CN112187079B - 单相三电平变流系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于变流控制技术领域，具体涉及一种单相三电平变流系统及其控制方法。该方法首先将逆变电路直流侧两个电容电压差进行调节控制，得到压差调节值；将压差调节值叠加至逆变电路交流侧输出电流的参考值；然后将叠加压差调节值后的逆变电路交流侧输出电流的参考值与逆变电路交流侧输出电流的实际值作差，得到的差值经过鲁棒H∞控制器进行闭环控制，得到鲁棒控制输出值；最后根据所述鲁棒控制输出值生成逆变电路的调制波信号，并结合逆变电路的载波信号确定逆变电路的脉冲控制信号。本发明可有效解决网侧阻抗波动和直流侧电容电压均衡的问题。

Description

单相三电平变流系统及其控制方法

技术领域

本发明属于变流控制技术领域，具体涉及一种单相三电平变流系统及其控制方法。

背景技术

随着社会的发展，化石能源短缺问题和环境污染问题日趋严峻，开发太阳能，风能，地热能，潮汐能等清洁可再生能源已成为解决当今世界能源问题的必然趋势。太阳能具有取之不尽、用之不竭的优点，因而受到各国政府的高度重视和大力支持。利用光伏电池将太阳能转化为电能，再通过并网逆变器系统将电能并入电网。并网逆变器作为光伏电站与电网连接的接口，决定着入网电能的质量，在电能变换方面起着关键作用。

NPC型三电平变流器因其输出功率大、耐高压、输出电能谐波含量少等优点而得到广泛应用。由于配电网的线缆过长和分布式变压器的存在，其等效阻抗随着电缆长度和分布式变压器的增加而增加，导致出现二极管箝位型三电平并网逆变器系统中的网侧阻抗波动问题，阻抗范围波动过大，会使系统的谐振频率下降，甚至趋近于系统的基波频率，严重影响系统稳定性。而且，变流器在带载或并网的情况下，会使其直流侧两个电容出现较大振荡，导致输出波形畸变，缩短电容的使用寿命，降低系统的可靠性和稳定性。故如何保证变流器稳定以及直流侧两电容电压平衡是急需解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种单相三电平变流系统及其控制方法，用以解决直流侧两个电容电压不均衡以及网侧阻抗波动问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案包括：

本发明提供了一种单相三电平变流系统控制方法，所述单相三电平变流系统包括逆变电路，逆变电路的交流侧用于连接电网，该方法包括如下步骤：

1)将逆变电路直流侧两个电容电压差进行调节控制，得到压差调节值；将压差调节值叠加至逆变电路交流侧输出电流的参考值；

2)将叠加压差调节值后的逆变电路交流侧输出电流的参考值与逆变电路交流侧输出电流的实际值作差，得到的差值经过鲁棒H∞控制器进行闭环控制，得到鲁棒控制输出值；

3)根据所述鲁棒控制输出值生成逆变电路的调制波信号，并结合逆变电路的载波信号确定逆变电路的脉冲控制信号。

上述技术方案的有益效果为：本发明的单相三电平变流系统控制方法，使用鲁棒H∞控制方法实现对逆变电路交流侧电流的控制，以防网侧阻抗波动，提高系统的稳定性和可靠性；而且，将根据直流侧两个电容压差得到的压差调节值叠加至逆变电路交流侧输出电流的参考值上，使逆变器输出相应的直流量来控制电容充放电，以达到直流侧电容电压均衡的目的，进一步提高系统的稳定性和可靠性。

进一步的，为了弥补鲁棒H∞控制器在稳态性能方面的不足以抑制谐波影响，还包括将得到的差值经过谐振控制器得到谐波控制输出值，并将所述谐波控制输出值叠加至所述鲁棒控制输出值的步骤。

进一步的，步骤1)中，所述调节控制为比例调节控制。

进一步的，为了保证系统的可靠性和稳定性，步骤2)中，所述鲁棒H∞控制器使用三个权重函数，第一个权重函数根据系统的预设稳态性能指标确定，第二权重函数根据逆变电路的功率和变流系统的控制装置性能确定，第三个权重函数根据系统实际参数摄动情况确定。

进一步的，所述第一个权重函数、第二个权重函数、第三个权重函数分别为：

W₂(s)＝k₂

其中，W₁(s)、W₂(s)、W₃(s)分别为第一个权重函数、第二个权重函数、第三个权重函数；k₁为第一权重函数W₁(s)的增益系数，ξ₁为第一权重函数W₁(s)的阻尼，ω₀为第一权重函数W₁(s) 的基波角频率；k₂为第二权重函数W₂(s)的增益系数；ξ₃为第三权重函数W₃(s)的阻尼，ω_p为第三权重函数W₃(s)的角频率；且k₁＝0.5，ξ₁＝0.1，ω₀＝314，k₂＝0.001，ω_p＝1700，ξ₃＝0.1。

进一步的，所述谐振控制器包括三个比例谐振控制器，分别为用于抑制三次谐波的第一比例谐振控制器、用于抑制五次谐波的第二比例谐振控制器、以及用于抑制七次谐波的第三比例谐振控制器，各个比例谐振控制器的输入值均为得到的差值，各个比例谐振控制器的输出值相加得到所述谐波控制输出值。

本发明还提供了一种单相三电平变流系统，包括依次连接的Z源网络、逆变电路、以及滤波电路；还包括电压互感器和电流互感器，所述电压互感器用于采集所述逆变电路直流侧两个电容电压，所述电流互感器用于采集所述逆变电路交流侧输出电流的实际值；还包括控制装置，所述控制装置包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现上述介绍的单相三电平变流系统控制方法，并达到与该方法相同的效果。

进一步的，所述逆变电路为单相全桥三电平逆变电路。

进一步的，所述滤波电路为LCL滤波电路。

附图说明

图1是本发明的单相三电平变流系统的电路结构图，且图1中：

1为光伏电站，2为准Z源网络，3为单相全桥二极管箝位型三电平逆变电路，4为LCL型滤波电路，5为电网阻抗，6为公共电网，7为锁相环，8为驱动电路，9为控制装置，10 为电压传感器；3-1为均压电容，3-2为第一逆变桥臂，3-3为第二逆变桥臂；10-1为第一电压传感器，10-2为第二电压传感器；

图2是本发明的单相三电平变流系统控制方法的原理框图；

图3-1是本发明的网侧阻抗为Z_g＝(0.1+j0.314)Ω的判定逆变器系统稳定性的Nyquist图；

图3-2是本发明的网侧阻抗为Z_g＝(0.1+j0.314)Ω的判定逆变器系统稳定性的Nyquist图的局部放大图；

图3-3是本发明的网侧阻抗为Z_g＝(0.1+j0.314)Ω的入网电流仿真结果图；

图3-4是本发明的网侧阻抗为Z_g＝(0.1+j0.314)Ω的入网电流的谐波含量图；

图4-1是本发明的网侧阻抗为Z_g＝(0.1+j0.628)Ω的判定逆变器系统稳定性的Nyquist图；

图4-2是本发明的网侧阻抗为Z_g＝(0.1+j0.628)Ω的判定逆变器系统稳定性的Nyquist图的局部放大图；

图4-3是本发明的网侧阻抗为Z_g＝(0.1+j0.628)Ω的入网电流仿真结果图；

图4-4是本发明的网侧阻抗为Z_g＝(0.1+j0.628)Ω的入网电流的谐波含量图。

具体实施方式

本发明的基本构思为：为了解决系统的阻抗波动问题，根据与系统各评价指标相关的权重函数，建立鲁棒H∞控制器求解方程，求解得到鲁棒H∞控制器以对逆变电路交流侧输出电流i_g(入网电流)进行控制，且将单相三电平变流系统的逆变电路直流侧电容电压的波动考虑在内设计均压环，即将直流侧两个电容电压差叠加至逆变器的参考信号端，使直流侧两个电容上流过相应的直流量来控制电容充放电，以达到直流侧电容电压均衡的目的。另外，为了弥补鲁棒H∞控制器在稳态性能方面的不足，还增加了多重谐振控制策略，以在保证系统稳定性的同时，降低系统的跟踪误差。

基于上述发明构思，下面结合附图和实施例，对本发明的一种单相三电平变流系统和一种单相三电平变流系统控制方法进行详细说明。

变流系统实施例：

本发明的一种单相三电平变流系统实施例，其电路结构如图1所示，包括依次连接的准 Z源网络2、单相全桥二极管钳位型三电平逆变电路3、LCL型滤波电路4、以及电网阻抗Z_g5，还包括锁相环7、驱动电路8、控制装置9和电压传感器10。

光伏电站1的输出端连接准Z源网络2的输入端，Z源网络2的输出端连接单相全桥二极管钳位型三电平逆变电路3的输入端(直流侧)，单相全桥二极管钳位型三电平逆变电路3 的输出端(交流侧)连接LCL型滤波电路4的输入端，LCL型滤波电路4的输出端连接电网阻抗Z_g的输入端，电网阻抗Z_g的输出端连接公共电网6，锁相环7的输入端连接公共电网6 的两端，锁相环7的输出端连接控制装置9的输入端。同时，第一电压传感器10-1的输入端连接第一均压电容C_d1的两端，第二电压传感器10-2的输入端连接第二均压电容C_d2的两端，第一电压传感器10-1的输出端连接控制装置9的输入端，第二电压传感器10-2的输出端连接控制装置9的输入端。其中：

光伏电站1包括光伏板PV和二极管VD。Z源网络2具有升压能力。

单相全桥二极管钳位型三电平逆变电路3包括均压电容3-1、第一逆变器桥臂3-2和第二逆变桥臂3-3。均压电容3-1包括第一均压电容C_d1和第二均压电容C_d2，第一均压电容C_d1的正极性端连接准Z源网络2的正输出端，第二均压电容C_d2的负极性端连接准Z源网络2的负输出端，第一均压电容C_d1的负极性端连接第二均压电容C_d2的正极性端，第一均压电容C_d1与第二均压电容C_d2的公共连接处作为参考地。

第一逆变桥臂3-2包括箝位二极管D₇、箝位二极管D₈、全控型开关器件S₁、全控型开关器件S₂、全控型开关器件S₃和全控型开关器件S₄。箝位二极管D₇的阴极端连接全控型开关器件S₁的发射极，箝位二极管D₇的阳极端连接中线，箝位二极管D₈的阴极端连接中线，箝位二极管D₈的阳极端连接全控型开关器件S₃的发射极；全控型开关器件S₁的集电极连接第一均压电容C_d1的正极性端，全控型开关器件S₁的发射极与全控型开关器件S₂的集电极连接，全控型开关器件S₁的门极与驱动电路8的输出端连接，全控型开关器件S₂的发射极连接全控型开关器件S₃的集电极，同时连接LCL型滤波电路4的输入端，全控型开关器件S₃的发射极连接全控型开关器件S₄的集电极，全控型开关器件S₄的门极与驱动电路8的输出端连接，全控型开关器件S₄的发射极连接第二均压电容C_d2的负极性端。

第二逆变桥臂3-3包括箝位二极管D₉、箝位二极管D₁₀、全控型开关器件S₅、全控型开关器件S₆、全控型开关器件S₇和全控型开关器件S₈。箝位二极管D₉的阴极端连接全控型开关器件S₅的发射极，箝位二极管D₉的阳极端连接中线，箝位二极管D₁₀的阴极端连接中线，箝位二极管D₁₀的阳极端连接全控型开关器件S₇的射极；全控型开关器件S₅的集电极连接第一均压电容C_d1的正极性端，全控型开关器件S₅的发射极与全控型开关器件S₆的集电极连接，全控型开关器件S₅的门极与驱动电路8输出端连接，全控型开关器件S₆的发射极连接全控型开关器件S₇的集电极，同时连接LCL型滤波电路4另一输入端，全控型开关器件S₆的门极与驱动电路8输出端连接，全控型开关器件S₇的发射极连接全控型开关器件S₈的集电极，全控型开关器件S₇的门极与驱动电路8的输出端连接，全控型开关器件S₈的发射极连接第二均压电容的负极性端，全控型开关器件S₈的门极与驱动电路8的输出端连接。

LCL型滤波电路4包括滤波电感L_f1、滤波电感L_f2和滤波电容C_f。滤波电感L_f1的输入端连接单相全桥二极管箝位型三电平逆变电路3的输出端，滤波电感L_f1的输出端连接电容C_f的上端，同时连接滤波电感L_f2的输入端，电容C_f的下端连接单相全桥二极管箝位型三电平逆变电路3的另一输出端，滤波电感L_f2的输出端连接电网阻抗Z_g的输入端。电网阻抗5 的输出端连接公共电网6的输入端，锁相环7的输入端连接公共电网6的两端，锁相环7的输出端连接控制装置9的输入端，控制装置9的输出端连接驱动电路8的输入端，驱动电路 8的输出端连接单相全桥二极管箝位型三电平逆变电路3中全控型器件的门极。

控制装置9包括存储器和处理器，处理器选用DSP，型号为TMS320F28335，存储器选用DSP中的内存，内存中存储有程序代码，处理器执行存储在存储器中的指令，可以实现本发明的一种单相三电平变流系统控制方法，其控制框图如图2所示，整个过程如下：

步骤一，设计鲁棒H∞控制器K(s)。其构建过程如下：

1)根据系统主电路写出基准模型：

其中，L_gnorm表示网侧电感的基准值；r_gnorm表示网侧电阻的基准值。

参数摄动模型与基准模型之间的关系如下：

G(s)＝G₀(s)(1+Δ(s)) (2)

2)考虑系统的直流侧电容电压差，建立单相准Z源三电平并网逆变器广义系统的状态空间如下：

其中，z₁、z₂、z₃分别表示与系统误差、控制器能量、输出信号有关的评价指标；W₁、W₂、 W₃分别表示与系统各评价指标相关的权重函数；i_gref表示单相全桥二极管钳位型三电平逆变电路3交流侧输出电流的参考值；定义w＝[i_gref,u]^T，u＝K(s)y。

广义被控对象可以写作：

定义灵敏度函数S(s)与补灵敏度函数T(s)分别为：

3)根据系统的预设稳态性能指标选择权重函数W₁，根据逆变电路的功率和控制装置性能选择权重函数W₂，根据系统实际参数摄动情况选择权重函数W₃，以下为各个权重的函数表达形式：

W₂(s)＝k₂＝0.001

其中，W₁(s)、W₂(s)、W₃(s)分别为第一个权重函数、第二个权重函数、第三个权重函数；k₁为第一权重函数W₁(s)的增益系数，ξ₁为第一权重函数W₁(s)的阻尼，ω₀为第一权重函数W₁(s) 的基波角频率；k₂为第二权重函数W₂(s)的增益系数；ξ₃为第三权重函数W₃(s)的阻尼，ω_p为第三权重函数W₃(s)的角频率。

4)计算多输入多输出广义系统中参考信号w到评价指标(z₁、z₂、z₃)的闭环传递函数T_wz，建立关于闭环传递函数T_wz的无穷范数不等式：

可将优化问题等价为求解如下不等式：

求解式(8)即可得到一个高阶的鲁棒H∞控制器K(s)：

若鲁棒H∞控制器在系统稳定裕度、高频扰动抑制、均压方面满足设计要求，则接下来需要考虑到鲁棒H∞控制器的实现问题，对鲁棒H∞控制器进行降阶。本实施例中降阶后的鲁棒H∞控制器为：

步骤二，设计多重谐振控制器，以抑制多重谐波。多重谐振控制器包括三个比例谐振控制器K₃(s)、K₅(s)、K₇(s)，这三个比例谐振控制器的传递函数分别为：

其中，k_p表示比例因数，k_i表示谐振因数，ω_c表示谐振因数，ω₃、ω₅、ω₇分别表示三次、五次、七次谐波的角频率。

得到鲁棒H∞控制器和多重谐振控制器后，便可按照步骤三至步骤五的方法得到单相全桥二极管钳位型三电平逆变电路3的脉冲控制信号。

步骤三，将单相全桥二极管钳位型三电平逆变电路3直流侧两个电容电压差经过微分调节器k_p进行调节控制，得到的压差调节值；将压差调节值叠加至单相全桥二极管钳位型三电平逆变电路3交流侧输出电流的参考值i_gref。

步骤四，将叠加压差调节量后的单相全桥二极管钳位型三电平逆变电路3交流侧输出电流的参考值w与逆变电路交流侧输出电流的实际值i_g作差，得到的差值e经过鲁棒H∞控制器K(s)进行闭环控制，得到鲁棒控制输出值；将得到的差值e再分别经过三个比例谐振控制器K₃(s)、K₅(s)、K₇(s)(这三个比例谐振控制器整体称为多重谐振控制器)，并将这三个比例谐振控制器的输出值均叠加至鲁棒控制输出值上，最终得到u。

步骤五，根据u生成单相全桥二极管钳位型三电平逆变电路3的调制波信号，再结合单相全桥二极管钳位型三电平逆变电路3的载波信号，便可得到其脉冲控制信号。根据该脉冲控制器信号控制单相全桥二极管钳位型三电平逆变电路3中的各全控型器件动作即可。

直流侧电容电压均衡控制原理：三电平逆变器的输出电流i_g与直流侧电容电压差(v_c1-v_c2) 成比例关系，可以通过在参考信号i_{g_ref}中加入适当的直流信号来消除电容压差，实现电容电压均衡。

本发明的单相三电平变流系统，硬件包括：前级的准Z源网络、中间级的单相全桥二极管箝位型三电平逆变电路、以及后级的LCL型滤波电路，然后输出电能并入电网。其中，准 Z源网络可将光伏电站的电压进行提升，单相全桥二极管箝位型三电平逆变电路可有效提升变流系统的输出功率，LCL型滤波电路体积小、质量轻。而且，该拓扑所采用的改进型鲁棒 H∞控制方法，包括构建带有直流侧均压环节的逆变器广义模型、选取权重函数、控制器降阶过程、以及多重谐振控制器算法的设计以及均压环节的解决过程。所提出的改进型鲁棒H∞控 制方法在解决好网侧阻抗波动问题的同时，也能够很好的解决直流侧电容电压均衡问题，无需另外设计均压环控制器，在一定程度上简化了控制器设计过程。另外，将鲁棒H∞控制算法与准比例谐振控制算法相结合，不仅能够保证系统的稳定性，还能够有效降低系统的跟踪误差。

整体来看，此拓扑结构能够有效降低变流器中器件的电压应力，降低谐波含量，提高并网电能质量，平衡直流侧电容电压，加入的多重谐振控制算法能够弥补鲁棒H∞控制器在稳态性能方面的不足。

而且，本实施例中的中级逆变电路为单相全桥二极管钳位型三电平逆变电路，作为其他实施方式，还可选用单相半桥二极管钳位型三电平逆变电路，也可达到电容电压均衡的目的并解决阻抗波动的问题。

下面将上述控制方法应用在单相三电平变流系统中，其效果分别如图3-1至图3-4、以及图4-1至图4-4图所示。图3-1是判定逆变器系统稳定性的Nyquist图，图3-2是图3-1的局部放大，图3-3是入网电流仿真结果，图3-4是入网电流的谐波含量。图4-1至图4-4 与图3-1至图3-4相对应，只是网侧阻抗值不相同。其中，图3-1至图3-4的网侧阻抗参数为Z＝(0.1+j0.314)Ω，图4-1至图4-4的网侧阻抗参数为Z＝(0.1+j0.628)Ω。从这些图中可以看出网侧阻抗不同时，系统的稳定性和稳态性能均表现良好。

方法实施例：

本发明的一种单相三电平变流系统控制方法实施例，如变流系统实施例中介绍的一种单相三电平变流系统控制方法，其控制框图可见图2，这里不再赘述。

Claims (9)

1.一种单相三电平变流系统控制方法，其特征在于，所述单相三电平变流系统包括逆变电路，逆变电路的交流侧用于连接电网，该方法包括如下步骤：

1)将逆变电路直流侧两个电容电压差进行调节控制，得到压差调节值；将压差调节值叠加至逆变电路交流侧输出电流的参考值；

2)将叠加压差调节值后的逆变电路交流侧输出电流的参考值与逆变电路交流侧输出电流的实际值作差，得到的差值经过鲁棒H∞控制器进行闭环控制，得到鲁棒控制输出值；

3)根据所述鲁棒控制输出值生成逆变电路的调制波信号，并结合逆变电路的载波信号确定逆变电路的脉冲控制信号。

2.根据权利要求1所述的单相三电平变流系统控制方法，其特征在于，还包括将得到的差值经过谐振控制器得到谐波控制输出值，并将所述谐波控制输出值叠加至所述鲁棒控制输出值的步骤。

3.根据权利要求1所述的单相三电平变流系统控制方法，其特征在于，步骤1)中，所述调节控制为比例调节控制。

4.根据权利要求1所述的单相三电平变流系统控制方法，其特征在于，步骤2)中，所述鲁棒H∞控制器使用三个权重函数，第一个权重函数根据系统的预设稳态性能指标确定，第二权重函数根据逆变电路的功率和变流系统的控制装置性能确定，第三个权重函数根据系统实际参数摄动情况确定。

5.根据权利要求4所述的单相三电平变流系统控制方法，其特征在于，所述第一个权重函数、第二个权重函数、第三个权重函数分别为：

W₂(s)＝k₂

其中，W₁(s)、W₂(s)、W₃(s)分别为第一个权重函数、第二个权重函数、第三个权重函数；k₁为第一权重函数W₁(s)的增益系数，ξ₁为第一权重函数W₁(s)的阻尼，ω₀为第一权重函数W₁(s)的基波角频率；k₂为第二权重函数W₂(s)的增益系数；ξ₃为第三权重函数W₃(s)的阻尼，ω_p为第三权重函数W₃(s)的角频率；且k₁＝0.5，ξ₁＝0.1，ω₀＝314，k₂＝0.001，ω_p＝1700，ξ₃＝0.1。

6.根据权利要求2所述的单相三电平变流系统控制方法，其特征在于，所述谐振控制器包括三个比例谐振控制器，分别为用于抑制三次谐波的第一比例谐振控制器、用于抑制五次谐波的第二比例谐振控制器、以及用于抑制七次谐波的第三比例谐振控制器，各个比例谐振控制器的输入值均为得到的差值，各个比例谐振控制器的输出值相加得到所述谐波控制输出值。

7.一种单相三电平变流系统，其特征在于，包括依次连接的Z源网络、逆变电路、以及滤波电路；还包括电压互感器和电流互感器，所述电压互感器用于采集所述逆变电路直流侧两个电容电压，所述电流互感器用于采集所述逆变电路交流侧输出电流的实际值；还包括控制装置，所述控制装置包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如权利要求1～6任一项所述的单相三电平变流系统控制方法。

8.根据权利要求7所述的单相三电平变流系统，其特征在于，所述逆变电路为单相全桥三电平逆变电路。

9.根据权利要求7或8所述的单相三电平变流系统，其特征在于，所述滤波电路为LCL滤波电路。

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