CN109713724B - 适用于光伏并网应用中并联三电平变换器的零共模电压空间矢量调制方法 - Google Patents

Abstract

适用于光伏并网应用中并联三电平变换器的零共模电压空间矢量调制方法，涉及三电平变换器控制技术领域。本发明是为了解决传统三电平变换器零共模电压空间矢量调制方法，只使用共模电压为零的矢量来合成目标矢量，造成变换器输出电流谐波大、波形质量低的问题。本发明所述的适用于并联三电平变换器的零共模电压空间矢量调制方法，采用共模电压为零的基本矢量组成全新的五电平矢量空间，并推导出了分区判断和矢量作用时间以及开关序列生成过程。此外，将五电平开关序列适当地分配给并联三电平变换器，在确保共模电压为零的同时，还大大改善了并联系统的输出电流质量，并确保平均差模和共模环流始终为零。

Description

适用于光伏并网应用中并联三电平变换器的零共模电压空间 矢量调制方法

技术领域

本发明属于三电平变换器控制技术领域，尤其涉及零共模电压空间矢量的调制。

背景技术

三电平电压源型变换器由于具备开关器件电压应力小、输出电流波形质量高、控制冗余矢量多等优点，已被广泛应用于太阳能、风能和电力传动等电力电子应用领域中。并联运行的三电平变换器可以提供更大的功率等级、更高的系统冗余/可靠性和模块化水平，在海上风电和分布式风电/光伏产业中也得到了越来越多的应用。然而，作为所有脉宽调制变换器的共性现象，共模电压在三电平变换器应用中会导致漏电流、电磁干扰和电流波形畸变等诸多问题。所以，必须采取措施对共模电压进行削弱和抑制。

共模电压抑制策略大致可分为硬件和软件两种。硬件方法就是通过向电路中增加无源器件(比如共模电感、耦合电感以及其他滤波器等)或者改变电路拓扑结构，从而减小甚至消除共模电压。但是，由于硬件方法往往会造成系统成本升高、体积增大、重量增加等问题，因此，软件方法更加受到青睐。软件方法就是直接对变换器的调制策略进行改进，从而确保调制过程不会产生较大的共模电压，该方法无需增加任何系统硬件和成本。

常用的调制方法大体分为载波调制和空间矢量调制两种，其中空间矢量方法具有直流母线电压利用率高和调制过程直观性强等优点，得到了广泛的应用。在三电平矢量空间内，由于每个基本矢量对应的共模电压各不相同，因此三电平变换器零共模电压空间矢量调制方法的基本思想，就是只用那些共模电压为零的矢量来合成目标矢量。但是，由于只使用共模电压为零的矢量来合成目标矢量，而放弃了其他矢量，在合成目标矢量时就无法再遵循最近三矢量原则，从而势必造成变换器输出波形质量的下降，这是所有零共模电压调制方法所共有的一大缺陷。例如：目前使用最广泛的经典零共模调制方法---2MV1Z调制，该调制方法就是使用每个扇区的两个中矢量和一个零矢量(这些矢量对应的共模电压都是零)来合成参考电压矢量。

发明内容

本发明是为了解决传统三电平变换器零共模电压空间矢量调制方法，只使用共模电压为零的矢量来合成目标矢量，造成变换器输出电流谐波大、波形质量低的问题，现提供适用于光伏并网应用中并联三电平变换器的零共模电压空间矢量调制方法。

适用于光伏并网应用中并联三电平变换器的零共模电压空间矢量调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

区域划分步骤：

将并联的三电平变换器视为五电平系统，选取出该五电平系统的矢量空间中所有零共模电压矢量，将相邻三个零共模电压矢量所在点作为等边三角形的三个顶点、并将三个顶点合围的三角形区域作为一个小区，

以位于矢量空间中心的零共模电压矢量所在点为圆心，每60°划分为一个扇区，将矢量空间划分为6个扇区，每个扇区包括4个小区；

区域确定步骤：

根据参考矢量在矢量空间中的角度，确定参考矢量所在扇区，该参考矢量为五电平系统的待调制矢量，

根据参考矢量的幅值和角度确定参考矢量在矢量空间中的坐标，并根据该坐标确认参考矢量所在小区；

矢量作用时间确定步骤：

根据参考矢量所在小区确定该小区三个顶点的零共模电压矢量，并分别获得三个顶点的零共模电压矢量所对应的矢量作用时间；

开关序列生成步骤：

将参考矢量所在小区和扇区代入以下开关序列分配表中，获得一个开关周期内矢量作用时间与参考矢量相对应的开关序列：

开关序列分配表

上述开关序列为五电平系统所对应的五电平开关序列；

开关序列转换步骤：

将五电平开关序列中的五电平状态分配至并联的三电平变换器所对应的两个三电平开关序列中，其中，分配原则如下：

将五电平开关序列中数值为偶数的五电平状态平均分为两个三电平状态，该两个三电平状态构成一个状态组；

将五电平开关序列中数值为奇数的五电平状态分为两个三电平状态，该两个三电平状态构成一个状态组，该状态组中状态差的绝对值最小、同一开关周期内所有状态差的平均值为0、且相邻两个开关周期中每相环流平均值为0，其中状态差为一个状态组中两个三电平状态的差值；

调制步骤：

利用两个三电平开关序列分别对并联的两个三电平变换器进行调制，使得并联的两个三电平变换器产生的共模电压为零。

上述开关序列转换步骤中，

数值为偶数的五电平状态包括0、2和4，

数值为0的五电平状态分为两个数值为0的三电平状态，

数值为2的五电平状态分为两个数值为1的三电平状态，

数值为4的五电平状态分为两个数值为2的三电平状态；

数值为奇数的五电平状态包括1和3，

数值为1的五电平状态分为数值为0和数值为1的三电平状态，

数值为3的五电平状态分为数值为1和数值为2的三电平状态。

具体的，上述相邻两个开关周期中，

同一作用时间下相同的奇数五电平状态的数值分配顺序相反。

具体的，当第i个开关周期中，作用时间T_g下数值为1的五电平状态分配顺序为0、1时，

则第i+1个开关周期中，作用时间T_g下数值为1的五电平状态分配顺序为1、0；

当第i个开关周期中，作用时间T_g下数值为3的五电平状态分配顺序为2、1时，

则第i+1个开关周期中，作用时间T_g下数值为3的五电平状态分配顺序为1、2，

其中，g＝a,b,c。

本发明基于分析并联三电平变换器的桥臂输出状态，利用并联三电平变换器与单个五电平系统在输出状态上的等效性，基于五电平空间矢量调制方法对并联系统进行整体分析与控制。本发明提出了一种基于改进五电平空间矢量的零共模电压空间矢量调制方法，采用共模电压为零的基本矢量组成全新的矢量空间，并推导出了分区判断和矢量作用时间以及开关序列生成过程。此外，将五电平开关序列适当地分配给并联三电平变换器，在确保共模电压为零的同时，还大大改善了并网系统的输出电流质量，并确保并联系统的差模和共模环流始终为零。

附图说明

图1是三电平变换器并联运行拓扑结构图；

图2是零共模电压矢量空间示意图；

图3是五电平矢量空间I扇区1小区开关序列示意图；

图4是五电平矢量空间I扇区1小区差模环流示意图；

图5是五电平矢量空间I扇区1小区共模环流示意图；

图6是不同调制比时本发明方法与传统方法的输出电流质量数据对比曲线图。

具体实施方式

传统零共模电压空间矢量调制方法(包括2MV1Z调制以及已知的其他方法)都是针对单台三电平变换器而提出的，若将其应用于并联三电平变换器，那么在共模电压抑制和输出电流谐波等方面，其性能均与应用于单台三电平变换器完全一样。而且，迄今为止，尚未有专门针对并联三电平变换器而提出的零共模电压空间矢量调制方法。为了弥补传统三电平变换器零共模电压空间矢量调制方法输出电流谐波大、质量低的缺陷，同时为了充分利用并联变换器之间的相互作用来提高并联输出电流质量，而提出本发明。

并联三电平变换器结构如图1所示，包括：直流母线、分压电容、两台三电平变换器、桥臂滤波电感和输出滤波电感，直流母线可以利用整流桥装置或直接由太阳能电池板等直流源供电；分压电容由两个相同极性的电容Ca和电容Cb组成，电容Ca的正极与直流母线的正极连接，电容Ca的负极与电容Cb的正极连接，电容Ca与电容Cb的连接点为分压电容的中点，分压电容的中点记为直流侧中性点N，电容Cb的负极与直流侧电源的负极连接；两个三电平变换器所有桥臂的正端均连接到所述直流母线的正端，所有桥臂的负端均连接到直流母线的负端，所有桥臂的钳位二极管中点均连接到各自的直流侧中性点；每个变换器包括有三个并联的三电平桥臂，三个三电平桥臂的中间点依次记为A1(A2)、B1(B2)、C1(C2)；桥臂滤波电感包括两组三相滤波电感L1和L2；所述输出滤波电感为一组三相滤波电感L；A1、B1、C1三点分别与A2、B2、C2三点连接在一起，连接点分别记为A_pcc、B_pcc、C_pcc；A_pcc、B_pcc、C_pcc三点分别连接到三相输出滤波电感L的一端；三相输出滤波电感L的另一端分别连接到三相电阻负载R的一端；三相负载R的另一端连接到一起，记为负载侧中性点O。上述并联三电平变换器电路中的典型参数如下表所示：

系统参数表

参量	数值
		V<sub>dc</sub>	200V
L1	6mH
		L2	6mH
L	1mH
		R	12Ω

对于三电平变换器来说，每个桥臂能够输出的状态及对应的输出相电压有三种；那么对于上述并联的两个三电平变换器来说，同一相两个并联桥臂总的输出状态就有五种。因此，可以把两台并联的三电平变换器所组成的系统从整体上作为一个五电平系统来进行分析，整体五电平系统每相的输出状态及其与两个三电平变换器状态之间的关系如下表所示：

并联的三电平变换器开关状态组合表

两个三电平变换器第x相输出电压V_x1N和V_x2N可以表示为：

其中，S_x1和S_x2分别表示两个三电平变换器中第x相桥臂的开关状态；V_dc表示直流母线电压。

变换器第x相差模环流i_difx＝i_x1-i_x2的变化率可表示为：

将上述公式(1)代入公式(2)中，可得：

由公式(3)可知，由于L1、L2和V_dc是常量，所以差模环流的变化率主要取决于两个三电平变换器同一相的开关状态之差。

除了相间差模环流之外，共模(零序)环流也是必须要考虑的因素。共模环流等于每一相的差模环流之和，可表示为

将公式(3)代入公式(4)可得：

基准点处的交流侧输出相电压V_xpccN可表示为：

对于每个三电平变换器来说，共模电压指的是负载中性点O和直流母线中点N之间的电压差V_ON：

将公式(1)和(6)代入公式(7)可得：

既然两个并联的三电平变换器所组成的系统可以整体视为一个五电平系统，则整个并联系统的共模电压可以表示为：

其中，S_x表示五电平系统中第x相的开关状态。

基于公式(9)，可以计算出五电平矢量空间内每个矢量状态所对应的共模电压值。对于任意一个五电平矢量来说。如果其三相状态之和等于6，那么根据公式(9)可知：该矢量对应的共模电压就是零。本实施方式就是将共模电压为零的矢量全部挑选出来，并基于这些零共模电压矢量重新将矢量空间分区，提出一种新的调制方法，具体如下：

具体实施方式一：

根据以上分析，本实施方式中，适用于光伏并网应用中并联三电平变换器的零共模电压空间矢量调制方法，将并联的三电平变换器视为五电平系统，在该五电平系统的全部五电平基本矢量中，选出对应共模电压为零的19个基本矢量。然后，以这19个零共模电压矢量为基础，在五电平系统的矢量空间中将相邻的三个零共模电压矢量组成一个等边三角形，通过这样的方式重新对五电平系统的矢量空间进行分区，获得24个小区，可以得到如图2所示的零共模电压矢量空间。

区域划分步骤：

以位于矢量空间中心的零共模电压矢量V₀所在点为圆心，以该圆心为原点，建立αβ平面直角坐标系，以θ为各个扇区的圆心角，每60°划分为一个扇区，将矢量空间划分为6个扇区，6个扇区分配如下表：

扇区分配表

扇区	圆心角范围
		Ⅰ	0°＜θ≤30°且330°＜θ≤360°
Ⅱ	30°＜θ≤90°
		Ⅲ	90°＜θ≤150°
Ⅳ	150°＜θ≤210°
		Ⅴ	210°＜θ≤270°
Ⅵ	270°＜θ≤330°

其中，每个扇区包括4个小区。

区域确定步骤：

将参考矢量在矢量空间中的角度与上述扇区分配表进行匹配，以确定参考矢量所在扇区，该参考矢量为五电平系统的待调制矢量；

利用以下公式确定参考矢量在矢量空间中的坐标[V_α,V_β]：

其中，V_ref表示参考矢量的幅值，δ为参考矢量的幅值夹角；

若参考矢量位于I扇区，则直接将[V_α,V_β]代入以下小区分配表来判断参考矢量所在小区；若参考矢量位于其余扇区，那么由于整个矢量空间具有旋转对称性，所以可以将其余扇区(II-VI)内的参考矢量旋转到I扇区进行类比，同样套用以下小区分配表就能获得矢量所在小区；

小区分配表

矢量作用时间确定步骤：

确定了参考矢量所在位置之后，设参考矢量所在小区三个顶点处的三个基本矢量分别为V_a、V_b、V_c，且各自对应的矢量作用时间分别为T_a、T_b、T_c。根据伏秒平衡原理，在一个开关周期T_s内，可以得到：

V_ref·T_s＝V_a·T_a+V_b·T_b+V_c·T_c (11)

将实部与虚部分别展开，即可求得各小区内的T_a、T_b、T_c，具体如下表所示：

矢量作用时间表

其中，k表示调制比，

开关序列生成步骤：

获得了上述矢量作用时间之后，就能够根据参考矢量所在小区、扇区和开关序列分配表获得一个开关周期内矢量作用时间与参考矢量相对应的开关序列，

开关序列分配表

上述开关序列为五电平系统所对应的五电平开关序列。

开关序列转换步骤：

因为最终的开关脉冲仍要发送到并联的两台三电平变换器，所以将五电平开关序列中的五电平状态分配至并联的三电平变换器所对应的两个三电平开关序列中，其中，基本原则就是确保五电平状态尽可能平均分配，分配原则如下：

将五电平开关序列中数值为偶数的五电平状态平均分为两个三电平状态，该两个三电平状态构成一个状态组，具体的：

数值为偶数的五电平状态包括0、2和4，

数值为0的五电平状态分为两个数值为0的三电平状态，

数值为2的五电平状态分为两个数值为1的三电平状态，尽管五电平状态2有三种分配方式，即：0和2、2和0、1和1，但是，很明显平均分成1和1能使该状态对应的差模电压为0，即1-1＝0(两个三电平状态差值最小)，因此不会产生环流。同理，对于数值为4的五电平状态分为两个数值为2的三电平状态。

对于数值为奇数的五电平状态来说，不可能平分，但是可以使两个变换器的状态差尽可能小。因此，将五电平开关序列中数值为奇数的五电平状态分为两个三电平状态，该两个三电平状态构成一个状态组，该状态组中状态差的绝对值最小、同一开关周期内所有状态差的平均值为0、且相邻两个开关周期中每相环流平均值为0(第一个开关周期内的三电平开关序列要以相反的顺序用于第二个开关周期，从而确保环流在连续的两个开关周期内平均值为零)，其中状态差为一个状态组中两个三电平状态的差值，具体的：

数值为奇数的五电平状态包括1和3，在相邻的两个开关周期中，

一个开关周期中数值为1的五电平状态分为数值为0和数值为1(顺序为0、1)的三电平状态(01组合)，两者状态差为0-1＝-1，会导致环流减小；另一个开关周期中数值为1的五电平状态分为数值为1和数值为0(顺序为1、0)的三电平状态(10组合)，两者状态差为1-0＝1，会导致环流增大；而两个周期的平均环流则为零。

同理，一个开关周期中数值为3的五电平状态分为数值为1和数值为2(顺序为1、2)的三电平状态，则另一个开关周期中数值为3的五电平状态分为数值为2和数值为1(顺序为2、1)的三电平状态。

按照上述分配原则，在瞬时环流不可避免的情况下，控制环流的基本思路就是，交替使用不同的三电平状态组合，使环流不会始终朝向一个方向变化，从而确保环流平均值为零。

调制步骤：

利用两个三电平开关序列分别对并联的两个三电平变换器进行调制，使得并联的两个三电平变换器产生的共模电压为零。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的适用于光伏并网应用中并联三电平变换器的零共模电压空间矢量调制方法的进一步说明，本实施方式中，假设参考矢量位于图2中Ⅰ扇区1小区，则对应所在小区三个顶点矢量为V₀、V₅₄、V₄₉，对应的矢量作用时间分别为T₀、T₅₄、T₄₉，那么对应的五电平开关序列为：222-312-321-|-321-312-222。将该序列与矢量作用时间进行对应，获得一个开关周期内的开关序列示意图，如图3所示。

由于环流为零才能保证系统的正常运行，因此有两个基本原则：一是要让环流在一个开关周期结束时能够回到该周期开始时的数值，二是要让环流在连续两个开关周期内的平均值为零。

如图4所示，按照具体实施方式一中的分配规则，两个连续的开关周期相结合，就能保证环流平均值为零。以A相为例，在第一个开关周期内，A相相间差模环流平均值为正，而在第二个开关周期内差模环流平均值为负，所以两个连续的开关周期内，差模环流平均值为零。

而对于共模环流来说，如图5所示，由于五电平矢量分配到三电平状态之后，两个变换器分到的三电平状态和都是3(比如111和111，111和201，111和210)，所以共模状态差始终为零，因此所产生的共模环流也始终为零。

在确保共模电压始终为零的基础上，使用本实施方式的输出电流质量比使用传统零共模电压方法(以2MV1Z为例)在不同的调制比条件下均有大幅改善，如图6所示。

Claims (8)

1.适用于光伏并网应用中并联三电平变换器的零共模电压空间矢量调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

区域划分步骤：

将并联的三电平变换器视为五电平系统，选取出该五电平系统的矢量空间中所有零共模电压矢量，将相邻三个零共模电压矢量所在点作为等边三角形的三个顶点、并将三个顶点合围的三角形区域作为一个小区，

以位于矢量空间中心的零共模电压矢量所在点为圆心，每60°划分为一个扇区，将矢量空间划分为6个扇区，每个扇区包括4个小区；

区域确定步骤：

根据参考矢量在矢量空间中的角度，确定参考矢量所在扇区，该参考矢量为五电平系统的待调制矢量，

根据参考矢量的幅值和角度确定参考矢量在矢量空间中的坐标，并根据该坐标确认参考矢量所在小区；

矢量作用时间确定步骤：

根据参考矢量所在小区确定该小区三个顶点的零共模电压矢量，并分别获得三个顶点的零共模电压矢量所对应的矢量作用时间；

开关序列生成步骤：

将参考矢量所在小区和扇区代入开关序列分配表中，获得一个开关周期内矢量作用时间与参考矢量相对应的开关序列：

上述开关序列为五电平系统所对应的五电平开关序列；

开关序列转换步骤：

将五电平开关序列中的五电平状态分配至并联的三电平变换器所对应的两个三电平开关序列中，其中，分配原则如下：

将五电平开关序列中数值为偶数的五电平状态平均分为两个三电平状态，该两个三电平状态构成一个状态组；

将五电平开关序列中数值为奇数的五电平状态分为两个三电平状态，该两个三电平状态构成一个状态组，该状态组中状态差的绝对值最小、同一开关周期内所有状态差的平均值为0、且相邻两个开关周期中每相环流平均值为0，其中状态差为一个状态组中两个三电平状态的差值；

调制步骤：

利用两个三电平开关序列分别对并联的两个三电平变换器进行调制，使得并联的两个三电平变换器产生的共模电压为零。

2.根据权利要求1所述的适用于光伏并网应用中并联三电平变换器的零共模电压空间矢量调制方法，其特征在于，区域划分步骤中，以圆心为原点，建立平面直角坐标系，以θ为各个扇区的圆心角，按照以下扇区分配表在平面直角坐标系中划分扇区：

扇区分配表

扇区 圆心角范围 I 0°＜θ≤30°且330°＜θ≤360° Ⅱ 30°＜θ≤90° III 90°＜θ≤150° Ⅳ 150°＜θ≤210° Ⅴ 210°＜θ≤270° Ⅵ 270°＜θ≤330°

。

3.根据权利要求2所述的适用于光伏并网应用中并联三电平变换器的零共模电压空间矢量调制方法，其特征在于，区域确定步骤中，将参考矢量在矢量空间中的角度代入到扇区分配表中，确定参考矢量所在扇区。

4.根据权利要求3所述的适用于光伏并网应用中并联三电平变换器的零共模电压空间矢量调制方法，其特征在于，确认参考矢量所在小区的方法为：

利用以下公式确定参考矢量在矢量空间中的坐标[V_α,V_β]：

其中，V_ref表示参考矢量的幅值，δ为参考矢量的幅值夹角；

将参考矢量所在扇区旋转至I扇区，然后将参考矢量的坐标与小区分配表进行比对，确定参考矢量所在小区，

小区分配表

。

5.根据权利要求4所述的适用于光伏并网应用中并联三电平变换器的零共模电压空间矢量调制方法，其特征在于，矢量作用时间确定步骤中，根据下表分别获得三个顶点的零共模电压矢量所对应的矢量作用时间T_a、T_b、T_c：

矢量作用时间表

上述表格中，T_s表示一个开关周期，k表示调制比。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的适用于光伏并网应用中并联三电平变换器的零共模电压空间矢量调制方法，其特征在于，开关序列转换步骤中，

数值为偶数的五电平状态包括0、2和4，

数值为0的五电平状态分为两个数值为0的三电平状态，

数值为2的五电平状态分为两个数值为1的三电平状态，

数值为4的五电平状态分为两个数值为2的三电平状态；

数值为奇数的五电平状态包括1和3，

数值为1的五电平状态分为数值为0和数值为1的三电平状态，

数值为3的五电平状态分为数值为1和数值为2的三电平状态。

7.根据权利要求6所述的适用于光伏并网应用中并联三电平变换器的零共模电压空间矢量调制方法，其特征在于，

相邻两个开关周期中，同一作用时间下相同的奇数五电平状态的数值分配顺序相反。

8.根据权利要求7所述的适用于光伏并网应用中并联三电平变换器的零共模电压空间矢量调制方法，其特征在于，

当第i个开关周期中，作用时间T_g下数值为1的五电平状态分配顺序为0、1时，

则第i+1个开关周期中，作用时间T_g下数值为1的五电平状态分配顺序为1、0；

当第i个开关周期中，作用时间T_g下数值为3的五电平状态分配顺序为2、1时，

则第i+1个开关周期中，作用时间T_g下数值为3的五电平状态分配顺序为1、2，

其中，g＝a，b，c。

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