CN114039361A

CN114039361A - 一种适用于大功率静止无功发生器的三电平svpwm算法

Info

Publication number: CN114039361A
Application number: CN202111329322.7A
Authority: CN
Inventors: 王浩; 黄家宝; 张帆; 陈文洁; 杨旭; 万萌; 孙君朋; 马灵芝
Original assignee: TBEA Xinjiang Sunoasis Co Ltd; TBEA Xian Electric Technology Co Ltd; Xian Jiaotong University
Current assignee: TBEA Xinjiang Sunoasis Co Ltd; TBEA Xian Electric Technology Co Ltd; Xian Jiaotong University
Priority date: 2021-11-10
Filing date: 2021-11-10
Publication date: 2022-02-11

Abstract

本发明属于电力电子技术领域，公开了一种适用于大功率静止无功发生器的三电平SVPWM算法，具有算法和控制结构简单的优势，在空间矢量调制直流电压利用率高、功率密度大的优势上大大简化了程序算法复杂度，在此基础上根据新型调制算法提出了相应的直流侧电压控制策略。之后根据理论分析建立了仿真模型进行了验证，结果表明，简化三电平SVPWM算法在级联H桥拓扑中提高了15％的直流电压利用率，在电流谐波，直流侧电压波动和响应速度方面皆满足系统要求。这种算法没有扇区判断与三角函数的计算，极大降低了计算复杂度，有利于工控机的实现。

Description

一种适用于大功率静止无功发生器的三电平SVPWM算法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种适用于大功率静止无功补偿器的三电平SVPWM优化调制方法以及相应的直流侧电压控制策略。

背景技术

近年来，随着我国电力工业的迅速发展，电网的电能质量问题也愈加成为研究的重点。由于大量电力电子装置和非线性负载的接入，以及新能源发输电技术的发展，会导致电网电流畸变程度增加，功率因数降低，谐波注入严重等问题，快速且高效的进行补偿变为了高压大功率补偿器的研究热门。在众多的无功补偿拓扑中，级联H桥型SVG具有等效电平数多，谐波含量低，控制简单，易于拓展等优点，得到了广泛的应用。

当前针对级联H桥型SVG的调制方法主要有单极性载波移相调制(CPS-SPWM)以及SVPWM调制，然而传统的载波移相调制具有直流电压利用率低，模块数多的缺点，空间矢量调制是以电压矢量等效原理为参考标准，以三相逆变器不同的开关模式做适当的切换从而生成开关信号，能够提高直流电压利用率并增大装置的功率密度。级联H桥模块交流侧输出有三种电平，是一种三电平拓扑，然而传统的三电平SVPWM算法涉及大小扇区判断、矢量合成、矢量持续时间计算等多个步骤，算法中带有大量的三角函数运算以及判断语句，过程过于复杂，不利于微机程序的实现，从而限制了其应用范围。

发明内容

为了提高大功率无功补偿装置的直流电压利用率，减少装置模块数量以及提高功率密度，同时针对传统三电平SVPWM算法过于复杂，不利于微机实现的劣势，本发明基于中心矢量分解与统一调制方法，提出了一种应用于级联H桥拓扑的优化三电平空间矢量调制算法，在此基础上实现了基于优化SV调制的直流侧电压的控制方法。

一种适用于大功率静止无功发生器的三电平SVPWM算法，大功率静止无功发生器为三相Y型结构，每相由多个相同全桥模块级联而成，且每个模块包括四个功率器件，包括如下步骤：

步骤1、将三电平SVPWM区域根据中心矢量划分为6个不同的两电平SV区域，三电平SV区域下的原参考矢量计算处于两电平SV区域的新参考矢量；

步骤2、将步骤1得到的新参考矢量根据统一调制算法计算出每个时间周期中三相电平的实际作用时间；

步骤3、根据两电平SV区域的中心矢量确定三相电压实际作用电平，根据三相电平作用时间和实际作用电平计算调制波。

进一步的，步骤1中，原参考矢量V_r和新参考矢量V′_r为：

V_r＝[U_ra,U_rb,U_rc]

V_r′＝[U_ra′,U_rb′,U_rc′]

其中，V_r为原输入的三电平参考矢量，U_ra，U_rb，U_rc为三相参考电压指令，V_r’为次级参考矢量；

新参考矢量的计算式为：

其中，U₀为参考电压零序分量，U_dc为SVPWM基准电压，sign为符号函数。

进一步的，步骤2中包括以下步骤，

步骤2.1、计算三相假想作用时间T_as，T_bs，T_cs；

步骤2.2、根据三相假想作用时间计算时间偏移T_offse，计算公式如下：

T_max＝max(T_as,T_bs,T_cs)

T_min＝min(T_as,T_bs,T_cs)

T_max三相假想作用时间中最大值，T_min为三相假想作用时间中的最小值；

步骤2.3、根据下式计算三相电平的实际作用时间：

其中，U₀为计算作用时间的零序分量，T_s为时间周期，T_ga,T_gb,T_gc分别为所求的三相电平的实际作用时间。

进一步的，步骤3中，调制波幅值的计算式如下：

其中，F_a，F_b，F_c为三相调制波幅值，U_ra’，U_rb’，U_rc’为次级参考矢量的三相电压分量，sign(U_ra)，sign(U_rb)，sign(U_rc)为初级参考矢量中三相参考电压的符号。

进一步的，步骤1中，原参考矢量通过三层控制计算得到，第一层为总直流侧电压控制，第二层为基于负序电流注入的相间均压控制，第三层为模块间分层均压控制。

进一步的，第一层中，将所有H桥的直流侧电压求和后取平均值，将平均值与直流侧电压给定值相比较，再通过PI调节器得到正序有功电流指令,使得拓扑中所有H桥的直流侧电压在给定值附近波动。

进一步的，第二层中，根据换流链负序电流算法得到负序电流在dq坐标系下的有功与无功电流指令，之后减去系统实际负序电流，通过PI调节器进行前馈解耦，再通过逆dq变换得到在abc坐标下的指令电压。

进一步的，第三层中，根据三相各模块直流侧电压大小对每相N个H桥模块进行排序并编号，将abc三相序号相同的作为同一层，将同一层的三相电压取平均后与直流侧给定电压进行比较，通过PI运算得到应输入到该层三相电压的偏移量，将三相电压的偏移量分别与拓扑实际电流的dq分量相乘，再通过IPARK变换得到应加入到三相模块的调制波中的偏移量。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明提出了一种应用于级联H桥的三电平SVPWM优化算法，具有算法简单和易于工控机实现的优势，在空间矢量调制直流电压利用率高、功率密度大的优势上大大简化了程序算法复杂度，在此基础上提出了相应的直流侧电压控制策略。提高拓扑约15％的直流侧电压利用率，减少H桥模块数，在此基础上不给系统引入多余的谐波影响换流链电流与直流侧电容电压波形。

基于中心矢量分解与统一调制，实现应用于级联H桥型SVG的三电平SVPWM优化算法，相较于传统SVPWM算法，优化算法使用sign函数形式省略了扇区判断步骤，之后又通过统一调制省去了指令矢量分解与持续时间计算步骤，且不需要任何三角函数运算与判断语句，在实现预期功能的基础上极大程度上降低计算复杂度。

进一步的，实现与新型调制方法相匹配的无功补偿电流与直流侧电压的控制方法，使用三层电压控制策略分别在所有模块平均电压层面、相间电压均衡层面和相内各模块电压层面，并通过负序电流注入的方式稳定系统直流侧电压。通过系统正负序参数计算得到三相参考电压指令，通过优化SV调制算法得到开关信号，使得在直流侧电压指令给定的情况下能够使其稳定在指令附近同时无功电流也能够满足补偿要求。

附图说明

图1为本发明提出的优化三电平SVPWM算法流程图；

图2为新型三电平SVPWM中心矢量分析图；

图3a为电平为正时调制波与载波比较输出相应电平图；

图3b为电平为负时调制波与载波比较输出相应电平图；

图4为基于优化SV算法的级联H桥总控制框图；

图5为直流分层均压控制框图；

图6为参考电压生成开关信号框图；

图7为拓扑逆变补偿电压与补偿电流波形；

图8为三相直流测电容电压波形；

图9为无功补偿电流FFT分析图；

图10为有功电流与无功电流在指令改变时的动态波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

本发明所述一种适用于大功率静止无功发生器的三电平SVPWM算法流程图如图1所示，大功率静止无功发生器为三相Y型结构，每相由多个相同全桥模块级联而成，且每个模块包括四个功率器件，所述SVPWM调制方法包括以下步骤：

步骤1，参考图2，将三电平SVPWM区域根据中心矢量划分为6个不同的两电平SV区域，每个两电平区域都有一个中心矢量，通过矢量分解将原本输入到三电平SV区域的参考矢量转化为两电平中心矢量与处于两电平SV区域的次级参考矢量的叠加。

输入的参考矢量以及减去中心矢量得到的次级参考矢量为：

V_r＝[U_ra,U_rb,U_rc] (1)

V_r′＝[U_ra′,U_rb′,U_rc′] (2)

其中，V_r为三电平SV区域下的原参考矢量，V_r’为减去中心矢量后得到的处于两电平SV区域的新参考矢量。U_ra，U_rb，U_rc为三相参考电压指令，U_ra′，U_rb′为U_rc′为三相次级参考电压指令。

在发明采用sign函数对其形式进行简化，根据输入的abc三相参考电压指令进行计算，减去相应中心矢量，避免了扇区判断与查表的操作。减去中心矢量的算法如下：

步骤2，在将原参考矢量减去中心矢量得到两电平SV区域的新参考矢量之后，根据统一调制算法，计算三相电平作用时间。每个SV采样周期由每个空间矢量持续一小段时间合成而来，倘若不考虑矢量合成这个复杂的计算，可以认为这个周期由三相各输出一段时间T_gx(x＝a,b,c)的高电平而来，T_g称为实际作用时间。

每相的高电平作用时间T_g是呈正弦变化的，但是其始终不会小于某一临界值(零矢量作用时间的一半)，而三相指令电压也是正弦波动，即三相指令电压U_ra,U_rb,U_rc与三相实际作用时间T_ga,T_gb,T_gc存在线性关系。三相假想作用时间的表达式如下：

其中，T_as,T_bs,T_cs为三相假想作用时间，其由原三相参考电压U_ra,U_rb,U_rc归一化得来。注意到实际作用时间T_g存在下限，因此假想作用时间需要加上一个偏移量T_offset才能成为实际作用时间，表达式如下：

其中T_ga,T_gb,T_gc为三相实际作用时间，T_offset为时间偏移量，T_max，T_min为三相假想作用时间中最大和最小的那一个。在SVPWM算法下，两种零矢量(000,111)在一个采样周期内的作用时间相同，两个零矢量作用时间可以分别用假想作用时间来表示，其一可以看做整个采样周期的时间减去三相最大的实际作用时间，另一个可以看做是三相最小的实际作用时间。时间偏移的计算表达式如下：

其中，T₀和T_s均为计算时间偏移T_offset的中间变量；

在得到了SVPWM调制情况下的时间偏移后，各相的实际作用时间表达式如下：

此时的T_g指的是两电平SV区域的中心矢量所代表电平的实际作用时间，例如在两电平SV区域的中心矢量为(100)，T_ga,T_gb,T_gc代表着abc三相电平分别为1,0,0的时间。

步骤3，根据两电平SV区域的中心矢量确定三相电压实际作用电平，根据三相电平作用时间和实际作用电平完成调制波的计算。参考图2，三电平区域共有6个两电平中心矢量，在a相参考电压U_ar>0的区域中(SV六边形的右半边区域)，a相中心矢量电平为1，U_ar<0的区域中输出电平为0，b相与c相同理。

在不同的区域中，中心矢量所代表的电平也不同，引起调制波幅值表达式不同，如公式(9)所示，因此，采用公式(10)所示的sign函数统一形式，避免分情况讨论。

其中F_x为三相调制波幅值，除三相实际电平作用时间外，其还与原参考矢量有关，设U₀’为零序分量，联立式(8)，(9)，(10)得：

综上，三相调制波幅值计算式如下：

其中，F_a，F_b，F_c分别为ABC三相SVPWM调制波幅值，通过载波移相的方式生成拓扑的开关信号。

参照图4，基于优化三电平SV调制的直流侧电压控制分为三层：

第一层为总直流侧电压控制，将所有模块的直流侧电压求和后取平均值u_d，与直流侧电压给定值u_dref相比较，再通过PI调节器得到正序有功电流指令i_d+ ^*,使得拓扑中所有H桥模块的直流侧电压在给定值附近波动。将系统三相实际补偿电流通过PARK变化生成正序补偿电流的dq分量i_cd ⁺和i_cq ⁺，用正序有功和无功电流指令i_d+ ^*和i_q+ ^*减去i_cd ⁺和i_cq ⁺得到有功差值和无功差值，将有功差值和无功差值通过PI调节器后分别加上电网电压正、负序dq分量U_sq+、U_sq-、U_sd+、U_sd-进行网侧电压解耦，将计算结果输入到IPARK运算中获得正序参考电压指令U_r+。

第二层为基于负序电流注入的相间均压控制，根据换流链负序电流算法得到负序电流在dq坐标系下的有功电流指令i_d- ^*与无功电流指令i_q- ^*，减去系统实际负序电流i_cq-，通过PI调节器进行前馈解耦，这部分实际上与系统正序电流控制相对应，然而系统的有功正序电流指令由总直流侧电压控制给出，无功正序电流指令由系统无功给定得到，之后通过和正序计算同样的运算得到负序参考电压指令U_r-，将正序参考电压指令U_r+和负序参考电压指令，U_r-相加后，得到在abc坐标下的三相参考电压指令U_ra，U_rb，U_rc。这种方法通过负序电流的注入，抑制了直流电压的不均衡，降低了直流侧的波动。第三层为模块间分层均压控制，参照图5，首先根据三相各模块直流侧电压u_dai、u_dbi和u_dci对每相N个H桥模块进行排序并编号，将ABC三相序号相同的H桥模块作为同一层，这样做使得三相中电压差别最小的三个H桥模块一起控制，减小了为实现电压均衡而注入的零序分量，降低了直流侧电压的波动。将同一层的三相电压取平均后与直流侧给定电压u_dref进行比较，之后通过PI运算得到了应输入到该层三相电压的偏移量△u_di，将△u_di分别与拓扑实际电流的dq分量i_d、i_q相乘，再通过IPARK变换得到应加入到三相模块的调制波中的偏移量ΔF_ai，ΔF_bi，ΔF_ci。

参考图6，通过控制系统得到的三相参考电压指令U_ra，U_rb，U_rc输入到优化三电平SVPWM计算模块中得到三相SV调制波F_a,F_b,F_c，之后加上模块均压模块计算得到的偏移量ΔF_ai，ΔF_bi，ΔF_ci得到最终生成开关信号的调制波，通过载波移相调制得到了三相各模块的开关信号。

为了说明本发明提出方法的有效性，建立了10MVar容量，直流侧电压给定为850V，每相模块数为9的级联H桥型SVG的仿真模型。可以得到图7和图8所示的直流侧电压、交流侧补偿电压与换流链电流波形，图9和图10展示了简化SV算法的谐波分析与响应时间，结论如下：

本发明提供的一种适用于大功率静止无功补偿器的三电平优化SVPWM算法，该方法的直流电压利用率达到了1.15，相较于正弦调制提高了15％，有效减少了模块与电容数量，降低装置体积并提高了功率密度。在谐波方面新算法并未给系统带来多余的谐波电流，输出补偿电流的畸变率与正弦调制基本相同，使用直流分层控制策略降低了直流侧电压波动程度。响应速度在5ms之内满足系统需求。

计算复杂度方面，优化SV算法只需要8个计算式即可生成三电平SVPWM调制波，且没有任何三角函数与判断扇区的运算，相较于传统算法和其他简化算法，其极大程度降低了计算复杂度，减少了工控机计算压力，使系统响应速度得到提升。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种适用于大功率静止无功发生器的三电平SVPWM算法，其特征在于，所述大功率静止无功发生器为三相Y型结构，每相由多个相同全桥模块级联而成，且每个模块包括四个功率器件，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种适用于大功率静止无功发生器的三电平SVPWM算法，其特征在于，所述步骤1中，原参考矢量V_r和新参考矢量V_r′为：

V_r＝[U_ra,U_rb,U_rc]

V_r′＝[U_ra′,U_rb′,U_rc′]

新参考矢量的计算式为：

3.根据权利要求1所述的一种适用于大功率静止无功发生器的三电平SVPWM算法，其特征在于，所述步骤2中包括以下步骤，

步骤2.1、计算三相假想作用时间T_as，T_bs，T_cs；

T_max＝max(T_as,T_bs,T_cs)

T_min＝min(T_as,T_bs,T_cs)

步骤2.3、根据下式计算三相电平的实际作用时间：

4.根据权利要求1所述的一种适用于大功率静止无功发生器的三电平SVPWM算法，其特征在于，所述步骤3中，调制波幅值的计算式如下：

5.根据权利要求1中所述的一种适用于大功率静止无功发生器的三电平SVPWM算法，其特征在于，所述步骤1中，原参考矢量通过三层控制计算得到，第一层为总直流侧电压控制，第二层为基于负序电流注入的相间均压控制，第三层为模块间分层均压控制。

6.根据权利要求5所述的一种适用于大功率静止无功发生器的三电平SVPWM算法，其特征在于，所述第一层中，将所有H桥的直流侧电压求和后取平均值，将平均值与直流侧电压给定值相比较，再通过PI调节器得到正序有功电流指令,使得拓扑中所有H桥的直流侧电压在给定值附近波动。

7.根据权利要求5所述的一种适用于大功率静止无功发生器的三电平SVPWM算法，其特征在于，所述第二层中，根据换流链负序电流算法得到负序电流在dq坐标系下的有功与无功电流指令，之后减去系统实际负序电流，通过PI调节器进行前馈解耦，再通过逆dq变换得到在abc坐标下的指令电压。

8.根据权利要求5所述的一种适用于大功率静止无功发生器的三电平SVPWM算法，其特征在于，所述第三层中，根据三相各模块直流侧电压大小对每相N个H桥模块进行排序并编号，将abc三相序号相同的作为同一层，将同一层的三相电压取平均后与直流侧给定电压进行比较，通过PI运算得到应输入到该层三相电压的偏移量，将三相电压的偏移量分别与拓扑实际电流的dq分量相乘，再通过IPARK变换得到应加入到三相模块的调制波中的偏移量。