CN112383238B - 用于t型逆变器并联系统的中点平衡与环流抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于有限时间控制器的并联T型逆变器系统的中点平衡与环流抑制方法。该方法首先构建基于有限时间控制器的电容电压闭环控制，实时调整并联系统中点电位调节能力较强的冗余小矢量的作用时间，进而实现中点电位的快速平衡控制；在此基础上，进一步构建基于有限时间控制器的环流闭环控制，再次调整并联系统中环流调节能力较强的冗余小矢量的作用时间，最终实现并联系统的环流抑制。本发明能够同时实现并联系统的中点平衡与环流抑制，且中点平衡控制与环流抑制互不影响；不仅减少了直流侧电容和功率回路开关管承受的电压应力，而且降低了交流侧并网电流的谐波含量，减少了对电网的谐波污染，保证了并联T型逆变器系统的安全可靠运行。

Description

用于T型逆变器并联系统的中点平衡与环流抑制方法
技术领域
本发明属于中点平衡与环流抑制技术领域，具体涉及一种用于T型逆变器并联系统的中点平衡与环流抑制方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
近年来，伴随新能源发电与电力电子技术的快速发展，T型三电平逆变器凭借自身存在的谐波低、效率高、热量分布均匀等诸多优势被广泛应用。
然而，对于T型三电平逆变器系统来说，其自身固有的中点不平衡问题不仅会导致交流侧并网电流的畸变，同时会增加功率器件的电压应力，甚至会损坏功率器件、击穿直流侧电容。
另外，为了提高分布式能源发电系统的功率等级，通常将T型三电平逆变器进行并联，然而，T型三电平逆变器的并联会带来环流问题，环流会引起并网电流畸变，加大对电网的谐波污染，严重威胁系统的安全可靠运行。
为此，同时实现T型三电平逆变器并联系统的中点平衡与环流抑制具有重要的现实意义。
在中点平衡控制方面，目前主要有硬、软两种方案。一方面，硬件方案主要包括：1)上下电容电压分别由两路独立的直流电源单独供电；2)用额外的变流器向电容中点注入或抽取电流。然而，该方案会带来系统成本的显著增加。另一方面，软件方案主要包括：1)基于比例P控制器的中点电位平衡控制方法；2)基于比例积分PI控制器的中点电位平衡控制方法；3)基于模型预测控制的中点电位平衡控制方法；4)基于无差拍控制器的中点电位平衡控制方法。然而，在上述软件控制方案中，方案1与方案2均存在：动态响应速度慢、抗干扰能力差等缺陷，方案3与方案4均存在：受制于系统模型、对系统硬件参数依赖性强、通用性差等缺陷。
在环流抑制方面，国内外主要从硬件和软件两个方面进行解决。其中，硬件方面包括：1)每台T型逆变器采用单独的直流供电电源；2)并联系统交流侧安装隔离变压器；3)并联系统环流通路上附加相间电抗器。然而，该方案会增加系统的成本与体积。另一方面，软件方案主要包括：1)基于比例积分PI控制器的并联环流抑制方法；2)基于无差拍控制器的并联环流抑制方法。然而，在上述软件控制方案中，方案1存在：动态响应速度慢、抗干扰能力差等缺陷，方案2存在：受制于系统模型、对系统硬件参数依赖性强、通用性差等缺陷。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种用于T型逆变器并联系统的中点平衡与环流抑制方法，本发明能够同时实现并联系统的中点平衡与环流抑制，且中点平衡控制与环流抑制互不影响。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
一种用于T型逆变器并联系统的中点平衡与环流抑制方法，包括以下步骤：
对并联系统直流母线上下电容与端口电压实时采集，并将其瞬时模拟量进行转换；
将上下电容电压进行求差运算，并将其差值作为第一有限时间控制器的输入量，计算出实现并联系统的中点平衡对各台逆变器调制波的调节量，调整并联系统各逆变器的三相调制波；
进行并联系统零序环流的实时采集，并将其瞬时模拟量进行转换；
将零序环流的参考值与实际值进行求差运算，将差值作为第二有限时间控制器的输入量，计算出实现并联系统零序环流抑制对各台逆变器调制波的调节量；
基于零序环流抑制得到的调制量，辅以双载波PWM调制策略，得到并联T型三电平逆变器系统的驱动信号，实现最终调制。
作为可选择的实施方式，所述上下电容电压的模拟量转换为数字量。
作为可选择的实施方式，所述第一有限时间控制器的形式为：
y＝k1*sign(e(t))*|e(t)|α
其中，e(t)为有限时间控制器的输入量，即上下电容电压差值；y为控制器的输出量，k1与α为控制器参数，其中，k1＞0，0<α<1。
作为可选择的实施方式，调整并联系统各逆变器的三相调制波的具体过程包括：对每台T型三电平逆变器均进行中点平衡控制，每台逆变器的各相调制波为上一时刻相应相调制波与第一有限时间控制器的输出值的比例值之和。
作为可选择的实施方式，所述比例值为0.5。
作为可选择的实施方式，所述第二有限时间控制器的形式为：
y＝k2*sign(e(t))*|e(t)|β
e(t)为有限时间控制器的输入量，即零序环流参考值与实际值的差值；y为控制器的输出量，k2与β为控制器参数，其中，k2＞0，0<β<1。
作为可选择的实施方式，基于计算出实现并联系统零序环流抑制对各台逆变器调制波的调节量，对各T型三电平逆变器均进行零序环流控制，具体过程包括：对每台T型三电平逆变器均进行零序环流抑制，每台逆变器的各相调制波为上一时刻相应相调制波与第二有限时间控制器的输出值的比例值之和。
作为可选择的实施方式，所述比例值为0.5。
一种用于T型逆变器并联系统的中点平衡与环流抑制系统，包括：
采集单元，被配置为采集并联系统直流母线上下电容端口电压、以及并联系统零序环流；
DSP控制器，被配置为对采集数据进行存储，并转换成数字量；
第一有限时间控制器，被配置为接收上下电容电压的差值，计算出实现并联系统的中点平衡对各台逆变器调制波的调节量，调整并联系统各逆变器的三相调制波；
第二有限时间控制器，被配置为接收零序环流的参考值与实际值的差值，计算出实现并联系统零序环流抑制对各台逆变器调制波的调节量；
辅助调控模块，被配置为基于零序环流抑制得到的调制量，辅以双载波PWM调制策略，得到并联T型三电平逆变器系统的驱动信号，实现最终调制。
作为可选择的实施方式，所述T型逆变器并联系统包括两台并联的T型三电平逆变器系统，且各台三电平逆变器具有相同的功率拓扑结构。
作为可选择的实施方式，每台三电平逆变器包括直流侧公共直流电压源、直流侧公共直流电压源并联有串联的直流母线上下侧电容，还连接有T型三相全桥，后接LC型滤波器和三相交流电网。
作为进一步的限定，所述T型三相全桥共包含A、B、C三相，各相分别包含相同数量的功率回路开关管。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)基于有限时间控制器，本发明同时实现了T型三电平逆变器并联系统的中点平衡与环流抑制，且保证了中点平衡控制与环流抑制之间互不影响。不仅减少了直流侧电容和功率开关管承受的电压应力，而且减少了交流侧电压电流的谐波含量，降低了对电网的谐波污染，保证了系统的安全可靠运行。
2)与传统中点平衡与环流抑制的硬件方案相比，该方法具有：成本低、体积小、效率高等诸多优势。
3)与传统中点平衡控制的软件方案(比例P控制、比例积分PI控制)相比，该方法具有：中点平衡速度更快、稳态误差更小、抗干扰能力更强的诸多优势。
4)与传统环流抑制的软件方案(比例积分PI控制)相比，该方法具有：收敛性能更好、稳态误差更小、抗干扰能力更强的诸多优势。
5)本发明中的控制方法不依赖于系统模型，摆脱了对系统硬件参数的严重依赖，通用性强、灵活度高。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明T型三电平逆变器并联系统功率拓扑结构图；
图2是本发明T型三电平逆变器系统空间电压矢量图；
图3是本发明中点平衡与环流抑制控制策略框图；
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
本实施例一种基于有限时间控制器(Finite Time Controller，简称FTC)的并联T型逆变器系统的中点平衡与环流抑制方法。该方法能够同时实现并联系统的中点平衡与环流抑制，且中点平衡控制与环流抑制互不影响。
本发明主要针对T型三电平逆变器并联系统。如图1所示，该系统共包含有两台T型三电平逆变器系统，其中，两台三电平逆变器具有相同的功率拓扑结构。以第1台逆变器系统为例，从左至右依次包含：直流侧公共直流电压源Vdc、直流母线上下侧电容C11与C12、T型三相全桥、LC型滤波器、三相交流电网eabc。其中，T型三相全桥共包含A、B、C三相，各相分别包含4个功率回路开关管S11、S12、S13、S14。
具体地，单台T型三电平逆变器系统的三相输出电压共有27种电平组合，即27个电压矢量，分别包括：3个零矢量(OOO、NNN、PPP)、12个小矢量(ONN、OON、NON、NOO、NNO、ONO；POO、PPO、OPO、OPP、OOP、POP)、6个中矢量(PON、OPN、NPO、NOP、ONP、PNO)和6个大矢量(PNN、PPN、NPN、NPP、NNP、PNP)。各电压矢量的空间分布如图2所示。
基于前述分析，给出本发明提出的基于FTC的中点电位快速平衡控制与环流抑制方法，共包含以下3大基本步骤：
步骤1：中点平衡控制
首先，进行并联系统直流母线上下电容C11与C12端口电压的实时采集，并将其瞬时模拟量传输至DSP控制器完成AD转换。其中，并联系统上电容C11/C21的电压值记为Up、下电容C12/C22的电压值记为Un。
然后，将上下电容电压Up与Un进行求差运算，并将其差值记为△Upn，即：△Upn＝Up-Un。同时，将△Upn作为有限时间控制器的输入量，输入至有限时间控制器，其中，有限时间控制器的形式为式(1)所示：
y＝k1*sign(e(t))*|e(t)|α (1)
式(1)中，e(t)为有限时间控制器的输入量，即△Upn；y为控制器的输出量，k1与α为控制器参数，其中，k1＞0，0<α<1，其具体取值需要根据控制系统的控制目标进行整定。
紧接着，执行有限时间控制算法，这里将上下电容电压之差△Upn作为有限时间控制器的输入量e(t)，即：e(t)＝△Upn，后经有限时间控制器的函数关系式(1)，计算出有限时间控制器的输出值yFTC1，即：
yFTC1＝k1*sign(ΔUpn)*|ΔUpn|α (2)
其中，yFTC1指的是：为实现并联系统的中点平衡对两台逆变器调制波的调节量，sign为符号函数。
最后，为保证中点平衡的控制效果，同时又不影响并联系统的环流抑制，这里对两台T型三电平逆变器均进行下述中点平衡控制。其中，第1台逆变器的三相调制波ma1、mb1、mc1调整为：
Figure BDA0002745049700000091
第2台逆变器的三相调制波na1、nb1、nc1调整为：
Figure BDA0002745049700000092
步骤2：环流抑制
在上述中点平衡控制的基础上，进一步实现并联系统的零序环流抑制，这里通过控制并联系统的零序环流iz为0予以实现。主要包含以下步骤：
首先，进行并联系统零序环流的实时采集，并将其瞬时模拟量传输至DSP控制器完成AD转换。其中，并联系统的零序环流实际值记为iz，其数值大小为第一台逆变器三相交流电流之和的三分之一，即：iz＝1/3(ia1+ib1+ic1)。
然后，将零序环流的参考值iz_ref与实际值iz进行求差运算，并将其差值记为△iz，即：△iz＝iz_ref-iz。同时，将△iz作为有限时间控制器的输入量，输入至有限时间控制器，其中，有限时间控制器的形式如式(5)所示。
y＝k2*sign(e(t))*|e(t)|β (5)
式(5)中，e(t)为有限时间控制器的输入量，即△iz；y为控制器的输出量，k2与β为控制器参数，其中，k2＞0，0<β<1，其具体取值需要根据控制系统的控制目标进行整定。
紧接着，执行有限时间控制算法，这里将△iz作为有限时间控制器的输入量e(t)，即：e(t)＝△iz，后经有限时间控制器的函数关系式(5)，计算出有限时间控制器的输出值yFTC2，即：
yFTC2＝k2*sign(Δiz)*|Δiz|β (6)
其中，yFTC2指的是：为实现并联系统零序环流抑制对两台逆变器调制波的调节量，sign为符号函数。
最后，为保证零序环流的抑制效果，同时又不影响并联系统的中点平衡，这里对两台T型三电平逆变器均进行下述零序环流控制。其中，第1台逆变器的三相调制波ma2、mb2、mc2调整为：
Figure BDA0002745049700000111
第2台逆变器的三相调制波na2、nb2、nc2调整为：
Figure BDA0002745049700000112
步骤3：PWM调制
基于步骤2中给出的调制波ma3、mb3、mc3与na3、nb3、nc3，并辅以双载波PWM调制策略，得到并联T型三电平逆变器系统的驱动信号Sa1，Sb1，Sc1与Sa2，Sb2，Sc2。其中，Sa1，Sb1，Sc1分别为第1台逆变器a、b、c三相功率开关管的驱动信号；Sa2，Sb2，Sc2分别为第2台逆变器a、b、c三相功率开关管的驱动信号。
综上所述，给出基于FTC的并联T型三电平逆变器系统的中点平衡与环流抑制控制策略框图，如图3所示。其中，第1台逆变器共模分量计算模块的输入和输出分别为：ma、mb、mc与vcom，对应关系如式(9)所示；第2台逆变器共模分量计算模块的输入和输出分别为：na、nb、nc与wcom，对应关系如式(10)所示。
vcom＝0.5[1-(vmax+vmin)] (9)
wcom＝0.5[1-(wmax+wmin)] (10)
式中，vmax、vmin与wmax、wmin满足下述关系：
Figure BDA0002745049700000121
Figure BDA0002745049700000122
式中，max、min分别为最大、最小值函数。
综上，本实施例提出了一种基于有限时间控制器的并联T型逆变器系统的中点平衡与环流抑制方法。该方法首先构建基于有限时间控制器的电容电压闭环控制，实时调整并联系统中点电位调节能力较强的冗余小矢量的作用时间，进而实现中点电位的快速平衡控制；在此基础上，进一步构建基于有限时间控制器的环流闭环控制，再次调整并联系统中环流调节能力较强的冗余小矢量的作用时间，最终实现并联系统的环流抑制。该方法能够同时实现并联系统的中点平衡与环流抑制，且中点平衡控制与环流抑制互不影响。
本实施例不仅减少了直流侧电容和功率回路开关管承受的电压应力，而且降低了交流侧并网电流的谐波含量，减少了对电网的谐波污染，保证了并联T型逆变器系统的安全可靠运行。该方法不依赖于系统模型，通用性强、灵活度高，与此同时，相比于传统比例P控制器或比例积分PI控制器，该方法还具有：动态响应速度更快、稳态误差更小、抗干扰能力更强的诸多优势。
本实施例还提供了一种用于T型逆变器并联系统的中点平衡与环流抑制系统，包括：
采集单元，被配置为采集并联系统直流母线上下电容端口电压、以及并联系统零序环流；
DSP控制器，被配置为对采集数据进行存储，并转换成数字量；
第一有限时间控制器，被配置为接收上下电容电压的差值，计算出实现并联系统的中点平衡对各台逆变器调制波的调节量，调整并联系统各逆变器的三相调制波；
第二有限时间控制器，被配置为接收零序环流的参考值与实际值的差值，计算出实现并联系统零序环流抑制对各台逆变器调制波的调节量；
辅助调控模块，被配置为基于零序环流抑制得到的调制量，辅以双载波PWM调制策略，得到并联T型三电平逆变器系统的驱动信号，实现最终调制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种用于T型逆变器并联系统的中点平衡与环流抑制方法，其特征是：包括以下步骤：
对并联系统直流母线上下电容端口电压实时采集，并将其瞬时模拟量进行转换；
将上下电容电压进行求差运算，并将其差值作为第一有限时间控制器的输入量，计算出实现并联系统的中点平衡对各台逆变器调制波的调节量，调整并联系统各逆变器的三相调制波；所述第一有限时间控制器的输出值为yFTC1＝k1*sign(ΔUpn)*|ΔUpn|α，其中，△Upn为上下电容电压之差，k1与α为控制器参数；所述调整并联系统各逆变器的三相调制波具体为：第1台逆变器的三相调制波ma1、mb1、mc1调整为
Figure FDA0003358919700000011
第2台逆变器的三相调制波na1、nb1、nc1调整为
Figure FDA0003358919700000012
进行并联系统零序环流的实时采集，并将其瞬时模拟量进行转换；
将零序环流的参考值与实际值进行求差运算，将差值作为第二有限时间控制器的输入量，计算出实现并联系统零序环流抑制对各台逆变器调制波的调节量；所述第二有限时间控制器的输出值为yFTC2＝k2*sign(Δiz)*|Δiz|β，其中，△iz为零序环流的参考值与实际值的差值，k2与β为控制器参数；所述各台逆变器调制波的调节量具体为：第1台逆变器的三相调制波ma2、mb2、mc2调整为
Figure FDA0003358919700000021
第2台逆变器的三相调制波na2、nb2、nc2调整为
Figure FDA0003358919700000022
基于零序环流抑制得到的调制量，辅以双载波PWM调制策略，得到并联T型三电平逆变器系统的驱动信号，实现最终调制。
2.如权利要求1所述的一种用于T型逆变器并联系统的中点平衡与环流抑制方法，其特征是：所述上下电容电压的模拟量转换为数字量；
将所述并联系统零序环流的瞬时模拟量传输至DSP控制器完成AD转换。
3.一种用于T型逆变器并联系统的中点平衡与环流抑制系统，其特征是：包括：
采集单元，被配置为采集并联系统直流母线上下电容端口电压、以及并联系统零序环流；
DSP控制器，被配置为对采集数据进行存储，并转换成数字量；
第一有限时间控制器，被配置为接收上下电容电压的差值，计算出实现并联系统的中点平衡对各台逆变器调制波的调节量，调整并联系统各逆变器的三相调制波；所述第一有限时间控制器的输出值为yFTC1＝k1*sign(ΔUpn)*|ΔUpn|α，其中，△Upn为上下电容电压之差，k1与α为控制器参数；所述调整并联系统各逆变器的三相调制波具体为：第1台逆变器的三相调制波ma1、mb1、mc1调整为
Figure FDA0003358919700000031
第2台逆变器的三相调制波na1、nb1、nc1调整为
Figure FDA0003358919700000032
第二有限时间控制器，被配置为接收零序环流的参考值与实际值的差值，计算出实现并联系统零序环流抑制对各台逆变器调制波的调节量；所述第二有限时间控制器的输出值为yFTC2＝k2*sign(Δiz)*|Δiz|β，其中，△iz为零序环流的参考值与实际值的差值，k2与β为控制器参数；所述各台逆变器调制波的调节量具体为：第1台逆变器的三相调制波ma2、mb2、mc2调整为
Figure FDA0003358919700000033
第2台逆变器的三相调制波na2、nb2、nc2调整为
Figure FDA0003358919700000034
辅助调控模块，被配置为基于零序环流抑制得到的调制量，辅以双载波PWM调制策略，得到并联T型三电平逆变器系统的驱动信号，实现最终调制。
4.如权利要求3所述的一种用于T型逆变器并联系统的中点平衡与环流抑制系统，其特征是：所述T型逆变器并联系统包括两台并联的T型三电平逆变器系统，且各台三电平逆变器具有相同的功率拓扑结构；每台三电平逆变器包括直流侧公共直流电压源、直流侧公共直流电压源并联有串联的直流母线上下侧电容，还连接有T型三相全桥，后接LC型滤波器和三相交流电网。
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