P Sx1导通
状态N Sx4导通
状态O SX2和SX3导通
其中x＝a、b、c。
T型三电平逆变器的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、中矢量、大矢量，小矢量又分为P型矢量和N型矢量，如图3和表2所示。
表2空间电压矢量与开关状态的关系
T型三电平逆变器的中点电压VZ表示为
V Z = V C 2 - V C 1 2 - - - ( 1 )
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4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4(a)、(c)所示；图4(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4(d)所示；与此相反，N型小矢量会使中点电压下降，如图4(e)所示。
第i台逆变器零序电流izi为：
izi＝iai+ibi+ici(2)
其中i为逆变器的设备编号，i＝1、2。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，对于两台T型三电平逆变器并联系统，第i台逆变器输出的零序环流izi为：
i z i = 1 6 &Sigma; j = 1 , j &NotEqual; i n &Sigma; k = a , b , c ( &Delta;V i | S k i | - &Delta;V j | S k j ) ( L i + L j ) s - - - ( 3 )
本发明中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5所示。PWM开关信号由传统脉宽调制信号发生器产生，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。
其中，传统脉宽调制信号发生器可采用TMS320F28335芯片予以实现。小矢量控制器也采用DSP控制器予以实现。
如图5所示，本发明的解耦控制电路，包括传统脉宽调制信号发生器，其产生的三相PWM信号分成两路，一路传送至小矢量控制器，另一路传送至三电平逆变器；所述小矢量控制器还与电流检测模块和电压检测模块分别相连，电流检测模块和电压检测模块分别将检测到的三电平逆变器的零序环流信号和直流侧中点电压信号传送至小矢量控制器；最后的开关信号转换器将脉宽信号转化为开关信号。
小矢量控制器根据三相PWM信号进行判断三电平逆变器的开关状态，若出现小电压矢量开关状态，则小矢量控制器通过判断零序环流信号和直流侧中点电压信号方向来改变三电平逆变器的当前开关状态；否则，小矢量控制器处于闭锁状态，三电平逆变器的当前开关状态不变。
本发明的解耦控制方法，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三电平逆变器的零序环流信号和直流侧中点电压信号传送至小矢量控制器；
步骤(2)：小矢量控制器根据接收到的PWM信号发生器产生的三相PWM信号进行判断三电平逆变器的开关状态，若出现小电压矢量开关状态，则小矢量控制器通过判断零序环流信号和直流侧中点电压信号方向来改变三电平逆变器的当前开关状态；否则，进入下一步；
步骤(3)：小矢量控制器处于闭锁状态，三电平逆变器的当前开关状态不变，三相PWM信号控制三电平逆变器中开关管的通断。
本发明中保持中点电压平衡和抑制环流的控制流程图如图6所示，测量每台逆变器输出电流并计算出三相电流之和IZi，测量直流侧中点电压VZi，由于两台逆变器中点相连，所以控制好其中一台逆变器的中点电压，系统中点电压就平衡。两台逆变器并联，当其中一台逆变器输出正向零序环流时，另外一台会输出负向零序环流，此时会出现一台逆变器在抑制环流时和控制中点电压平衡出现耦合，如图7(a)、(b)、(c)、(d)所示。但是，T型三电平逆变器并联系统只要控制好其中一台逆变器输出的零序环流，则另外一台逆变器输出的零序环流也会得到控制。鉴于两台T型三电平逆变器并联系统中，其中一台逆变器在抑制环流时会与调节中点电压冲突，本发明中小矢量控制器的解耦控制方法如下：
状态一：IZi>0且VZi>0，把第i台逆变器的开关状态改变为N型小矢量；
状态二：IZi<0且VZi<0，把第i台逆变器开关状态改变为P型小矢量；
状态三：IZi<0且VZi>0或者IZi>0且VZi<0，对第i台逆变器开关状态不做控制。
其中i＝1、2。
本发明的T型三电平逆变器并联系统及其解耦控制方法，其脉宽调制方式可以是SPWM、SVPWM、SHEPWM等。
在MATLAB/simulink2014a中，以图1所示T型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，采用SHEPWM脉宽调制方式。对两台逆变器给定电流分别为15A、10A，仿真结果如图8至图9所示。仿真开始时，上侧电容值设为110V，下侧电容值设为90V，图8(a)为并联系统直流侧中点电压VZ，可见VZ在0.15s时被控制到0V附近。由图8(b)可知，本发明采用的解耦控制方法可以在大幅度调节中点电压的同时，很好的抑制零序环流。图8(c)、(d)为两台逆变器的小矢量控制器开关状态，当开关状态为1时，小矢量控制器工作，通过检测小矢量、中点电压、零序环流，进行小矢量的替换；当开关状态为0时，小矢量控制器闭锁。由图8(c)、(d)可知，两台逆变器的小矢量控制器交替工作，不出现控制中点电压和抑制零序环流的耦合状态。图9为系统恢复稳定后的工作状态。由图9(a)可知中点电压被控制在0V附近很小的波动范围。由图9(b)可知T型三电平逆变器并联系统的零序环流被限制在0A附近很小的波动范围。图9(c)、(d)为两台逆变器输出电压波形，从图9(e)所示第一台逆变器输出电压的谐波分析可知，T型三电平逆变器通过SHEPWM消除了指定低次谐波。
通过以上仿真结果可知，本发明中解耦控制方法可以将采用SHEPWM的T型三电平逆变器并联系统的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 (9)

1.一种T型三电平逆变器并联解耦控制系统，其特征是，包括：脉宽调制信号发生器和小矢量控制器；所述脉宽调制信号发生器产生的三相脉宽调制信号分成两路，一路传送至小矢量控制器，另一路传送至三电平逆变器；所述小矢量控制器还与三电平逆变器的各个开关管相连；
所述小矢量控制器与电流检测模块和电压检测模块分别相连，电流检测模块和电压检测模块分别将检测到的三电平逆变器的零序环流信号和直流侧中点电压信号传送至小矢量控制器；所述小矢量控制器通过判断零序环流信号和直流侧中点电压信号方向来改变三电平逆变器的当前开关状态。
2.如权利要求1所述的一种T型三电平逆变器并联解耦控制系统，其特征是，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。
3.如权利要求1所述的一种T型三电平逆变器并联解耦控制系统，其特征是，所述T型三电平逆变器并联系统包括：两台T型三电平逆变器，所述两台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型三电平逆变器的交流侧分别经过滤波器滤波后并联连接来实现并网功能。
4.一种T型三电平逆变器并联解耦控制方法，其特征是，包括：
步骤(1)：采集三电平逆变器的零序环流信号和直流侧中点电压信号并传送至小矢量控制器；
步骤(2)：小矢量控制器根据接收到的PWM信号发生器产生的三相PWM信号判断三电平逆变器的开关状态；
若出现小电压矢量开关状态，则小矢量控制器通过判断零序环流信号和直流侧中点电压信号方向来改变三电平逆变器的当前开关状态；否则，进入下一步；
步骤(3)：小矢量控制器处于闭锁状态，三电平逆变器的当前开关状态不变，三相PWM信号控制三电平逆变器中开关管的通断。
5.如权利要求4所述的一种T型三电平逆变器并联解耦控制方法，其特征是，T型三电平逆变器的开关状态表示为空间电压矢量，根据空间电压矢量的大小将T型三电平逆变器的开关状态分为零电压矢量、小电压矢量、中电压矢量和大电压矢量。
6.如权利要求5所述的一种T型三电平逆变器并联解耦控制方法，其特征是，所述小电压矢量具体为：
T型三电平逆变器的每相有三种状态：状态P，上臂开关器件导通；状态N，下臂开关器件导通；状态O，辅助开关器件导通；
接收到的PWM信号发生器产生的三相PWM信号判断三电平逆变器的开关状态，当出现[PNN]、[PPN]、[NPN]、[NPP]、[NNP]以及[PNP]状态时，判断为小电压矢量。
7.如权利要求4所述的一种T型三电平逆变器并联解耦控制方法，其特征是，所述步骤(2)中，若小矢量控制器接收到的第i台逆变器的零序环流信号IZi>0且直流侧中点电压信号VZi>0，则将第i台逆变器的开关状态改变为N型小矢量，其中，i＝1或2。
8.如权利要求4所述的一种T型三电平逆变器并联解耦控制方法，其特征是，所述步骤(2)中，若小矢量控制器接收到的第i台逆变器的零序环流信号IZi<0且直流侧中点电压信号VZi<0，则将第i台逆变器的开关状态改变为P型小矢量，其中，i＝1或2。
9.如权利要求4所述的一种T型三电平逆变器并联解耦控制方法，其特征是，所述步骤(2)中，若小矢量控制器接收到的第i台逆变器的零序环流信号IZi<0且直流侧中点电压信号VZi>0，或者第i台逆变器的零序环流信号IZi>0且直流侧中点电压信号VZi<0，则第i台逆变器的开关状态不做控制，其中，i＝1或2。
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