CN110429629B - 一种基于npc三电平拓扑的储能变流器的控制方法 - Google Patents

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CN110429629B CN201910758448.2A CN201910758448A CN110429629B CN 110429629 B CN110429629 B CN 110429629B CN 201910758448 A CN201910758448 A CN 201910758448A CN 110429629 B CN110429629 B CN 110429629B
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Abstract

本发明公开了一种基于NPC三电平拓扑的储能变流器及其控制方法，涉及电力电子技术领域中的三电平储能变流器控制系统领域，储能变流器包括L滤波电路、NPC三电平变流器、直流侧滤波电容，直流侧蓄电池；控制方法包括使用三相电压信号计算出有功、无功电压单位矢量，实现三相并网电流指令计算；使用电压平衡控制器实现直流侧电压平衡。本发明解决了现有技术中两电平储能变流器开关损耗大，散热设计困难，且无法应用于大功率、高电压等级设备等问题，系统设计合理、应用性强、控制算法简单。通过控制算法无需锁相环、坐标变换、三角函数计算，实现储能变流器充放电和变流器直流侧电压稳定控制。

Description

一种基于NPC三电平拓扑的储能变流器的控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于NPC三电平拓扑的储能变流器及其控制方法，属于电力电子技术领域中三电平储能变流器控制系统领域。
背景技术
近年来，分布式电源大量接入配电网，风电及光伏等新能源发电形式具有的显著随机性和波动性使得大规模新能源消纳成为一大难题。随着储能技术的快速发展以及大规模储能系统的快速响应特性，通过储能“移峰填谷”将新能源弃电时段的弃电电能在时空上平移至非弃电时段，在技术上已成为一种提升新能源弃电消纳能力的可行手段。
受工业用电持续增长和持续高温天气影响，全国用电负荷屡创历史新高，部分地区逐渐面临不同程度的电力供应偏紧的局面，局部地区线路“卡脖子”问题开始凸显，电网迎峰度夏供电压力不断增大。为了尽快缓解电网压力，提高电网运行安全性，在电网侧的灵活性改造势在必行。储能系统参与电网调峰调频，能有效缓解电网在迎峰度夏带来的用电压力，确保电网安全。
储能变流器作为衔接电网与储能介质的纽带，是整个储能系统的核心部件。传统两电平储能变流器具有结构紧凑、技术成熟的优势，但当工作在较高频率时，存在开关损耗大，散热设计困难等问题，且无法应用于大功率、高电压等级设备中。相交于两电平储能变流器，三电平中点箝位型(Three-level Neutral Point Clamped Converter，NPC)变流器具有改善输出电压波形，降低电压应力、器件开关损耗小、直流电流纹波小等优点，利于减小滤波电路体积、提升系统效率，具备较高的工程应用价值。同时传统储能变流器控制算法需要复杂的坐标变换、三角函数和锁相环运算，增加了底层控制器的计算负担，降低了程序的执行效率。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提供一种基于NPC三电平拓扑的储能变流器及其控制方法，解决现有技术中两电平储能变流器开关损耗大，散热设计困难，且无法应用于大功率、高电压等级设备等问题，解决复杂的坐标旋转变换、三角函数和锁相环运算，提高程序的执行效率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于NPC三电平拓扑的储能变流器，包括L滤波电路、NPC三电平变流器、直流侧滤波电容，直流侧蓄电池；
所述L滤波电路与NPC三电平变流器连接，所述NPC三电平变流器与直流侧滤波电容连接，所述直流侧滤波电容与直流侧蓄电池连接，所述L滤波电路用于滤除并网电流的谐波，所述NPC三电平变流器用于将电网侧的交流电变换成直流电，并给直流侧蓄电池充电，所述直流侧滤波电容用于抑制直流侧电压谐波，支撑直流侧电压，所述直流侧蓄电池用于存储电能。
进一步地，所述直流侧滤波电容包括电容C1和电容C2，电容C1的正极接NPC三电平变流器的一端，电容C1的负极接电容C2的正极，电容C2的负极接NPC三电平变流器另一端，电容C1和电容C2的连接点记为中性点O。
进一步地，所述NPC三电平变流器包括IGBT管、反并箝位二极管，所述IGBT管包括IGBT 管Sa1、IGBT管Sa2、IGBT管Sa3、IGBT管Sa4、IGBT管Sb1、IGBT管Sb2、IGBT管Sb3、IGBT 管Sb4、IGBT管Sc1、IGBT管Sc2、IGBT管Sc3、IGBT管Sc4，所述IGBT管Sa1、IGBT管Sa2、IGBT 管Sa3和IGBT管Sa4串联构成a相桥臂、所述IGBT管Sb1、IGBT管Sb2、IGBT管Sb3和IGBT管 Sb4串联构成b相桥臂、所述IGBT管Sc1、IGBT管Sc2、IGBT管Sc3和IGBT管Sc4串联构成c相桥臂，每一相桥臂连接两个反并箝位二极管，每一相箝位二极管的中点与中性点O连接起来。
进一步地，所述L滤波电路包括L1和R1连接的1支路、L2和R2连接的2支路、L3和R3连接的3支路，所述1支路的一端与三相电网的A相电连接，另一端与NPC三电平变流器a相桥臂连接，所述2支路的一端与三相电网的B相电连接，另一端与NPC三电平变流器b相桥臂连接，所述3支路的一端与三相电网的C相电连接，另一端与NPC三电平变流器c相桥臂连接。
进一步地，所述直流侧蓄电池的储能介质为能量型储能介质或者功率型储能介质。
本发明还提供了一种基于NPC三电平拓扑的储能变流器的控制方法，包括如下步骤：
步骤S1，通过电压传感器、电流传感器采集三相电网电压ea、eb、ec和三相电网电流ia、 ib、ic,和NPC三电平变流器两个直流侧电压值udc1和udc2，直流侧参考电压值udc *直接给定；
步骤S2，将步骤S1采集得到的两个直流侧电压值udc1和udc2相加，相加后的结果与直流侧参考电压值udc *做差比较，将做差比较后的结果输入PI控制器，得到有功电流指令值
Figure BDA0002169508520000021
无功电流指令值
Figure BDA0002169508520000022
直接给定；
步骤S3，将步骤S1采集得到的直流侧电压值udc1和udc2做差，做差后的结果与参考值0 做差比较，将做差比较后地结果输入PI控制器，得到电压平衡控制器的零序电压分量u0 *；
步骤S4，根据步骤S1采集得到三相电网电压ea、eb、ec，计算三相电网电压的空间电压矢量模值es，计算公式为：
Figure BDA0002169508520000023
步骤S5，根据步骤S1采集得到三相电网电压ea、eb、ec和步骤S4计算得到的电压矢量模值es，计算得到有功电压单位矢量va、vb、vc，计算公式为：
Figure BDA0002169508520000031
步骤S6，根据步骤S5获得的有功电压单位矢量va、vb、vc，计算得到无功电压单位矢量 wa、wb、wc，计算公式为：
Figure BDA0002169508520000032
步骤S7，根据步骤S2得到有功电流指令值
Figure BDA0002169508520000033
无功电流指令值
Figure BDA0002169508520000034
步骤S5获得的有功电压单位矢量va、vb、vc和步骤S6获得的无功电压单位矢量wa、wb、wc，计算三相电流指令信号
Figure BDA0002169508520000035
计算公式为：
Figure BDA0002169508520000036
步骤S8，将步骤S1采集得到的三相电网电流ia、ib、ic与步骤S7计算得到的三相电流指令信号
Figure BDA0002169508520000037
做差比较后，使用准比例谐振控制器对三相电网电流ia、ib、ic实现无差跟踪，通过电流调节器输出得到初始调制电压
Figure BDA0002169508520000038
准比谐振控制器的传递函数为：
Figure BDA0002169508520000039
其中，s为拉普拉斯算子，KR为比例调节器的比例系数，ωo为调节器等效带宽，ωm为谐振角频率；
步骤S9，使用步骤S8通过电流调节器输出得到初始调制电压
Figure BDA00021695085200000310
和步骤S3得到的电压平衡控制器的零序电压分量
Figure BDA00021695085200000311
将两者分别相加，获得最终的三相电压调制波
Figure BDA00021695085200000312
Figure BDA00021695085200000313
计算公式如下：
Figure BDA0002169508520000041
步骤10，根据步骤S9计算得到的三相电压调制波
Figure BDA0002169508520000042
使用载波层移正弦脉宽调制技术进行调制，生成开关信号，开关信号驱动NPC三电平拓扑的储能变流器通断。
本发明的有益效果为：
1、解决现有技术中两电平储能变流器开关损耗大，散热设计困难，且无法应用于大功率、高电压等级设备等问题。
2、系统设计合理、应用性强、控制算法简单。
3、通过控制算法无需锁相环、坐标变换、三角函数计算，就可以实现储能变流器充放电和变流器直流侧电压稳定控制。
附图说明
图1为本发明储能变流器的主电路结构图。
图2为本发明储能变流器的整体控制框图。
图3为本发明储能变流器控制方法的载波层移正弦调制原理图。
图4为本发明储能变流器控制方法的充电实验示意图。
图5为本发明储能变流器控制方法的放电实验示意图。
具体实施方式
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种基于NPC三电平拓扑的储能变流器，包括L滤波电路、NPC三电平变流器、直流侧滤波电容，直流侧蓄电池；L滤波电路与NPC三电平变流器连接，NPC三电平变流器与直流侧滤波电容连接，直流侧滤波电容与直流侧蓄电池连接，L滤波电路用于滤除并网电流的谐波，NPC三电平变流器用于将电网侧的交流电变换成直流电，并给直流侧蓄电池充电，直流侧滤波电容用于抑制直流侧电压谐波，支撑直流侧电压，直流侧蓄电池用于存储电能。
本发明的直流侧滤波电容包括电容C1和电容C2，电容C1的正极接NPC三电平变流器的一端，电容C1的负极接电容C2的正极，电容C2的负极接NPC三电平变流器另一端，电容C1和电容C2的连接点记为中性点O。
如图1所示，本发明的NPC三电平变流器包括12个IGBT管、6个反并箝位二极管，12个IGBT管包括IGBT管Sa1、IGBT管Sa2、IGBT管Sa3、IGBT管Sa4、IGBT管Sb1、IGBT管Sb2、 IGBT管Sb3、IGBT管Sb4、IGBT管Sc1、IGBT管Sc2、IGBT管Sc3、IGBT管Sc4，所述IGBT管Sa1、 IGBT管Sa2、IGBT管Sa3和IGBT管Sa4串联构成a相桥臂、所述IGBT管Sb1、IGBT管Sb2、IGBT 管Sb3和IGBT管Sb4串联构成b相桥臂、所述IGBT管Sc1、IGBT管Sc2、IGBT管Sc3和IGBT管 Sc4串联构成c相桥臂，每一相桥臂连接两个反并箝位二极管，每一相箝位二极管的中点与中性点O连接起来。
本发明的L滤波电路包括L1和R1连接的1支路、L2和R2连接的2支路、L3和R3连接的3支路，所述1支路的一端与三相电网的A相电连接，另一端与NPC三电平变流器a相桥臂连接，所述2支路的一端与三相电网的B相电连接，另一端与NPC三电平变流器b相桥臂连接，所述3支路的一端与三相电网的C相电连接，另一端与NPC三电平变流器c相桥臂连接。
本发明的直流侧蓄电池的储能介质为能量型储能介质或者功率型储能介质。
如图2所示，本发明还提供了一种基于NPC三电平拓扑的储能变流器的控制方法，步骤如下：
步骤S1，通过电压传感器、电流传感器采集三相电网电压ea、eb、ec和三相电网电流ia、 ib、ic,和NPC三电平变流器两个直流侧电压值udc1和udc2，直流侧参考电压值udc *直接给定；
步骤S2，将步骤S1采集得到的两个直流侧电压值udc1和udc2相加，相加后的结果与直流侧参考电压值udc *做差比较，将做差比较后的结果输入PI控制器，得到有功电流指令值
Figure BDA0002169508520000051
无功电流指令值
Figure BDA0002169508520000052
直接给定；
步骤S3，将步骤S1采集得到的直流侧电压值udc1和udc2做差，做差后的结果与参考值0 做差比较，将做差比较后地结果输入PI控制器，得到电压平衡控制器的零序电压分量u0 *；
步骤S4，根据步骤S1采集得到三相电网电压ea、eb、ec，计算三相电网电压的空间电压矢量模值es，计算公式为：
Figure BDA0002169508520000053
步骤S5，根据步骤S1采集得到三相电网电压ea、eb、ec和步骤S4计算得到的电压矢量模值es，计算得到有功电压单位矢量va、vb、vc，计算公式为：
Figure BDA0002169508520000061
步骤S6，根据步骤S5获得的有功电压单位矢量va、vb、vc，计算得到无功电压单位矢量 wa、wb、wc，计算公式为：
Figure BDA0002169508520000062
步骤S7，根据步骤S2得到有功电流指令值
Figure BDA0002169508520000063
无功电流指令值
Figure BDA0002169508520000064
步骤S5获得的有功电压单位矢量va、vb、vc和步骤S6获得的无功电压单位矢量wa、wb、wc，计算三相电流指令信号
Figure BDA0002169508520000065
计算公式为：
Figure BDA0002169508520000066
步骤S8，将步骤S1采集得到的三相电网电流ia、ib、ic与步骤S7计算得到的三相电流指令信号
Figure BDA0002169508520000067
做差比较后，使用准比例谐振控制器对三相电网电流ia、ib、ic实现无差跟踪，通过电流调节器输出得到初始调制电压
Figure BDA0002169508520000068
准比谐振控制器的传递函数为：
Figure BDA0002169508520000069
其中，s为拉普拉斯算子，KR为比例调节器的比例系数，ωo为调节器等效带宽，ωm为谐振角频率；
步骤S9，使用步骤S8通过电流调节器输出得到初始调制电压
Figure BDA00021695085200000610
和步骤S3得到的电压平衡控制器的零序电压分量
Figure BDA00021695085200000611
将两者分别相加，获得最终的三相电压调制波
Figure BDA00021695085200000612
Figure BDA00021695085200000613
计算公式如下：
Figure BDA0002169508520000071
步骤10，根据步骤S9计算得到的三相电压调制波uao *、ubo *、uco *使用载波层移正弦脉宽调制技术进行调制，如图3所示，生成开关信号，开关信号驱动NPC三电平拓扑的储能变流器的功率器件通断。
通过实验装置对本发明所提出的NPC三电平拓扑的储能变流器及其控制方法进行验证，整个系统交流侧连接50V交流电源，直流侧连接72V蓄电池，给定±5A有功电流指令信号，取a相电压电流信号进行观察，结果如图4、图5所示，整流系统能够实现正确的充放电过程，并且输出较为理想的并网电流。
本发明不局限于以上所述的具体实施方式，以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于NPC三电平拓扑的储能变流器的控制方法，其特征在于：所述基于NPC三电平拓扑的储能变流器包括L滤波电路、NPC三电平变流器、直流侧滤波电容，直流侧蓄电池；
所述L滤波电路与NPC三电平变流器连接，所述NPC三电平变流器与直流侧滤波电容连接，所述直流侧滤波电容与直流侧蓄电池连接，所述L滤波电路用于滤除并网电流的谐波，所述NPC三电平变流器用于将电网侧的交流电变换成直流电，并给直流侧蓄电池充电，所述直流侧滤波电容用于抑制直流侧电压谐波，支撑直流侧电压，所述直流侧蓄电池用于存储电能；包括如下步骤：
步骤S1，通过电压传感器、电流传感器采集三相电网电压ea、eb、ec和三相电网电流ia、ib、ic,和NPC三电平变流器两个直流侧电压值udc1和udc2，直流侧参考电压值udc *直接给定；
步骤S2，将步骤S1采集得到的两个直流侧电压值udc1和udc2相加，相加后的结果与直流侧参考电压值udc *做差比较，将做差比较后的结果输入PI控制器，得到有功电流指令值
Figure FDA0003599250590000011
无功电流指令值
Figure FDA0003599250590000012
直接给定；
步骤S3，将步骤S1采集得到的直流侧电压值udc1和udc2做差，做差后的结果与参考值0做差比较，将做差比较后地结果输入PI控制器，得到电压平衡控制器的零序电压分量u0 *；
步骤S4，根据步骤S1采集得到三相电网电压ea、eb、ec，计算三相电网电压的空间电压矢量模值es，计算公式为：
Figure FDA0003599250590000013
步骤S5，根据步骤S1采集得到三相电网电压ea、eb、ec和步骤S4计算得到的电压矢量模值es，计算得到有功电压单位矢量va、vb、vc，计算公式为：
Figure FDA0003599250590000014
步骤S6，根据步骤S5获得的有功电压单位矢量va、vb、vc，计算得到无功电压单位矢量wa、wb、wc，计算公式为：
Figure FDA0003599250590000021
步骤S7，根据步骤S2得到有功电流指令值
Figure FDA0003599250590000022
无功电流指令值
Figure FDA0003599250590000023
步骤S5获得的有功电压单位矢量va、vb、vc和步骤S6获得的无功电压单位矢量wa、wb、wc，计算三相电流指令信号
Figure FDA0003599250590000024
计算公式为：
Figure FDA0003599250590000025
步骤S8，将步骤S1采集得到的三相电网电流ia、ib、ic与步骤S7计算得到的三相电流指令信号
Figure FDA0003599250590000026
做差比较后，使用准比例谐振控制器对三相电网电流ia、ib、ic实现无差跟踪，通过电流调节器输出得到初始调制电压
Figure FDA0003599250590000027
准比谐振控制器的传递函数为：
Figure FDA0003599250590000028
其中，s为拉普拉斯算子，KR为比例调节器的比例系数，ωo为调节器等效带宽，ωm为谐振角频率；
步骤S9，使用步骤S8通过电流调节器输出得到初始调制电压
Figure FDA0003599250590000029
和步骤S3得到的电压平衡控制器的零序电压分量
Figure FDA00035992505900000210
将两者分别相加，获得最终的三相电压调制波
Figure FDA00035992505900000211
Figure FDA00035992505900000212
计算公式如下：
Figure FDA00035992505900000213
步骤10，根据步骤S9计算得到的三相电压调制波
Figure FDA00035992505900000214
使用载波层移正弦脉宽调制技术进行调制，生成开关信号，开关信号驱动NPC三电平拓扑的储能变流器通断。
2.根据权利要求1所述的一种基于NPC三电平拓扑的储能变流器的控制方法，其特征在于，所述直流侧滤波电容包括电容C1和电容C2，电容C1的正极接NPC三电平变流器的一端，电容C1的负极接电容C2的正极，电容C2的负极接NPC三电平变流器另一端，电容C1和电容C2的连接点记为中性点O。
3.根据权利要求1所述的一种基于NPC三电平拓扑的储能变流器的控制方法，其特征在于，所述NPC三电平变流器包括IGBT管、反并箝位二极管，所述IGBT管包括IGBT管Sa1、IGBT管Sa2、IGBT管Sa3、IGBT管Sa4、IGBT管Sb1、IGBT管Sb2、IGBT管Sb3、IGBT管Sb4、IGBT管Sc1、IGBT管Sc2、IGBT管Sc3、IGBT管Sc4，所述IGBT管Sa1、IGBT管Sa2、IGBT管Sa3和IGBT管Sa4串联构成a相桥臂、所述IGBT管Sb1、IGBT管Sb2、IGBT管Sb3和IGBT管Sb4串联构成b相桥臂、所述IGBT管Sc1、IGBT管Sc2、IGBT管Sc3和IGBT管Sc4串联构成c相桥臂，每一相桥臂连接两个反并箝位二极管，每一相箝位二极管的中点与中性点O连接起来。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于NPC三电平拓扑的储能变流器的控制方法，其特征在于，所述L滤波电路包括L1和R1连接的1支路、L2和R2连接的2支路、L3和R3连接的3支路，所述1支路的一端与三相电网的A相电连接，另一端与NPC三电平变流器a相桥臂连接，所述2支路的一端与三相电网的B相电连接，另一端与NPC三电平变流器b相桥臂连接，所述3支路的一端与三相电网的C相电连接，另一端与NPC三电平变流器c相桥臂连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于NPC三电平拓扑的储能变流器的控制方法，其特征在于，所述直流侧蓄电池的储能介质为能量型储能介质或者功率型储能介质。
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