CN115333345A - 一种基于虚拟共模电阻的共模电流谐振抑制方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于虚拟共模电阻的共模电流谐振抑制方法，首先采样三相电感电流，求得共模电流；然后根据求得的共模电流，在控制器中虚构该共模电阻，将共模电流转化为共模电压；然后在αβ坐标系下，判定差模电压扇区，选择该扇区对应的差模矢量(Kα,Kβ)，该矢量对应的abc坐标系下矢量为(Kfa,Kfb,Kfc)；利用该矢量，可将共模电压转化为差模电压，并叠加到原差模电压中，用于PWM；最后重复上述步骤，动态地抑制共模电流；本发明在共模回路中串联虚拟共模电阻，可有效抑制断续脉宽调制下的共模谐振电流。

Description

一种基于虚拟共模电阻的共模电流谐振抑制方法
技术领域
本发明涉及LCL型逆变器技术领域，具体涉及一种基于虚拟共模电阻的共模电流谐振抑制方法。
背景技术
近年来，组串式逆变器在光伏发电系统中的比例逐年上升，这种逆变器的LCL滤波器的电容中性点与直流母线中点用导线连接，从而在逆变器内部构成了一个LC共模回路，该回路可以有效减少逆变器注入电网中的共模电流，但却引入了LC共模谐振风险。与连续脉宽调制方法相比，使用断续脉宽调制可以有效减少开关管IGBT的功耗，因此被广泛应用在组串式逆变器中，但断续脉宽调制中的零序分量含有更多的谐波成分，故在LC共模回路上更容易产生共模谐振电流。
现有文献中引用最多的三种有源阻尼技术是基于电容器电流反馈的方法、基于电容器电压反馈的方法和基于陷波滤波器的方法。输出滤波器不同状态量的反馈对应于LCL滤波器中不同的阻抗位置：变流器电流的反馈与逆变侧电感Lf串联形成虚拟阻抗，电网电流控制中的电容电压或电流反馈形成与滤波电容并联虚拟阻抗，电网电流反馈形成与电网侧电感并联的虚拟阻抗。基于虚拟电阻的有源阻尼技术在抑制LCL谐振电流方面简单有效。然而，上述虚拟电阻仅用于阻尼注入电网的差模(DM)电流的谐波谐振,对共模LC回路的共模电流谐振没有抑制效果。
中国专利CN201910904278.4，一种逆变器输出滤波电感电流振荡抑制方法和抑制装置，公开了一种逆变器输出滤波电感电流振荡抑制方法和抑制装置，通过实时跟踪在逆变器输出滤波器的截止频率变化范围内，逆变器输出滤波电感电流的能量最大时所对应的截止频率点；随所述截止频率点的变化动态调整滤波环节的参数，以抑制逆变器输出滤波电感电流的振荡。该发明虽然在逆变器脉宽调制过程中注入的共模分量和/或差模分量的输出上加入滤波环节，但对如何抑制共模LC回路的共模电流谐振的研究不深入，无法得出其对共模LC回路的共模电流谐振进行的抑制技术手段。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提出一种基于虚拟共模电阻的共模电流谐振抑制方法，在共模回路中串联虚拟共模电阻，将共模LC回路修正为LCR回路，能够很好抑制断续脉宽调制下的共模谐振电流。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于虚拟共模电阻的共模电流谐振抑制方法，包括如下步骤：
步骤1.采样三相电感电流，求得共模电流；
步骤2.根据步骤1求得的共模电流，在控制器中虚构该共模电阻，将共模电流转化为共模电压；
步骤3.在αβ坐标系下，判定差模电压扇区，选择该扇区对应的差模矢量(Kα,Kβ)，差模矢量(Kα,Kβ)对应的abc坐标系下矢量为(Kfa,Kfb,Kfc)；利用差模矢量(Kα,Kβ)，可将共模电压转化为差模电压，并叠加到原差模电压中，用于PWM；
步骤4.重复步骤1至步骤3，动态地抑制共模电流。
所述步骤1中采样三相电感电流的采样值可以是滑动平均值，也可以是瞬时值。
所述采样的滑动平均值会引入开关周期的采样延时；采样的瞬时值无采样延时。
所述步骤1中的具体方法为：
采样三相逆变侧电感电流ia，ib，ic，将三相电流相加后，得到共模电流icm，如式(1)所示；加入高通滤波器HPF，通过HPF进行滤波和相位补偿；如式(2)所示；高通滤波器的截止频率fc低于LC滤波器的谐振频率，保证低次的共模谐振电流被滤除，谐振频率处共模电流通过，L为逆变侧电感，C为LC滤波器的滤波电容；
icm＝ia+ib+ic (1)
Figure BDA0003808398030000031
所述步骤2的具体方法为：在步骤1得到共模电流后，选择该共模电流为反馈变量，通过式(3)求得共模电流的反馈系数Gad；式中，Gp为逆变器的等效共模传递函数，为LC串联电路，Gpm为串联虚拟共模电阻Rv的共模回路传递函数，为LCR串联电路；将Gp和Gpm代入式(3)，求Gad得到虚拟共模电阻Rv，将共模电流转化为共模电压。
Figure BDA0003808398030000032
所述步骤3的具体步骤为：
步骤301.将步骤2获得的虚拟共模电阻即共模电压转为差模电压，通过调节差模电压来调节共模电压：
在αβ坐标系下生成一个电压矢量(vα,vβ)，转化到abc坐标系下的矢量为(va,vb,vc)；
判断差模电压所在abc坐标系的扇区，根据钳位相即A、B、C三相，来选择共模电压，使得(vα,vβ)对应的共模电压最大；
然后判断A、B、C三相中的哪一相被钳位；
步骤302：在αβ坐标系下，根据被钳位相，选择对应的矢量，如式(4)所示：
当A相被钳位，其在αβ坐标系下的矢量对应abc坐标系下的(Kfa,Kfb,Kfc)＝(1，-0.5，-0.5)的任意倍数；
当B相被钳位，其在αβ坐标系下的矢量对应abc坐标系下的(Kfa,Kfb,Kfc)＝(-0.5，1，-0.5)的任意倍数；
当C相被钳位，其在αβ坐标系下的矢量对应abc坐标系下的(Kfa,Kfb,Kfc)＝(-0.5，-0.5，1)的任意倍数；
Figure BDA0003808398030000033
步骤303.根据式(5)，将共模电压转化为差模电压dCM_DMa、dCM_DMb、dCM_DMc，并叠加到差模电压中，得到补偿后的差模电压；
Figure BDA0003808398030000041
步骤304.根据步骤303得到的差模电压，计算断续脉宽调制的零序分量dz；
步骤305.根据式(6)，计算最终的调制电压，用于PWM。
Figure BDA0003808398030000042
步骤301与步骤302所述钳位包括正电压钳位、中性点钳位和负电压钳位。
相对于现有技术，本发明有益效果如下：
本发明在共模回路中串联虚拟共模电阻，可很好的抑制断续脉宽调制下的共模谐振电流。
本发明在断续脉宽调制方法下，利用共模差模耦合的这一特点，把共模电压转为差模电压，从而通过调节差模电压来调节共模电压。改变了现有有源阻尼技术只适用于差模电流的阻尼的问题，且在组串式光伏组串式逆变器上得到有效验证，可用于商业化。
附图说明
图1为本发明及三电平LCL逆变器。
图2为本发明的三电平LCL逆变器共模等效电路。
图3为本发明的三电平LCL逆变器共模等效电路的伯德图。
图4为本发明的串联共模电阻的共模等效电路。
图5(a)为共模谐振回路的共模电路功率级、(b)为本发明的修正后的共模电路功率级。
图6为本发明的不同Rv下的共模等效电路伯德图。
图7(a)为本发明的三相电压的三个补偿矢量；(b)为当A相钳位到正母线电压时的Vref补偿；(c)为当A相钳位到母线电压中性点时的Vref补偿。
图8为本发明的使能和不使能本方法时的io,iL,ig和vc波形比较。
图9为本发明的算法框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细说明。
一种基于虚拟共模电阻的共模电流谐振抑制方法，参见图9，包括如下步骤：
步骤1.采样三相电感电流，求得共模电流；
步骤2.根据步骤1求得的共模电流，在控制器中虚构该共模电阻，将共模电流转化为共模电压；
步骤3.在αβ坐标系下，判定差模电压扇区，选择该扇区对应的差模矢量(Kα,Kβ)，差模矢量(Kα,Kβ)对应的abc坐标系下矢量为(Kfa,Kfb,Kfc)；利用差模矢量(Kα,Kβ)，可将共模电压转化为差模电压，并叠加到原差模电压中，用于PWM；
步骤4.重复步骤1至步骤3，动态地抑制共模电流。
所述步骤1中采样三相电感电流的采样值可以是滑动平均值，也可以是瞬时值。
所述采样的滑动平均值会引入0.5倍的开关周期的采样延时；采样的瞬时值无采样延时。
所述步骤1中的具体方法为：
采样三相逆变侧电感电流ia，ib，ic，采样值可以是滑动平均值，也可以是瞬时值，前者会引入0.5倍的开关周期的采样延时，后者无采样延时；将三相电流相加后，得到共模电流icm，如式(1)所示；但共模谐振电流频率为LC谐振频率，故需要加入高通滤波器HPF，通过HPF进行滤波和相位补偿；如式(2)所示；高通滤波器的截止频率fc比LC滤波器的谐振频率略低，保证低次的共模谐振电流被滤除，谐振频率处共模电流通过，L为逆变侧电感，C为LC滤波器的滤波电容；
icm＝ia+ib+ic (1)
Figure BDA0003808398030000051
进一步，步骤2中共模电阻的说明：虚拟共模电阻并非真实电阻，故需要从逆变器中采样信号，将该信号反馈给控制器，在控制器中虚构此共模电阻。
所述步骤2的具体方法为：
在步骤1得到共模电流后，选择该共模电流为反馈变量，通过式(3)求得共模电流的反馈系数Gad；式中，Gp为逆变器的等效共模传递函数，为LC串联电路，Gpm为串联虚拟共模电阻Rv的共模回路传递函数，为LCR串联电路；将Gp和Gpm代入式(3)，求Gad所得为共模电压Rv；该虚拟共模电阻将共模电流转化为共模电压，从而在控制器中虚构该共模电阻；
Figure BDA0003808398030000061
步骤3中的具体步骤为：
步骤2获得了共模电压，如何将共模电压叠加到调制电压中跟调制方法有关。在三电平逆变器中，如果是连续脉宽调制，因为存在一对小电压矢量，通过调节小电压矢量的分配时间，就可以在不影响差模电压的条件下，从而调节共模电压。这说明在连续脉宽调制下，共模电压和差模电压是解耦的，因此可以将步骤2获得的共模电压直接叠加到三相调制电压中，在断续脉宽调制方法中，因为不存在一对小电压矢量，差模电压和共模电压是耦合的，直接将步骤2获得的共模电压叠加到调制电压中是无效的，在断续脉宽调制方法下，利用共模差模耦合的这一特点，把步骤2获得的共模电压转为差模电压，从而通过调节差模电压来调节共模电压。
步骤301：将步骤2获得的共模电压转为差模电压，通过调节差模电压来调节共模电压：共模电压转为差模电压，其本质是在αβ坐标系下生成了一个电压矢量(vα,vβ)，转化到abc坐标系下的矢量为(va,vb,vc)；为了使得(vα,vβ)对应的共模电压最大，该共模电压需要根据钳位相来选择共模电压，使得(vα,vβ)对应的共模电压最大：当A相钳位时，选择0°矢量；当B相钳位时，选择120°矢量；当C相钳位时，选择240°矢量；
判断差模电压所在扇区，然后判断A、B、C三相中的哪一相被钳位，这里的钳位包括正电压钳位、中性点钳位和负电压钳位；
步骤302：在αβ坐标系下，根据被钳位相，选择对应的矢量：当A相钳位时，选择0°矢量；当B相钳位时，选择120°矢量；当C相钳位时，选择240°矢量；例如，如式(4)所示，当A相被钳位，αβ坐标系下的0°矢量对应abc坐标系下的(Kfa,Kfb,Kfc)＝(1，-0.5，-0.5)。需要说明的是，(Kfa,Kfb,Kfc)的数值不是必须为(1，-0.5，-0.5)，可以是它的任意倍数，如式(4)所示；
Figure BDA0003808398030000062
步骤303：根据式(5)，将共模电压转化为差模电压dCM_DMa、dCM_DMb、dCM_DMc，并叠加到差模电压中，得到补偿后的差模电压；
Figure BDA0003808398030000071
步骤304：根据差模电压，计算断续脉宽调制的零序分量dz；
步骤305：根据式(6)，计算最终的调制电压，用于PWM。
Figure BDA0003808398030000072
本发明的工作原理为：
本发明共断续脉宽调制下基于虚拟共模电阻的共模谐振电流抑制方法从三相逆变侧提取谐振处共模电流，利用该电流在控制器中设计了虚拟共模电阻，为共模回路串联虚拟电阻，将共模LC回路修正为LCR回路，从而抑制共模回路中LC谐振电流。本发明提出了虚拟共模电阻，通过控制差模电压来控制共模电压，能够应用在断续脉宽调制下的三电平LCL逆变器。
由图1中的LCL逆变器可得，逆变器内部的共模电流回路为LC回路，如图2所示，其伯德图如图3所示，可以看到该回路存在一个谐振点，该谐振点是潜在的电流谐振风险点，需要加入阻尼。本发明在该共模回路中串联虚拟共模电阻，如图4所示。图5(a)为共模谐振回路的功率级传递函数，如式(7)；图5(b)为修正后的共模电路功率级。图6为不同虚拟共模电阻值下的共模回路伯德图，可以看到随着共模电阻的增大，谐振尖峰越来越小。
Figure BDA0003808398030000073
图7(a)为三相电压的三个补偿矢量。当A相钳位时，选择0°矢量；当B相钳位时，选择120°矢量；当C相钳位时，选择240°矢量。这里的钳位包括零点钳位、正母线钳位、负母线钳位。举例说明，图7(b)为当A相钳位到正母线电压时的Vref补偿，图7(c)为当A相钳位到母线电压中性点时的Vref补偿。
通过图8使能和不使能虚拟共模电阻后的实验效果对比图，可以看到：当不使能虚拟共模电阻控制方法后，共模谐振电流开始发散，并触发过流保护导致逆变器关机。

Claims (7)

1.一种基于虚拟共模电阻的共模电流谐振抑制方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1.采样三相电感电流，求得共模电流；
步骤2.根据步骤1求得的共模电流，在控制器中虚构该共模电阻，将共模电流转化为共模电压；
步骤3.在αβ坐标系下，判定差模电压扇区，选择该扇区对应的差模矢量(Kα,Kβ)，差模矢量(Kα,Kβ)对应的abc坐标系下矢量为(Kfa,Kfb,Kfc)；利用差模矢量(Kα,Kβ)，可将共模电压转化为差模电压，并叠加到原差模电压中，用于PWM；
步骤4.重复步骤1至步骤3，动态地抑制共模电流。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟共模电阻的共模电流谐振抑制方法，其特征在于：所述步骤1中采样三相电感电流的采样值可以是滑动平均值，也可以是瞬时值。
3.根据权利要求2所述的一种基于虚拟共模电阻的共模电流谐振抑制方法，其特征在于：所述采样的滑动平均值会引入开关周期的采样延时；采样的瞬时值无采样延时。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟共模电阻的共模电流谐振抑制方法，其特征在于：所述步骤1中的具体方法为：
采样三相逆变侧电感电流ia，ib，ic，将三相电流相加后，得到共模电流icm，如式(1)所示；加入高通滤波器HPF，通过HPF进行滤波和相位补偿；如式(2)所示；高通滤波器的截止频率fc低于LC滤波器的谐振频率，保证低次的共模谐振电流被滤除，谐振频率处共模电流通过，L为逆变侧电感，C为LC滤波器的滤波电容。
icm＝ia+ib+ic (1)
Figure FDA0003808398020000011
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟共模电阻的共模电流谐振抑制方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：在步骤1得到共模电流后，选择该共模电流为反馈变量，通过式(3)求得共模电流的反馈系数Gad；式中，Gp为逆变器的等效共模传递函数，为LC串联电路，Gpm为串联虚拟共模电阻Rv的共模回路传递函数，为LCR串联电路；将Gp和Gpm代入式(3)，求Gad得到虚拟共模电阻Rv，将共模电流转化为共模电压。
Figure FDA0003808398020000021
6.根据权利要求1所述的一种基于虚拟共模电阻的共模电流谐振抑制方法，其特征在于：步骤3的具体步骤为：
步骤301.将步骤2获得的共模电压转为差模电压，通过调节差模电压来调节共模电压：在αβ坐标系下生成一个电压矢量(vα,vβ)，转化到abc坐标系下的矢量为(va,vb,vc)；
判断差模电压所在abc坐标系的扇区，根据钳位相即A、B、C三相，来选择共模电压，使得(vα,vβ)对应的共模电压最大；
然后判断A、B、C三相中的哪一相被钳位；
步骤302.在αβ坐标系下，根据被钳位相，选择对应的矢量，如式(4)所示：
当A相被钳位，其在αβ坐标系下的矢量对应abc坐标系下的(Kfa,Kfb,Kfc)＝(1，-0.5，-0.5)的任意倍数；
当B相被钳位，其在αβ坐标系下的矢量对应abc坐标系下的(Kfa,Kfb,Kfc)＝(-0.5，1，-0.5)的任意倍数；
当C相被钳位，其在αβ坐标系下的矢量对应abc坐标系下的(Kfa,Kfb,Kfc)＝(-0.5，-0.5，1)的任意倍数；
Figure FDA0003808398020000022
步骤303.根据式(5)，将共模电压转化为差模电压dCM_DMa、dCM_DMb、dCM_DMc，并叠加到差模电压中，得到补偿后的差模电压；
Figure FDA0003808398020000023
步骤304.根据步骤303得到的差模电压，计算断续脉宽调制的零序分量dz；
步骤305.根据式(6)，计算最终的调制电压，用于PWM。
Figure FDA0003808398020000031
7.根据权利要求6所述的一种基于虚拟共模电阻的共模电流谐振抑制方法，其特征在于：步骤301与步骤302所述钳位包括正电压钳位、中性点钳位和负电压钳位。
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