CN109980973A - 并联有源箝位三电平svg系统及其控制方法 - Google Patents

并联有源箝位三电平svg系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种并联有源箝位三电平SVG系统及其控制方法，通过模块化并联技术提升了SVG系统的功率等级、可靠性和效率，整个系统采用主从控制架构，电流内环采用无差拍控制器，实现了直流侧电压的稳定和电流的快速响应。零序环流最优控制器有效抑制了并联系统的零序环流。采用具有90度相位差的移相载波，公共连接点处的电流波形质量显著改善。

Description

并联有源箝位三电平SVG系统及其控制方法
技术领域
本公开涉及一种并联有源箝位三电平SVG系统及其控制方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
三电平变换器在可再生能源发电系统、电能质量治理、大功率交流传动等领域得到了广泛应用。在工业配电系统中，静止无功发生器(SVG)常用于补偿负载无功功率、抑制电网电压的波动，具有谐波含量低、不受电源电压影响等优势，应用广泛。
然而，据发明人了解，单台SVG系统的容量有限，无法满足大功率应用场合的需求。模块化并联能够提高系统的容量、可靠性和效率。然而，由于并联的各个模块采用独立的调制模块，各个模块硬件存在差异，随之而来的零序环流问题使得输出电流发生畸变、系统效率降低，严重影响功率开关管的使用寿命，威胁整个并联系统的安全运行。有源箝位(Active Neutral-Point Clamped,ANPC)三电平逆变器拓扑采用功率开关管代替二极管箝位三电平逆变器拓扑中的箝位二极管，功率开关管的损耗分布更加均衡，有利于系统功率等级的提升。因此，研究并联三电平SVG系统及其控制方法，解决环流抑制、中点平衡控制、动态响应速度慢等问题具有重要的理论意义和实际应用价值。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种并联有源箝位三电平SVG系统及其控制方法，本公开提高了系统的容量、可靠性和效率，解决了功率器件损耗均衡、环流抑制、中点平衡控制等关键问题。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种并联有源箝位三电平SVG系统，包括两台并联的有源箝位三电平SVG，所述有源箝位三电平SVG的直流侧正母线、负母线和中性点分别连接在一起，交流侧通过滤波器能够连接至三相交流电网；
所述交流侧包括三相桥臂，每相桥臂包括六个功率开关管，其中四个功率开关管串联，形成串联组，另两个功率开关管串联后与串联组中位于中间的两个功率开关管并联；直流侧包括两个串联连接的滤波电容，两个滤波电容的中间形成一个中性点，所述中性点与该相另两个功率开关管的中间点连接，串联组的中间连接对应的滤波器。
作为一种可选的方案，所述滤波器为电感滤波器。
作为一种可选的方案，一台有源箝位三电平SVG为主机，另一台为从机。
基于上述系统的控制方法，采用主从控制两台有源箝位三电平SVG，每台有源箝位三电平SVG的控制策略为电压-电流双闭环控制方法，外环为直流电压环，采用PI调节方式，以实现直流输出电压的稳定；内环为电流环，采用无差拍控制方式，以实现快速的动态响应。
作为一种可选的方案，采样每台有源箝位三电平SVG的直流侧上、下电容的电压，两个电容电压作加法运算得到直流侧电压值，两个电容电压作减法运算得到中点电位的值，直流侧电压的给定值与实际值作减法运算，得到直流侧电压的误差信号，送入PI控制器，PI控制器的输出作为两台有源箝位三电平SVG的d轴总电流给定值。
作为一种可选的方案，两台有源箝位三电平SVG的d轴总电流给定值经第一分配因子，得到每台有源箝位三电平SVG的d轴电流给定值；根据控制要求给定两台有源箝位三电平SVG的q轴总电流给定值，结合设定的第二分配因子，计算得到每台有源箝位三电平SVG的q轴电流给定值。
作为一种可选的方案，采样第一台有源箝位三电平SVG的三相电流，通过abc/dqz坐标变换得到d轴、q轴和z轴的电流分量，在同步旋转坐标系中实现电流控制功能，采样第二台有源箝位三电平SVG的三相电流，通过abc/dq坐标变换得到d轴和q轴的电流分量，在同步旋转坐标系中实现电流控制功能。
更进一步的，对于每一台有源箝位三电平SVG，d轴电流的给定值与实际值作减法运算，得到d轴电流的误差信号，送入无差拍控制器，q轴电流的给定值与实际值作减法运算，得到q轴电流的误差信号，送入无差拍控制器。
作为一种可选的方案，对作为主控制的有源箝位三电平SVG的z轴电流进行控制，利用零序环流最优控制器进行控制，零序环流的给定值设置为0；引入两台有源箝位三电平SVG原始调制波的零序分量的差值作为零序环流最优控制器的前馈控制量。
作为一种可选的方案，将两个电容电压的差值经比例调节器，得到零序分量，将其和零序环流无差拍控制器的输出量，注入两台有源箝位三电平SVG的三相调制波，以实现中点平衡控制和零序环流抑制功能。
作为一种可选的方案，在进行电流控制时，第二台有源箝位三电平SVG的三角载波与第一台有源箝位三电平SVG的三角载波之间的相位差为90度，采用相位差为90度的两组三角载波，分别与第一台和第二台的三相调制波进行比较，得到第一台和第二台有源箝位三电平SVG中功率开关管的驱动信号，控制功率开关管工作。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1、与传统基于两电平拓扑的SVG系统相比，系统的波形质量提高，功率器件的电压应力减小；
2、与二极管箝位三电平拓扑相比，功率开关管的损耗分布更加均衡，有利于系统容量的提升；
3、通过模块化并联技术提升了SVG系统的功率等级、可靠性和效率；
4、电流内环采用无差拍控制器，动态性能显著提升，且无需调节控制参数；
5、零序环流无差拍控制器消除了零序环流扰动量，精确、有效抑制了并联系统的零序环流；采用基于零序分量注入的空间矢量调制方法，降低了计算量，简化了算法实现过程；
6、中点平衡得到了有效的控制，环流抑制和中点平衡控制实现了解耦；
7、在电流控制环节中，采用90度相位差的移相载波，公共连接点处的电流波形质量显著改善；
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为并联有源箝位三电平SVG系统的拓扑结构图；
图2为并联有源箝位三电平SVG系统的整体控制框图；
图3为第1台有源箝位三电平SVG的三相输出电流、第2台有源箝位三电平SVG的三相输出电流和并联有源箝位三电平SVG系统的总输出电流波形图；
图4为并联有源箝位三电平SVG系统的有功功率和无功功率波形图；
图5为第1台有源箝位三电平SVG的零序环流、第2台有源箝位三电平SVG的零序环流波形图；
图6为第1台有源箝位三电平SVG的载波信号、第2台有源箝位三电平SVG的载波信号示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本实施例提供了一种并联有源箝位三电平SVG系统及其控制方法。
其中，系统如图1所示，是并联有源箝位三电平SVG系统的拓扑结构图，包括两台并联的有源箝位三电平SVG，所述有源箝位三电平SVG的直流侧正母线、负母线和中性点分别连接在一起，交流侧通过电感滤波器连接在一起，每一台有源箝位三电平SVG包括三相桥臂，每相桥臂包括六个功率开关管。直流侧包括两个串联连接的滤波电容，两个滤波电容的中间形成一个中性点，每相桥臂的两个中点箝位功率开关管的中间与中性点相连接。
本领域技术人员应当理解，功率开关管为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)；功率开关管也可采用其他形式晶体管来实现。
图2是并联有源箝位三电平SVG系统的整体控制框图，包括上述有源箝位三电平SVG系统和控制系统，第1台有源箝位三电平SVG为主机，第2台有源箝位三电平SVG为从机。对于每台有源箝位三电平SVG，所述系统的控制策略在同步旋转坐标系中实现。所述控制策略采用电压-电流双闭环控制方法，外环为直流电压环，采用PI调节器，实现直流输出电压的稳定；内环为电流环，采用无差拍控制器，以实现快速的动态响应。采用锁相环实现电网电压定向。
采样第一台有源箝位三电平SVG的直流侧上、下电容的电压，两个电容电压作加法运算得到直流侧电压值(Vdc)，两个电容电压作减法运算得到中点电位的值(Δvdc)。直流侧电压的给定值(Vdc_ref)与实际值(Vdc)作减法运算，得到直流侧电压的误差信号，送入PI控制器，PI控制器的输出作为两台有源箝位三电平SVG的d轴总电流给定值，表示为：
其中，kp,DC和ki,DC分别为直流侧电压PI控制器的比例系数和积分系数。
为实现中点平衡控制功能，将两个电容电压的差值Δvdc经比例调节器，得到零序分量yNP，表示为：
yNP＝kp,NP·Δvdc
其中，kp,NP为中点平衡比例控制系数。
两台有源箝位三电平SVG的d轴总电流给定值经分配因子λ，得到第一台和第二台有源箝位三电平SVG的d轴电流给定值，表示为：
根据控制要求给定两台有源箝位三电平SVG的q轴总电流给定值经分配因子μ，第一台和第二台有源箝位三电平SVG的q轴电流给定值可以表示为：
采样第一台有源箝位三电平SVG的三相电流，通过abc/dqz坐标变换得到d轴、q轴和z轴的电流分量，在同步旋转坐标系中实现电流控制功能，采样第二台有源箝位三电平SVG的三相电流，通过abc/dq坐标变换得到d轴和q轴的电流分量，在同步旋转坐标系中实现电流控制功能。对于每一台有源箝位三电平SVG，d轴电流的给定值与实际值作减法运算，得到d轴电流的误差信号，送入无差拍控制器(Deadbeat Controller，DBC)，q轴电流的给定值与实际值作减法运算，得到q轴电流的误差信号，送入无差拍控制器。
对第一台有源箝位三电平SVG的z轴电流进行控制，目的是实现零序环流抑制功能，采用零序环流最优控制器，零序环流的给定值设置为0，零序环流最优控制器的输出量记为yCC。为增强零序环流抑制性能，引入两台有源箝位三电平SVG原始调制波的零序分量的差值作为前馈控制量vz2-vz1。
将中点平衡控制器的输出量yNP和零序环流最优控制器的输出量yCC注入两台有源箝位三电平SVG的三相调制波，以实现中点平衡控制和零序环流抑制功能。
d轴和q轴电流调节器的输出作为调制器模块的输入，为改善公共连接点(Pointof common coupling，PCC)处的电流波形质量，第二台有源箝位三电平SVG的三角载波与第一台有源箝位三电平SVG的三角载波之间的相位差为90度，图2中，第二台有源箝位三电平SVG的三角载波表示为PS90。采用相位差为90度的两组三角载波，分别与第一台和第二台的三相调制波进行比较，得到第一台和第二台有源箝位三电平SVG中功率开关管的驱动信号，控制功率开关管工作，实现整个系统的运行。
图3为第1台有源箝位三电平SVG的三相输出电流、第2台有源箝位三电平SVG的三相输出电流和并联有源箝位三电平SVG系统的总输出电流波形图。
图4为并联有源箝位三电平SVG系统的有功功率和无功功率波形图。
图5为第1台有源箝位三电平SVG的零序环流、第2台有源箝位三电平SVG的零序环流波形图。
图6为第1台有源箝位三电平SVG的载波信号、第2台有源箝位三电平SVG的载波信号示意图。
从上述附图中可以看出，本实施例提供的系统和控制方法波形质量提高，功率器件的电压应力减小，功率开关管的损耗分布更加均衡，有利于系统容量的提升，且可靠性和效率也较高，动态性能显著提升。
同时，利用零序环流无差拍控制器消除了零序环流扰动量，精确、有效抑制了并联系统的零序环流，环流抑制和中点平衡控制实现了解耦，中点平衡得到了有效的控制。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开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公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种并联有源箝位三电平SVG系统，其特征是：包括两台并联的有源箝位三电平SVG，所述有源箝位三电平SVG的直流侧正母线、负母线和中性点分别连接在一起，交流侧通过滤波器能够连接至三相交流电网；
所述交流侧包括三相桥臂，每相桥臂包括六个功率开关管，其中四个功率开关管串联，形成串联组，另两个功率开关管串联后与串联组中位于中间的两个功率开关管并联；直流侧包括两个串联连接的滤波电容，两个滤波电容的中间形成一个中性点，所述中性点与该相另两个功率开关管的中间点连接，串联组的中间连接对应的滤波器。
2.如权利要求1所述的一种并联有源箝位三电平SVG系统，其特征是：
一台有源箝位三电平SVG为主机，另一台为从机。
3.基于权利要求1或2所述的系统的控制方法，其特征是：采用主从控制两台有源箝位三电平SVG，每台有源箝位三电平SVG的控制策略为电压-电流双闭环控制方法，外环为直流电压环，采用PI调节方式，以实现直流输出电压的稳定；内环为电流环，采用无差拍控制方式，以实现快速的动态响应。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征是：采样每台有源箝位三电平SVG的直流侧上、下电容的电压，两个电容电压作加法运算得到直流侧电压值，两个电容电压作减法运算得到中点电位的值，直流侧电压的给定值与实际值作减法运算，得到直流侧电压的误差信号，送入PI控制器，PI控制器的输出作为两台有源箝位三电平SVG的d轴总电流给定值。
5.如权利要求3所述的控制方法，其特征是：两台有源箝位三电平SVG的d轴总电流给定值经第一分配因子，得到每台有源箝位三电平SVG的d轴电流给定值；根据控制要求给定两台有源箝位三电平SVG的q轴总电流给定值，结合设定的第二分配因子，计算得到每台有源箝位三电平SVG的q轴电流给定值。
6.如权利要求3所述的控制方法，其特征是：采样第一台有源箝位三电平SVG的三相电流，通过abc/dqz坐标变换得到d轴、q轴和z轴的电流分量，在同步旋转坐标系中实现电流控制功能，采样第二台有源箝位三电平SVG的三相电流，通过abc/dq坐标变换得到d轴和q轴的电流分量，在同步旋转坐标系中实现电流控制功能。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征是：对于每一台有源箝位三电平SVG，d轴电流的给定值与实际值作减法运算，得到d轴电流的误差信号，送入无差拍控制器，q轴电流的给定值与实际值作减法运算，得到q轴电流的误差信号，送入无差拍控制器。
8.如权利要求3所述的控制方法，其特征是：对作为主控制的有源箝位三电平SVG的z轴电流进行控制，利用零序环流最优控制器进行控制，零序环流的给定值设置为0，记录零序环流最优控制器的输出量；引入两台有源箝位三电平SVG原始调制波的零序分量的差值作为零序环流最优控制器的前馈控制量。
9.如权利要求3所述的控制方法，其特征是：将两个电容电压的差值经比例调节器，得到零序分量，将其和零序环流无差拍控制器的输出量，注入两台有源箝位三电平SVG的三相调制波，以实现中点平衡控制和零序环流抑制功能。
10.如权利要求3所述的控制方法，其特征是：在进行电流控制时，第二台有源箝位三电平SVG的三角载波与第一台有源箝位三电平SVG的三角载波之间的相位差为90度，采用相位差为90度的两组三角载波，分别与第一台和第二台的三相调制波进行比较，得到第一台和第二台有源箝位三电平SVG中功率开关管的驱动信号，控制功率开关管工作。
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