CN110011322A - 低电压穿越条件下二极管箝位三电平逆变器混合无源控制系统及方法 - Google Patents
低电压穿越条件下二极管箝位三电平逆变器混合无源控制系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本公开提供了一种低电压穿越条件下二极管箝位三电平逆变器混合无源控制系统及方法，基于二极管箝位三电平逆变器拓扑结构和若干控制器，二极管箝位三电平逆变器拓扑结构的输出电流采用混合无源控制器在正序同步旋转坐标系下实现电流的快速跟踪控制；所述二极管箝位三电平逆变器拓扑结构的调制采用SVM调制控制器；所述二极管箝位三电平逆变器拓扑结构的中点电压采用比例控制器控制，调节冗余小矢量的作用时间，实现平衡控制；具有精确的控制性能，并在理论上保证了系统的稳定性，且避免了双同步旋转坐标系正负序分离引起的复杂计算，大大减小运算时间，提高了系统效率。
Description
技术领域
本公开涉及逆变器控制领域，具体涉及一种低电压穿越条件下二极管箝位三电平逆变器混合无源控制系统及方法。
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。
近年来，三电平变换器在分布式发电系统，光伏(Photovoltaic，PV)发电系统、电能质量治理等诸多工业应用领域中发挥着重要作用。二极管箝位三电平变换器具有电压应力低、输出波形谐波小、功率双向流动、效率高等优势，在中高压光伏系统中得到了广泛应用。
随着光伏渗透率的提高，其对电网造成的影响日益增大。与此同时，当电网发生故障时，为保证自身的安全光伏系统会突然脱网，给电网带来严重后果。低电压穿越技术作为光伏系统稳定运行和电网故障恢复的有力支撑也成为光伏发电系统急需解决的关键问题之一。为了保证电压跌落发生时光伏发电系统仍能保持并网，国内外的并网标准中都要求大中型的光伏电站需要具有一定的低电压穿越能力。低电压穿越要求，当电网故障或者故障使得并网点的电压跌落时，在特定的时间间隔和电压暂降区域内，光伏电站需要保证连续运行而不脱网，且具有往电网输送定量的无功，支撑电网电压恢复的能力。
在电网电压不平衡时，不平衡的电网电压存在负序分量，并在逆变器系统中产生三相不对称的输出电流。不对称的电流使直流侧中点电压波动显著，这将导致更多谐波，使光伏并网系统无法继续保持稳定运行。具体发明人了解，在电网不平衡时，目前常用的基于正负序分离的方法在正负序同步旋转坐标系下分别控制正负序分量，需要正负序分离环节，增加了系统计算的复杂度和时间，降低了系统的控制性能。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出一种低电压穿越条件下二极管箝位三电平逆变器混合无源控制系统及方法，本公开能够抑制电网电压跌落时的负序分量，实现逆变器输出电流的正弦化，提高了系统效率。另外，本公开只用到正序同步旋转坐标系下的模型，避免了双同步旋转坐标系正负序分离引起的复杂计算，大大减小运算时间。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种低电压穿越条件下二极管箝位三电平逆变器混合无源控制系统，包括二极管箝位三电平逆变器拓扑结构和若干控制器，所述二极管箝位三电平逆变器拓扑结构的输出电流采用混合无源控制器在正序同步旋转坐标系下实现电流的快速跟踪控制；所述二极管箝位三电平逆变器拓扑结构的调制采用SVM调制控制器；所述二极管箝位三电平逆变器拓扑结构的中点电压采用比例控制器控制，调节冗余小矢量的作用时间，实现平衡控制。
本公开通过混合无源控制器、SVM调制控制器和比例控制器相配合，能够抑制电网电压跌落时的负序分量，实现逆变器输出电流的正弦化，提高了系统效率。
所述二极管箝位三电平逆变器拓扑结构包括二极管箝位三电平逆变器，二极管箝位三电平逆变器直流侧的两个串联电容中间形成一个中性点，每相桥臂中两个串联二极管的中点连接至所述中性点，且逆变器通过滤波器与三相电网连接，逆变器输出正弦化的电流，并向电网提供所需的无功电流，以支持电网电压恢复，实现有功、无功电流的快速跟踪，满足低电压穿越要求，进而提高用电质量。
所述混合无源控制器基于低电压穿越要求，根据电压跌落类型与无功电流补偿的函数关系得到所需的无功电流参考值，再由额定电流值计算得到所需的有功电流参考值。
所述混合无源控制器中含有负序前馈控制项。
所述混合无源控制器表示为：
其中，L和R表示滤波器的电感和等效串联电阻，ω是电网的基本角频率，EP和EN分别是电网电压正序和负序分量的幅值，有功电流参考无功电流参考ra为阻尼值。
所述SVM调制控制器以N型小电压矢量开始并结束。
所述混合无源控制器控制逆变器输出电流，在dq同步旋转坐标系下实施，控制器的输出作为SVM调制控制器的输入，整个控制环节保证直流侧中点电压的平衡。
一种低电压穿越条件下二极管箝位三电平逆变器混合无源控制方法，包括以下步骤：
基尔霍夫电压定律，构建二极管箝位三电平逆变器的数学模型，表达电网电压跌落时的网侧数学模型；
将所述数学模型从静止坐标系变换为正序同步旋转坐标系，得正序同步旋转坐标系下的数学模型；
根据电压跌落类型与无功电流补偿的函数关系得到所需的无功电流参考值，再由额定电流值计算得到所需的有功电流参考值，根据实际有功电流值和有功电流参考值，利用混合无源控制，消除电网电压负序分量的前馈项；
采集直流侧两个串联电容的电压，利用比例控制器的输出调节冗余小矢量的作用时间，实现中点电位的平衡控制。
所述三相电流采样值经过abc/dq变换得到两相电流值，将其与参考值进行作差比较，通过所述混合无源控制器实现电流的快速跟踪控制，满足低电压穿越要求。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种低电压穿越条件下二极管箝位三电平逆变器混合无源控制方法。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种低电压穿越条件下二极管箝位三电平逆变器混合无源控制方法。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1、电流控制采用提出的混合无源控制器，大大提高了动态响应速度，获得出色的稳态和瞬态性能，极好地满足了低电压穿越要求。
2、电流控制采用提出的混合无源控制器，只含有一个阻尼注入参数，操作简单易于实现，与传统的PI控制器相比，大大降低了参数调节的复杂性，同时对系统参数变化和外部扰动具有很强的鲁棒性。
3、从数学的角度出发，给出了二极管箝位三电平逆变器系统严格无源的详细证明，所提出的混合无源控制方法是基于系统数学模型导出的，具有精确的控制性能，并在理论上保证了系统的稳定性。
4、提出的正序同步旋转坐标系下的混合无源控制器含有负序前馈控制项，抑制了电网电压跌落时的负序分量，实现了逆变器输出电流的正弦化控制，满足了低电压穿越要求。
5、只用到正序同步旋转坐标系下的模型，避免了双同步旋转坐标系正负序分离引起的复杂计算，大大减小运算时间。
6、通过比例控制器的输出调节冗余小矢量的作用时间实现直流侧中点电压的平衡控制。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为二极管箝位三电平逆变器主电路拓扑；
图2为电网电压跌落类型；
图3为低电压穿越情形时所需的无功电流参考与电压跌落深度的函数关系；
图4为二极管箝位三电平逆变器空间电压矢量图；
图5为低电压穿越情形时二极管箝位三电平逆变器控制框图；
图6(a)-(c)为低电压穿越情形时二极管箝位三电平逆变器混合无源控制系统输出波形。
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，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。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。
一种基于低电压穿越条件下二极管箝位三电平逆变器混合无源控制系统及方法，拟实现抑制电网电压跌落时的负序分量，实现逆变器输出电流的正弦化，提高了系统效率。只用到正序同步旋转坐标系下的模型，避免双同步旋转坐标系正负序分离引起的复杂计算，大大减小运算时间。
为实现上述目的，具体的策略包括：
采用基于电网电压定向的矢量控制策略。基于低电压穿越要求与额定电流幅值计算无功和有功电流的参考值；在正序同步旋转坐标系下采用提出的混合无源控制器控制逆变器输出电流；采用空间电压矢量调制策略，控制器的输出用作调制模块的输入；通过比例控制器的输出调节冗余小矢量的作用时间实现直流侧中点电压的平衡控制。
将三相电流采样值iabc经过abc/dq变换得到两相电流值idq。基于低电压穿越要求，根据电压跌落类型与无功电流补偿的函数关系得到所需的无功电流参考值再由额定电流值计算得到所需的有功电流参考值
将上述得到的两相电流值idq与参考值进行作差比较，通过所提出的混合无源控制器实现电流的快速跟踪控制。与传统PI控制器相比，该控制器具有动态响应快速，对系统参数变化和外部扰动鲁棒性强的优势。同时，该控制器中含有负序前馈控制项，消除了电网电压跌落时电流中的负序分量和谐波分量，实现了逆变器输出电流的正弦化，提高了系统效率。
采集直流侧两个串联电容的电压VP和VN，通过比例控制器的输出调节冗余小矢量的作用时间，实现中点电压的平衡控制。
在空间矢量调制(Space Vector Modulation，SVM)方案中以N型小电压矢量开始和结束。
同时，实施例还从数学的角度出发，给出了二极管箝位三电平逆变器系统严格无源的详细证明；针对逆变器输出电流提出的混合无源控制器，是基于系统数学模型导出的，具有精确的控制性能，并在理论上保证了系统的稳定性，实现了有功、无功功率的快速跟踪，满足了低电压穿越要求；同时，对系统参数变化和外部扰动具有很强的鲁棒性。
具体的，基于二极管箝位三电平逆变器，为了实现上述目的，采用如下技术方案：
本实施例控制的对象为二极管箝位三电平逆变器系统，图1给出了二极管箝位三电平逆变器的主电路拓扑，包括以下部分：(1)直流侧2个串联电容C1，C2；(2)12个开关管Sa1，Sa2，Sa3，Sa4，Sb1，Sb2，Sb3，Sb4，Sc1，Sc2，Sc3，Sc4；(3)6个二极管Da1，Da2，Db1，Db2，Dc1，Dc2；(4)三相电网电压ea，eb，ec。直流侧的两个串联电容中间形成一个中性点O1，每相桥臂中两个串联二极管的中点连接至电容中点O1，逆变器的输出通过L滤波器与交流电网连接，交流电网公共点记为O。选择直流中性点O1作为参考，每相桥臂均能输出三种电平状态。
在图1中，根据基尔霍夫电压定律，得到二极管箝位三电平逆变器的数学模型为
其中，L和R表示滤波器的电感和等效串联电阻，ua，ub，uc是二极管箝位三电平逆变器的桥臂输出电压。
当电网电压跌落时，不平衡电网电压的基本成分可表示为
其中，ω是电网的基本角频率，EP和EN分别是电网电压正序和负序分量的幅值。
由(1)和(2)式，可得电网电压跌落时的网侧数学模型为
为了实现有功和无功电流的控制，将上述数学模型从静止坐标系变换为正序同步旋转坐标系。变换矩阵为
由此可得正序同步旋转坐标系下的数学模型为
所以，二极管箝位三电平逆变器输出电流的欧拉-拉格朗日模型为
其中，M和R为正定矩阵，J为反对称矩阵，满足J＝-JT，且
在电网正常情形时，根据MPPT和直流电压外环产生二极管箝位三电平逆变器的有功电流参考并且将无功电流参考设置为0，以确保系统可以在单位功率因数下运行。但是，在低电压穿越情形时，应根据电网要求修正二极管箝位三电平逆变器的有功和无功电流参考。
当电网故障发生时，电网电压跌落可分为A至F六种类型。光伏并网发电系统及相关测试机构更关注A型，B型和E型三种跌落类型，如图2所示。
图3为低电压穿越情形时所需的无功电流参考与电压跌落深度的函数关系。当电网电压跌落发生时，电网规范要求光伏逆变器系统必须保持与电网的连接，并向电网提供一定量的无功功率，以支持电网电压恢复，直至电网恢复正常。注入电网的无功电流参考由电网电压跌落深度和系统额定电流决定。这里选择电压正序分量的幅值大小来测量电网电压跌落的深度，有功电流参考可以通过额定电流计算。
基于无源理论的控制器设计的前提是确保系统的严格无源性。在模型(4)中，滤波电感L和串联等效电阻R是无源器件，因此二极管箝位三电平逆变器系统是无源的。从数学的角度出发，首先给出了严格无源的定义和二极管箝位三电平逆变器系统无源性的详细证明，然后提出了混合无源控制器的具体设计细节。
如果存在非负存储函数H(x)和正定函数Q(x)，使得一个系统满足
或
则称该系统是严格无源的，其中，x(t)，u(t)和y(t)分别是具有适当维数的状态变量，输入变量和输出变量。
表示提供给系统的能量，H(x(T))-H(x(0))和分别表示系统存储的能量和耗散的能量。由于耗散的能量总是将状态x(t)推回到期望的平衡点，因此无源系统本身是稳定的。也就是说，只要系统是无源的，它必然是内部稳定的。
利用(3)式，可得
即
令
uTy＝udid+uqiq-id(EP+ENcos2ωt)+iqENsin2ωt，
利用上述严格无源的定义可知二极管箝位三电平逆变器系统是严格无源的。因此，可以设计无源控制器实现系统的有效控制。
二极管箝位三电平逆变器的基于无源理论的控制器旨在实现有功和无功电流的跟踪。令误差xe＝x-x*，误差存储函数H(xe)表示为
其中，x＝[id iq]T。所以，有
利用(4)式，二极管箝位三电平逆变器的误差欧拉-拉格朗日模型表示为
为实现x对x*的跟踪，希望H(xe)快速收敛到期望的零点，这需要注入阻尼Ra。注入的阻尼耗散项为
Rexe＝(R+Ra)xe，
其中，正定对角阻尼矩阵Ra为
所以，误差欧拉-拉格朗日模型(7)变为
因此，基于无源的控制器可设计为
对于误差存储函数H(xe)，
根据Lyapunov稳定性准则，由(6)和(9)式可得x收敛于x*，这意味着基于无源的控制器(8)实现了控制目标。H(xe)→0的速度主要取决于Re，如果Ra>>R，H(xe)→0的速度主要取决于Ra，这说明了该控制器对系统参数变化和外部扰动的鲁棒性。
结合(5)式，基于无源的控制器(8)表示为
低电压穿越条件下二极管箝位三电平逆变器的主要控制目标之一是保持三相对称的输出电流，因此有必要消除正序同步旋转坐标系中频率为100Hz的负序电流。如控制器(9)所示，所提出的基于无源理论的控制方法包括用于消除电网电压负序分量的前馈项，所以称之为混合无源控制方法。可以看出，所提出的混合无源控制方法是基于系统数学模型导出的，该模型具有精确的控制性能。此外，所提出的混合无源控制方法与PI控制器相比避免了积分器的引入，其瞬态响应速度要快的多。
图4为二极管箝位三电平逆变器空间电压矢量图，根据空间电压矢量的幅值，可将空间电压矢量分为大矢量、中矢量、小矢量和零矢量。直流侧中点电压受到中矢量和小矢量的影响，而不受大矢量和零矢量的影响。但是中矢量对中点电压的影响与电流方向有关，是不确定的。而冗余的正负小矢量对中点电位的影响相反，故本实施例采集直流侧两个串联电容的电压VP和VN，利用比例控制器的输出调节冗余小矢量的作用时间，实现中点电位的平衡控制。在SVM方案中，以N型小电压矢量开始和结束。
图5为二极管箝位三电平逆变器系统控制框图。整个系统采用基于电网电压定向的矢量控制策略。锁相环(Phase-Locked Loop，PLL)用于锁定电网电压的相位。基于低电压穿越要求与额定电流幅值计算无功和有功电流的参考值。采用提出的混合无源控制器控制逆变器输出电流，在dq同步旋转坐标系下实施。采用SVM用作调制策略。控制器的输出作为调制模块的输入。在实际操作期间必须保证直流侧中点电压的平衡。
利用三相电压采样值eabc经由锁相环技术环节，将三相电流采样值iabc经过abc/dq变换得到两相电流值idq。根据电压跌落类型与无功电流补偿的函数关系得到所需的无功电流参考值再由额定电流值计算得到所需的有功电流参考值将上述得到的两相电流值idq与参考值进行作差比较，通过混合无源控制器实现电流的跟踪控制。与传统PI控制器相比，该控制器动态响应快速，对系统参数变化和外部扰动的鲁棒性强。
采集直流侧两个串联电容的电压VP和VN，通过比例控制器的输出调节冗余小矢量的作用时间，控制中点电压的平衡。
图6(a)-(c)为低电压穿越情形时二极管箝位三电平逆变器混合无源控制系统的输出波形，依次为：(a)电网电压；(b)电网电流；(c)有功电流和无功电流。
可以看出，本实施例提供的方案能够实现电网电压跌落时负序分量的抑制，逆变器输出电流的正弦化控制，有功、无功功率的快速跟踪，直流侧中点电位的平衡控制。本发明方法提出了一种正序同步旋转坐标系下逆变器输出电流的混合无源控制器，具有响应速度快的显著优势，极好地满足了低电压穿越要求。该方法基于正序同步旋转坐标系下的数学模型导出，具有精确的控制性能，并在理论上保证了系统的稳定性，且避免了双同步旋转坐标系正负序分离引起的复杂计算，大大减小运算时间，提高了系统效率；同时，对系统参数变化和外部扰动具有很强的鲁棒性。该方法操作简单易于实现，具有很高的实用价值。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开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，本公开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。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、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。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
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)
1.一种低电压穿越条件下二极管箝位三电平逆变器混合无源控制系统，其特征是：包括二极管箝位三电平逆变器拓扑结构和若干控制器，所述二极管箝位三电平逆变器拓扑结构的输出电流采用混合无源控制器在正序同步旋转坐标系下实现电流的快速跟踪控制；所述二极管箝位三电平逆变器拓扑结构的调制采用SVM调制控制器；所述二极管箝位三电平逆变器拓扑结构的中点电压采用比例控制器控制，调节冗余小矢量的作用时间，实现平衡控制。
2.如权利要求1所述的一种低电压穿越条件下二极管箝位三电平逆变器混合无源控制系统，其特征是：所述二极管箝位三电平逆变器拓扑结构包括二极管箝位三电平逆变器，二极管箝位三电平逆变器直流侧的两个串联电容中间形成一个中性点，每相桥臂中两个串联二极管的中点连接至所述中性点，且逆变器通过滤波器与三相电网连接，逆变器输出正弦化的电流，并向电网提供所需的无功电流，以支持电网电压恢复，实现有功、无功电流的快速跟踪，满足低电压穿越要求，进而提高用电质量。
3.如权利要求1所述的一种低电压穿越条件下二极管箝位三电平逆变器混合无源控制系统，其特征是：所述混合无源控制器基于低电压穿越要求，根据电压跌落类型与无功电流补偿的函数关系得到所需的无功电流参考值，再由额定电流值计算得到所需的有功电流参考值。
4.如权利要求1所述的一种低电压穿越条件下二极管箝位三电平逆变器混合无源控制系统，其特征是：所述混合无源控制器中含有负序前馈控制项；
或，所述混合无源控制器表示为：
其中，L和R表示滤波器的电感和等效串联电阻，ω是电网的基本角频率，EP和EN分别是电网电压正序和负序分量的幅值，有功电流参考无功电流参考ra为阻尼值。
5.如权利要求1所述的一种低电压穿越条件下二极管箝位三电平逆变器混合无源控制系统，其特征是：所述SVM调制控制器以N型小电压矢量开始并结束。
6.如权利要求1所述的一种低电压穿越条件下二极管箝位三电平逆变器混合无源控制系统，其特征是：所述混合无源控制器控制逆变器输出电流，在dq同步旋转坐标系下实施，控制器的输出作为SVM调制控制器的输入，整个控制环节保证直流侧中点电压的平衡。
7.一种低电压穿越条件下二极管箝位三电平逆变器混合无源控制方法，其特征是：包括以下步骤：
基尔霍夫电压定律，构建二极管箝位三电平逆变器的数学模型，表达电网电压跌落时的网侧数学模型；
将所述数学模型从静止坐标系变换为正序同步旋转坐标系，得正序同步旋转坐标系下的数学模型；
根据电压跌落类型与无功电流补偿的函数关系得到所需的无功电流参考值，再由额定电流值计算得到所需的有功电流参考值，根据实际有功电流值和有功电流参考值，利用混合无源控制，消除电网电压负序分量的前馈项；
采集直流侧两个串联电容的电压，利用比例控制器的输出调节冗余小矢量的作用时间，实现中点电位的平衡控制。
8.如权利要求7所述的一种低电压穿越条件下二极管箝位三电平逆变器混合无源控制方法，其特征是：所述三相电流采样值经过abc/dq变换得到两相电流值，将其与参考值进行作差比较，通过所述混合无源控制器实现电流的快速跟踪控制，满足低电压穿越要求。
9.一种计算机可读存储介质，其特征是：其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求7或8所述的一种低电压穿越条件下二极管箝位三电平逆变器混合无源控制方法。
10.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求7或8所述的一种低电压穿越条件下二极管箝位三电平逆变器混合无源控制方法。
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