CN113437892A - 一种并机时保护直流母线电压不上冲的三电平逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并机时保护直流母线电压不上冲的三电平逆变器，本发明在过零点附近对由三电平电流环输出的载波信号V_n的占空比分配方式进行改进，防止储能逆变器上冲的发生，提高下垂算法无线并机的可靠性；λ为保护标志位，正常情况下λ＝1时，电流环输出的载波信号V_n直接参与占空比的生成与分配；当出现过冲信号会导致母线电压高压保护时λ＝‑1，其赋值一个很小的负数‑0.0001会强制使得过零点附近负半周继续动作，强制S1和S2关断，使S3常开，S4开通非常小的占空比，这样本来上冲的电流可以通过S3和D2到达中线完成续流，起到保护直流母线电压的作用。

Description

一种并机时保护直流母线电压不上冲的三电平逆变器

技术领域

本发明涉及相位自动控制领域，具体是一种并机时保护直流母线电压不上冲的三电平逆变器，尤其是一种锁相数据的处理方法。

背景技术

传统三电平储能逆变器在进行无线并机时，由于从机接收的主机发送的同步信号由于线路的原因会存在滞后时，如果两台储能逆变器输出在过零点附近存在输出直流分量调整动作、突然带载或突然卸载等情况会导致电流环输出载波信号V_n在过零点附近会产生震荡，导致V_n的值在大于零和小于零之间来回波动时，可能会导致并机时某台逆变器直流母线电压上冲，导致高压保护并机失败。

发明内容

本发明的目的在于提供一种并机时保护直流母线电压不上冲的三电平逆变器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种并机时保护直流母线电压不上冲的三电平逆变器，本发明在过零点附近对由三电平电流环输出的载波信号V_n的占空比分配方式进行改进，防止储能逆变器上冲的发生，提高下垂算法无线并机的可靠性；λ为保护标志位，正常情况下λ＝1时，电流环输出的载波信号V_n直接参与占空比的生成与分配；当出现过冲信号会导致母线电压高压保护时λ＝-1，其赋值一个很小的负数-0.0001会强制使得过零点附近负半周继续动作，强制S1和S2关断，使S3常开，S4开通非常小的占空比，这样本来上冲的电流可以通过S3和D2到达中线完成续流，起到保护直流母线电压的作用；

在过零点附近-Δ<V₀<Δ(Δ为设定的过零点附近的范围，一般设定为输出电压峰值的2％以内)如果上一时刻V_{n_1}<0，且电感电流为负(i_L<0)，这说明三电平逆变器工作在过零点附近的负半周，那么S3常通和S4高频导通，但如果当前时刻电流环输出的载波信号V_n>0，则说明当前时刻S3需要关断，那么电感电流就不能通过二极管D2续流到中线，只能通过二极管D3续流到正的直流母线电容C+导致其冲高严重的会发生高压保护停机动作导致并机失败；为了避免该情况的发生，需要强制设定当前的V_n<0，但这样的强制设定会使得电流环的闭环反馈控制器作用中断，增加过零点的电压畸变；如果该情况下的过冲电流不大，这种过冲是允许的，需要判断过冲电流是否会造成直流母线电压的高压保护；

最终的充电电流会经过D1,S2，两个串联电感L，D13再经C1+后经中线形成电流回路；这样电感电流|i_L|最小可以到零；设定两个并联逆变器的滤波电感感值一致，都为L，则两个串联电感L的最大上冲电能为

设定直流母线的保护电压为V_p，当前直流母线电压为V_dc，电容值为C，则上冲到保护电压需要的电能为

这样当只有

条件满足时，需要强制对电流环输出的载波信号V_n进行干预，给其赋值一个很小的负数，使S13常开，这样本来上冲的电流可以通过S3和D2到达中线完成续流，起到保护直流母线电压的作用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在过零点附近对由三电平电流环输出的载波信号V_n的占空比分配方式进行改进，防止储能逆变器上冲的发生，提高下垂算法无线并机的可靠性。

附图说明

图1为并机时保护直流母线电压不上冲的三电平逆变器的控制框图。

图2为一字型三电平逆变器主电路图。

图3为一字型三电平逆变器主电路图中四个开关管的驱动信号波形图。

图4为传统三电平逆变器的双环反馈控制框图。

图5为两台并联逆变器硬件示意图。

图6为两台逆变器母线电压不平衡示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2-3所示，在一字型三电平逆变器主电路中，在三电平储能逆变输出正半周时开关管S1高频开通关断，S4常通；在逆变输出正半周时开关管S1高频开通关断，S4常通。在储能逆变器的控制中，如何给S1、S2、S3和S4四个开关管分配驱动信号一般是根据电流环输出的载波信号V_n的正负来进行判断。

三电平与两电平存在区别的地方体现在调制函数上，因为在两电平当中，输出电压u要么为+V_dc/2，要么为-V_dc/2；而在三电平当中，输出电压u则可以取值为+V_dc/2、0(地)和-V_dc/2。由于在控制上力求三电平控制算法相对于两电平而言变化最小，同样定义一开关函数S^*，而且S^*同样取值为1或0，则可以得到输出电压u的表达式：

当u>0时，u＝S^**1/2V_dc，且S^*＝1表示S1通S3断，S^*＝0表示S1断S3通；

当u<0时，u＝(S^*-1)*1/2V_dc，且S^*＝1表示S2通S4断，S^*＝0表示S2断S4通；

利用状态空间平均法，用一个开关周期内S^*的平均值S来替代S^*，以滤除S^*中所含有的高频分量，则S可以表示为：

S＝(1/2)*(v_m/V_t+1)

式中v_m即为调制波(注意:该调制波的零点处于三角波的中间)，而V_t则表示三角波幅值的一半(＝1/2T1PR)。于是可以得到输出电压u的表达式如下：

或者表示为：

式中

如图4所示的传统三电平逆变器的双环反馈控制框图，具体母线电压上冲原因如下分析：

假设当两台储能逆变输出没有幅值差和相位差，只有直流量不同的时候，可能会出现其中一台储能逆变器+C上冲的情况。

根据三电平开关管的工作时序，在市电正半周或负半周时单台逆变器不可能发生每台逆变器母线电压过高或过低的情况，但在并机系统时如果同步信号滞后，直流量过大，在过零点附近可能会出现一台逆变器正的母线电容电流流向另一台逆变器负的母线电容的情况；下面以图5中左边逆变器直流量为正，右边逆变器直流量为负的情况来在离网输出过零点附近进行说明。

由于左边逆变器直流量为正，所以在过零点附近时，左边逆变控制器此时仍工作在正半周，左边储能逆变器电流环输出V_n1>0，所以S1高频导通、S2常通；而右边逆变控制器由于直流量为负，此时工作在负半周，右边储能逆变器电流环输出V_n2<0，所以S13、S14导通时，电流主要沿图示粗线条流动，即是说C+向C1-反方向充电，结果是会使它们电压都降低。

如图6所示。当右边储能逆变器输出在过零点附近存在同步信号滞后、输出直流分量调整动作、突然带载或突然卸载等情况会导致电流环输出载波信号V_t2在过零点附近会产生震荡，当V_t2由小于零变成大于零时，当S14关断的时候，由于电感流过的电流不能突变，电流会通过D13流向C1+，结果使得C1+升高。

由以上分析可知，三电平电流环输出的载波信号V_t在过零点附近如果由外部原因发生震荡时，会出现其中一台储能逆变器直流母线电压升高的可能性，严重的会导致并机失败。

如图1所示，一种并机时保护直流母线电压不上冲的三电平逆变器，图中的λ为保护标志位，正常情况下λ＝1时，电流环输出的载波信号V_n直接参与占空比的生成与分配；当出现过冲信号会导致母线电压高压保护时λ＝-1，其赋值一个很小的负数-0.0001会强制使得过零点附近负半周继续动作，强制S1和S2关断，使S3常开，S4开通非常小的占空比，这样本来上冲的电流可以通过S3和D2到达中线完成续流，起到保护直流母线电压的作用；

本发明在过零点附近对由三电平电流环输出的载波信号V_n的占空比分配方式进行改进，防止上述情况的发生提高下垂算法无线并机的可靠性；

在过零点附近-Δ<V₀<Δ(Δ为设定的过零点附近的范围，一般设定为输出电压峰值的2％以内)如果上一时刻V_{n_1}<0，且电感电流为负(i_L<0)这说明图2的三电平逆变器工作在过零点附近的负半周，那么S3常通和S4高频导通，但如果当前时刻电流环输出的载波信号V_n>0，则说明当前时刻S3需要关断，那么电感电流就不能通过二极管D2续流到中线，只能通过二极管D3续流到正的直流母线电容C+导致其冲高严重的会发生高压保护停机动作导致并机失败；为了避免该情况的发生，需要强制设定当前的V_n<0，但这样的强制设定会使得电流环的闭环反馈控制器作用中断，增加过零点的电压畸变；如果该情况下的过冲电流不大，这种过冲是允许的，需要判断过冲电流是否会造成直流母线电压的高压保护；

以图6为例，最终的充电电流会经过D1,S2，两个串联电感L，D13再经C1+后经中线形成电流回路；这样电感电流|i_L|最小可以到零；设定两个并联逆变器的滤波电感感值一致，都为L，则两个串联电感L的最大上冲电能为

设定直流母线的保护电压为V_p，当前直流母线电压为V_dc，电容值为C，则上冲到保护电压需要的电能为

这样当只有

条件满足时，需要强制对电流环输出的载波信号V_n进行干预，给其赋值一个很小的负数，使S13常开，这样本来上冲的电流可以通过S3和D2到达中线完成续流，起到保护直流母线电压的作用。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (2)

1.一种并机时保护直流母线电压不上冲的三电平逆变器，其特征在于，在过零点附近对由三电平电流环输出的载波信号V_n的占空比分配方式进行改进，防止储能逆变器上冲的发生，提高下垂算法无线并机的可靠性；λ为保护标志位，正常情况下λ＝1时，电流环输出的载波信号V_n直接参与占空比的生成与分配；当出现过冲信号会导致母线电压高压保护时λ＝-1，其赋值一个很小的负数-0.0001会强制使得过零点附近负半周继续动作，强制S1和S2关断，使S3常开，S4开通非常小的占空比，这样本来上冲的电流可以通过S3和D2到达中线完成续流，起到保护直流母线电压的作用；

在过零点附近-Δ<V₀<Δ，Δ为设定的过零点附近的范围，一般设定为输出电压峰值的2％以内，如果上一时刻V_{n_1}<0，且电感电流为负(i_L<0)，这说明三电平逆变器工作在过零点附近的负半周，那么S3常通和S4高频导通，但如果当前时刻电流环输出的载波信号V_n>0，则说明当前时刻S3需要关断，那么电感电流就不能通过二极管D2续流到中线，只能通过二极管D3续流到正的直流母线电容C+导致其冲高严重的会发生高压保护停机动作导致并机失败；为了避免该情况的发生，需要强制设定当前的V_n<0，但这样的强制设定会使得电流环的闭环反馈控制器作用中断，增加过零点的电压畸变；如果该情况下的过冲电流不大，这种过冲是允许的，需要判断过冲电流是否会造成直流母线电压的高压保护。

2.最终的充电电流会经过D1,S2，两个串联电感L，D13再经C1+后经中线形成电流回路；这样电感电流|i_L|最小可以到零；设定两个并联逆变器的滤波电感感值一致，都为L，则两个串联电感L的最大上冲电能为

设定直流母线的保护电压为V_p，当前直流母线电压为V_dc，电容值为C，则上冲到保护电压需要的电能为

这样当只有

条件满足时，需要强制对电流环输出的载波信号V_n进行干预，给其赋值一个很小的负数，使S13常开，这样本来上冲的电流可以通过S3和D2到达中线完成续流，起到保护直流母线电压的作用。

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