CN114142755A - 三电平逆变器中点电位平衡的无源滑模控制方法 - Google Patents

三电平逆变器中点电位平衡的无源滑模控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三电平逆变器中点电位平衡的无源滑模控制方法，结合数学模型并根据不同的控制目标得到不同的参考电流idqref，将得到的参考电流idqref输入无源滑模控制器中，无源滑模控制器输出参考电压信号输入进PWM调制中，同时根据不平衡电网电压下的零序电压表格计算出零序电压从而一并投入至PWM调制中进行调制，经驱动电路后控制并网三电平逆变器开关管的导通与关断。解决了三相电流不对称、有功功率二次脉动和无功功率二次脉动的问题。基于零序电压注入的中性点电位控制，解决了不平衡电网中中性点电位不平衡的问题，分析了非理想电网电压条件下3L‑NPC逆变器的内部特性，根据数学模型和控制目标，建立了无源滑模控制策略，提高了系统的快速性和稳定性。

Description

三电平逆变器中点电位平衡的无源滑模控制方法
技术领域
本发明涉及一种控制技术，特别涉及一种不平衡电网电压下三电平逆变器中点电位平衡的无源滑模控制方法。
背景技术
并网逆变器作为新能源发电设备与电网之间重要的连接部分,其性能对并网电能质量有着重要的影响。目前国内外学者对于并网逆变器的研究已经初见成效。然而大部分研究仅仅关注在平衡电网电压下的控制性能，但是往往忽略了电网电压不平衡下的控制结果。
当电网电压不平衡时，如果不对变流器进行控制，对于渗透率较高的分布式能源将会大规模退出运行，也即不再具有继续并网运行的能力。因此，在不平衡电网电压的三电平逆变器控制策略的研究是十分必要的。
发明内容
针对电网电压不平衡情况下逆变器控制问题，提出了一种三电平逆变器中点电位平衡的无源滑模控制方法。
本发明的技术方案为：一种三电平逆变器中点电位平衡的无源滑模控制方法，电流、电压传感器实时检测到的并网交流侧三相电源的电压usabc和电流isabc，通过转换公式转换到dq坐标系下电压udq和电流idq，同时对电流和电压进行正负序分离，得到不平衡电网电压下三电平逆变器的数学模型；结合数学模型并根据不同的控制目标得到不同的参考电流idqref，将得到的参考电流idqref输入无源滑模控制器中，无源滑模控制器输出参考电压，同时根据不平衡电网电压下的零序电压表格计算出零序电压，参考电压和零序电压一并投入至PWM调制中，对中点电位进行补偿，PWM输出经驱动电路后控制并网三电平逆变器开关管的导通与关断。
进一步，所述控制目标分别为控制交流侧电流平衡、控制有功功率无脉动和控制无功功率无脉动。
进一步，所述控制交流侧电流平衡参考电流为：
Figure BDA0003383949340000021
控制有功功率无脉动参考电流为：
Figure BDA0003383949340000022
控制无功功率无脉动参考电流为：
Figure BDA0003383949340000023
其中，
Figure BDA0003383949340000024
和
Figure BDA0003383949340000025
分别为电网电压和电网电流在dq坐标系下的正、负序分量，n＝d、q，m∈{+,-}；Ps0、Qs0分别为有功功率、无功功率的直流量，Ps2sin、Qs2sin和Ps2cos、Qs2cos为有功功率、无功功率的二次谐波分量。
进一步，所述无源滑模控制器设计方法：根据三电平逆变器的数学模型和控制目标，分别进行无源控制和滑模控制设计，将设计出的无源控制器和滑模控制器相结合，通过仿真测试删除引起控制目标突变的设计参数，再进行仿真测试调整，对无源滑模控制器进行优化。
本发明的有益效果在于：本发明三电平逆变器中点电位平衡的无源滑模控制方法，解决了三相电流不对称、有功功率二次脉动和无功功率二次脉动的问题。同时，提出了一种基于零序电压注入的中性点电位控制，解决了不平衡电网中中性点电位不平衡的问题。首先，根据3L-NPC逆变器的拓扑结构，建立了数学模型，并分析了非理想电网电压条件下3L-NPC逆变器的内部特性。然后，根据数学模型和控制目标，建立了无源滑模控制策略，该控制策略提高了系统的快速性和稳定性。
附图说明
图1为本发明3L-NPC并网逆变器拓扑结构图；
图2为本发明不平衡电网电压下三电平逆变器无源滑模控制方法原理示意图；
图3a为本发明无源滑模控制在目标1下并网电流波形图；
图3b为本发明无源滑模控制在目标1下功率波形图；
图3c为本发明无源滑模控制在目标1下THD波形图；
图3d为本发明无源滑模控制在目标1下上下桥臂电容电压差波形图；
图4a为PI控制在目标1下并网电流波形图；
图4b为PI控制在目标1下功率波形图；
图4c为PI控制在目标1下下THD波形图；
图4d为PI控制在目标1下上下桥臂电容电压差波形图；
图5a为本发明无源滑模控制控制在目标2下并网电流波形图；
图5b为本发明无源滑模控制控制在目标2下功率波形图；
图5c为本发明无源滑模控制控制在目标2下THD波形图；
图5d为本发明无源滑模控制控制在目标2下上下桥臂电容电压差波形图；
图6a为PI控制控制在目标2下并网电流波形图；
图6b为PI控制控制在目标2下功率波形图；
图6c为PI控制控制在目标2下THD波形图；
图6d为PI控制控制在目标2下上下桥臂电容电压差波形图；
图7a为本发明无源滑模控制在目标3下并网电流波形图；
图7b为本发明无源滑模控制在目标3下功率波形图；
图7c为本发明无源滑模控制在目标3下THD波形图；
图7d为本发明无源滑模控制在目标3下上下桥臂电容电压差波形图；
图8a为PI控制控制在目标3下并网电流波形图；
图8b为PI控制控制在目标3下功率波形图；
图8c为PI控制控制在目标3下THD波形图；
图8d为PI控制控制在目标3下上下桥臂电容电压差波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提出了在电网电压不平衡的条件下考虑三电平逆变器中点电位平衡的无源滑模控制方法。
如图1为本发明三电平(3L-NPC)并网逆变器的拓扑结构。udc表示理想直流电压源；Cs1和Cs2为直流侧上下电容，ucs1和ucs2分别为Cs1和Cs2两侧电压。这种拓扑结构已于1981年推出，通过在直流侧上下两个桥臂分别使用两个电容器，以减少每个器件的电压压力。3L-NPC逆变器被用来控制光伏系统产生的电流，进行并网。
如图2所示不平衡电网电压下三电平逆变器无源滑模控制方法原理示意图，电流、电压传感器实时检测到的并网交流侧三相电源的电压usabc和电流isabc，通过转换公式转换到dq坐标系下电压udq和电流idq，同时对电流和电压进行正负序分离，得到不平衡电网电压下三电平逆变器的数学模型；结合数学模型并根据不同的控制目标得到不同的参考电流idqref，将得到的参考电流idqref输入无源滑模控制中，无源滑模控制是对无源控制和滑模控制相结合的控制策略，最后根据无源滑模控制算法得到参考电压信号输入进PWM调制中，同时根据不平衡电网电压下的零序电压表格计算出零序电压从而一并投入至PWM调制中，对中点电位进行补偿，PWM输出经驱动电路后控制逆变器开关管的导通与关断，进而控制并网逆变器入网电流，有功功率，无功功率的幅值和相位以及电流质量。
根据Kirchhoff定律，可得3L-NPC逆变器数学模型：
Figure BDA0003383949340000051
式中，usj和isj为并网三相输出电压和电流；uj为逆变器侧三相交流电压；L0为滤波电感，R0为滤波电阻，j＝a，b，c。
转变到dq坐标系下可得：
Figure BDA0003383949340000052
式中，usn和isn分别为并网交流侧输出电压和输出电流；un为逆变器侧输出电压；ω为电网角频率，ω＝2*π*f，n＝d，q。
根据功率守恒原理，逆变器变换前后功率相等，可得瞬时功率为
Figure BDA0003383949340000053
Figure BDA0003383949340000054
其中，
Figure BDA0003383949340000055
和
Figure BDA0003383949340000056
分别为电网电压和电网电流在dq坐标系下的正、负序分量；P(Q)s0为有功功率(无功功率)的直流量，P(Q)s2sin,和P(Q)s2cos为有功功率(无功功率)的二次谐波分量；n＝d，q；m∈{+,-}。
从式中可以看出由于负序电流和功率二次谐波存在，因此会导致输出电流不平衡以及功率波动。故可以将控制目标分为以下三个：(1)控制交流侧电流平衡；(2)控制有功功率无脉动；(3)控制无功功率无脉动。
控制目标(1)参考电流为：
Figure BDA0003383949340000061
控制目标(2)参考电流为：
Figure BDA0003383949340000062
控制目标(3)参考电流为：
Figure BDA0003383949340000063
滑模控制器设计：
将数学模型进行正负序分离可得到
Figure BDA0003383949340000064
Figure BDA0003383949340000065
选取如下滑模面s1～s4
Figure BDA0003383949340000071
其中，
Figure BDA0003383949340000072
为
Figure BDA0003383949340000073
的参考值；
Figure BDA0003383949340000074
为
Figure BDA0003383949340000075
的参考值。
为了减小抖动，选取指数趋近率并且结合数学模型可得正、负序坐标下滑模控制算法：
Figure BDA0003383949340000076
Figure BDA0003383949340000077
其中L为滤波电感的值，ε1、k1、ε2、k2、ε3、、k3、ε4、k4为滑模控制器参数，sat(.)为饱和函数。
无源控制器设计：将3L-NPC逆变器数学模型转变为E-L方程可得
Figure BDA0003383949340000078
Figure BDA0003383949340000079
Figure BDA00033839493400000710
Figure BDA00033839493400000711
当电网电压发生不平衡时，期望的稳定平衡点为:
Figure BDA00033839493400000712
结合上式可得
Figure BDA00033839493400000713
其中，
Figure BDA0003383949340000081
为了快速收敛到所需的点并使能量函数迅速变为零，需要注入阻尼以加速系统的能量耗散和响应。
Figure BDA0003383949340000082
其中，
Figure BDA0003383949340000083
和
Figure BDA0003383949340000084
为注入阻尼值，
Figure BDA0003383949340000085
为R和
Figure BDA0003383949340000086
的值求和，
Figure BDA0003383949340000087
为R和
Figure BDA0003383949340000088
的值求和。
这样可以得到无源控制算法：
Figure BDA0003383949340000089
Figure BDA00033839493400000810
其中
Figure BDA00033839493400000811
分别为正序下d轴和q轴的注入阻尼值，
Figure BDA00033839493400000812
分别为负序下d轴和q轴的注入阻尼值。
将无源控制和滑模控制相结合，通过仿真测试删除引起控制目标突变的设计参数，再进行仿真测试调整，对无源滑模控制器进行优化。以d轴的正序为例，可以得到如下式子：
Figure BDA00033839493400000813
根据仿真测试获知饱和函数sat其值会减少
Figure BDA00033839493400000814
的偏差量，故对其删去，这样就得到了补偿量：
Figure BDA00033839493400000815
将补偿量加入到无源控制算法和滑模控制算法中可得
Figure BDA00033839493400000816
同时，仿真测试时，为了加强d轴和q轴的解耦性能，经实验调整得到加入项
Figure BDA0003383949340000091
具有较好得解耦性能，因此无源滑模控制算法为
Figure BDA0003383949340000092
同理，可以得到本发明的无源滑模控制算法：
Figure BDA0003383949340000093
Figure BDA0003383949340000094
当逆变器某一相的输出电平为0时，该相从电容器的中点N吸取或灌入电流，导致中点电位的不平衡。因此需要对上面的无源滑模控制进行改进，对中点电位进行补偿，这样可以得到考虑中电电位平衡的无源滑模控制方法：
Figure BDA0003383949340000101
Figure BDA0003383949340000102
其中，u0为补偿电压，其值是根据三相电压的正、负决定的，下表给出了补偿电压u0的取值如表1所示。
表1
Figure BDA0003383949340000103
Figure BDA0003383949340000111
系统除控制参数外的参数设置如下：三相交流电压有效值Vms＝220V,电网频率f＝50Hz，输入电感L＝30mH，输入电阻R＝1Ω，直流侧电容C＝1100μF，有功功率P＝15000W，开关频率fw＝20kHz，无功功率Q＝0Var。本发明能根据相应的参考电流分别实现以下三个控制目标(1)使并网电流平衡(2)有功功率无脉动(3)无功功率无脉动。
为了使交流电流平衡，参考电流如下所示：
Figure BDA0003383949340000112
图3a～3d、图4a～4d分别为在无源滑模控制和PI控制下的波形图。图3a、4a是3L-NPC逆变器的并网电流。从图3a、4a中我们可以看出，在PSMC和PI控制下都可以实现控制目标1，但在PI控制下启动电流较大。图3b、4b显示了3L-NPC变频器的有功功率和无功功率。从图b可以看出，在PSMC和PI控制下，有功功率的调节时间几乎相同。然而，在PSMC控制下，有功功率和无功功率的过冲较小，在PI控制下，有功功率存在稳态误差。图3c、4c显示了并网电流的THD。很明显，PSMC下的THD更小。图3d、4d显示了直流侧上、下层电容器之间的电压差。从图3d、4d中可以看出，PSMC下的电压差在[0,2]之间波动，而在PI控制下则在[-10,2]之间波动。PSMC和中点电位控制算法的协调性更好。
为了使有功功率无脉动，参考电流如下所示
Figure BDA0003383949340000121
Figure BDA0003383949340000122
Figure BDA0003383949340000123
图5a～5d、图6a～6d分别显示了控制目标2下PSMC和PI控制的波形。图5a、6a是3L-NPC逆变器的并网电流。从图5a、6a中可以看出，在目标2下，与目标1相比，交流侧电流将是不对称的。从图5b、6b中可以看出，有功功率的波动减少，控制目标2得以实现。然而，在PI控制下，有功功率的过冲很大，不能达到设定值。无功功率的波动比PSMC下的波动要大。从图5c、6c来看，PSMC下的THD较小。从图5d、6d可以看出，在PI控制下，上下桥臂的电容电压差波动比PSMC控制下更大，中点电位控制并不理想。
为了使无功功率无脉动，参考电流如下所示
Figure BDA0003383949340000124
图7a～7d、图8a～8d分别显示了控制目标3下PSMC和PI控制的波形。图7a、8a显示了3L-NPC逆变器的并网电流。从图7a、8a中，可以看到，与PSMC相比，PI控制在a相和c相开始时有较大的超调。图7b、8b显示了3L-NPC变频器的有功功率和无功功率。在控制目标3下，无功功率的波动在PI控制下没有得到很好的抑制。相比之下，在PSMC下，它没有产生大的波动。图7c、8c显示，两种控制策略下的并网电流的THD都满足并网的要求。然而，PSMC对THD的数值较低。从图7d、8d可以看出，直流侧上下电容电压差在[-15，5]之间波动，中点电位控制和PI控制之间没有很好的协调，这，导致了上下桥臂电压值的大波动。相反，PSMC下的中点电位在[-3,0]之间波动，且波动范围小。
通过与传统PI控制方法仿真结果与本发明控制方法仿真结果图的对比分析，可以看出运用本发明控制算法有利于系统总体的动静态性能、抗干扰能力的提升。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种三电平逆变器中点电位平衡的无源滑模控制方法，其特征在于，电流、电压传感器实时检测到的并网交流侧三相电源的电压usabc和电流isabc，通过转换公式转换到dq坐标系下电压udq和电流idq，同时对电流和电压进行正负序分离，得到不平衡电网电压下三电平逆变器的数学模型；结合数学模型并根据不同的控制目标得到不同的参考电流idqref，将得到的参考电流idqref输入无源滑模控制器中，无源滑模控制器输出参考电压，同时根据不平衡电网电压下的零序电压表格计算出零序电压，参考电压和零序电压一并投入至PWM调制中，对中点电位进行补偿，PWM输出经驱动电路后控制并网三电平逆变器开关管的导通与关断。
2.根据权利要求1所述三电平逆变器中点电位平衡的无源滑模控制方法，其特征在于，所述控制目标分别为控制交流侧电流平衡、控制有功功率无脉动和控制无功功率无脉动。
3.根据权利要求2所述三电平逆变器中点电位平衡的无源滑模控制方法，其特征在于，所述控制交流侧电流平衡参考电流为：
Figure FDA0003383949330000011
控制有功功率无脉动参考电流为：
Figure FDA0003383949330000012
控制无功功率无脉动参考电流为：
Figure FDA0003383949330000021
其中，
Figure FDA0003383949330000022
和
Figure FDA0003383949330000023
分别为电网电压和电网电流在dq坐标系下的正、负序分量，n＝d、q，m∈{+,-}；Ps0、Qs0分别为有功功率、无功功率的直流量，Ps2sin、Qs2sin和Ps2cos、Qs2cos为有功功率、无功功率的二次谐波分量。
4.根据权利要求3所述三电平逆变器中点电位平衡的无源滑模控制方法，其特征在于，所述无源滑模控制器设计方法：根据三电平逆变器的数学模型和控制目标，分别进行无源控制和滑模控制设计，将设计出的无源控制器和滑模控制器相结合，通过仿真测试删除引起控制目标突变的设计参数，再进行仿真测试调整，对无源滑模控制器进行优化。
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