CN112187080B - 单相三电平变流系统及其基于鲁棒h∞与均压的控制方法 - 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基于鲁棒H∞与均压的控制方法。该方法首先将变流系统交流侧输出电流的参考值与变流系统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；然后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；接着根据逆变电路交流侧输出电流的方向、所述压差调节值、以及所述鲁棒控制输出值，生成逆变电路的两个调制波信号，并结合载波信号，生成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基于鲁棒H∞与均压的控制方法

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基于鲁棒H∞与均压的控制方法。

背景技术

光伏发电作为一种新型的发电方式，正在迅速发展。基于可再生能源的发电系统可以减少温室气体排放，提高电力系统的效率和可靠性，并缓解当今对输配电基础设施的压力。在光伏并网发电系统中，逆变器作为光伏电站与电网连接的接口，在电能变换方面起着关键作用。

随着光伏电池价格的下降，大型光伏电站在电力系统中的应用越来越广泛。由于整体能量转换效率和模块化程度的提高，大功率光伏电站考虑了多串结构。采用多台两电平逆变器并联，可以方便地实现大功率变换，但这种配置使控制设计复杂化。

三电平NPC型变流器器能够克服上述问题，而且，三电平NPC型变流器还具有改善电能质量、降低输出电能的总谐波畸变率、提高整体效率以及降低成本等优点。但是，并网变流器的线路阻抗波动问题仍然存在，这将影响到系统的稳定，这就要求必须采取合适的控制方法来解决线路阻抗波动问题。除此以外，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。故如何保证变流系统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基于鲁棒H∞与均压的控制方法，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：

本发明提供了一种基于鲁棒H∞与均压的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)将变流系统交流侧输出电流的参考值与变流系统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；

2)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；

3)根据逆变电路交流侧输出电流的方向、所述压差调节值、以及所述鲁棒控制输出值，生成逆变电路的两个调制波信号；所述逆变电路的两个调制波信号的幅值分别为：

当逆变电路交流侧输出电流的方向为流入电网方向，则：

当逆变电路交流侧输出电流的方向为流出电网方向，则：

其中，U_o1、U_o2分别为两个调制波信号的幅值；U为鲁棒控制输出值的幅值；k为压差调节值；i_g为逆变电路交流侧输出电流，且定义流入电网方向为正方向；

4)根据生成的所述逆变电路的两个调制波信号，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，解决网侧阻抗波动问题，提高系统的稳定性和可靠性；而且，根据直流侧电容的充放电特点增加均压环节，根据逆变电路交流侧输出电流的方向、压差调节值、以及鲁棒控制输出值，生成逆变电路的两个调制波信号，以在电容压差存在的情况下，改变两个调制波的幅值来控制两个电容的充放电情况，从而达到两个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，步骤2)中，所述调节控制为PI调节控制。

进一步的，步骤2)中，还包括将得到的压差调节值进行限幅控制的步骤。

进一步的，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，第二权重函数根据变流系统的控制装置的实际工况确定，第三个权重函数根据系统实际参数摄动情况确定。

本发明还提供了一种单相三电平变流系统，包括依次连接的电压变换电路、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变流系统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基于鲁棒H∞与均压的变流控制方法，并达到与该方法相同的效果。

进一步的，所述电压变换电路为升压电路。

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为光伏板，2为升压变换器，3为单相全桥NPC型三电平逆变单路，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是本发明的基于鲁棒H∞与均压的单相三电平变流系统控制方法的原理框图；

图3是本发明的均压因子计算的原理框图；

图4是本发明的与均压因子配合使用的调制策略的原理图。

具体实施方式

本发明的基本构思为：本发明将鲁棒H∞控制理论应用于单相三电平变流系统控制中，将变流系统的网侧阻抗波动问题转化为鲁棒控制中的混合灵敏度求解问题，根据建立的不等式求解鲁棒H∞控制器参数，利用构建的鲁棒H∞控制器对变流系统交流侧输出电流i_g(入网电流)进行控制，以解决阻抗波动问题。而且，在鲁棒H∞控制器后引入均压环节，使鲁棒H∞控制器均有均压的功能，以达到直流侧电容电压均衡的目的。

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基于鲁棒H∞与均压的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，包括依次连接的升压变换器2、单相全桥NPC型三电平逆变单路3、LCL型滤波电路4、以及电网阻抗Zg5，还包括锁相环7、驱动电路8、控制装置9和电压传感器10。

光伏板1的输出端连接升压变换器2的输入端，升压变换器2的输出端连接单相全桥NPC型三电平逆变电路3的输入端，单相全桥NPC型三电平逆变电路3的输出端连接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5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。同时，第一电压传感器10-1的输入端连接第一均压电容C₁的两端，第二电压传感器10-2的输入端连接第二均压电容C₂的两端，第一电压传感器10-1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：

单相全桥NPC型三电平逆变电路3包括均压电容3-1，第一逆变桥臂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C₁、第二均压电容C₂，第一均压电容C₁的正极性端连接升压变换器2的正输出端，另一端与中线相接，第二均压电容C₂的负极性端连接升压变换器2的负输出端，正极性端与中线相接。

第一逆变桥臂3-2包括箝位二极管D₉、箝位二极管D₁₀、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D₉的阴极端连接全控型开关器件S₁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C₁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的输出连接，全控型开关器件S₄的发射极连接第二均压电容C₂的负极性端。

第二逆变桥臂3-3包括箝位二极管D₁₁、箝位二极管D₁₂、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D₁₁的阴极端连接全控型开关器件S₅的发射极，箝位二极管D₁₁的阳极端连接中线，箝位二极管D₁₂的阴极端连接中线，箝位二极管D₁₂的阳极端连接全控型开关器件S₇的发射极；全控型开关器件S₅的集电极连接第一均压电容C₁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的输出端连接，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的另一输入端，全控型开关器件S₆的门极与驱动电路8的输出端连接，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C₂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包括电感L₁、电感L₂和电容C_f。电感L₁的输入端连接单相全桥NPC型三电平逆变电路3的输出端，电感L₁的输出端连接电容C_f的上端，同时连接电感L₂的输入端，电容C_f的下端连接单相全桥NPC型三电平逆变电路3的另一输出端，电感L₂的输出端连接电网阻抗5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的输出端连接升压变换器2中全控型器件的门极和单相全桥NPC型三电平逆变电路3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基于鲁棒H∞与均压的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)将变流系统的网侧阻抗波动问题转化为鲁棒控制中的混合灵敏度求解问题，构建基于模型参数摄动的混合灵敏度鲁棒控制器：

其中G(s)为含有参数摄动的实际三电平并网变流系统的传递函数，且

G₀(s)为系统的基准模型，且

Lg表示网侧电感的实际值；L_gnorm表示网侧电感的基准值；r_gnorm表示网侧电阻的基准值；Δ(s)表示含有网侧阻抗波动的参数摄动函数。

2)根据实际参数摄动情况选择合适的权重函数W₃，根据系统的预设稳态性能要求选择权重函数W₁，根据控制装置的实际工况选择权重函数W₂。

3)推导出多输入多输出广义系统P₀的传递函数以及参考信号w到评价信号的闭环传递函数T_wz，建立关于闭环传递函数T_wz的无穷范数不等式。如图2所示，S(s)表示灵敏度函数，T(s)表示补灵敏度函数，w表示参考输入信号，e表示误差信号，u表示控制器产生的控制信号，i_o表示三电平变流系统的入网电流，z₁，z₂，z₃与y均为评价信号，G₀(s)表示被控对象的基准模型。从图中可以推导出相应的传递函数：

定义灵敏度函数S(s)与补灵敏度函数T(s)：

输入信号w到评测信号z的的传递函数T_wz(s)：

建立无穷范数不等式如下：

写为：

求解式(8)即可得到一个高阶的传递函数K(s)：

4)求解鲁棒H∞控制器K(s)，并对鲁棒H∞控制器K(s)进行降阶，要求降阶之后的鲁棒H∞控制器性能尽可能接近原控制器。

得到鲁棒H∞控制器后，便可结合图2，3，按照步骤二至步骤四的方法得到单相全桥NPC型三电平逆变电路的脉冲控制信号。

步骤二，将设置的变流器系统电流参考值i_{g_ref}与变流系统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∞控制器进行闭环控制，得到鲁棒控制器输出信号u(即鲁棒控制输出值)。

步骤三，将单相全桥NPC型三电平逆变电路的直流侧两个电容电压差依次进行PI调节控制、限幅控制，得到压差调节值k。

步骤三，根据变流系统交流侧输出电流i_g的方向、压差调节值、以及鲁棒控制输出值u的幅值，生成单相全桥NPC型三电平逆变电路的两个调制波信号，但是信号的调节值k要根据比例分配，以尽可能保证输出相电压稳定。具体为：

其中，U_o1、U_o2分别为两个调制波信号的幅值；U为鲁棒控制输出值的幅值；k为压差调节值；i_g为逆变电路交流侧输出电流，且定义流入电网方向为正方向。

步骤四，结合生成的单相全桥NPC型三电平逆变电路的两个调制波信号、以及单相全桥NPC型三电平逆变电路的载波信号，确定单相全桥NPC型三电平逆变电路的脉冲控制信号。具体的调制波与载波配合生成脉冲控制信号的调制策略为：

如图4所示，载波1与载波2同相位，载波3与载波4同相位，载波1与载波3反相。调制波1与载波1比较产生脉冲1，调制波1与载波2比较产生脉冲2；调制波2与载波3比较产生脉冲8，调制波2与载波4比较产生脉冲7；脉冲1与脉冲3互补，脉冲2与脉冲4互补，脉冲5与脉冲7互补，脉冲6与脉冲8互补。按照此调制策略可以使单相NPC逆变器的桥臂输出五个电平的阶梯波。从图中可以看出调制波1所对应的脉冲均为左侧桥臂的脉冲，调制波2所对应的脉冲均为右侧桥臂的脉冲。当电流从逆变器流入电网时，若中点电位偏低(即第一均压电容C₁上的电压大于第二均压电容C₂上的电压)，增大左桥臂参考波电压所占的比例，若中点电位偏高(即第一均压电容C₁上的电压小于第二均压电容C₂上的电压)，增大右桥臂参考波电压所占的比例，当电能回馈到直流侧电容时，若中点电位偏低(即第一均压电容C₁上的电压大于第二均压电容C₂上的电压)，减小左桥臂参考波电压比例，若中点电位偏高(即第一均压电容C₁上的电压小于第二均压电容C₂上的电压)，减小右桥臂参考波电压比例。采用式(10)和(11)作为确定调制波信号1和调制波信号2的幅值的依据，通过PI调节器自动调节两个电容压差至零。同时，设定每个桥臂的调制波幅值按照比例变化，保持逆变器输出的相电压不变。

本发明的单相三电平变流系统，硬件包括：前级的升压变换器电路、中间级的单相全桥NPC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，升压变换电路将光伏电站的电压进行有效提升；单相全桥NPC型三电平逆变电路在提高输出功率的同时能减小电力电子开关器件的电压应力，改善系统输出电能的质量；采用LCL型滤波电路可以获得理想的电压波形。基于该拓扑结构，结合鲁棒H∞控制器和均压因子计算，配套调制策略，实现单相三电平并网变流系统的控制。本发明能够使被控对象有效抵抗系统运行过程中存在的扰动，使输出量精确跟踪参考信号，有效降低变流系统中器件的电压应力，降低谐波含量，提高并网电能质量。而且，实现了大型光伏电站安全、可靠、高效并网。

本实施例中的中级逆变电路为单相全桥NPC型三电平逆变电路，作为其他实施方式，还可选用单相半桥NPC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。无论逆变电路如何变化，逆变电路的调制波均是两条。

方法实施例：

本发明的一种基于鲁棒H∞与均压的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基于鲁棒H∞与均压的单相三电平变流系统控制方法，其控制框图可见图2、3，这里不再赘述。

Claims (8)

1.一种基于鲁棒H∞与均压的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)将变流系统交流侧输出电流的参考值与变流系统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；

2)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；

3)根据逆变电路交流侧输出电流的方向、所述压差调节值、以及所述鲁棒控制输出值，生成逆变电路的两个调制波信号；所述逆变电路的两个调制波信号的幅值分别为：

当逆变电路交流侧输出电流的方向为流入电网方向，则：

当逆变电路交流侧输出电流的方向为流出电网方向，则：

其中，U_o1、U_o2分别为两个调制波信号的幅值；U为鲁棒控制输出值的幅值；k为压差调节值；i_g为逆变电路交流侧输出电流，且定义流入电网方向为正方向；

4)根据生成的所述逆变电路的两个调制波信号，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所述的基于鲁棒H∞与均压的单相三电平变流系统控制方法，其特征在于，步骤2)中，所述调节控制为PI调节控制。

3.根据权利要求1所述的基于鲁棒H∞与均压的单相三电平变流系统控制方法，其特征在于，步骤2)中，还包括将得到的压差调节值进行限幅控制的步骤。

4.根据权利要求1～3任一项所述的基于鲁棒H∞与均压的单相三电平变流系统控制方法，其特征在于，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，第二权重函数根据变流系统的控制装置的实际工况确定，第三个权重函数根据系统实际参数摄动情况确定。

5.一种单相三电平变流系统，其特征在于，包括依次连接的电压变换电路、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变流系统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1～4任一项所述的基于鲁棒H∞与均压的单相三电平变流系统控制方法。

6.根据权利要求5所述的单相三电平变流系统，其特征在于，所述电压变换电路为升压电路。

7.根据权利要求5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。

8.根据权利要求5～7任一项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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