CN108964119A - 一种t型三电平并网逆变器共模电压预估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种T型三电平并网逆变器共模电压预估方法,利用无差拍控制算法获得前一拍控制的调制波,反推出前一拍的共模电压,对其进行线性化处理,获得下一拍共模电压的预估值,将其带入下一拍调制波的计算中,获得更为精准的调制信号,经过同相载波层叠调制得到开关管的驱动信号。解决了T型三电平逆变器直流侧中点和电网中性点之间的共模电压难以通过测量获得的问题,降低了系统成本,改进了无差拍控制算法,提高了系统并网电流的控制精度。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域,尤其是涉及一种T型三电平并网逆变器共模电压预估方法。
背景技术
近年来,光伏发电技术迅速发展,为了确保电网电能质量,对并网逆变器的输出电流提出了更高的要求。三电平电路拓扑与两电平电路拓扑相比,开关频率相同时,输出波形的谐波含量降低。T型三电平逆变器与二极管箝位式三电平逆变器相比,每个桥臂少了两个箝位二极管,导通损耗低,电磁干扰小,因此,它在光伏发电系统中得到了广泛应用。但是,T型三电平逆变器直流侧中点和电网中性点一般不直接连接,此时,共模电压在开关周期内会发生多次变化,难以通过测量直接获得。若忽略共模电压,则会直接影响系统的电流控制精度,而到目前为止,尚未有关于T型三电平逆变器共模电压预估方法的文献报道,因此本发明提出一种共模电压预估方法,以提高T型三电平逆变器的并网电流控制精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种T型三电平并网逆变器共模电压预估方法,克服了开关周期内共模电压平均值难以通过测量获得的困难,通过软件算法准确预估,在不增加系统成本的基础上,有效提高T型三电平并网逆变器输出电流的控制精度。
为实现上述目的本发明采用以下技术方案:
本发明是对T型三电平并网逆变器采用无差拍控制的并网电流控制方法,利用无差拍控制算法获得前一拍控制的调制波,反推出前一拍的共模电压,对其进行线性化处理,获得下一拍共模电压的预估值,将其带入下一拍调制波的计算中,获得更为精准的调制信号,经过同相载波层叠调制得到开关管的驱动信号。具体步骤如下:
步骤1,对于T型三电平逆变器,以直流侧中点作为参考点,依据基尔霍夫电压定律,列写T型三电平并网逆变器在三相静止abc坐标系下的数学表达式,令x=a、b、c,可得:
式中,uxo、ix、Lx、ex、uno分别为x相桥口输出电压、输出电流、滤波电感、电网电压、电网中性点与直流侧中点之间的电压,即共模电压。
步骤2,采用同相载波层叠调制,x相调制系数dx∈[-1,1],当开关周期Ts很短(例如Ts≤100us)时,dix/dt=Δix/Ts,于是由式(1)可以得到一个开关周期Ts内x相滤波电感Lx上总的电流变化量Δix:
式中,k=1时uC1表示直流母线上电容电压;k=2时uC2表示直流母线下电容电压。
步骤3,根据式(2)推导出x相调制系数dx的表达式:
步骤4,一个开关周期Ts内电感电流的变化量Δix为:
Δix=Iref.x(n+1)-ix(n) (4);
式中,Iref.x(n+1)表示第n+1个开关周期的x相电流参考值,ix(n)表示第n个开关周期的x相实际电流采样值。
步骤5,将式(4)带入式(3):
步骤6,由式(5)可知:
式中,uno,x(n)表示第n个开关周期x相的共模电压,ex(n)表示第n个开关周期x相的电网电压,uCk(n)表示第n个开关周期uC1(k=1)或uC2(k=2)的电压,dx(n+1)表示第n+1个开关周期x相的调制系数。
步骤7,由已知的当前拍dx(n),可以准确地获得前一拍的共模电压uno,x(n-1):
式中,ex(n-1)表示第n-1个开关周期x相的电网电压,uCk(n-1)表示第n-1个开关周期uC1(k=1)或uC2(k=2)的电压,ix(n-1)表示第n-1个开关周期的x相实际电流采样值。
步骤8,理论上每一相的共模电压相等,即uno,a=uno,b=uno,c=uno,为了避免采样误差、噪声干扰、电网电压突变、系统功率突变等因素对共模电压预估的影响,对三相计算结果进行平均值滤波,可得:
步骤9,由于开关频率较高,所以假设在开关周期内uno线性变化,于是可得当前拍的预估共模电压uno(n)为:
uno(n)=2uno(n-1)-uno(n-2) (9);
步骤10,将式(9)表示的当前拍的预估共模电压uno(n)带入到式(5)中,可以得到更为精准的x相调制系数,然后注入零序电压分量控制中点电位平衡,将最终的调制系数dx(n+1)经过同相载波层叠调制得到x相开关管的脉冲宽度调制(PWM)信号,经过驱动电路控制开关管动作,T型逆变器输出得到优化的并网电流,从而提升系统的电流控制精度。
步骤11,变量赋值,即uCk(n-1)=uCk(n)、uno(n-2)=uno(n-1)、ix(n-1)=ix(n)、ex(n-1)=ex(n)、dx(n)=dx(n+1),等待下一开关周期重复进行上述过程。
本发明具有如下有益效果:本发明提供的T型三电平并网逆变器共模电压预估方法,解决了T型三电平逆变器直流侧中点和电网中性点之间的共模电压难以通过测量获得的问题,降低了系统成本,改进了无差拍控制算法,提高了系统并网电流的控制精度。
附图说明
图1是本发明所采用的已有T型三电平并网逆变器电路图;
图2是本发明对T型三电平并网逆变器简化的单相等效电路;
图3是本发明实施T型三电平并网逆变器共模电压预估方法的PWM信号发生控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细阐述。
图1是本发明所采用的已有T型三电平并网逆变器电路图,包括输入直流电源、三相T型三电平逆变器、LC滤波器、电网等。图中,Udc为输入端直流稳压电源;P、N为直流侧的正负母线;C1、C2分别为直流母线上、下电容;O为直流母线中点;L为滤波电感;Cf为滤波电容;ea、eb、ec为三相电网电压。图2是本发明对T型三电平并网逆变器简化的单相等效电路,以直流侧中点O作为参考点,uC1、uC2分别为直流母线上、下电容电压,uno为电网中性点与直流侧中点之间的共模电压,uxo、ix、Lx、Cfx、ex分别为x相桥口输出电压、输出电流、滤波电感、滤波电容、电网电压。
根据图2所示的T型三电平逆变器的单相等效电路,对直流侧中点O和电网中性点n之间的共模电压进行预估,具体方法如下:
步骤1,对于T型三电平逆变器,以直流侧中点作为参考点,依据基尔霍夫电压定律,列写T型三电平并网逆变器在三相静止abc坐标系下的数学表达式,令x=a、b、c,可得:
式中,uxo、ix、Lx、ex、uno分别为x相桥口输出电压、输出电流、滤波电感、电网电压、电网中性点与直流侧中点之间的电压,即共模电压。
步骤2,采用同相载波层叠调制,x相调制系数dx∈[-1,1],当开关周期Ts很短(例如Ts≤100us)时,dix/dt=Δix/Ts,于是由式(1)可以得到一个开关周期Ts内x相滤波电感Lx上总的电流变化量Δix:
式中,k=1时uC1表示直流母线上电容电压;k=2时uC2表示直流母线下电容电压。
步骤3,根据式(2)推导出x相调制系数dx的表达式:
步骤4,一个开关周期Ts内电感电流的变化量Δix为:
Δix=Iref.x(n+1)-ix(n) (4);
式中,Iref.x(n+1)表示第n+1个开关周期的x相电流参考值,ix(n)表示第n个开关周期的x相实际电流采样值。
步骤5,将式(4)带入式(3):
步骤6,由式(5)可知:
式中,uno,x(n)表示第n个开关周期x相的共模电压,ex(n)表示第n个开关周期x相的电网电压,uCk(n)表示第n个开关周期uC1(k=1)或uC2(k=2)的电压,dx(n+1)表示第n+1个开关周期x相的调制系数。
步骤7,由已知的当前拍dx(n),可以准确地获得上一拍的共模电压uno,x(n-1):
式中,ex(n-1)表示第n-1个开关周期x相的电网电压,uCk(n-1)表示第n-1个开关周期uC1(k=1)或uC2(k=2)的电压,ix(n-1)表示第n-1个开关周期的x相实际电流采样值。
步骤8,理论上每一相的共模电压相等,即uno,a=uno,b=uno,c=uno,为了避免采样误差、噪声干扰、电网电压突变、系统功率突变等因素对共模电压预估的影响,对三相计算结果进行平均值滤波,可得:
步骤9,由于开关频率较高,所以假设在开关周期内uno线性变化,于是可得当前拍的预估共模电压uno(n)为:
uno(n)=2uno(n-1)-uno(n-2) (9);
步骤10,将式(9)表示的当前拍的预估共模电压uno(n)带入到式(5)中,可以得到更为精准的x相调制系数,然后注入零序电压分量控制中点电位平衡,将最终的调制系数dx(n+1)经过同相载波层叠调制得到x相开关管的脉冲宽度调制(PWM)信号,经过驱动电路控制开关管动作,T型逆变器输出得到优化的并网电流,从而提升系统的电流控制精度。
步骤11,变量赋值,即uCk(n-1)=uCk(n)、uno(n-2)=uno(n-1)、ix(n-1)=ix(n)、ex(n-1)=ex(n)、dx(n)=dx(n+1),等待下一开关周期重复进行上述过程。
图3是本发明实施T型三电平并网逆变器共模电压预估方法的PWM信号发生控制流程图。
首先,设定系统输出电流幅值,功率因数PF,滤波电感Lx,开关周期Ts,当前拍调制系数dx(n),前一拍直流母线电容uCk(n-1)、输出电流ix(n-1)、电网电压ex(n-1)以及前两拍共模电压uno(n-2)的初值;
然后,通过控制器的模数转换对三相电网电压ea(n)、eb(n)、ec(n),逆变器的三相输出电流ia(n)、ib(n)、ic(n),直流侧上、下电容电压uC1(n)、uC2(n)进行A/D采样;
第三,根据三相电网电压ea(n)、eb(n)、ec(n)的采样值,采用基于同步旋转坐标系的锁相环获取电网相位θ;根据设定的输出电流幅值、功率因数PF以及电网相位θ计算三相电流参考值Iref.a(n+1)、Iref.b(n+1)、Iref.c(n+1);
第四,利用前一拍直流母线电容uCk(n-1)、输出电流ix(n-1)、电网电压ex(n-1)以及当前拍dx(n)、ix(n),按照公式(7)计算前一拍的共模电压uno,x(n-1);
第五,再对三相计算的uno,a(n-1)、uno,b(n-1)、uno,c(n-1)结果进行平均值滤波得到uno(n-1),如公式(8);
第六,由uno(n-1)、uno(n-2)通过公式(9)预估当前拍的共模电压uno(n);
第七,将uno(n)带入公式(5)得到更为精准的x相调制系数dx(n+1);
第八,采用基于零序电压分量的滞环控制,向公式(5)得到的调制系数dx(n+1)中注入零序电压分量,以控制T型三电平逆变器的中点电位平衡;此时得到最终的调制系数经过同相载波层叠调制得到x相开关管的PWM信号;
最后,变量赋值,即uCk(n-1)=uCk(n)、uno(n-2)=uno(n-1)、ix(n-1)=ix(n)、ex(n-1)=ex(n)、dx(n)=dx(n+1)。
以上所述为本发明较佳实施例,对于本领域的普通技术人员而言,根据本发明的教导,在不脱离本发明的原理与精神的情况下,对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种T型三电平并网逆变器共模电压预估方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,对于T型三电平逆变器,以直流侧中点作为参考点,依据基尔霍夫电压定律,列写T型三电平并网逆变器在三相静止abc坐标系下的数学表达式,令x=a、b、c,得:
式中,uxo、ix、Lx、ex、uno分别为x相桥口输出电压、输出电流、滤波电感、电网电压、电网中性点与直流侧中点之间的电压,即共模电压;
步骤2,采用同相载波层叠调制,x相调制系数dx∈[-1,1],当开关周期Ts很短(例如Ts≤100us)时,dix/dt=Δix/Ts,于是由式(1)得到一个开关周期Ts内x相滤波电感Lx上总的电流变化量Δix:
式中,k=1时uC1表示直流母线上电容电压;k=2时uC2表示直流母线下电容电压;
步骤3,根据式(2)推导出x相调制系数dx的表达式:
步骤4,一个开关周期Ts内电感电流的变化量Δix为:
Δix=Iref.x(n+1)-ix(n) (4);
式中,Iref.x(n+1)表示第n+1个开关周期的x相电流参考值,ix(n)表示第n个开关周期的x相实际电流采样值;
步骤5,将式(4)带入式(3):
步骤6,由式(5)得:
式中,uno,x(n)表示第n个开关周期x相的共模电压,ex(n)表示第n个开关周期x相的电网电压,uCk(n)表示第n个开关周期uC1(k=1)或uC2(k=2)的电压,dx(n+1)表示第n+1个开关周期x相的调制系数;
步骤7,由已知的当前拍dx(n),可以准确地获得前一拍的共模电压uno,x(n-1):
式中,ex(n-1)表示第n-1个开关周期x相的电网电压,uCk(n-1)表示第n-1个开关周期uC1(k=1)或uC2(k=2)的电压,ix(n-1)表示第n-1个开关周期的x相实际电流采样值;
步骤8,理论上每一相的共模电压相等,即uno,a=uno,b=uno,c=uno,为了避免采样误差、噪声干扰、电网电压突变、系统功率突变等因素对共模电压预估的影响,对三相计算结果进行平均值滤波,得:
步骤9,由于开关频率较高,所以假设在开关周期内uno线性变化,于是可得当前拍的预估共模电压uno(n)为:
uno(n)=2uno(n-1)-uno(n-2) (9);
步骤10,将式(9)表示的当前拍的预估共模电压uno(n)带入到式(5)中,得到更为精准的x相调制系数,然后注入零序电压分量控制中点电位平衡,将最终的调制系数dx(n+1)经过同相载波层叠调制得到x相开关管的脉冲宽度调制(PWM)信号,经过驱动电路控制开关管动作,T型逆变器输出得到优化的并网电流,从而提升系统的电流控制精度;
步骤11,变量赋值,即uCk(n-1)=uCk(n)、uno(n-2)=uno(n-1)、ix(n-1)=ix(n)、ex(n-1)=ex(n)、dx(n)=dx(n+1),等待下一开关周期重复进行上述过程。
2.如权利要求1所述的T型三电平并网逆变器共模电压预估方法的PWM信号发生控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)、设定系统输出电流幅值,功率因数PF,滤波电感Lx,开关周期Ts,当前拍调制系数dx(n),前一拍直流母线电容uCk(n-1)、输出电流ix(n-1)、电网电压ex(n-1)以及前两拍共模电压uno(n-2)的初值;
2)、通过控制器的模数转换对三相电网电压ea(n)、eb(n)、ec(n),逆变器的三相输出电流ia(n)、ib(n)、ic(n),直流侧上、下电容电压uC1(n)、uC2(n)进行A/D采样;
3)、根据三相电网电压ea(n)、eb(n)、ec(n)的采样值,采用基于同步旋转坐标系的锁相环获取电网相位θ;根据设定的输出电流幅值、功率因数PF以及电网相位θ计算三相电流参考值Iref.a(n+1)、Iref.b(n+1)、Iref.c(n+1);
4)、利用前一拍直流母线电容uCk(n-1)、输出电流ix(n-1)、电网电压ex(n-1)以及当前拍dx(n)、ix(n),按照公式(7)计算前一拍的共模电压uno,x(n-1);
5)、再对三相计算的uno,a(n-1)、uno,b(n-1)、uno,c(n-1)结果进行平均值滤波得到uno(n-1);
6)、由uno(n-1)、uno(n-2)通过公式(9)预估当前拍的共模电压uno(n);
7)、将uno(n)带入公式(5)得到更为精准的x相调制系数dx(n+1);
8)、采用基于零序电压分量的滞环控制,向公式(5)得到的调制系数dx(n+1)中注入零序电压分量,以控制T型三电平逆变器的中点电位平衡;此时得到最终的调制系数经过同相载波层叠调制得到x相开关管的PWM信号;
9)、变量赋值,即uCk(n-1)=uCk(n)、uno(n-2)=uno(n-1)、ix(n-1)=ix(n)、ex(n-1)=ex(n)、dx(n)=dx(n+1)。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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