CN115664238B - 飞轮储能系统并联多相三电平逆变器零序环流抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种飞轮储能系统并联多相三电平逆变器零序环流抑制方法，包括以下步骤：将并联多相三电平逆变器分解为多个并联三相三电平逆变器，对每个并联三相三电平逆变器的零序环流分别建立数学模型；基于每个并联三相三电平逆变器的数学模型建立其对应的零序环流的被控对象模型；针对每个并联三相三电平逆变器设计非线性扰动观测器，设计每个并联三相三电平逆变器的零序环流控制器；基于每个并联三相三电平逆变器的零序环流控制器、被控对象模型和非线性扰动观测器，分别控制对应的并联三相三电平逆变器的零序环流，进而控制并联六相三电平逆变器的零序环流。本发明实现并联多相三电平逆变器零序环流抑制。

Description

飞轮储能系统并联多相三电平逆变器零序环流抑制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，并联逆变器技术领域，具体涉及一种飞轮储能系统并联多相三电平逆变器零序环流抑制方法。

背景技术

近年来，中点钳位型三电平逆变器得到了广泛的关注。中点钳位型三电平逆变器具有器件电压应力小、输出电压和电流总谐波失真小和功率损耗低等优点，在轨道牵引、光伏并网、风力发电、电动汽车、电气传动等领域得到了日益广泛的应用。

并联三电平逆变器通常是由两个结构相同并共享直流母线及电容中点的单三电平逆变器组成，交流侧通过滤波电感并联，不仅具有三电平逆变器的优点，而且具有并联系统冗余性高、可维护性好的优势，突破了功率器件通流能力的限制，可以增加系统容量和可靠性，从而满足大电流大容量场合的应用要求。

三电平逆变器的直接并联会带来零序环流问题，其本质是在各并联的逆变器模块共模电压差异性的激励下产生。并联的逆变器模块中点电位和开关状态的不一致导致各模块共模电压的差异性，进而导致零序环流的出现。零序环流仅在并联的逆变器模块之间流动，并不反映到负载侧或网侧。环流的存在会会增加系统的损耗，降低系统的容量，影响系统的能量转换效率；另外，环流过大会造成并联的逆变器模块电流应力不均衡，影响功率开关器件的使用寿命，因此有必要对环流进行抑制。

国内外学者对并联三电平逆变器的零序环流抑制策略进行了深入的研究，主要包括硬件抑制方法和软件抑制方法两个方面。硬件抑制方法是最基本的零序环流方法，各并联逆变器模块在直流侧采用独立的直流电源或者在交流侧采用交流隔离变压器都能够切断零序环流的通道并且实现电气隔离，从而完全消除零序环流，但是会不可避免地增加系统的体积和成本。交流侧串联共模电感也是一种被动硬件抑制方法，可以在中高频段产生较高的零序阻抗，有效地抑制零序环流的高频分量，但是对低频零序环流的抑制能力非常有限。

软件抑制方法主要从调制和控制的角度出发对零序环流进行抑制。在调制策略方面，并联逆变器载波信号同步可以有效抑制高频零序环流，然而这种方法无法改善输出电流纹波，并且对低频零序环流也起不到抑制作用。并联三电平系统的五电平空间矢量调制等新型调制算法可以降低系统环流，但是矢量作用时间计算复杂。在控制策略方面，通过反馈零序环流信号，调节零序调制波，能够有效地抑制低频零序环流，实现方式简单。但是，现有控制策略没有考虑逆变器非线性特性对共模电压的影响和已存在的初始共模电压差对零序环流的影响，控制效果不佳。

综上所述，并联三电平逆变器的零序环流抑制是决定并联系统能否稳定运行的关键问题之一，然而现有零序环流抑制方法多是基于并联三相三电平逆变器所提出的，并联六相三电平逆变器的零序环流抑制方法研究较少，所提抑制方法多是基于硬件抑制方法和空间矢量脉宽调制方法，实现成本过高或是实现方式过于复杂。因此，有必要针对并联六相三电平逆变器系统的零序环流问题，在现有的控制方法的基础上进行改进，提出一种简单使用的并联六相三电平逆变器零序环流控制方法，以实现零序环流的有效抑制。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种飞轮储能系统并联多相三电平逆变器零序环流抑制方法，实现并联多相三电平逆变器零序环流抑制，具有控制结构简单、控制系统性能卓越、适用范围广、实用性强等优点。

本发明采用的技术方案是：一种飞轮储能系统并联多相三电平逆变器零序环流抑制方法，所述飞轮储能系统的电机与并联多相三电平逆变器输出端电连接；包括以下步骤：

将并联多相三电平逆变器分解为多个并联三相三电平逆变器，对每个并联三相三电平逆变器的零序环流分别建立数学模型；所述数学模型用于表征每个并联三相三电平逆变器的共模电压差、零序环流、线路等效电阻和共模电感之间的数学关系；

在考虑逆变器非线性特性对共模电压的影响和初始共模电压差的情况下，基于每个并联三相三电平逆变器的数学模型建立其对应的零序环流的被控对象模型；

将并联三相三电平逆变器非线性特性对共模电压的影响和初始共模电压差定义为总和扰动变量；针对每个并联三相三电平逆变器设计非线性扰动观测器，非线性扰动观测器用于估计对应的并联三相三电平逆变器的总和扰动变量；

非线性扰动观测器输出对应的并联三相三电平逆变器总和扰动变量的估计值，作为前馈量加入到对应的并联三相三电平逆变器的零序环流的闭环反馈控制通道，进行前馈控制；

设计每个并联三相三电平逆变器的零序环流控制器；

基于每个并联三相三电平逆变器的零序环流控制器、被控对象模型和非线性扰动观测器，分别控制对应的并联三相三电平逆变器的零序环流，进而控制并联六相三电平逆变器的零序环流。

上述技术方案中，零序环流控制器的输入为并联三相三电平逆变器的零序环流与参考电流的差值；零序环流控制器的输出与非线性扰动观测器输出的总和扰动变量的估计值的差值作为非线性扰动观测器的输入；非线性扰动观测器的输入还包括并联三相三电平逆变器的零序环流；零序环流控制器的输出与非线性扰动观测器输出的总和扰动变量的估计值的差值，与总和扰动变量之和作为零序环流的被控对象模型的输入；零序环流的被控对象模型的输出为并联三相三电平逆变器的零序环流。

上述技术方案中，将并联多相三电平逆变器分解为N个并联三相三电平逆变器，第k个并联三相三电平逆变器零序环流数学模型的时域表达式为：

第k个并联三相三电平逆变器零序环流数学模型的频域表达式为：

；

式中：u _cmek 、i _zk 是第k个并联三相三电平逆变器的共模电压差、零序环流，k=1,2,...,N；R=R ₁ +R ₂+...+R _N、L=L ₁ +L ₂+...+L _N，R _k是第k个并联三相三电平逆变器的线路等效电阻；L _k是第k个并联三相三电平逆变器的线路共模电感。

上述技术方案中，针对每个并联三相三电平逆变器设计非线性扰动观测器的过程包括：

建立第k个并联三相三电平逆变器零序环流控制模型的非线性表达式，

式中：u _{cmek_inverter}、u _{cme0_k} 分别是第k个并联三相三电平逆变器非线性特性对共模电压的影响、初始共模电压差，

确定总和扰动变量d _k ：

定义第k个并联三相三电平逆变器的非线性扰动观测器为：

式中：z _k 、p(i _zk )、l(i _zk )分别是第k个并联三相三电平逆变器非线性扰动观测器的 内部状态变量、待设计的非线性函数和非线性扰动观测器增益，其中p(i _zk )=λ _k i _zk ，l(i _zk )=λ _k ，λ _k 表示非线性扰动观测器的增益常数，λ _k >0,

为非线性扰动观测器输出总和扰动变 量d _k 的估计值；上标“·”为导数符号；

定义估计误差e _k 为：

非线性扰动观测器的传递函数：

。

上述技术方案中，零序环流控制器为PI控制器时，其传递函数G(s)为：

式中：K _p、K _i分别为零序环流控制器中的比例系数、积分系数。

上述技术方案中，零序环流控制器为PIR控制器时，其传递函数G(s)为：

式中：K _ii、ω _c、ω ₀分别为零序环流控制器中的谐振系数、截止频率、谐振频率。

本发明的有益效果是：本发明提出一种基于非线性扰动观测器的并联六相三电平逆变器零序环流抑制方法，其优势在于，将逆变器非线性特性对共模电压的影响和初始共模电压差视为零序环流控制系统的总和扰动，设计了非线性扰动观测器，通过非线性扰动观测器估计零序环流控制系统的总和扰动；将估计的零序环流控制系统的总和扰动，作为前馈量加入到零序环流的闭环反馈控制通道，进行前馈控制；设计了反馈加前馈的零序环流的控制模型，控制结构简单，参数设计方便。本发明无需增加额外的传感器，有效地降低了成本；前馈控制可以提高零序环流控制系统的动态响应性能，减小控制器带宽，进而提高系统的稳态性能；不仅适用于并联六相三电平逆变器，还适用于并联三相三电平逆变器和并联多相三电平逆变器，适用范围广，实用性强。

附图说明

图1为并联六相三电平逆变器的拓扑结构图；

图2为并联三相三电平逆变器的拓扑结构图；

图3为并联三相三电平逆变器零序环流的等效模型；

图4为并联三相三电平逆变器的控制框图；

图5为并联三相三电平逆变器PI控制器传递函数示意图；

图6为并联三相三电平逆变器PIR控制器传递函数示意图；

图7为未使用零序环流抑制方法的零序环流和输出电流波形图；

图8为使用传统方法的零序环流和输出电流波形图；

图9为使用本发明方法的零序环流和输出电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

本发明所述并联六相三电平逆变器的拓扑结构图如图1所示。所述交错并联六相三电平变换器包括上电容组、下电容组、A相交错并联三电平电路、B相交错并联三电平电路、C交错并联三电平电路、U相交错并联三电平电路、V相交错并联三电平电路、W相交错并联三电平电路；所述上电容组中的电容并联连接，所述下电容组中的电容并联连接，所述上电容组和所述下电容组串联连接；所述A相交错并联三电平电路、所述B相交错并联三电平电路、所述C相交错并联三电平电路、所述U相交错并联三电平电路、所述V相交错并联三电平电路、所述W相交错并联三电平电路的输入端正极均连接至所述上电容组正极，输入端中点均连接至所述上电容组与所述下电容组的连接点，输入端负极均连接至所述下电容组负极；

所述A相交错并联三电平电路、所述B相交错并联三电平电路、所述C相交错并联三电平电路、所述U相交错并联三电平电路、所述V相交错并联三电平电路、所述W相交错并联三电平电路均包括M个三电平支路、M个共模电感，所述M个三电平支路输出端通过串联所述共模电感并联连接；且所述M个三电平支路的调制波相同，载波相差360/M度，M≥2；

所述飞轮储能系统的电机与并联多相三电平逆变器输出端电连接。

本发明实施例以两个并联三相三电平系统为例，针对系统的零序环流抑制问题，在传统的闭环反馈控制的基础上，提出了一种基于非线性扰动观测器的飞轮储能系统并联多相三电平逆变器零序环流抑制方法。具体为：

步骤1、建立零序环流的数学模型，具体包括：

首先，参考图1、图2所示，确定并联六相三电平逆变器零序环流的建模方法，将并联六相三电平逆变器分解为两个并联三相三电平逆变器，对每个并联三相三电平逆变器的零序环流分别建立数学模型；图1、2中，A1、B1、C1、U1、V1、W1，A2、B2、C2、U2、V2、W2的定义是指逆变器的A1相、B1相、C1相、A2相、B2相、C2相。P、N分别为直流母线的正极和负极。

以第1个并联三相三电平逆变器为例，分析并联三相三电平逆变器零序环流的数学建模过程，具体包括：

定义第1个并联三相三电平逆变器的零序环流i _z1为：

；

式中，i_ax,i_bx,i_cx，第x个三相三电平逆变器输出的A相电流、B相电流、C相电流，x=1、2。

定义第x个三相三电平逆变器的共模电压u _cmx ：

式中：u _axO、u _bxO、 u _cxO分别是第1个并联三相三电平逆变器的第x个三相三电平逆变器以电容中点O为参考点的A相电压、B相电压、C相电压，x=1、2，

从而，建立第1个并联三相三电平逆变器零序环流的数学模型，

式中：R _x 、L _x 是第x个三相三电平逆变器的线路等效电阻、共模电感，x=1、2。

定义R、L是第k个并联三相三电平逆变器的线路等效电阻、共模电感，k=1,2，

那么，可以建立第k个并联三相三电平逆变器零序环流的等效模型，如图3所示，其数学模型的时域表达式为：

式中：u _cmek 、i _zk 分别是第k个并联三相三电平逆变器的共模电压差、零序环流，

第k个并联三相三电平逆变器零序环流数学模型的频域表达式为：

；

步骤2、建立零序环流的控制模型，如图4所示，具体包括：

在考虑逆变器非线性特性对共模电压的影响和初始共模电压差的情况下，建立第k个并联三相三电平逆变器零序环流的被控对象模型，

将第k个并联三相三电平逆变器非线性特性对共模电压的影响和初始共模电压差定义为总和扰动变量d _k ，设计非线性扰动观测器估计总和扰动变量d _k ，具体包括：

建立第k个并联三相三电平逆变器零序环流控制模型的非线性表达式，

式中：u _{cmek_inverter}、u _{cme0_k} 分别是第k个并联三相三电平逆变器非线性特性对共模电压的影响、初始共模电压差，

确定总和扰动变量d _k ：

定义第k个并联三相三电平逆变器的非线性扰动观测器为：

式中：z _k 、p(i _zk )、l(i _zk )分别是第k个并联三相三电平逆变器非线性扰动观测器的 内部状态变量、待设计的非线性函数，非线性扰动观测器增益，其中p(i _zk )=λ _k i _zk ，l(i _zk )=λ _k ，λ _k >0,

为非线性扰动观测器输出总和扰动变量d _k 的估计值；上标“·”为导数符号；

定义估计误差e _k 为：

因为λ _k >0，所以非线性扰动观测器的误差指数收敛，

非线性扰动观测器的传递函数：

；

非线性扰动观测器输出总和扰动变量d _k 的估计值

，作为前馈量加入到零序环流 的闭环反馈控制通道，进行前馈控制。

设计第k个并联三相三电平逆变器的零序环流控制器，具体包括：

如图5所示并联三相三电平逆变器PI控制器传递函数示意图，零序环流控制器为PI控制器，

式中：K _p、K _i分别为零序环流控制器中的比例系数、积分系数，

如图6所示并联三相三电平逆变器PIR控制器传递函数示意图，零序环流控制器为PIR控制器，

式中，K _ii、ω _c、ω ₀分别为零序环流控制器中的谐振系数、截止频率、谐振频率。

因此，本发明提出的一种基于非线性扰动观测器的并联六相三电平逆变器零序环流抑制方法，首先，建立零序环流的数学模型；然后建立零序环流的控制模型；最后，基于建立的零序环流控制模型，分别控制两个并联三相三电平逆变器的零序环流，进而控制并联六相三电平逆变器的零序环流。同时，本发明控制方法不限于两个逆变器并联的情况，也不限于六相逆变器系统，可进一步扩展到两个逆变器并联的多相逆变器系统中。

下面为了验证本发明所提零序环流抑制方法的有效性，在Matlab/Simulink仿真平台搭建了如图1所示的并联六相三电平逆变器系统，将传统零序环流抑制方法和本发明所提零序环流抑制方法进行仿真对比。图7为未使用零序环流抑制方法的零序环流和输出电流波形图，图8为使用传统方法的零序环流和输出电流波形图，图9为使用本发明所提方法的零序环流和输出电流波形图，其中环流控制器采用PIR控制器；

本具体实施例中，系统母线电压1000V，开关频率10kHz，工作频率100Hz；其中两台逆变器的死区时间分别为3.5微秒和4.5微秒，且其中逆变器一电流指令200A，逆变器二电流指令100A。

通过图7、图8和图9的仿真波形图的对比，可以看出本发明所提方法可以更好地抑制零序环流，输出电流质量更好，证明了本发明的有效性。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种飞轮储能系统并联多相三电平逆变器零序环流抑制方法，所述飞轮储能系统的电机与并联多相三电平逆变器输出端电连接；其特征在于：包括以下步骤：

将并联多相三电平逆变器分解为多个并联三相三电平逆变器，对每个并联三相三电平逆变器的零序环流分别建立数学模型；所述数学模型用于表征每个并联三相三电平逆变器的共模电压差、零序环流、线路等效电阻和共模电感之间的数学关系；

在考虑逆变器非线性特性对共模电压的影响和初始共模电压差的情况下，基于每个并联三相三电平逆变器的数学模型建立其对应的零序环流的被控对象模型；

将并联三相三电平逆变器非线性特性对共模电压的影响和初始共模电压差定义为总和扰动变量；针对每个并联三相三电平逆变器设计非线性扰动观测器，非线性扰动观测器用于估计对应的并联三相三电平逆变器的总和扰动变量；

非线性扰动观测器输出对应的并联三相三电平逆变器总和扰动变量的估计值，作为前馈量加入到对应的并联三相三电平逆变器的零序环流的闭环反馈控制通道，进行前馈控制；

设计每个并联三相三电平逆变器的零序环流控制器；

基于每个并联三相三电平逆变器的零序环流控制器、被控对象模型和非线性扰动观测器，分别控制对应的并联三相三电平逆变器的零序环流，进而控制并联多相三电平逆变器的零序环流。

2.根据权利要求1所述的一种飞轮储能系统并联多相三电平逆变器零序环流抑制方法，其特征在于：零序环流控制器的输入为并联三相三电平逆变器零序环流给定值与实际值的差值；零序环流控制器的输出与非线性扰动观测器输出的总和扰动变量的估计值的差值作为非线性扰动观测器的输入；非线性扰动观测器的输入还包括并联三相三电平逆变器零序环流的实际值；零序环流控制器的输出与非线性扰动观测器输出总和扰动变量的估计值的差值与总和扰动变量之和作为零序环流的被控对象模型的输入；零序环流的被控对象模型的输出为并联三相三电平逆变器零序环流的实际值。

3.根据权利要求1所述的一种飞轮储能系统并联多相三电平逆变器零序环流抑制方法，其特征在于：将并联多相三电平逆变器分解为N个并联三相三电平逆变器，第k个并联三相三电平逆变器零序环流数学模型的时域表达式为：

第k个并联三相三电平逆变器零序环流数学模型的频域表达式为：

；

式中：u _cmek 是第k个并联三相三电平逆变器时域下的共模电压差，i _zk 是第k个并联三相三电平逆变器时域下的零序环流；u _cmek (s)是第k个并联三相三电平逆变器S域下的共模电压差；i _zk (s)是第k个并联三相三电平逆变器S域下的零序环流；k=1,2,...,N；R=R ₁ +R ₂+...+R _N、L=L ₁ +L ₂+...+L _N，R _k是第k个并联三相三电平逆变器的线路等效电阻；L _k是第k个并联三相三电平逆变器的线路共模电感。

4.根据权利要求3所述的一种飞轮储能系统并联多相三电平逆变器零序环流抑制方法，其特征在于：针对每个并联三相三电平逆变器设计非线性扰动观测器的过程包括：

建立第k个并联三相三电平逆变器零序环流控制模型的非线性表达式，

式中：u _{cmek_inverter}是第k个并联三相三电平逆变器非线性特性对共模电压的影响；u _{cme0_k} 是第k个并联三相三电平逆变器的初始共模电压差；

确定总和扰动变量d _k ：

定义第k个并联三相三电平逆变器的非线性扰动观测器为：

式中：z _k 是第k个并联三相三电平逆变器非线性扰动观测器的内部状态变量；p(i _zk )是 第k个并联三相三电平逆变器非线性扰动观测器的待设计的非线性函数；(i _zk )分别是第k个 并联三相三电平逆变器非线性扰动观测器的非线性扰动观测器增益，其中p(i _zk )=λ _k i _zk ，l (i _zk )=λ _k ，λ _k 表示非线性扰动观测器的增益常数，λ _k >0,

为非线性扰动观测器输出总和扰 动变量d _k 的估计值；上标“·”为导数符号；

定义估计误差e _k 为：

非线性扰动观测器的传递函数：

。

5.根据权利要求4所述的一种飞轮储能系统并联多相三电平逆变器零序环流抑制方法，其特征在于：

零序环流控制器为PI控制器时，其传递函数G(s)为：

式中：K _p为零序环流控制器中的比例系数，K _i为零序环流控制器中的积分系数。

6.根据权利要求4所述的一种飞轮储能系统并联多相三电平逆变器零序环流抑制方法，其特征在于：

零序环流控制器为PIR控制器时，其传递函数G(s)为：

式中：K _p为零序环流控制器中的比例系数；K _ii为零序环流控制器中的谐振系数；ω _c为零序环流控制器中的截止频率；ω ₀为零序环流控制器中的谐振频率。

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