CN114938151A

CN114938151A - 一种并网逆变器的控制方法

Info

Publication number: CN114938151A
Application number: CN202210635030.4A
Authority: CN
Inventors: 黄景涛; 杨清; 张鹏; 刘俊志; 刘帅; 蒋广旭; 池小梅
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2022-06-06
Filing date: 2022-06-06
Publication date: 2022-08-23

Abstract

本发明涉及一种并网逆变器的控制方法，基于基本矢量重构虚拟小矢量和重构的虚拟中矢量，利用虚拟小矢量和重构的虚拟中矢量对并网逆变器中点电压进行控制，可以实现在每个扇区中的每个区域都对中点电压进行控制。本发明重构的虚拟中矢量减少了均压控制对并网电流的影响，兼顾了中点电位的控制与并网电流的电能质量。本发明还引入了均压因子，从而使得当中点电压偏差越大时，均压效果越强，所使用的重构的虚拟中矢量使得在高调制深度条件下，提升中点电位的均压效果、速度，同时保证并网的电能质量。

Description

一种并网逆变器的控制方法

技术领域

本发明涉及一种并网逆变器的控制方法，属于逆变器技术领域。

背景技术

传统两电平逆变器的电压和电流变化很大，由于开关应力等因素，使得两电平逆变器在高压大功率的应用存在部分问题，所以很多学者不断对逆变电路结构进行改进，后续衍生处理三电平、四电平等多电平逆变器，在相同电压等级情况下，每个电力电子开关管的承压都低于两电平逆变器，更适合应用于高压大功率的场合，随着电子电力的发展，多电平逆变技术的研究，已经深入到发电厂、高压交流电机的变频调速、微电网、冶金、钢铁等相关领域。

NPC型(中点钳位型)三电平逆变器的直流侧含有两个容值相等的直流电容器并使用二极管钳位，正是由于这种电路结构使得输出的电平数增加，所以相较于两电平可以产生三种不同的相电压输出状态，所以称之为三电平逆变器。但是在非理想状态下，直流侧的电容大小有限，且制造工艺的问题，会使两个直流电容之间存在压差，使得电路拓扑中的开关期间耐压不均衡，增加了开关器件的应力，同时使负载的输出含有低次谐波，造成输出电压谐波含量大，提高了谐波畸变因数，如果重点电压抖动严重，会影响电容的使用寿命。并且在并网时，有着严格的并网电流要求，只有在中点电位平衡时，由基本矢量构成的空间正六边形才会呈现中心对称分布，当中点电位偏差过大时，输出的正负电压幅值也存在过大的偏差，这样就使得合成的电压矢量与目标矢量有较大的偏差，导致输出波形存在畸变，严重时导致输出电平数减少或者并网失败。

申请公布号为CN113783452A的中国专利文件公开了一种逆变器的调制方法、装置、逆变器、存储介质及处理器，该专利文件通过虚拟矢量参与合成参考电压矢量，避免了逆变器输出波形存在畸变导致的并网失败，但是该申请在对逆变器进行调制时，中点电压的均压效果较差，且均压速度较慢。

发明内容

本发明的目的是提供一种并网逆变器的控制方法，用以解决并网逆变器均压效果差且均压速度慢的问题。

为实现上述目的，本发明的方案和技术效果包括：

本发明的一种并网逆变器的控制方法，包括如下步骤：

1)构建空间电压矢量，所述空间电压矢量包括多个基本矢量，基本矢量的类型包括零矢量、小矢量、中矢量和大矢量；

2)通过如下公式构建虚拟小矢量：

其中，V₁为虚拟小矢量，T₁为虚拟小矢量的作用时间，V₂和V₃均为与虚拟小矢量V₁对应的小矢量，σ为自调整均压因子，且-1≤σ≤1；

3)通过如下公式构建虚拟中矢量：

其中，V₁₁为虚拟中矢量，T₁₁为虚拟中矢量的作用时间，V₄、V₅、V₆均为与虚拟中矢量V₁₁对应的对应为小矢量或中矢量，τ、υ为重构因子，且-1≤τ、υ≤1，μ、δ为自调整均压因子，且-0.5≤μ≤0.5，-0.5≤δ≤0.5；

4)获取并网逆变器的参考电压矢量，确定参考电压矢量在空间电压矢量中所处的扇区以及扇区内的区域，并选择合成参考电压矢量所需要的合成矢量，所述合成矢量包括零矢量和大矢量，还包括以下三种中的任意一种：小矢量和虚拟中矢量、虚拟小矢量和中矢量、虚拟小矢量和虚拟中矢量；根据合成矢量对应确定基本矢量并确定基本矢量的输出次序，根据所述输出次序确定逆变器中开关器件的开关序列；

5)利用伏秒平衡原则确定构成合成矢量的基本矢量的基本矢量时间；依据基本矢量的输出次序和基本矢量时间，得到并网逆变器的矢量脉宽调制波，并依据所述矢量脉宽调制波对并网逆变器进行控制。

上述技术方案的有益效果为：本发明提供的并网逆变器的控制方法，基于基本矢量重构虚拟小矢量和重构的虚拟中矢量，利用虚拟小矢量和重构的虚拟中矢量对并网逆变器中点电压进行控制，可以实现在每个扇区中的每个区域都对中点电压进行控制。本发明重构的虚拟中矢量减少了均压控制对并网电流的影响，兼顾了中点电位的控制与并网电流的电能质量。本发明还引入了均压因子，从而使得当中点电压偏差越大时，均压效果越强，所使用的重构虚拟中矢量使得在高调制深度条件下，提升中点电位的均压效果、速度，同时保证并网的电能质量。

进一步地，所述步骤2)中，自适应均压因子通过如下公式获得：

σ＝λ*(ΔV^**ξ)

其中，ΔV^*为标幺化后的中点电位偏差，ξ为经验比例系数，λ为符号系数，由基本电压矢量的电流方向和中点电位偏差决定；所述中点电位偏差为标幺化处理的逆变器直流侧两端的电压差。

上述技术方案的有益效果为：以中点电位偏差作为控制条件来调整自适应均压因子，从而提高了均压的控制效果和均压速度。

进一步地，经验比例系数根据中点电位的控制精度、直流母线电压和动态过程中的中点电位偏差确定；其中，经验比例系数与中点电位的控制精度成正比，与中点电位偏差和直流母线电压的比值成反比。

进一步地，所述重构因子根据中点电位偏差确定；当合成参考电压矢量中所使用的合成矢量使得中点电位平衡时，则对应的重构因子大于0；当合成参考电压矢量中所使用的合成矢量使得中点电位偏差增大时，则对应的重构因子小于等于0。

进一步地，所述自调整均压因子通过如下公式获得：

其中，ΔV^*为标幺化后的中点电位偏差，ξ₁、ξ₂为经验比例系数，λ₁、λ₂均为符号系数，由参考电压矢量的电流方向和中点电位偏差决定；所述中点电位偏差为标幺化处理的并网逆变器直流侧设置的两个均压电容的电压差。

上述技术方案的有益效果为：以中点电位偏差作为控制条件来调整自调整均压因子，从而提高了均压的控制效果和均压速度。

进一步地，经验比例系数根据中点电位的控制精度、直流母线电压和中点电位偏差确定；其中，经验比例系数与中点电位的控制精度成正比，经验比例系数与中点电位偏差和直流母线电压的比值成反比。

进一步地，采用如下方法得到参考电压矢量：获取参考电流、滤波器输出的电流当前值、电容电流和电网电压，将参考电流值和滤波器输出的电流当前值作差得到的差值输入至调节器，进行变换调节控制器得到输出值，所述输出值加上电网电压并减去设定倍数的电容电流得到参考电压矢量。

进一步地，空间电压矢量包括六个扇区，每个扇区均包括5个区域；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第一扇区的第一区域时，基本矢量的输出次序为：PPO、POO、OOO、OON、ONN、OON、OOO、POO、PPO；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第一扇区的第二区域时，基本矢量的输出次序为：PPO、POO、PON、OON、ONN、OON、PON、POO、PPO；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第一扇区的第三区域时，基本矢量的输出次序为：PPO、POO、PON、PNN、ONN、PNN、PON、POO、PPO；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第一扇区的第四区域时，基本矢量的输出次序为：PPO、PPN、PON、OON、ONN、OON、PON、PPN、PPO；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第一扇区的第五区域时，基本矢量的输出次序为：PPO、PPN、PON、PNN、ONN、PNN、PON、PPN、PPO；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第二扇区的第一区域时，基本矢量的输出次序为：PPO、OPO、OOO、OON、NON、OON、OOO、OPO、PPO；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第二扇区的第二区域时，基本矢量的输出次序为：PP0、OPO、OPN、OON、NON、OON、OPN、OPO、PPO；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第二扇区的第三区域时，基本矢量的输出次序为：PPO、PPN、OPN、OON、NON、OON、OPN、PPN、PPO；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第二扇区的第四区域时，基本矢量的输出次序为：PPO、OPO、OPN、NPN、NON、NPN、OPN、OPO、PPO；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第二扇区的第五区域时，基本矢量的输出次序为：PPO、PPN、OPN、NPN、NON、NPN、OPN、PPN、PPO；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第三扇区的第一区域时，基本矢量的输出次序为：OPP、OPO、OOO、NOO、NON、NOO、OOO、OPO、OPP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第三扇区的第二区域时，基本矢量的输出次序为：OPP、OPO、NPO、NOO、NON、NOO、NPO、OPO、OPP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第三扇区的第三区域时，基本矢量的输出次序为：OPP、OPO、NPO、NPN、NON、NPN、NPO、OPO、OPP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第三扇区的第四区域时，基本矢量的输出次序为：OPP、NPP、NPO、NOO、NON、NOO、NPO、NPP、OPP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第三扇区的第五区域时，基本矢量的输出次序为：OPP、NPP、NPO、NPN、NON、NPN、NPO、NPP、OPP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第四扇区的第一区域时，基本矢量的输出次序为：OPP、OOP、OOO、NOO、NNO、NOO、OOO、OOP、OPP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第四扇区的第二区域时，基本矢量的输出次序为：OPP、OOP、NOP、NOO、NNO、NOO、NOP、OOP、OPP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第四扇区的第三区域时，基本矢量的输出次序为：OPP、NPP、NOP、NOO、NNO、NOO、NOP、NPP、OPP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第四扇区的第四区域时，基本矢量的输出次序为：OPP、OOP、NOP、NNP、NNO、NNP、NOP、OOP、OPP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第四扇区的第五区域时，基本矢量的输出次序为：OPP、NPP、NOP、NNP、NNO、NNP、NOP、NPP、OPP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第五扇区的第一区域时，基本矢量的输出次序为：POP、OOP、OOO、ONO、NNO、ONO、OOO、OOP、POP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第五扇区的第二区域时，基本矢量的输出次序为：POP、OOP、ONP、ONO、NNO、ONO、ONP、OOP、POP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第五扇区的第三区域时，基本矢量的输出次序为：POP、OOP、ONP、NNP、NNO、NNP、ONP、OOP、POP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第五扇区的第四区域时，基本矢量的输出次序为：POP、PNP、ONP、ONO、NNO、ONO、ONP、PNP、POP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第五扇区的第五区域时，基本矢量的输出次序为：POP、PNP、ONP、NNP、NNO、NNP、ONP、PNP、POP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第六扇区的第一区域时，基本矢量的输出次序为：POP、POO、OOO、ONO、ONN、ONO、OOO、POO、POP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第六扇区的第二区域时，基本矢量的输出次序为：POP、POO、PNO、ONO、ONN、ONO、PNO、POO、POP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第六扇区的第三区域时，基本矢量的输出次序为：POP、PNP、PNO、ONO、ONN、ONO、PNO、PNP、POP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第六扇区的第四区域时，基本矢量的输出次序为：POP、POO、PNO、PNN、ONN、PNN、PNO、POO、POP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第六扇区的第五区域时，基本矢量的输出次序为：POP、PNP、PNO、PNN、ONN、PNN、PNO、PNP、POP。

进一步地，参考电压矢量在空间电压矢量中所处的扇区通过如下公式获得：

其中，N为空间电压矢量的扇区位置，V_REFα、V_REFβ分别为V_REF在αβ坐标系中的α、β分量，Ceil为取余计算；

通过如下手段判断参考电压矢量位于空间电压矢量中所处扇区的区域：当

时，参考电压矢量在空间电压矢量中所处扇区的第一区域；当

且

且

时，参考电压矢量在空间电压矢量中所处扇区的第二区域；当

且

时，参考电压矢量在空间电压矢量中所处扇区的第三区域；当

且

时，参考电压矢量在空间电压矢量中所处扇区的第四区域；当

且

时，参考电压矢量在空间电压矢量中所处扇区的第五区域；其中，

和

分别为参考电压矢量在g-h坐标系下60°扇形区域内标幺化后的g轴的分量和h轴的分量。

进一步地，所述空间电压矢量为α-β坐标系下的空间电压矢量，通过如下公式将空间电压矢量转换到g-h 60°坐标系：

其中，V_α、V_β分别为α-β坐标系下α轴的参考电压分量和β轴的参考电压分量；V_g、V_h分别为g-h 60°坐标系下g轴的参考电压分量和h轴的参考电压分量；

根据旋转对称性通过如下公式将其余扇区旋转到第一扇区进行相应计算：

其中，

分别为g-h60°坐标下第一大扇区的g轴参考电压分量和h轴参考电压分量，N为第N大扇区，

V_h ^N分别为g-h坐标下第N扇区的g轴参考电压和h轴参考电压分量。

上述技术方案的有益效果为：将空间矢量坐标系在α-β坐标系下转换为g-h 60°坐标系，避免了三角函数的运算，极大的提高了计算速度。利用旋转对称性将其余扇区旋转到第一扇区进行计算，使得计算更加快速、便捷。

附图说明

图1是NPC型三电平逆变器控制系统图；

图2是本发明并网电流控制框图；

图3是本发明获得VSVPWM的整体流程图；

图4是标幺化后60°坐标系下SVPWM空间矢量图；

图5是本发明的标幺化后60°坐标系下VSVPWM空间矢量图；

图6是本发明的标幺化后60°坐标系下VSVPWM在一扇区内的空间矢量图；

图7是现有技术VSVPWM的中点电位控制速度的仿真结果示意图；

图8是含有虚拟小矢量均压控制的VSVPWM的中点电位控制速度的仿真结果示意图；

图9是本发明的中点电位控制速度的仿真结果示意图；

图10是含有虚拟标示量均压控制的VSVPWM的中点电位控制偏差的仿真结果示意图；

图11是本发明的中点电位控制偏差的仿真结果示意图；

图12是本发明的并网电流仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细地说明。

实施例：

本发明提供一种并网逆变器的控制方法，是一种应用于中点钳位型(NPC)三电平并网交流器的全范围快速均压虚拟空间矢量脉宽调制算法(VSVPMN)。该方法基于如图1所示的NPC型三电平逆变器控制系统提出，在该控制系统中所采用的逆变器为NPC型三电平逆变器，逆变器交流侧通过LCL滤波器连接至公共电网。获取LCL滤波过程中并网逆变器的电流参考值、公共电网电流当前值、公共电网电压当前值，对上述获取的参考值进行调节控制从而输出参考电压矢量，然后再采用本发明提出的并网逆变器的控制方法得到并网逆变器的矢量脉宽调制波，调制完成后输出PWM波给驱动电路，驱动电路根据获得PWM波驱动逆变器中的电力电子开关器件。

本发明提出的调制方法的主要构思为：首先对输入信号标幺化，对准PR控制器输出的参考电压矢量、中点电位电压偏差及直流侧电压进行标幺化，可以减少后续的计算难度；再进行大扇区判断，在αβ轴中，利用标幺化之后参考电压矢量可以得出参考电压矢量所在的大扇区位置；接着对标幺化之后的信号进行坐标变换，即从αβ轴转化到g-h 60°坐标系中，这样可以避免后续大量的三角函数计算，并根据旋转对称关系，把标幺化之后的参考电压矢量进行坐标旋转变换，通过计算得到第一个大扇区的相关参数后，就可以获取其余五个扇区参数；接着根据零矢量、小矢量、中矢量和大矢量构建虚拟零矢量、虚拟小矢量、虚拟中矢量与虚拟大矢量，同时进行小扇区划分及参考电压矢量的小扇区位置的判断，由于三电平逆变器的拓扑结构，仅使用六个大扇区，无法准确地选择基本矢量来合成参考电压矢量，所以需要进行小扇区划分，划分的前提为确定虚拟小矢量、虚拟中矢量和虚拟大矢量，构建出的虚拟矢量在稳态运行时对中点电位无影响。

结合图4、图5所示，虚拟小矢量V_ZS1由V_POO和V_ONN构成，其中各基本矢量长度各占百分之五十，虚拟中矢量V_ZM由V_PON、V_ONN和V_PPO构成，其中V_ONN和V_PPO的占比受重构因子的影响，重构后的虚拟中矢量可在中点电位不平衡时，进行电位均衡控制。由于基础零矢量与基础大矢量对中点电压没有影响，所以选择基础大矢量为虚拟大矢量，同时为了减小共模电压，选择基础零矢量V_OOO为虚拟零矢量。确定虚拟矢量后，就可以划分小扇区，因为在g-h坐标系中，利用简单的几个关系就可以判断参考矢量所在的区域，进而选择一组合成虚拟矢量进行合成。然后再在g-h坐标系中将参考电压矢量进行分解，利用伏秒平衡原理，得到在一个控制周期T_S内虚拟电压矢量的作用时间，然后把每个虚拟矢量的作用时间分配到基础电压矢量上，此时使用具有自调整能力的均压因子(包括自适应均压因子和自调整均压因子)，修改基础电压矢量的时间分配方案，达到对中点电压的控制效果，然后对基础矢量的作用时间进行标准化处理，保证基础矢量作用时间之和为一个控制周期T_S，以保证空间矢量调制的时序，然后把标准化后的基础矢量时间对应到九段式输出电压矢量次序上，再把九段式次序输出的基础电压矢量转化为实际电力电子开关管的开关状态，输出含有全范围中点电位控制的PWM信号，实现高调制深度情况下的快速中点电位均衡控制。

本发明提供的逆变器的调制方法整体控制框图如图2所示，整体流程图如图3所示，该方法具体包括如下步骤：

1)输入参考电压标幺化及坐标变换。

如图1所示为NPC型三电平逆变器控制系统，本发明的并网控制方法采用准PR控制器，选用LCL滤波器减少了电路的设计成本，但LCL滤波器的传递函数波特图存在谐振尖峰，可能导致控制系统的发散，所以引入有源阻尼的谐振抑制方法，抑制LCL谐振峰值，其中采用的有源阻尼方法为基于状态变量反馈的电容电流比例反馈控制。

首先将控制器输出的V_REF输入到VSVPWM模块的信号进行标幺化，简化后续的计算。然后把控制器输出的V_REF从ABC坐标系转化为αβ坐标系中，即：

其中，V_REFA、V_REFB、V_REFC为V_REF在ABC三相参考电压，V_REFα、V_REFβ分别为V_REF的α、β分量，得参考电压矢量为：V_REF＝V_REFα+jV_REFβ，可以得到参考矢量V_REF在αβ坐标系内的弧度：

虚拟空间矢量图以60°为一个扇区，所以对该弧度除以

再进行向上取余操作可得参考电压矢量所在的扇区位置，即：

其中Ceil为向上取余计算。

2)αβ坐标系到g-h60°坐标系坐标变化。

将基本电压矢量和标幺化之后的

转化到60°坐标系下，这样可以减少大量的三角函数计算，以加快系统的控制速度。所采用的变换公式为：

其中，V_g、V_h分别为g-h坐标下的g轴的参考电压和h轴的参考电压，V_α、V_β分别为α-β坐标系下α轴的参考电压和β轴的参考电压。

基本电压矢量在不同的扇区所使用的合成虚拟矢量不同，将合成虚拟矢量沿g-h坐标轴的方向进行分解，每个合成虚拟矢量的g-h分量都不同，这就导致每次扇区变更，所确定的合成虚拟矢量都会发生变化，因此在每一次扇区变更都需要重新计算，较为复杂。

因此，由于g-h为60°坐标系，而每个扇区也是60°，利用旋转对称性，可以将其他大扇区内的参考矢量旋转变化到第一个大扇区，这样只要得到第一个大扇区的参数及逻辑，其余五个扇区的逻辑和参数可根据扇区一内的参数进行计算即可，这样就可以进一步减少VSVPWM的运算量，提高控制速度，得到旋转坐标公式为：

其中，

分别为g-h坐标下坐标旋转变化至第一大扇区的g轴参考电压分量和h轴参考电压分量，N为第N个大扇区，

V_h ^N分别为g-h坐标下第N个扇区的g轴参考电压分量和h轴参考电压分量。

例如：当在第二个扇区时，g轴建立在V_ZL2上，此时，V_ZL2就相当于一扇区的V_ZL1，它的标幺化坐标为(2.0)。；当在第三个扇区时，g轴建立在V_ZL3上的，此时，V_ZL3就相当于一扇区的V_ZL1，它的标幺化坐标为也是(2.0)。以后几个扇区同理，经过旋转变化后，合成虚拟矢量的坐标都可以对应第一扇区内的虚拟矢量。因此在求解伏秒平衡公式，就不需要根据不同的扇区，重新进行虚拟矢量g-h轴的矢量分解，仅需以一扇区分解方法求解即可，可以较大程度减少计算量。

小区域判断也是通过参考电压矢量计算的，经过旋转变换后，其他扇区的小区域判断方式也可以使用一扇区的判断方式，也就是说通过旋转变化后，其余扇区的计算逻辑都可以参照一扇区的计算逻辑，较大程度简化了整个VSVPWM算法。

3)构建虚拟矢量。

设计出虚拟零矢量、虚拟小矢量、重构的虚拟中矢量及虚拟大矢量，并划分扇区内的区域以便选择参考电压矢量的合成虚拟矢量。

首先以A相桥臂为例，输出电平对应开关的输出状态如表一所示：

表一

对于本发明的其他相桥臂，输出电平对应开关的输出状态也如表一所示。

如图4所示，在60°坐标系下的VSVPWM中，因为V_PPP、V_NNN的共模电压为V_IN，V_OOO共模电压为零，逆变器产生的高频共模电压会在并网中产生高幅值电流，形成电流谐波，使电网遭受“污染”影响并网质量和效率，因此选择V_OOO为虚拟零矢量。

结合图5所示，设置虚拟小矢量的基本合成矢量如表二所示；

表二

虚拟小矢量	基本合成矢量1	基本合成矢量2
			V<sub>ZS1</sub>	V<sub>ONN</sub>	V<sub>POO</sub>
V<sub>ZS2</sub>	V<sub>PPO</sub>	V<sub>ONN</sub>
			V<sub>ZS3</sub>	V<sub>NON</sub>	V<sub>OPO</sub>
V<sub>ZS4</sub>	V<sub>OPP</sub>	V<sub>NOO</sub>
			V<sub>ZS5</sub>	V<sub>NNO</sub>	V<sub>OOP</sub>
V<sub>ZS6</sub>	V<sub>POP</sub>	V<sub>ONO</sub>

其中，基本合成矢量1和基本合成矢量2均为小矢量。

设置虚拟中矢量的基本合成矢量如表三所示：

表三

虚拟中矢量	基本合成矢量3	基本合成矢量4	基本合成矢量5
				V<sub>ZM1</sub>	V<sub>PON</sub>	V<sub>ONN</sub>	V<sub>PPO</sub>
V<sub>ZM2</sub>	V<sub>OPN</sub>	V<sub>NON</sub>	V<sub>PPO</sub>
				V<sub>ZM3</sub>	V<sub>NPO</sub>	V<sub>NON</sub>	V<sub>OPP</sub>
V<sub>ZM4</sub>	V<sub>NOP</sub>	V<sub>NNO</sub>	V<sub>OPP</sub>
				V<sub>ZM5</sub>	V<sub>ONP</sub>	V<sub>NNO</sub>	V<sub>POP</sub>
V<sub>ZM6</sub>	V<sub>PNO</sub>	V<sub>ONN</sub>	V<sub>POP</sub>

其中，基本合成矢量3、基本合成矢量4和基本合成矢量5为小矢量或中矢量。

虚拟小矢量的合成基本矢量1和和合成基本矢量2都是冗余矢量，它们的幅值和方向相同，但是对中点电位的影响相反，当中点电位平衡时，根据伏秒平衡原则，两个合成基本矢量的作用时间应该相等，则对中点电位没有影响，即：

其中，T_ZS1为V_ZS1的矢量作用时间。

假设此时电流从中点电位流出，并设置该方向为正参考方向，同时结合如下公式：

可知当V_ONN作用时，此时流出的电流为A相并网电流I_A，方向为正，使得上电容的电压变大，下电容的电压变小；而V_POO作用时，由于假设电流从重点电流流出，则此时流出的电流为A相的并网电流I_A，方向为负，使得上电容电压变小，下电容电压变大，引入自适应均压因子σ，使得虚拟小矢量可以对中点电位进行控制，因此：

其中，σ＝λ*(ΔV^**ξ)(-1≤σ≤1)，ΔV^*为标幺化之后的中点电位偏差，ξ为经验比例系数。当直流母线电压为700V时，设定对重点电位的控制精度达到1V以内，所以在中点偏差为10的时候，仍然有较强的均压能力，因此经验比例系数ξ可取：

当中点电位偏差为10V时，均压因数仍为上限值1或者-1，使得虚拟小矢量有较强的均压控制能力，λ与参考电压矢量所在的扇区N、扇区内区域位置n、中点电位偏差ΔV^*和实际中点电流流向有关。考虑到功率因数不可能准确为1，不能仅依靠开关状态就判别中点电流的流向，所以对三相电流进行采样，可以得到此时流入中点电流的方向。

以扇区一中的区域一为例，使得虚拟小矢量为V_ZS1、V_ZS2，假设中点电位偏差小于零，即

若此时并网电流I_A为正，则使用矢量V_ONN可以让幅值为I_A的电流流入到电容中点，来提高中点电压，改善中点电位偏差情况，而与之相对的冗余矢量V_POO作用相反，所以应当使σ的符号为正，分配更多的时间给V_ONN，以均衡中点电位，所以λ取-1。由于V_POO、V_ONN是一对幅值和方向都相等的冗余矢量，所以最终合成参考矢量的影响很小，选定合适的自适应均压因子可以实现对重点电位的控制。以上仅以一扇区内的第一个虚拟小矢量为例说明，其余小矢量同理。需要注意的是，在利用V_POO、V_ONN合成虚拟小矢量时，若其中任意一个为0，则合成的矢量为V_POO或V_ONN，则该矢量并非虚拟小矢量，仍为小矢量。

以一扇区内的虚拟中矢量为例，虚拟中矢量的表达式为：

其中，τ、υ为重构因子，μ、δ为自调整均压因子，T_ZM1为V_ZM1的基础矢量时间。

重构因子τ和υ的选取原则为：根据当前的中点电位偏差与中点电流流向，如果此时的基本合成电压矢量能够让电压平衡，则重构因子大于0；如果基本合成电压矢量使得中点电位偏差进一步加大，则重构因子小于0。同时考虑重构的虚拟中矢量的大小与空间矢量脉宽调制的范围，应当保证-1≤τ、υ≤1。重构因子的选取是在构建虚拟中矢量时完成的，不会对参考电压矢量的伏秒平衡方程式的准确性造成影响，还可以进行中位电压的控制。

当中点电位平衡时，自调整均压因子μ、δ和重构因子τ、υ为零，则基础电压合成矢量V_ONN、V_PPO、V_PON三者的作用时间相等，三个基础合成矢量作用时，流出中点电流分别是I_A、I_B、I_C。由于并网时三相对称，并且一个PWM控制周期的时间很短，可以认为虚拟中矢量基本作用使得流入或者流出的中点的电流的平均值为零，即：

I_A+I_B+I_C＝0

同理需要注意的是，重构的虚拟中矢量中的三个基本合成矢量不是冗余矢量，它们的方向和大小各不相同，也就意味着如果自调整均压因子选择不合理，会增加并网电流中的谐波成分，所以采用具有自调整能力的均压因子，即：

其中经验系数λ₁、λ₂和ξ的取值方法与虚拟小矢量相似，控制重构的虚拟中矢量的自调整均压因子的经验系数ξ取值较小一点，使得中点电位偏差较大时，重构的虚拟中矢量和虚拟小矢量同时作用进行中点电压均衡；中点电位偏差较小时，更多的使用虚拟小矢量进行均压，且不影响并网电流的畸变因数，以此兼顾了参考电压矢量合成的准确性与中点电位控制。由于基本大矢量对中点电位没有影响，所以采用基本电压大矢量为虚拟大矢量。

4)划分小区域。

在扇区内进一步划分小区域，便于合成矢量的选择。通过步骤3)重构的虚拟零矢量、虚拟小矢量、虚拟中矢量和虚拟大矢量对扇区内区域进行划分。如图6所示，图中为避免繁杂，仅对扇区一内的区域进行标注，其余扇区同理，由图可知每个扇区被划分为5个区域，如果在传统αβ轴中，区域的识别需要大量的三角函数计算，而本发明采用在60°坐标系进行区域判别计算，可以大大减少系统的运算量。在60°坐标系下，根据几何关系，可得到如表四、表五所示的判别方法。本发明中在每个扇区内划分5个区域的划分规则与现有技术中每个扇区划分5个区域的划分规则一致。

表四

表五

表中V^* _g、V^* _h为旋转变化后的参考电压矢量，参考电压矢量在所有扇区内位置判断都可以参考表四、表五，并且计算过程中不含有三角函数运算，大大降低了设计难度与运算量。

5)计算每个基本矢量的作用时间。

利用伏秒平衡原则，求得每个基本矢量的作用时间，根据参考电压矢量所在扇区内的位置，得到具体的一组合成虚拟矢量。如图6所示，假设当前参考矢量在扇区1中的区域3，则选定的合成虚拟矢量为V^* _ZS1、V^* _ZL1、V^* _ZM1，根据伏秒平衡原则，有：

V^* _REFT_S＝V^* _ZS1T_ZS1+V^* _ZL1T_ZL1+V^* _ZM1T_ZM1

其中，V^* _REF、T_S、V^* _ZS1、V^* _ZL1、V^* _ZM1分别是标幺化后的电压参考矢量、单个控制周期、标幺化后的虚拟小矢量、虚拟大矢量、虚拟中矢量，这几个量都是已知的。而未知数有三个：T_ZS1、T_ZL1、T_ZM1，分别是标幺化后的虚拟小矢量作用时间、虚拟大矢量作用时间、虚拟中矢量作用时间。将标幺化后的电压参考矢量沿着坐标方向分解，并考虑矢量控制的时序，可得：

其中，V^* _REFg、V^* _REFh分别为V^* _REF在g-h坐标下的g轴参考电压和h轴参考电压，V^* _ZS1g、V^* _ZS1h分别为V^* _ZS1在g-h坐标下的g轴参考电压和h轴参考电压，V^* _ZL1g、V^* _ZL1h分别为V^* _ZL1在g-h坐标下的g轴参考电压和h轴参考电压，V^* _ZM1g、V^* _ZM1h分别为V^* _ZM1在g-h坐标下的g轴参考电压和h轴参考电压。

通过上式可以得到每个虚拟合成矢量的作用时间，由于对称性，并且经过旋转坐标公式的转换计算出扇区一内的参数后，其余扇区的参数都能得到。再根据步骤3)中的如下公式计算得到基本电压矢量的作用时间：

除了当前参考矢量在扇区1中的区域3之外，本发明还列举除了扇区1内所有区域虚拟矢量的作用时间，如表六所示，其余扇区与扇区1同理。

表六

其中，当参考电压矢量在扇区1第一区域内时，表六中TX、TY、TZ对应图6中虚拟矢量作用时间为：T_ZS1、T_ZS2、T_Z0；当参考电压矢量在扇区1第二区域内时，对应图6中虚拟矢量作用时间为：T_ZS1、T_ZS2、T_ZM1；当参考电压矢量在扇区1第三区域内时，对应图6中虚拟矢量作用时间为：T_ZS1、T_ZM1、T_ZL1，当参考电压矢量在扇区1第四区域内时，对应图6中虚拟矢量作用时间为：T_ZS2、T_ZM1、T_ZL2，当参考电压矢量在扇区1第五区域内时，对应图6中虚拟矢量作用时间为：T_ZL1、T_ZL2、T_ZM1。

然后再进行标准化，以保证基本矢量作用时间之和等于一个控制周期T_S，最后为了减少并网电流的谐波含量与共模电压，同时遵循矢量输出次序规则，采用以小矢量为首发矢量的九段式对称次序输出，本发明列举第一扇区内的所有次序，如表七所示。

表七

n＝1

PPO

POO

OOO

OON

ONN

OON

OOO

POO

PPO

n＝2

PPO

POO

PON

OON

ONN

OON

PON

POO

PPO

n＝3

PPO

POO

PON

PNN

ONN

PNN

PON

POO

PPO

n＝4

PPO

PPN

PON

OON

ONN

OON

PON

PPN

PPO

n＝5

PPO

PPN

PON

PNN

ONN

PNN

PON

PPN

PPO

第二扇区内的所有次序，如表八所示。

表八

n＝1

PPO

OPO

OOO

OON

NON

OON

OOO

OPO

PPO

n＝2

PPO

OPO

OPN

OON

NON

OON

OPN

OPO

PPO

n＝3

PPO

PPN

OPN

OON

NON

OON

OPN

PPN

PPO

n＝4

PPO

OPO

OPN

NPN

NON

NPN

OPN

OPO

PPO

n＝5

PPO

PPN

OPN

NPN

NON

NPN

OPN

PPN

PPO

第三扇区内的所有次序，如表九所示。

表九

n＝1

OPP

OPO

OOO

NOO

NON

NOO

OOO

OPO

OPP

n＝2

OPP

OPO

NPO

NOO

NON

NOO

NPO

OPO

OPP

n＝3

OPP

OPO

NPO

NPN

NON

NPN

NPO

OPO

OPP

n＝4

OPP

NPP

NPO

NOO

NON

NOO

NPO

NPP

OPP

n＝5

OPP

NPP

NPO

NPN

NON

NPN

NPO

NPP

OPP

第四扇区内的所有次序，如表十所示。

表十

n＝1

OPP

OOP

OOO

NOO

NNO

NOO

OOO

OOP

OPP

n＝2

OPP

OOP

NOP

NOO

NNO

NOO

NOP

OON

OPP

n＝3

OPP

NPP

NOP

NOO

NNO

NOO

NOP

NPP

OPP

n＝4

OPP

OOP

NOP

NNP

NNO

NNP

NOP

OOP

OPP

n＝5

OPP

NPP

NOP

NNP

NNO

NNP

NOP

NPP

OPP

第五扇区内的所有次序，如表十一所示。

表十一

第六扇区内的所有次序，如表十二所示。

表十二

n＝1

POP

POO

OOO

ONO

ONN

ONO

OOO

POO

POP

n＝2

POP

POO

PNO

ONO

ONN

ONO

PNO

POO

POP

n＝3

POP

PNP

PNO

ONO

ONN

ONO

PNO

PNP

POP

n＝4

POP

POO

PNO

PNN

ONN

PNN

PNO

POO

POP

n＝5

POP

PNP

PNO

PNN

ONN

PNN

PNO

PNP

POP

然后把表中的九段式次序电压矢量输出的基本电压矢量时间对应到实际开关上，输出PWM波形，完成空间矢量脉宽调制。

本实施例中，对虚拟小矢量和虚拟中矢量都进行了重构，作为其他实施方式，还可以利用预设的虚拟小矢量，也就是现有技术中的虚拟小矢量和本实施例的虚拟中矢量进行结合，以确定基本电压矢量时间，并对应到实际开关上，从而输出PWM波形，完成空间矢量脉宽调制。除此之外，还可以利用本实施例中的虚拟小矢量和预设的虚拟中矢量，也就是现有技术中的虚拟中矢量进行结合，以确定基本电压矢量时间。

6)仿真建模。

使用SIMULINK仿真平台中进行仿真建模，采用准PR控制，并模仿电容的容值存在偏差的情况，分别采用传统的VSVPWM、仅含有小矢量均压的VSVPWM、本发明的VSVPWM作为空间矢量脉宽调制，保持其他条件，中点电位均衡速度的仿真结果如图7、图8、图9所示，并对比含有小矢量均压的VSVPWM与本发明VSVPWM的均压效果对比，如图10、图11所示，最后对本发明的并网电流进行观测如图12所示。

本发明提供的并网逆变器的控制方法，利用坐标变化将空间矢量转换到60°坐标系中，再利用坐标变换，把其余扇区转化到第一个扇区中，大大减少了整个系统的计算量。同时本发明重构了虚拟小矢量和虚拟中矢量，利用虚拟小矢量和虚拟中矢量对中点电压进行控制，可以实现在每个扇区内中的每个区域都对中点电压进行控制，其中虚拟中矢量减少了均压控制对并网电流的影响，兼顾了中点电位的控制与并网电流的电能质量。本发明还引入了均压因子，以中点电位偏差作为控制条件对均压因子进行调整，以实现当中点电压偏越大时，均压效果越强，同时所使用的重构的虚拟中矢量使得在高调制深度条件下，提升中点电位的均压效果、速度，同时保证并网的电能质量。

Claims

1.一种并网逆变器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤:

2)通过如下公式构建虚拟小矢量：

3)通过如下公式构建虚拟中矢量：

4)获取并网逆变器的参考电压矢量，确定参考电压矢量在空间电压矢量中所处的扇区以及扇区内的区域，并选择合成参考电压矢量所需要的合成矢量，所述合成矢量包括零矢量和大矢量，还包括以下三种中的任意一种：小矢量和虚拟中矢量、虚拟小矢量和中矢量、虚拟小矢量和虚拟中矢量；根据合成矢量对应确定基本矢量并确定基本矢量的输出次序，根据所述输出次序确定并网逆变器中开关器件的开关序列；

2.根据权利要求1所述的并网逆变器的控制方法，其特征在于，步骤2)中，自适应均压因子通过如下公式获得：

σ＝λ*(ΔV^**ξ)

其中，ΔV^*为标幺化后的中点电位偏差，ξ为经验比例系数，λ为符号因数，由参考电压矢量的电流方向和中点电位偏差决定；所述中点电位偏差为标幺化处理的并网逆变器直流侧设置的两个均压电容的电压差。

3.根据权利要求2所述的并网逆变器的控制方法，其特征在于，经验比例系数根据中点电位的控制精度、直流母线电压和动态过程中的中点电位偏差确定；其中，经验比例系数与中点电位的控制精度成正比，与中点电位偏差和直流母线电压的比值成反比。

4.根据权利要求1所述的并网逆变器的控制方法，其特征在于，所述重构因子根据中点电位偏差确定；当合成参考电压矢量中所使用的合成矢量使得中点电位平衡时，则对应的重构因子大于0；当合成参考电压矢量中所使用的合成矢量使得中点电位偏差增大时，则对应的重构因子小于等于0。

5.根据权利要求1所述的并网逆变器的控制方法，其特征在于，所述自调整均压因子通过如下公式获得：

其中，ΔV^*为标幺化后的中点电位偏差，ξ₁和ξ₂均为经验比例系数，λ₁和λ₂均为符号系数，由参考电压矢量的电流方向和中点电位偏差决定；所述中点电位偏差为标幺化处理的并网逆变器直流侧设置的两个均压电容的电压差。

6.根据权利要求5所述的并网逆变器的控制方法，其特征在于，经验比例系数根据中点电位的控制精度、直流母线电压和中点电位偏差确定；其中，经验比例系数与中点电位的控制精度成正比，经验比例系数与中点电位偏差和直流母线电压的比值成反比。

7.根据权利要求1所述的并网逆变器的控制方法，其特征在于，采用如下方法得到参考电压矢量：获取电流参考值、电网电流当前值、电容电流当前值和电网电压当前值，电容电流为并网逆变器交流侧设置的LCL滤波器的电容电流；将电流参考值和电网电流当前值作差，对得到的差值进行调节控制以得到输出值，将输出值加上电网电压当前值并减去设定倍数的电容电流当前值得到参考电压矢量。

8.根据权利要求1所述的并网逆变器的控制方法，其特征在于，空间电压矢量包括六个扇区，每个扇区均包括5个区域；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第一扇区的第一区域时，基本矢量的输出次序为：PPO、POO、OOO、OON、ONN、OON、OOO、POO、PPO；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第一扇区的第二区域时，基本矢量的输出次序为：PPO、POO、PON、OON、ONN、OON、PON、POO、PPO；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第一扇区的第三区域时，基本矢量的输出次序为：PPO、POO、PON、PNN、ONN、PNN、PON、POO、PPO；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第一扇区的第四区域时，基本矢量的输出次序为：PPO、PPN、PON、OON、ONN、OON、PON、PPN、PPO；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第一扇区的第五区域时，基本矢量的输出次序为：PPO、PPN、PON、PNN、ONN、PNN、PON、PPN、PPO；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第二扇区的第一区域时，基本矢量的输出次序为：PPO、OPO、OOO、OON、NON、OON、OOO、OPO、PPO；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第二扇区的第二区域时，基本矢量的输出次序为：PP0、OPO、OPN、OON、NON、OON、OPN、OPO、PPO；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第二扇区的第三区域时，基本矢量的输出次序为：PPO、PPN、OPN、OON、NON、OON、OPN、PPN、PPO；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第二扇区的第四区域时，基本矢量的输出次序为：PPO、OPO、OPN、NPN、NON、NPN、OPN、OPO、PPO；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第二扇区的第五区域时，基本矢量的输出次序为：PPO、PPN、OPN、NPN、NON、NPN、OPN、PPN、PPO；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第三扇区的第一区域时，基本矢量的输出次序为：OPP、OPO、OOO、NOO、NON、NOO、OOO、OPO、OPP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第三扇区的第二区域时，基本矢量的输出次序为：OPP、OPO、NPO、NOO、NON、NOO、NPO、OPO、OPP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第三扇区的第三区域时，基本矢量的输出次序为：OPP、OPO、NPO、NPN、NON、NPN、NPO、OPO、OPP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第三扇区的第四区域时，基本矢量的输出次序为：OPP、NPP、NPO、NOO、NON、NOO、NPO、NPP、OPP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第三扇区的第五区域时，基本矢量的输出次序为：OPP、NPP、NPO、NPN、NON、NPN、NPO、NPP、OPP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第四扇区的第一区域时，基本矢量的输出次序为：OPP、OOP、OOO、NOO、NNO、NOO、OOO、OOP、OPP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第四扇区的第二区域时，基本矢量的输出次序为：OPP、OOP、NOP、NOO、NNO、NOO、NOP、OOP、OPP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第四扇区的第三区域时，基本矢量的输出次序为：OPP、NPP、NOP、NOO、NNO、NOO、NOP、NPP、OPP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第四扇区的第四区域时，基本矢量的输出次序为：OPP、OOP、NOP、NNP、NNO、NNP、NOP、OOP、OPP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第四扇区的第五区域时，基本矢量的输出次序为：OPP、NPP、NOP、NNP、NNO、NNP、NOP、NPP、OPP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第五扇区的第一区域时，基本矢量的输出次序为：POP、OOP、OOO、ONO、NNO、ONO、OOO、OOP、POP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第五扇区的第二区域时，基本矢量的输出次序为：POP、OOP、ONP、NNP、NNO、NNP、ONP、OOP、POP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第五扇区的第三区域时，基本矢量的输出次序为：POP、OOP、ONP、ONO、NNO、ONO、ONP、PNP、POP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第五扇区的第四区域时，基本矢量的输出次序为：POP、PNP、ONP、ONO、NNO、ONO、ONP、PNP、POP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第五扇区的第五区域时，基本矢量的输出次序为：POP、PNP、ONP、NNP、NNO、NNP、ONP、PNP、POP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第六扇区的第一区域时，基本矢量的输出次序为：POP、POO、OOO、ONO、ONN、ONO、OOO、POO、POP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第六扇区的第二区域时，基本矢量的输出次序为：POP、POO、PNO、ONO、ONN、ONO、PNO、POO、POP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第六扇区的第三区域时，基本矢量的输出次序为：POP、PNP、PNO、ONO、ONN、ONO、PNO、PNP、POP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第六扇区的第四区域时，基本矢量的输出次序为：POP、POO、PNO、PNN、ONN、PNN、PNO、POO、POP；当参考电压矢量处于空间电压矢量中第六扇区的第五区域时，基本矢量的输出次序为：POP、PNP、PNO、PNN、ONN、PNN、PNO、PNP、POP。

9.根据权利要求1～8任一项所述的并网逆变器的控制方法，其特征在于，参考电压矢量在空间电压矢量中所处的扇区通过如下公式获得：