CN110492527B - 一种级联h桥孤岛运行下的分层功率控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种级联H桥孤岛运行下的分层功率控制方法，该方法通过闭环相间功率控制得到零序电压，从而实现对三相功率控制的方法。该方法能够避免传统方法中的复杂运算以及复杂信号可能引起的控制偏差。此外该方法可以方便地应用于功率调节中，尤其是第二层功率控制中的零序电压的产生，通过闭环功率控制得到的零序电压，避免了传统产生零序电压的方法中的复杂计算，是一种新型的值得推广的产生零序注入电压进行三相间功率控制的方法。

Description

一种级联H桥孤岛运行下的分层功率控制方法
技术领域
本发明涉及一种级联H桥孤岛运行下的分层功率控制方法，特别涉及一种通过采用闭环功率控制得到零序注入电压的方法。
背景技术
微电网已被广泛应用于将多种分布式能源互联到低压电网中。传统电力电子微电网的一个重要任务是实现多个并行分布式发电机组的功率控制，实现合理的功率管理，避免电源过载。在分布式发电机组的后级，通常采用DC/DC变换器来提高直流母线电压，因为分布式电源直流电压幅值通常过低，无法直接逆变。然而，由于涉及多个阶段的功率转换，这种配置通常成本昂贵。
另一方面，多级变换器是低压直流电源直接并网的一种替代方案。在各种类型的变换器拓扑结构中，由于CHB变换器采用模块化结构，只需要较小的滤波器，并且能够集成大量具有不同特性的直流源，所以CHB是应用最广泛的变换器之一。
以往的研究主要集中在CHB变换器并网运行方面，即采用零序电压注入方式进行相间功率控制时，三相电流也是平衡的正弦曲线。传统的零序电压注入法是测量出三相电流之后预先计算出零序电压，实现了开环方式的相间功率调节，但是这种开环调节计算量大，并且由于存在复杂信号处理，可能存在稳态功率控制偏差。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，填补现有技术的空白，提供一种级联H桥孤岛运行下的分层功率控制方法，通过闭环相间功率控制得到零序电压，从而实现对三相功率控制的方法。该方法能够避免传统方法中的复杂运算以及复杂信号可能引起的控制偏差。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种级联H桥孤岛运行下的分层功率控制方法，三个并联逆变器分别通过滤波器连接至公共连接点PCC后为三相不对称负载提供电能；其中第一发电机组采用了级联H桥结构，第二和第三发电机组均采用了三相全桥逆变结构；该控制方法包括以下步骤：
步骤S1：在每个开关周期开始时，采集电压参考值信号代替H桥各个模块的输出电压
Figure BDA0002186797110000011
采集每一相电容电压VDG1，abc以及每一相的电流Iind1，abc，计算各模块的瞬时功率并经过低通滤波器之后得到平均有功功率Pabc，k和平均无功功率Qabc，k以及第一发电机组的平均有功功率PDG1和平均无功功率QDG1；利用带通滤波器提取出各相电流Iind1，abc的基频分量Iind1，abc，f以及各相电流延迟1/4周期之后
Figure BDA0002186797110000021
的基频分量
Figure BDA0002186797110000022
步骤S2：采用步骤S1得到的PDG1和QDG1进行传统下垂控制，得到电容电压参考值
Figure BDA0002186797110000023
步骤S3：采用步骤S1得到的第一发电机组各个模块的有功功率Pabc，k、无功功率Qabc，k和各相电流的基频分量Iind1，abc，f，计算得到相间功率调整所需注入的零序电压
Figure BDA0002186797110000024
步骤S4：采用步骤S1得到的第一发电机组各个模块的有功功率Pabc，k、无功功率Qabc，k、各相电流基频分量Iind1，abc，f以及延迟1/4周期的基频分量
Figure BDA0002186797110000025
计算得到每个模块进行功率调整所需注入的电压
Figure BDA0002186797110000026
步骤S5：将上述计算得到的结果进行运算得到电压参考值
Figure BDA0002186797110000027
并将电压参考值反馈回步骤S1代替H桥各个模块的输出电压，计算各模块的平均有功功率和平均无功功率；将电压参考值除以直流母线电压之后可以得到调制波，通过载波移相调制(PSPWM)得到各个H桥对应开关管的导通信号，由此控制逆变器开关管的开通与关断。
进一步的，步骤S3中包含采用闭环功率控制得到零序电压的方法实现三相功率的可控，步骤S4中包含对每一相相内的各个模块的功率控制。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.传统的基于开环零序电压注入的相间功率控制通常需要复杂的计算过程，存在稳态功率控制误差。本方法通过简单的闭环相间功率控制实现零稳态功率控制误差，甚至可以在电流畸变严重的系统中使用，相对于传统的开环控制简化了运算，扩大了适用范围，避免了传统方法中对零序电压复杂的计算。
2.在本发明中，步骤S3通过各相功率占比以及相电流的基频分量合成零序电压
Figure BDA0002186797110000028
调节相间功率，步骤S4通过每一相模块功率占比以及相电流的基频分量合成模块间功率调整注入电压
Figure BDA0002186797110000029
这里的步骤S3和S4通过闭环控制的方法，用电路中的功率和电流数值进行计算，分别合成了调整相间功率的零序电压
Figure BDA00021867971100000210
以及调整相内功率的电压
Figure BDA00021867971100000211
从而在不需要进行大量复杂计算的情况下实现对三相间功率以及各相相内功率的控制，减小了由于复杂信号处理带来的偏差，提高了控制的准确度。
附图说明
附图1是本发明中三层功率控制的拓扑结构。
附图2-1是本发明中功率计算和三层功率控制示意图。
附图2-2是本发明中零序电压注入和调制示意图。
附图3是本发明中功率计算模块。
附图4-1是传统下垂控制示意图。
附图4-2是本发明中相间功率控制的向量示意图。
附图4-3是本发明中相间功率控制的控制框图。
附图4-4是本发明中相内功率控制的向量示意图。
附图4-5是本发明中相内功率控制的控制框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明所述的基于级联H桥逆变器分布式发电机组孤岛运行方式的拓扑结构，其中的三层功率控制分别是：
(1)分布式发电机组DG1，DG2，DG3之间的功率控制；
(2)DG1中三相之间的功率控制；
(3)DG1中每一相的3个H桥模块之间的功率控制。
本发明为一种基于级联H桥逆变器分布式发电机组孤岛运行下的三层功率控制方法。具体方法如下：
步骤S1：在每个开关周期开始时，采集电压参考值信号代替H桥各个模块的输出电压
Figure BDA0002186797110000031
采集每一相电容电压VDG1，abc以及每一相的电流Iind1，abc，计算各模块的瞬时功率并经过低通滤波器之后得到平均有功功率Pabc，k和平均无功功率Qabc，k以及发电机组DG1的平均有功功率PDG1和平均无功功率QDG1。利用带通滤波器提取出各相电流Iind1，abc的基频分量Iind1，abc，f以及各相电流延迟1/4周期之后
Figure BDA0002186797110000032
的基频分量
Figure BDA0002186797110000033
步骤S2：采用前一步骤得到的PDG1和QDG1进行传统下垂控制，得到电容电压参考值
Figure BDA0002186797110000034
步骤S3：采用步骤S1得到的发电机组DG1各个模块的有功功率Pabc，k，无功功率Qabc，k和各相电流的基频分量Iind1，abc，f，计算得到相间功率调整所需注入的零序电压
Figure BDA0002186797110000041
步骤S4：采用步骤S1得到的发电机组DG1各个模块的有功功率Pabc，k，无功功率Qabc，k，各相电流基频分量Iind1，abc，f以及延迟1/4周期的基频分量
Figure BDA0002186797110000042
计算得到每个模块进行功率调整所需注入的电压
Figure BDA0002186797110000043
步骤S5：将上述计算得到的结果进行运算得到电压参考值
Figure BDA0002186797110000044
并将电压参考值反馈回步骤S1代替各个H桥模块的输出电压，计算各模块的平均有功功率和无功功率。将电压参考值除以直流母线电压之后可以得到调制波，通过载波移相调制(PSPWM)得到各个H桥对应开关管的导通信号，由此控制逆变器开关管的开通与关断。
以下为本发明更具体的实施方式：
步骤S1中：针对图1所示的孤岛模式下带不对称负载的CHB逆变器，如图2-1所示采集电压参考值信号代替H桥各个模块的输出电压
Figure BDA0002186797110000045
采集每一相电容电压VGD1，abc以及每一相的电流Iind1，abc进行功率计算：将H桥输出电压
Figure BDA0002186797110000046
延迟1/4周期得到
Figure BDA0002186797110000047
将每一相的电流Iind1，abc延迟1/4周期得到
Figure BDA0002186797110000048
Figure BDA0002186797110000049
表示每个模块的瞬时有功功率，通过低通滤波器之后可以得到每个模块的平均有功功率Pabc，k，
Figure BDA00021867971100000410
表示每个模块的瞬时无功功率，通过低通滤波器之后可以得到每个模块的平均无功功率Qabc，k。将每一相电容电压VGD1，abc进行abc/αβ变换得到VGD1，α和VGD1，β，将每一相电流Iind1，abc进行abc/αβ变换得到Iind1，abc，α和Iind1，abc，β。(VGD1，α·Iind1，abc，α+VGD1，β·Iind1，abc，β)*3/2表示DG1的瞬时有功功率，通过低通滤波器之后可以得到平均有功功率PDG1，(VGD1，α·Iind1，abc，β-VGD1，β·Iind1，abc，α)*3/2表示DG1的瞬时无功功率，通过低通滤波器之后可以得到平均无功功率QDG1。具体计算方法如图3所示。计算得到的Pabc，k，Qabc，k，PDG1和QDG1将在步骤S2～S4中使用，如图2-1所示。
步骤S2中：为了在不与并联DG机组之间进行通信的情况下控制DG机组输出的有功功率或无功功率，采用前一步骤得到的PDG1和QDG1进行如图4-1所示的传统下垂控制：
Figure BDA00021867971100000411
Figure BDA00021867971100000412
其中Dp1和Dq1分别是有功功率和无功功率的下垂增益，
Figure BDA0002186797110000051
和
Figure BDA0002186797110000052
分别表示有功功率和无功功率的参考值，ω*和E*分别表示额定角速度和额定电压值。通过(1)和(2)计算得到角速度ωDG1和电压EDG1，ωDG1和EDG1合成电容电压参考值
Figure BDA0002186797110000053
实现了并联DG之间灵活的功率控制。
步骤S3中：步骤S1已经得到DG1各模块的有功功率Pabc，k和无功功率Qabc，k。定义单相有功功率和无功功率占比为：
Figure BDA0002186797110000054
Figure BDA0002186797110000055
其中λph-j，p和λph-j，q分别为j相有功功率和无功功率占比，Pph-j*和Qph-j*分别表示注入零序电压之前每一相的输出有功功率和无功功率，ΔPph-j和ΔQph-j分别表示注入的零序电压
Figure BDA0002186797110000056
引起的每一相有功功率和无功功率的变化。因为零序电压不会改变DG1总的输出功率，因此有：
Figure BDA0002186797110000057
相间功率控制的向量示意图如图4-2所示。当中性点电压从O转向O′时，对应的零序电压
Figure BDA0002186797110000058
有两个分量，在a相电流方向的分量是
Figure BDA0002186797110000059
大小为Kzero，a，在b相电流方向的分量是
Figure BDA00021867971100000510
大小为Kzero，b。在这种情况下，相间功率变化ΔPph-a和ΔPph-b可以表示为：
Figure BDA00021867971100000511
Figure BDA00021867971100000512
上述两个方程表明相间功率流动与零序电压的分量Kzero，a和Kzero，b成正比。考虑到在三相三线制系统中注入零序电压不影响三相线电流，增益|Iind1，a|和|Iind1，b|是固定的。此外，相间功率总满足约束ΔPph-a+ΔPph-b+ΔPph-c＝0。由于上述两个事实，实现每一相输出有功功率比例λph-a，λph-b和λph-c可控，零序电压可以通过以下简单的PI调节控制得到：
Figure BDA00021867971100000513
Figure BDA0002186797110000061
Figure BDA0002186797110000062
其中，kp，zero和ki，zero分别是PI调节器的比例系数和积分系数，
Figure BDA0002186797110000063
和
Figure BDA0002186797110000064
分别表示a相和b相的有功功率比例参考值。采用PI调节器的相间功率控制示意图如图4-3所示。
步骤S4中：步骤S1已经得到DG1各模块的有功功率Pabc，k和无功功率Qabc，k。以a相为例，定义每个模块在该相有功功率和无功功率的占比为
Figure BDA0002186797110000065
Figure BDA0002186797110000066
其中λak，p和λak，q分别表示a相中模块k的有功功率和无功功率占a相总功率的占比，Pak和Qak分别表示a相中模块k的有功功率和无功功率。
对于各功率模块的输出功率，向量示意图如图4-4所示。各项输出电流Iind1，abc与图的水平方向对齐。因此，有功功率与输出电压矢量在水平轴上的投影成正比，无功功率与输出电压矢量在垂直轴上的投影成正比。因此，通过调整电压矢量的投影，各功率模块可以灵活地调节输出的有功功率和无功功率。具体通过下式调整：
Figure BDA0002186797110000067
Figure BDA0002186797110000068
Figure BDA0002186797110000069
其中Ka1，p和Ka1，q分别是有功功率和无功功率控制的可调增益。Kp，p和Ki，p是有功功率控制中PI控制器的比例和积分系数，Kp，q和Ki，q是无功功率控制中PI控制器的比例和积分系数，
Figure BDA00021867971100000610
和
Figure BDA00021867971100000611
分别表示a1模块的有功功率和无功功率占a相总有功功率和总无功功率比值的参考值，
Figure BDA00021867971100000612
为每个模块进行功率调整的参考电压。采用PI调节器的相内功率控制示意图如图4-5所示。
步骤S5中：将上述计算得到的结果进行如图2-2所示的运算得到电压参考值
Figure BDA0002186797110000071
将电压参考值反馈回步骤S1代替各个H桥模块的输出电压，计算各模块的平均有功功率和无功功率。
Figure BDA0002186797110000072
除以直流母线电压之后得到调制波，通过载波移相调制(PSPWM)得到各个H桥对应开关管的导通信号，由此控制逆变器开关管的导通与关断。
综上：本发明提出的一种级联H桥孤岛运行下的分层功率控制方法可以方便地应用于功率调节中，尤其是第二层功率控制中的零序电压的产生，通过闭环功率控制得到的零序电压，避免了传统产生零序电压的方法中的复杂计算，是一种新型的值得推广的产生零序注入电压进行三相间功率控制的方法。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种级联H桥孤岛运行下的分层功率控制方法，三个并联逆变器分别通过滤波器连接至公共连接点PCC后为三相不对称负载提供电能；其中第一发电机组采用了级联H桥结构，第二和第三发电机组均采用了三相全桥逆变结构；其特征在于，该控制方法包括以下步骤：
步骤S1：在每个开关周期开始时，采集电压参考值信号代替H桥各个模块的输出电压
Figure FDA0003863200890000011
采集每一相电容电压VDG1，abc以及每一相的电流Iind1，abc，计算各模块的瞬时功率并经过低通滤波器之后得到平均有功功率Pabc，k和平均无功功率Qabc，k以及第一发电机组的平均有功功率PDG1和平均无功功率QDG1；利用带通滤波器提取出各相电流Iind1，abc的基频分量Iind1，abc，f以及各相电流延迟1/4周期之后
Figure FDA0003863200890000012
的基频分量
Figure FDA0003863200890000013
步骤S2：采用步骤S1得到的PDG1和QDG1进行传统下垂控制，得到电容电压参考值
Figure FDA0003863200890000014
步骤S3：采用步骤S1得到的第一发电机组各个模块的平均有功功率Pabc，k、平均无功功率Qabc，k和各相电流的基频分量Iind1，abc，f，计算得到相间功率调整所需注入的零序电压
Figure FDA0003863200890000015
步骤S4：采用步骤S1得到的第一发电机组各个模块的平均有功功率Pabc，k、平均无功功率Qabc，k、各相电流基频分量Iind1，abc，f以及延迟1/4周期的基频分量
Figure FDA0003863200890000016
计算得到每个模块进行功率调整所需注入的电压
Figure FDA0003863200890000017
步骤S5：将上述计算得到的结果进行运算得到电压参考值
Figure FDA0003863200890000018
并将电压参考值反馈回步骤S1代替H桥各个模块的输出电压，计算各模块的平均有功功率和平均无功功率；将电压参考值除以直流母线电压之后可以得到调制波，通过载波移相调制(PSPWM)得到各个H桥对应开关管的导通信号，由此控制逆变器开关管的开通与关断。
2.根据权利要求1所述一种级联H桥孤岛运行下的分层功率控制方法，其特征在于，步骤S3中包含采用闭环功率控制得到零序电压的方法实现三相功率的可控，步骤S4中包含对每一相相内的各个模块的功率控制。
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