CN112311004B - 一种电网谐波背景下的级联h桥变流器控制方法 - Google Patents

一种电网谐波背景下的级联h桥变流器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电网谐波背景下的级联H桥变流器控制方法，本发明以提高电网谐波背景下变流器的控制性能为目标，以单相级联H桥变流器为对象，提出了自然坐标系下改进的单位矢量定向直接电流控制策略，实现输出电流功率因数可控且电流总谐波畸变率满足电网要求；本发明所述控制方法使用延时信号对消方法实现对电网基波频率分量的快速提取，求出自然坐标下的理想单位矢量用以定向，从而得到准确的电流参考值，使用性能优越的比例谐振控制器进行直接电流控制；并通过畸变电压比例前馈进一步消除谐波背景对控制系统的影响。

Description

一种电网谐波背景下的级联H桥变流器控制方法
技术领域
本发明属于涉及变流器控制技术领域，具体涉及一种电网谐波背景下的级联H桥变流器控制方法。
背景技术
级联H桥多电平变流器因其模块化设计、控制简单，可利用较低电压等级的功率器件实现较高电压等级应用等特点，被广泛应用于高压直流输电、电机驱动、柔性交流输电、新能源发电并网等领域。近年来，电力系统有着电力电子化的趋势：非线性负载越来越多，可再生能源在传统电网中的渗透率越来越高，各种形式的微网、弱电网相继出现，这一趋势导致传统电网中不可避免的出现较多的低次谐波分量。当电网含有谐波分量时，传统控制策略将使得级联H桥变流器输出的电流出现严重畸变，导致器件性能劣化、损坏，严重的可能导致系统故障。
级联H桥变流器的传统控制策略，主要是同步旋转坐标下的矢量控制，同步旋转坐标下交流量被转换为直流量，所以可使用较为简单的比例-积分控制器实现电流的解耦控制。但是，将控制量转换到同步旋转坐标下需要复杂的坐标变换，且坐标变换需要电网电压的相角，所以还需要设计结构复杂的锁相环，使得实际应用并不简单。此外，在电网电压存在谐波时，谐波分量经过坐标变换会交叉耦合变得更为恶劣，锁相环的性能也会下降，导致控制效果变差。
为了消除电网谐波对变流器控制的影响，提取出理想的正弦电网电压信号是非常重要的环节。常用的提取工具包括低通滤波器以及带通滤波器，为了过滤低次谐波的效果足够好，常用的低通滤波器，或如二阶广义积分器、降阶广义积分器等带通滤波器的截止频率往往只能设计得尽量低，因而降低了整个控制系统的稳定性以及鲁棒性。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述存在的不足，本发明提供一种电网谐波背景下的级联H桥变流器控制方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种电网谐波背景下的级联H桥变流器控制装置，包括滤波电感L、等效电阻R、n级级联H桥变流器、信号采集模块和控制模块；电网电流依次经过等效电阻R、滤波电感L以及n级级联H桥变流器；
所述的信号采集模块采集n级级联H桥变流器输出交流电流信号isa，电网电压信号us，以及n级级联H桥变流器中各单相H桥单元直流侧电压信号udcj；
所述的信号采集模块将上诉采集的信号传输给控制模块，所述控制模块将运算结果传输到载波相移模块，所述波相移模块将调制信号进行调制生成PWM控制信号，并将PWM控制信号输出给n级级联H桥变流器；
其中，n为级联H桥变流器级数，且n≥1。
进一步地，所述n级级联H桥变流器由n个单相H桥单元级联构成，每个H桥单元由4个带反并联二极管的IGBT、1个直流电容和1个电阻构成；每2个带有反并联二极管的IGBT串联构成一个桥臂，构成的2个桥臂并联；直流电容与2个桥臂并联；电阻与直流电容并联。
在上述一种电网谐波背景下的级联H桥变流器控制装置结构基础上实现的一种电网谐波背景下的级联H桥变流器控制方法，包括如下几个步骤：
对n级级联H桥变流器进行采集，获取到电网电压信号us、n级级联H桥变流器输出交流电流信号isa、以及n级级联H桥变流器中各H桥单元直流侧电压信号udcj；
对电网电压信号us进行处理；得到同步电压
Figure GDA0003781714830000031
根据同步电压
Figure GDA0003781714830000032
得到n级级联H桥变流器交流侧输出电流信号
Figure GDA0003781714830000033
根据n级级联H桥变流器交流侧输出电流信号
Figure GDA0003781714830000034
n级级联H桥变流器输出交流电流信号isa，得到电压调制信号
Figure GDA0003781714830000035
将电压调制信号
Figure GDA0003781714830000036
进行调制，生成控制信号控制n级级联H桥变流器。
进一步地，所述同步电压
Figure GDA0003781714830000037
具体为所述电网电压的正序基频分量；对电网电压信号us进行处理具体为采用延时信号对消方法进行电网电压的正序基频分量提取，所述延时信号对消方法表达式子如下：
Figure GDA0003781714830000038
其中，T为电网电压周期，t为时间，x为延时系数。
进一步地，所述n级级联H桥变流器交流侧输出电流信
Figure GDA0003781714830000039
表达式子为：
Figure GDA0003781714830000041
其中，
Figure GDA0003781714830000042
为有功电流，va，b，c为单位有功矢量，
Figure GDA0003781714830000043
为给定的无功电流，wa，b，c为单位无功矢量。
进一步地，所述单位无功矢量wa，b，c为：
Figure GDA0003781714830000044
其中，wa、wb、wc为单位无功矢量va、vb、vc为单位有功矢量；所述单位有功矢量va，b，c表达式子为：
Figure GDA0003781714830000045
其中，ea、eb、ec为自然坐标系下的理想三相电压信号，va、vb、vc为单位有功矢量，
Figure GDA0003781714830000046
其中，ea、eb、ec为自然坐标系下的理想三相电压信号；所述自然坐标系下的理想三相电压信号表达式子为：
Figure GDA0003781714830000047
其中，T为电网电压周期，t为时间，
Figure GDA0003781714830000048
为同步电压。
进一步地，所述有功电流
Figure GDA0003781714830000049
具体为通过电压误差值Δudcd经比例积分PI调节器控制调节得到；所述比例积分PI调节器由控制模块运算实现；所述电压误差值Δudcd表达式子为：
Figure GDA00037817148300000410
其中，∑udcj为n级级联H桥变流器中各单相H桥单元直流侧总的电压信号，
Figure GDA0003781714830000051
为参考值。
进一步地，所述电压调制信号
Figure GDA0003781714830000052
表达式子为：
Figure GDA0003781714830000053
其中，ur为PI调节信号，
Figure GDA0003781714830000054
为PR调节信号，us为电网电压信号；k1为含谐波背景电网电压的比例前馈；所述含谐波背景电网电压的比例前馈k1表达式子为：
Figure GDA0003781714830000055
其中，uc为载波移相方法中的载波幅值，udc为级联H桥变流器中各单相H桥单元瞬时的实际总电压。
进一步地，所述PI调节信号ur具体通过电压差值Δudc经比例积分PI调节器控制调节得到；所述比例积分PI调节器由控制模块运算实现；所述电压差值Δudc表达式子为：
Figure GDA0003781714830000056
其中，udcj为n级级联H桥变流器中各单相H桥单元直流侧电压信号，udc为级联H桥变流器中各单相H桥单元瞬时的实际总电压信号，n为单相H桥单元总数；
所述PR调节信号
Figure GDA0003781714830000057
具体通过电流差值Δisa经比例谐振PR调节器控制调节得到；所述所述比例谐振PR调节器由控制模块运算实现；所述电流差值Δisa表达式子为：
Figure GDA0003781714830000058
其中，
Figure GDA0003781714830000059
为级级联单相H桥变流器交流侧输出电流信号，isa为n级级联H桥变流器输出交流电流信号。
进一步地，所述控制模块将所述电压调制信号
Figure GDA0003781714830000061
通过载波相移模块进行调制，生成PWM控制信号，所述载波相移模块将PWM控制信号输出给n级级联单相H桥变流器，通过PWM控制信号控制n级联单相H桥变流器中单相H桥变流器的开关器件的断通，达到控制n级级联H桥变流器的效果。
本发明的有益效果与优点在于：
1、针对电网中含有由于大量电力电子设备接入产生的低次谐波，提出了基于自然坐标的级联H桥变流器控制方法，实现了输出电流正弦化且功率因数可调的目标；
2、自然坐标下控制策略各控制量物理意义明确，不需要复杂的坐标变换以及锁相环，系统的动态响应更快，且易于在数字控制器中的应用；
3、采用延时信号对消方法进行电网基波分量的提取，延时信号对消方法原理简单，易于设计；且由于其数字实现的有限脉冲响应特性，稳定性高，对控制系统性能的影响较小。
附图说明
图1是一种电网谐波背景下的级联H桥变流器控制方法的结构图；
图2是本发明一种电网谐波背景下的级联H桥变流器控制方法的电网谐波背景下自然坐标方法控制框图；
图3是本发明一种电网谐波背景下的级联H桥变流器控制方法的级联延迟信号对消方法框图。
具体实施方式
一种电网谐波背景下的级联H桥变流器控制装置，包括滤波电感L、等效电阻R、n级级联H桥变流器、信号采集模块和控制模块；电网电流依次经过等效电阻R、滤波电感L以及n级级联H桥变流器；
所述n级级联H桥变流器由n个单相H桥单元级联构成，每个H桥单元由4个带反并联二极管的IGBT、1个直流电容和1个电阻构成；每2个带有反并联二极管的IGBT串联构成一个桥臂，构成的2个桥臂并联；直流电容与2个桥臂并联；电阻与直流电容并联；
所述信号采集模块采集n级级联H桥变流器输出交流电流信号isa，电网电压信号us，以及n级级联H桥变流器中各单相H桥单元直流侧电压信号udcj，其中，j＝1，2，3，...，n；并将上诉采集的信号传输给控制模块，所述控制模块将运算结果传输到载波相移模块，所述波相移模块将调制信号进行调制生成PWM控制信号，并将PWM控制信号输出给n级级联H桥变流器；其中，n为级联H桥变流器级数，且n≥1。
在上述一种电网谐波背景下的级联H桥变流器控制装置结构基础上实现的一种电网谐波背景下的级联H桥变流器控制方法，包括如下几个步骤：
利用信号采集模块对n级级联H桥变流器进行采集，获取到电网电压信号us、n级级联H桥变流器输出交流电流isa、以及n级级联H桥变流器中各H桥单元直流侧电压信号udcj。
通过电网电压周期T、时间t和延时系数x，利用延时信号对消方法对电网电压信号us进行处理，得出电网电压的正序基频分量；所述延时信号对消方法表达式子为：
Figure GDA0003781714830000081
其中，所得的电网电压的正序基频分量即为电网谐波下的同步电压
Figure GDA0003781714830000082
根据同步电压
Figure GDA0003781714830000083
电网电压周期T、时间t，得出三相坐标系下的理想三相电压ea、eb、ec；所述三相坐标系下的理想三相电压、ea、eb、ec表达式子为：
Figure GDA0003781714830000084
根据三相坐标系下的理想三相电压ea、eb、ec，以及
Figure GDA0003781714830000085
Figure GDA0003781714830000086
得出单位有功矢量va，b，c；所述单位有功矢量va，b，c表达式子为：
Figure GDA0003781714830000087
根据单位有功矢量va，b，c，得出单位无功矢量wa，b，c；所述单位无功矢量wa，b，c表达式子为：
Figure GDA0003781714830000088
根据n级联H桥变流器中各单相H桥单元直流侧总电压∑udcj，参考值
Figure GDA0003781714830000091
得出电压误差值Δudcd；所述电压误差值Δudcd表达式子为：
Figure GDA0003781714830000092
将电压误差值Δudcd通过比例积分PI调节器控制调节得到有功电流
Figure GDA0003781714830000093
所述比例积分PI调节器具体由控制模块运算实现。
根据有功电流
Figure GDA0003781714830000094
单位有功矢量wa，b，c，给定的无功电流
Figure GDA0003781714830000095
单位无功矢量va，b，c，得出n级级联H桥变流器交流侧输出电流信号
Figure GDA0003781714830000096
所述n级级联H桥变流器交流侧输出电流信
Figure GDA0003781714830000097
表达式子为：
Figure GDA0003781714830000098
根据n级级联H桥变流器交流侧输出电流信号
Figure GDA0003781714830000099
以及n级级联H桥变流器输出交流电流信号isa，得出电流差值Δisa；所述电流差值Δisa表达式子为：
Figure GDA00037817148300000910
将电流差值Δisa通过比例谐振PR调节器调节控制，得到PR调节信号
Figure GDA00037817148300000911
所述比例谐振PR调节器具体由控制模块运算实现。
根据n级级联H桥变流器中每一个单相H桥单元实际的直流侧电压udcj，n级级联H桥变流器中各单相H桥单元瞬时的实际总电压udc，得出电流差值Δudc，所述电流差值Δudc表达式子为：
Figure GDA00037817148300000912
将电流差值Δudc通过比例积分PI调节器控制调节，得到PI调节信号ur；所述比例积分PI调节器具体由控制模块运算实现。
根据载波移相方法中的载波幅值uc，n级级联H桥变流器中各单相H桥单元瞬时的实际总电压udc，得出含谐波背景电网电压的比例前馈k1；所述含谐波背景电网电压的比例前馈k1表达式子为：
Figure GDA0003781714830000101
根据PI调节信号ur，PR调节信号
Figure GDA0003781714830000102
电网电压信号us，含谐波背景电网电压的比例前馈k1，得出电压调制信号
Figure GDA0003781714830000103
所述电压调制信号
Figure GDA0003781714830000104
表达式子为：
Figure GDA0003781714830000105
所述控制模块将所述电压调制信号
Figure GDA0003781714830000106
通过载波相移模块进行调制，生成PWM控制信号，所述载波相移模块将PWM控制信号输出给n级级联单相H桥变流器，通过PWM控制信号控制n级联单相H桥变流器中单相H桥变流器的开关器件的断通，达到控制n级级联H桥变流器的效果。
上述实施例的硬件采用如下：
所述单相H桥单元采用英飞凌(INFINEON)F4100R12KS4模块级联而成；
所述信号采集模块采用LA100-P电流传感器以及LV25-P电压传感器；
所述控制模块采用德州仪器(Texas Instruments，TI)32位浮点双核数字信号处理器TMS320F28377D；
所述载波相移模块采用TMS320F28377D的片上ePWM子模块。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电网谐波背景下的级联H桥变流器控制方法，所述控制方法采用的装置包括滤波电感L、等效电阻R、n级级联H桥变流器、信号采集模块和控制模块；电网电流依次经过等效电阻R、滤波电感L以及n级级联H桥变流器；
所述信号采集模块采集n级级联H桥变流器输出交流电流信号isa，电网电压信号us，以及n级级联H桥变流器中各单相H桥单元直流侧电压信号udcj，其中，j＝1，2，3，...，n；
所述信号采集模块将上述采集的信号传输给控制模块，所述控制模块将运算结果传输到载波相移模块，所述波相移模块将调制信号进行调制生成PWM控制信号，并将PWM控制信号输出给n级级联H桥变流器；
其中，n为级联H桥变流器级数，且n≥1；
所述n级级联H桥变流器由n个单相H桥单元级联构成，每个H桥单元由4个带反并联二极管的IGBT、1个直流电容和1个电阻构成；每2个带有反并联二极管的IGBT串联构成一个桥臂，构成的2个桥臂并联；直流电容与2个桥臂并联；电阻与直流电容并联；
其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
对n级级联H桥变流器进行采集，获取到电网电压信号us、n级级联H桥变流器输出交流电流信号isa、以及n级级联H桥变流器中各H桥单元直流侧电压信号udcj；
对电网电压信号us进行处理；得到同步电压
Figure FDA0003781714820000011
根据同步电压
Figure FDA0003781714820000012
得到n级级联H桥变流器交流侧输出电流信号
Figure FDA0003781714820000021
根据n级级联H桥变流器交流侧输出电流信号
Figure FDA0003781714820000022
n级级联H桥变流器输出交流电流信号isa，得到电压调制信号
Figure FDA0003781714820000023
将电压调制信号
Figure FDA0003781714820000024
进行调制，生成控制信号控制n级级联H桥变流器。
2.根据权利要求1所述一种电网谐波背景下的级联H桥变流器控制方法，其特征在于，所述同步电压
Figure FDA0003781714820000025
具体为所述电网电压的正序基频分量；对电网电压信号us进行处理具体为采用延时信号对消方法进行电网电压的正序基频分量提取，所述延时信号对消方法表达式子如下：
Figure FDA0003781714820000026
其中，T为电网电压周期，t为时间，x为延时系数。
3.根据权利要求2所述一种电网谐波背景下的级联H桥变流器控制方法，其特征在于，所述n级级联H桥变流器交流侧输出电流信
Figure FDA0003781714820000027
表达式子为：
Figure FDA0003781714820000028
其中，
Figure FDA0003781714820000029
为有功电流，va，b，c为单位有功矢量，
Figure FDA00037817148200000210
为给定的无功电流，wa，b，c为单位无功矢量。
4.根据权利要求3所述一种电网谐波背景下的级联H桥变流器控制方法，其特征在于，所述单位无功矢量wa，b，c为：
Figure FDA00037817148200000211
其中，wa、wb、wc为单位无功矢量，va、vb、vc为单位有功矢量；
所述单位有功矢量va，b，c表达式子为：
Figure FDA0003781714820000031
其中，ea、eb、ec为自然坐标系下的理想三相电压信号，va、vb、vc为单位有功矢量，
Figure FDA0003781714820000032
其中，ea、eb、ec为自然坐标系下的理想三相电压信号；所述自然坐标系下的理想三相电压信号表达式子为：
Figure FDA0003781714820000033
其中，T为电网电压周期，t为时间，
Figure FDA0003781714820000034
为同步电压。
5.根据权利要求4所述一种电网谐波背景下的级联H桥变流器控制方法，其特征在于，所述有功电流
Figure FDA0003781714820000035
具体为通过电压误差值Δudcd经比例积分PI调节器控制调节得到；所述电压误差值Δudcd表达式子为：
Figure FDA0003781714820000036
其中，∑udcj为n级级联H桥变流器中各单相H桥单元直流侧总的电压信号，
Figure FDA0003781714820000037
为参考值。
6.根据权利要求5所述一种电网谐波背景下的级联H桥变流器控制方法，其特征在于，所述电压调制信号
Figure FDA0003781714820000038
表达式子为：
Figure FDA0003781714820000041
其中，ur为PI调节信号，
Figure FDA0003781714820000042
为PR调节信号，us为电网电压信号；k1为含谐波背景电网电压的比例前馈；所述含谐波背景电网电压的比例前馈k1表达式子为：
Figure FDA0003781714820000043
其中，uc为载波移相方法中的载波幅值，udc为级联H桥变流器中各单相H桥单元瞬时的实际总电压。
7.根据权利要求6所述一种电网谐波背景下的级联H桥变流器控制方法，其特征在于，所述PI调节信号ur具体通过电压差值Δudc经比例积分PI调节器控制调节得到；所述电压差值Δudc表达式子为：
Figure FDA0003781714820000044
其中，udcj为n级级联H桥变流器中各单相H桥单元直流侧电压信号，udc为级联H桥变流器中各单相H桥单元瞬时的实际总电压信号，n为单相H桥单元总数；
所述PR调节信号
Figure FDA0003781714820000045
具体通过电流差值Δisa经比例谐振PR调节器控制调节得到；所述电流差值Δisa表达式子为：
Figure FDA0003781714820000046
其中，
Figure FDA0003781714820000047
为级级联单相H桥变流器交流侧输出电流信号，isa为n级级联H桥变流器输出交流电流信号。
8.根据权利要求7所述一种电网谐波背景下的级联H桥变流器控制方法，其特征在于，所述控制模块将所述电压调制信号
Figure FDA0003781714820000048
通过载波相移模块进行调制，生成PWM控制信号，所述载波相移模块将PWM控制信号输出给n级级联单相H桥变流器，通过PWM控制信号控制n级联单相H桥变流器中单相H桥变流器的开关器件的断通，达到控制n级级联H桥变流器的效果。
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