CN109888798A - 电网不平衡下三相级联式多电平电力电子变流器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电网不平衡下三相级联式多电平电力电子变流器控制方法，包括以下步骤：S1：建立三相星接级联式多电平电力电子变流器数学模型；S2：根据坐标变换理论，将三相静止坐标系下三相星接级联式多电平电力电子变流器的数学模型变换成α‑β两相静止坐标系下的数学模型；S3：建立电网平衡下的三相星接级联式多电平电力电子变流器欧拉‑拉格朗日模型；S4：无源性判断；S5：电网不平衡下三相星接级联式多电平电力电子变流器瞬时功率分析，计算α‑β两相静止坐标系下电流参考值i^* _α、i^* _β；S6：无源控制器设计。本发明提供的方法具有抑制功率波动、控制效果好、动态响应快、鲁棒性强、操作简单等优点。

Description

电网不平衡下三相级联式多电平电力电子变流器控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子及电力系统自动化领域，特别涉及电网不平衡下三相级联式多电平电力电子变流器控制方法。

背景技术

近年来，级联式多电平电力电子变流器因具有较高的输入侧功率因数、模块化设计、电压应力较低等优点，越来越多地受到学术界和工业界的重视。但在工程实际中，电网不平衡现象频繁发生，对级联式多电平电力电子变流器的性能产生不良影响。

国内外学者对电网不平衡下的级联式多电平电力电子变流器控制问题进行了研究，已取得一些研究成果。采用线性控制器(如PI控制器、PR控制器)控制具有非线性性质的级联式多电平电力电子变流器，控制结构复杂、性能不佳。因此，反馈线性化控制、滑模变结构控制、无差拍控制等多种非线性控制方法被用到了级联式多电平电力电子变流器的控制中，这些控制方法都能够在不同程度上改进级联式多电平电力电子变流器的性能，但它们自身也都有缺陷存在。由于无源控制是一种本质的能量控制，所设计的控制器可实现系统的全局稳定性，对系统参数变化及外来摄动有较强的鲁棒性。与其他控制策略相比，无源控制方法虽使得系统性能得到了改进，但当负载变化、电网不平衡时存在直流电压稳态误差较大，系统响应速度不理想等问题，且现有的针对级联式多电平电力电子变流器的无源控制方法大都在dq 两相旋转坐标系下进行，需通过锁相环进行锁相，运算复杂。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种具有抑制功率波动、控制效果好、动态响应快、鲁棒性强、操作简单等优点的电网不平衡下三相级联式多电平电力电子变流器控制方法。

为达到上述目的，本发明提供了一种电网不平衡下三相级联式多电平电力电子变流器控制方法，其中三相级联式多电平电力电子变流器，包括三相星接级联式多电平电力电子变流器，三相星接级联式多电平电力电子变流器由3*N个电力电子变流器级联组成，其中每相由N 个电力电子变流器级联组成，N为大于1的整数；三相星接级联式多电平电力电子变流器包括三相星接级联式二极管H桥变流器、三相星接级联式无桥变流器、三相星接级联式VIENNA 变流器、三相星接级联式H桥变流器；

本发明电网不平衡下三相级联式多电平电力电子变流器控制方法步骤如下：

S1：三相星接级联式多电平电力电子变流器数学模型建立：假定三相电感取值相等，各电力电子变流器负载相等且直流电压平衡，根据三相星接级联式多电平电力电子变流器拓扑结构，基于基尔霍夫电压定律、基尔霍夫电流定律构建三相星接级联式多电平电力电子变流器数学模型；

S2：坐标变换：根据Clark变换，将三相静止坐标系下三相星接级联式多电平电力电子变流器的数学模型变换成α-β两相静止坐标系下的数学模型；

S3：电网平衡下的三相星接级联式多电平电力电子变流器欧拉-拉格朗日模型建立：根据坐标变换后α-β两相静止坐标系下的数学模型建立电网平衡下的三相星接级联式多电平电力电子变流器欧拉-拉格朗日模型；

S4：无源性判断：对电网平衡下的三相星接级联式多电平电力电子变流器进行无源性判断，若电网平衡下的三相星接级联式多电平电力电子变流器严格无源，则对其采用无源控制；

S5：电网不平衡下的三相星接级联式多电平电力电子变流器瞬时功率分析：根据电网不平衡下的瞬时功率控制理论，对电网不平衡下的三相星接级联式多电平电力电子变流器瞬时功率进行分析，以保证直流母线电压稳定、交流侧单位功率因数、抑制有功功率波动为前提计算α-β两相静止坐标系下电流参考值i^* _α、i^* _β；

S6：三相星接级联式多电平电力电子变流器无源控制器设计：根据步骤S3获得的欧拉- 拉格朗日模型以及步骤S5中获得的α-β两相静止坐标系下电流参考值i^* _α、i^* _β，对三相星接级联式多电平电力电子变流器采用无源控制器。

优选地，步骤S1中，假定三相电感取值相等，各电力电子变流器负载相等且直流电压平衡，三相星接级联式多电平电力电子变流器数学模型表达式为：

其中

式中：u_sk为k(k＝a,b,c)相交流输入电压，i_sk为k相交流输入电流，u_conk为k相各电力电子变流器交流侧合成电压之和，u_NO为交流侧中性点相对于电源中性点的电压，u_dc为各电力电子变流器的直流输出电压，S_mk为k相第m个电力电子变流器的开关函数，m为不大于N的正整数，L、R分别为三相星接级联式多电平电力电子变流器交流侧的滤波电感、等效串联电阻，C为各电力电子变流器直流侧滤波电容,R_l为各电力电子变流器负载。

优选地，步骤S2中，根据Clark变换，将三相静止坐标系下三相星接级联式多电平电力电子变流器的数学模型变换成α-β两相静止坐标系下的数学模型为：

式中：u_α、u_β分别为三相交流输入电压在α-β两相静止坐标系下的α轴、β轴分量，i_α、i_β分别为三相交流输入电流在α-β两相静止坐标系下的α轴、β轴分量，S_iα、S_iβ分别为开关函数在α-β两相静止坐标系下的α轴、β轴分量。

优选地，步骤S3中，电网平衡下的三相星接级联式多电平电力电子变流器欧拉-拉格朗日模型表达式为：

其中,

式中，M为正定对角阵，J为反对称矩阵，J＝-J^T，反映了系统内部的互联结构，R_e为对称正定矩阵，反映了系统的耗散特性，x表示系统的状态变量，系统与外部能量交换由ε表示。

优选地，步骤S4中，对电网平衡下的三相星接级联式多电平电力电子变流器无源性判断的具体内容为：

对于一个仿射非线性系统：

其中，x∈Rⁿ为状态变量；u∈R^m为输入变量；f关于(x，u)局部莱布尼茨。

对于系统，若存在连续可微半正定能量存储函数V(x)及正定函数Q(x)，对使得耗散不等式为：

或

由上式可得：

分别令y＝x、Q(x)＝x^TR_ex，若上式满足耗散不等式，则说明电网平衡下的三相星接级联式多电平电力电子变流器是严格无源的。

优选地，步骤S5中，根据电网不平衡下的瞬时功率控制理论，对电网不平衡下的三相星接级联式多电平电力电子变流器瞬时功率进行分析，以保证直流母线电压稳定、交流侧单位功率因数、抑制有功功率波动为前提，令电网不平衡下的三相星接级联式多电平电力电子变流器瞬时输入有功功率直流分量为有功功率参考值P^*，瞬时输入无功功率直流分量为 0，瞬时输出有功功率交流分量为0，从而计算α-β两相静止坐标系下电流参考值i^* _α、i^* _β。

优选地，步骤S6具体包括以下步骤：

(1)对严格无源的电网平衡条件下的三相星接级联式多电平电力电子变流器系统确定期望稳定平衡点，获取系统欧拉-拉格朗日模型；

(2)注入阻尼，使系统快速收敛到期望稳定平衡点，加速系统欧拉-拉格朗日模型的能量耗散；

(3)根据耗散后的系统欧拉-拉格朗日模型设计无源控制器。

优选地，步骤(1)具体内容为：

确定期望稳定平衡点为：

令系统状态变量的误差为：

x_e＝x-x^*

则系统欧拉-拉格朗日模型可写为：

取误差能量函数：

V＝x_e ^TMx_e/2

优选地，步骤(2)具体内容为：

注入阻尼后的欧拉-拉格朗日模型为：

其中

系统注入的阻尼正定矩阵

优选地，步骤(3)具体内容为：

无源控制器表达式为：

ε＝Jx+R_ex^*-R_ax_e

无源控制律为：

本发明提出的电网不平衡下三相级联式多电平电力电子变流器控制方法，对三相星接级联式多电平电力电子变流器建立了数学模型，根据电网不平衡下的瞬时功率控制理论，对电网不平衡下的三相星接级联式多电平电力电子变流器瞬时功率进行分析，以保证直流母线电压稳定、交流侧单位功率因数、抑制有功功率波动为前提计算α-β两相静止坐标系下电流参考值i^* _α、i^* _β，并设计无源控制器，在设计过程中加入阻尼，加速系统能量的耗散，使系统的动态响应加快。本发明提出的电网不平衡下三相级联式多电平电力电子变流器控制方法具有抑制功率波动、控制效果好、动态响应快、鲁棒性强、操作简单等优点。

附图说明

图1为本发明的方框图；

图2为本发明实施例中三级级联的三相星接级联式无桥变流器的电路原理图；

图3为三相星接级联式二极管H桥变流器的电路原理图；

图4为三相星接级联式无桥变流器的电路原理图；

图5为三相星接VIENNA变流器的电路原理图；

图6为三相星接H桥变流器的电路原理图；

图7为采用本发明控制策略时a相电流THD；

图8为采用传统PI控制策略时a相电流THD；

图9为采用本发明控制策略时直流侧电压波形；

图10为采用传统PI控制策略时直流侧电压波形。

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详细描述，以充分的了解本发明的目的、特征和效果。本实施例给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于本实施例。

实施例：

参照图2，对三级级联的三相星接级联式无桥变流器应用本发明。所述三级级联的三相星接级联式无桥变流器是三相级联式多电平电力电子变流器的一种，每相是由3个无桥变流器级联而成。

本发明电网不平衡下三相级联式多电平电力电子变流器控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：建立三级级联的三相星接级联式无桥变流器数学模型；

假定三相电感取值相等，各电力电子变流器负载相等且直流电压平衡，三级级联的三相星接级联式无桥变流器数学模型表达式为：

其中

式中：u_sk为k(k＝a,b,c)相交流输入电压，i_sk为k相交流输入电流，u_conk为k相各无桥变流器交流侧合成电压之和，u_NO为交流侧中性点相对于电源中性点的电压，u_dc为各无桥变流器的直流输出电压，S_mk为k相第m个无桥变流器的开关函数，m为不大于3的正整数，L、R分别为三级级联的三相星接级联式无桥变流器交流侧的滤波电感、等效串联电阻，C为各无桥变流器直流侧滤波电容,R_l为各无桥变流器负载。

步骤二：坐标变换；

根据Clark变换，将三相静止坐标系下三级级联的三相星接级联式无桥变流器的数学模型变换成α-β两相静止坐标系下的数学模型为：

式中：u_α、u_β分别为三相交流输入电压在α-β两相静止坐标系下的α轴、β轴分量，i_α、i_β分别为三相交流输入电流在α-β两相静止坐标系下的α轴、β轴分量，S_iα、S_iβ分别为开关函数在α-β两相静止坐标系下的α轴、β轴分量。

步骤三：建立电网平衡下的三级级联的三相星接级联式无桥变流器欧拉-拉格朗日模型；

电网平衡下三级级联的三相星接级联式无桥变流器欧拉-拉格朗日模型表达式为：

其中,

式中，M为正定对角阵，J为反对称矩阵，J＝-J^T，反映了系统内部的互联结构，R_e为对称正定矩阵，反映了系统的耗散特性，x表示系统的状态变量，系统与外部能量交换由ε表示。

步骤四：无源性判断；

对于一个仿射非线性系统：

其中，x∈Rⁿ为状态变量；u∈R^m为输入变量；f关于(x，u)局部莱布尼茨。

对于系统，若存在半正定能量存储函数V(x)及正定函数Q(x)，对使得耗散不等式为：

或

由上式可得：

分别令y＝x、Q(x)＝x^TR_ex，则式(7)满足耗散不等式形式，说明电网平衡下的三级级联的三相星接级联式无桥变流器是严格无源的。根据无源控制理论，严格无源的系统一定可以采用无源控制且控制系统是稳定的。

步骤五：电网不平衡下的三级级联的三相星接级联式无桥变流器瞬时功率分析；

根据电网不平衡下的瞬时功率控制理论，对电网不平衡下的三级级联的三相星接级联式无桥变流器瞬时功率进行分析，以保证直流母线电压稳定、交流侧单位功率因数、抑制有功功率波动为前提，令电网不平衡下的三级级联的三相星接级联式无桥变流器瞬时输入有功功率直流分量为有功功率参考值P^*，瞬时输入无功功率直流分量为0，瞬时输出有功功率交流分量为0，从而计算α-β两相静止坐标系下电流参考值i^* _α、i^* _β。

步骤六：三级级联的三相星接级联式无桥变流器无源控制器设计；

(1)对严格无源的三级级联的三相星接级联式无桥变流器系统确定期望稳定平衡点为

令系统状态变量的误差为：

x_e＝x-x^* (9)

则系统欧拉-拉格朗日模型可写为

取误差能量函数

V＝x_e ^TMx_e/2 (11)

(2)注入阻尼，使系统快速收敛到期望稳定平衡点，加速系统欧拉-拉格朗日模型的能量耗散；

注入阻尼后的EL模型为

其中

系统注入的阻尼正定矩阵

(3)根据耗散后的系统欧拉-拉格朗日模型设计无源控制器；

无源控制器表达式为：

ε＝Jx+R_ex^*-R_ax_e (13)

无源控制律为：

为了验证本专利所提出的控制策略的有效性，将其与传统PI控制进行了仿真比较，令a 相电压跌落40％，图7、图8分别为采用无源控制、传统PI控制时A相电流THD。图9、图10分别为采用无源控制、传统PI控制时直流侧电压波形。由图可见，采用无源控制时A相电流THD为1.96％，直流电压经过0.07s稳定，而采用传统PI控制时A相电流THD为3.78％，直流电压经过0.2s稳定。证明了本发明提供的电网不平衡下三相级联式多电平电力电子变流器控制方法的有效性。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计方案前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (10)

1.电网不平衡下三相级联式多电平电力电子变流器控制方法，所述三相级联式多电平电力电子变流器，包括三相星接级联式多电平电力电子变流器，所述三相星接级联式多电平电力电子变流器由3*N个电力电子变流器级联组成，其中每相由N个电力电子变流器级联组成，N为大于1的整数；所述三相星接级联式多电平电力电子变流器包括三相星接级联式二极管H桥变流器、三相星接级联式无桥变流器、三相星接级联式VIENNA变流器、三相星接级联式H桥变流器；

其特征在于，电网不平衡下三相级联式多电平电力电子变流器控制方法步骤如下：

S1：三相星接级联式多电平电力电子变流器数学模型建立：假定三相电感取值相等，各电力电子变流器负载相等且直流电压平衡，根据三相星接级联式多电平电力电子变流器拓扑结构，基于基尔霍夫电压定律、基尔霍夫电流定律构建三相星接级联式多电平电力电子变流器数学模型；

S2：坐标变换：根据Clark变换，将三相静止坐标系下三相星接级联式多电平电力电子变流器的数学模型变换成α-β两相静止坐标系下的数学模型；

S3：电网平衡下的三相星接级联式多电平电力电子变流器欧拉-拉格朗日模型建立：根据坐标变换后α-β两相静止坐标系下的数学模型建立电网平衡下的三相星接级联式多电平电力电子变流器欧拉-拉格朗日模型；

S4：无源性判断：对电网平衡下的三相星接级联式多电平电力电子变流器进行无源性判断，若电网平衡下的三相星接级联式多电平电力电子变流器严格无源，则对其采用无源控制；

S5：电网不平衡下的三相星接级联式多电平电力电子变流器瞬时功率分析：根据电网不平衡下的瞬时功率控制理论，对电网不平衡下的三相星接级联式多电平电力电子变流器瞬时功率进行分析，以保证直流母线电压稳定、交流侧单位功率因数、抑制有功功率波动为前提计算α-β两相静止坐标系下电流参考值i^* _α、i^* _β；

S6：三相星接级联式多电平电力电子变流器无源控制器设计：根据步骤S3获得的欧拉-拉格朗日模型以及步骤S5中获得的α-β两相静止坐标系下电流参考值i^* _α、i^* _β，对三相星接级联式多电平电力电子变流器采用无源控制器。

2.根据权利要求1所述的电网不平衡下三相级联式多电平电力电子变流器控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，假定三相电感取值相等，各电力电子变流器负载相等且直流电压平衡，三相星接级联式多电平电力电子变流器数学模型表达式为：

其中

式中：u_sk为k(k＝a,b,c)相交流输入电压，i_sk为k相交流输入电流，u_conk为k相各电力电子变流器交流侧合成电压之和，u_NO为交流侧中性点相对于电源中性点的电压，u_dc为各电力电子变流器的直流输出电压，S_mk为k相第m个电力电子变流器的开关函数，m为不大于N的正整数，L、R分别为三相星接级联式多电平电力电子变流器交流侧的滤波电感、等效串联电阻，C为各电力电子变流器直流侧滤波电容,R_l为各电力电子变流器负载。

3.根据权利要求2所述的电网不平衡下三相级联式多电平电力电子变流器控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据Clark变换，将三相静止坐标系下三相星接级联式多电平电力电子变流器的数学模型变换成α-β两相静止坐标系下的数学模型为：

式中：u_α、u_β分别为三相交流输入电压在α-β两相静止坐标系下的α轴、β轴分量，i_α、i_β分别为三相交流输入电流在α-β两相静止坐标系下的α轴、β轴分量，S_iα、S_iβ分别为开关函数在α-β两相静止坐标系下的α轴、β轴分量。

4.根据权利要求3所述的电网不平衡下三相级联式多电平电力电子变流器控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，电网平衡下的三相星接级联式多电平电力电子变流器欧拉-拉格朗日模型表达式为：

其中,

式中，M为正定对角阵，J为反对称矩阵，J＝-J^T，反映了系统内部的互联结构，R_e为对称正定矩阵，反映了系统的耗散特性，x表示系统的状态变量，系统与外部能量交换由ε表示。

5.根据权利要求1所述的电网不平衡下三相级联式多电平电力电子变流器控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，对电网平衡下的三相星接级联式多电平电力电子变流器无源性判断的具体内容为：

对于一个仿射非线性系统：

其中，x∈Rⁿ为状态变量；u∈R^m为输入变量；f关于(x，u)局部莱布尼茨。

对于系统，若存在连续可微半正定能量储存函数V(x)及正定函数Q(x)，对使得耗散不等式为：

或

由上式可得：

分别令y＝x、Q(x)＝x^TR_ex，若上式满足耗散不等式，则说明电网平衡下的三相星接级联式多电平电力电子变流器是严格无源的。

6.根据权利要求1所述的电网不平衡下三相级联式多电平电力电子变流器控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，根据电网不平衡下的瞬时功率控制理论，对电网不平衡下的三相星接级联式多电平电力电子变流器瞬时功率进行分析，以保证直流母线电压稳定、交流侧单位功率因数、抑制有功功率波动为前提，令电网不平衡下的三相星接级联式多电平电力电子变流器瞬时输入有功功率直流分量为有功功率参考值P^*，瞬时输入无功功率直流分量为0，瞬时输出有功功率交流分量为0，从而计算α-β两相静止坐标系下电流参考值i^* _α、i^* _β。

7.根据权利要求1所述的电网不平衡下三相级联式多电平电力电子变流器控制方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括以下步骤：

(1)对严格无源的电网平衡条件下的三相星接级联式多电平电力电子变流器系统确定期望稳定平衡点，获取系统欧拉-拉格朗日模型；

(2)注入阻尼，使系统快速收敛到期望稳定平衡点，加速系统欧拉-拉格朗日模型的能量耗散；

(3)根据耗散后的系统欧拉-拉格朗日模型设计无源控制器。

8.根据权利要求7所述的电网不平衡下三相级联式多电平电力电子变流器控制方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体内容为：

确定期望稳定平衡点为：

令系统状态变量的误差为：

x_e＝x-x^*

则系统欧拉-拉格朗日模型可写为：

取误差能量函数为：

V＝x_e ^TMx_e/2

9.根据权利要求7所述的电网不平衡下三相级联式多电平电力电子变流器控制方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体内容为：

注入阻尼后的欧拉-拉格朗日模型为：

其中

系统注入的阻尼正定矩阵

10.根据权利要求7所述的电网不平衡下三相级联式多电平电力电子变流器控制方法，其特征在于，所述步骤(3)具体内容为：

无源控制器表达式为：

ε＝Jx+R_ex^*-R_ax_e

无源控制律为：