CN115833546A - 基于三电平算法的共模电流的抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及逆变器技术领域，尤其为基于三电平算法的共模电流的抑制方法，包括如下步骤：预设并网逆变器系统三相电网动态输出模型，获取并网逆变器系统三相电网动态输出模型的三相调制波，分别对三相调制波进行前馈补偿和反馈补偿，将前馈补偿量和反馈补偿量叠加至三相调制波中，使第一母线电容与第二母线电容的中点电位在一个基波周期内保持平衡。通过对直流侧电压进行控制，维持第一母线电容与第二母线电容的电压平衡，实现了对共模电流的抑制；通过自适应控制器自适应调节控制器带宽，有助于提高逆变器的效率；延长了母线电容的使用寿命，保证了T型三电平逆变器的安全、稳定运行。

Description

基于三电平算法的共模电流的抑制方法

技术领域

本发明涉及逆变器技术领域，尤其是基于三电平算法的共模电流的抑制方法。

背景技术

随着一次能源的日益减少，光伏并网发电技术被越来越多地应用在各个行业，用户对光伏并网逆变器的可靠性、安全性、高效性要求越来越高。非隔离光伏并网逆变器有重量轻、体积小、成本低、效率高等优点，但由于与电网直接电气连接，变化的共模电压在光伏阵列对大地的寄生电容上会产生共模电流，较大幅值的共模电流会导致并网电流畸变、电磁干扰等问题，也可能对用户人身安全构成威胁。而多电平变换器因其适应中高压、大容量场合而得到广泛应用。T型三电平逆变电路因为在开关器件损耗和输出电能质量等方面的优势，以及结构紧凑、损耗均衡等特点，适合于低压、大电流的场合。如高压变频调速、柔性交流输电、高压直流输电等领域。与两电平逆变器相比，三电平逆变器具有较小的dv/dt、较低的电压和电流的谐波畸变率和功率损耗等优点。T型三电平逆变器因其功率器件使用数量少、通态损耗低和功率密度高而被广泛应用于低压大电流领域。但是，直流侧中点电压不平衡使得逆变器输出电压、电流的谐波含量增加，同时长时间的电容电压不平衡将会降低所使用的电解电容的寿命。因此，为了保证T型三电平逆变器的安全、稳定运行，必须采用合适的电压平衡控制方法维持直流侧电容电压的平衡。

发明内容

本发明的目的是通过提出基于三电平算法的共模电流的抑制方法，以解决上述背景技术中提出的缺陷。

本发明采用的技术方案如下：

提供基于三电平算法的共模电流的抑制方法，包括如下步骤：预设并网逆变器系统三相电网动态输出模型，获取并网逆变器系统三相电网动态输出模型的三相调制波，分别对三相调制波进行前馈补偿和反馈补偿，将前馈补偿量和反馈补偿量叠加至三相调制波中，使第一母线电容与第二母线电容的中点电位在一个基波周期内保持平衡。

作为本发明的一种优选技术方案：所述前馈补偿为向三相调制波中注入的零序电压。

作为本发明的一种优选技术方案：所述反馈补偿通过获取第一母线电容电压与第二母线电容电压的电压差值，将电压差值通过自适应控制器，获取自适应调节补偿量。

作为本发明的一种优选技术方案：根据补偿叠加获得最终调制波u：

u＝u_o+u_x+ΔM

其中，u_o为注入的零序电压，u_x为a、b、c三相电压，ΔM为自适应控制补偿量。

作为本发明的一种优选技术方案：所述根据并网逆变器系统和基尔霍夫电压定律，获得三相电网动态输出模型a、b、c三相电压、电流三相平衡时的回路方程：

其中，u_a、u_b、u_c分别为a、b、c三相电压，e_a、e_b、e_c分别为a、b、c三相输出电压，i_a、i_b、i_c分别为a、b、c三相电流，L为LC滤波器等效电感，

为三相电流在时间t上的偏导，R为等效电感的等效电阻。

作为本发明的一种优选技术方案：所述将回路方程转换至dq同步旋转坐标系下，设d轴为有功分量，q轴为无功分量，根据clark变换矩阵T_abc/αβ：

得到将abc变换到静止的αβ坐标轴的回路方程：

其中，u_α、u_β分别为单相电压的αβ坐标轴等效电压，e_α、e_β分别单相输出电压的αβ坐标轴等效输出电压，i_a、i_α分别为单相电流的αβ坐标轴等效电流。

作为本发明的一种优选技术方案：所述根据派克变换矩阵T_αβ/dq：

其中，ω为电压基波频率，t为时间，sin为正弦函数，cos为余弦函数；

得到将静止的αβ坐标轴的回路方程变换到旋转的dq坐标轴的回路方程：

u_d＝e_d+(Ls+R)i_d-ωLi_d

u_q＝e_q+ωLi_q+(Ls+R)i_q

其中，u_d、u_q分别为逆变器并网电压的有功电压和无功电压，e_d、e_q分别逆变器并网电压的有功输出电压和无功输出电压，i_d、i_d分别为逆变器并网电流的有功电流和无功电流，s为转换为复频域后的输入值；

对得到的dq坐标轴的回路方程进行整理：

得到a、b、c三相转换至dq坐标轴的电流模型。

作为本发明的一种优选技术方案：所述电流间存在耦合，对其进行解耦控制：

u′_d＝i_dref-i_d+e_d

u′_q＝i_qref-i_q+e_q

u′_d为解耦后的有功零序分量，u′_q为解耦后的无功零序分量，i_dref为逆变器并网电流的有功参考电流，i_qref为逆变器并网电流的无功参考电流，e_d为并网电压的有功分量，e_q为并网电压的无功分量。

作为本发明的一种优选技术方案：对解耦后的分量根据clark变换矩阵T_abc/αβ、派克变换矩阵T_αβ/dq进行坐标转换，获得a、b、c三相的新的调制波u′_a、u′_b、u′_c，获得注入的零序电压u_o：

其中，i_a、i_b、i_c分别为a、b、c三相电流，i与u符号相同。

作为本发明的一种优选技术方案：所述反馈补偿通过采用自适应调节器实现：

其中，K_ip为比例系数，K_il为积分系数，ω_c为自适应控制器的带宽，ω_r为谐振频率；

获得补偿量：

Δu′_dc＝M(s)(i_dref+ΔI_dc)+Δe_dc

Δu′_qc＝M(s)(i_qref+ΔI_qc)+Δe_qc

其中，Δu′_dc、Δu′_qc分别为第一母线电容电压与第二母线电容电压转变为dq坐标轴后的d轴有功电压差值和q轴无功电压差值，ΔI_dc、ΔI_qc为d轴有功补偿差值和q轴无功补偿差值，Δe_dc、Δe_qc分别为d轴有功输出电压差值和q轴无功输出电压差值。

本发明提供的基于三电平算法的共模电流的抑制方法，与现有技术相比，其有益效果有：

通过对直流侧电压进行控制，维持第一母线电容与第二母线电容的电压平衡，实现了对共模电流的抑制；通过自适应控制器自适应调节控制器带宽，有助于提高逆变器的效率；延长了母线电容的使用寿命，保证了T型三电平逆变器的安全、稳定运行。

附图说明

图1为本发明优选实施例的方法流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明优选实施例提供了基于三电平算法的共模电流的抑制方法，包括如下步骤：预设并网逆变器系统三相电网动态输出模型，获取并网逆变器系统三相电网动态输出模型的三相调制波，分别对三相调制波进行前馈补偿和反馈补偿，将前馈补偿量和反馈补偿量叠加至三相调制波中，使第一母线电容与第二母线电容的中点电位在一个基波周期内保持平衡。

所述前馈补偿为向三相调制波中注入的零序电压。

所述反馈补偿通过获取第一母线电容电压与第二母线电容电压的电压差值，将电压差值通过自适应控制器，获取自适应调节补偿量。

根据补偿叠加获得最终调制波u：

u＝u_o+u_x+ΔM

其中，u_o为注入的零序电压，u_x为a、b、c三相电压，ΔM为自适应控制补偿量。

根据并网逆变器系统和基尔霍夫电压定律，获得三相电网动态输出模型a、b、c三相电压、电流三相平衡时的回路方程：

其中，u_a、u_b、u_c分别为a、b、c三相电压，e_a、e_b、e_c分别为a、b、c三相输出电压，i_a、i_b、i_c分别为a、b、c三相电流，L为LC滤波器等效电感，

为三相电流在时间t上的偏导，R为等效电感的等效电阻。

将回路方程转换至dq同步旋转坐标系下，设d轴为有功分量，q轴为无功分量，根据clark变换矩阵T_abc/αβ：

得到将abc变换到静止的αβ坐标轴的回路方程：

其中，u_α、u_β分别为单相电压的αβ坐标轴等效电压，e_α、e_β分别单相输出电压的αβ坐标轴等效输出电压，i_α、i_α分别为单相电流的αβ坐标轴等效电流。

根据派克变换矩阵T_αβ/dq：

其中，ωt是转子绕组以角速度ω在时间t内所转过的角度，sin为正弦函数，cos为余弦函数；

得到将静止的αβ坐标轴的回路方程变换到旋转的dq坐标轴的回路方程：

u_d＝e_d+(Ls+R)i_d-ωLi_d

u_q＝e_q+ωLi_q+(Ls+R)i_q

其中，u_d、u_q分别为逆变器并网电压的有功电压和无功电压，e_d、e_q分别逆变器并网电压的有功输出电压和无功输出电压，i_d、i_d分别为逆变器并网电流的有功电流和无功电流，s为转换为复频域后的输入值；

对得到的dq坐标轴的回路方程进行整理：

得到a、b、c三相转换至dq坐标轴的电流模型。

电流间存在耦合，对其进行解耦控制：

u′_d＝i_dref-i_d+e_d

u′_q＝i_qref-i_q+e_q

u′_d为解耦后的电压有功分量，u′_q为解耦后的电压无功分量，i_dref为逆变器并网电流的有功参考电流，i_qref为逆变器并网电流的无功参考电流，e_d为并网输出电压的有功分量，e_q为并网输出电压的无功分量。

对解耦后的分量根据clark变换矩阵T_abc/αβ、派克变换矩阵T_αβ/dq进行坐标转换，获得a、b、c三相的新的调制波u′_a、u′_b、u′_c，获得注入的零序电压u_o：

其中，i_a、i_b、i_c分别为a、b、c三相电流，i与u符号相同。

所述反馈补偿通过采用自适应调节器实现：

其中，K_ip为比例系数，K_il为积分系数，w_c为自适应控制器的带宽，ω_r为谐振频率；

获得补偿量：

Δu′_dc＝M(s)(i_dref+ΔI_dc)+Δe_dc

Δu′_qc＝M(s)(i_qref+ΔI_qc)+Δe_qc

其中，Δu′_dc、Δu′_qc分别为第一母线电容电压与第二母线电容电压转变为dq坐标轴后的d轴有功电压差值和q轴无功电压差值，ΔI_dc、ΔI_qc为d轴有功补偿差值和q轴无功补偿差值，Δe_dc、Δe_qc分别为d轴有功输出电压差值和q轴无功输出电压差值。

本实施例中，中点不平衡问题是三电平逆变器结构存在的固有问题。由于电压的箝位作用，第一母线电容、第二母线电容两端电流值不会引起两母线电容电压的变化，只有两电容中间支路的电流会引起中点电位的波动，造成两母线电容电压值不再相等，使中点电位发生波动或偏移，从而使得逆变输出电能质量下降。传统的零序电压注入法仅仅是通过负载电流i_a、i_b、i_c与三相调制电压u_a、u_b、u_c的关系计算得到零序电压u_o，将零序电压注入到三相调制波中。这一方法会使得第一母线电容电压和第二母线电容电压产生一个较大的波动，三相T型逆变器输出波形畸变率较大，影响逆变器的正常工作。故仅仅采用零序电压注入法无法达到控制中点电位平衡的效果。

根据预设的并网逆变器系统三相电网动态输出模型，以a相电压为例，根据并网逆变器系统和基尔霍夫电压定律，获得三相电网动态输出模型a、b、c三相电压、电流三相平衡时的回路方程：

其中，u_a、u_b、u_c分别为a、b、c三相电压，e_a、e_b、e_c分别为a、b、c三相输出电压，i_a、i_b、i_c分别为a、b、c三相电流，L为LC滤波器等效电感，

为三相电流在时间t上的偏导，R为等效电感的等效电阻。

通过clark变换矩阵T_abc/αβ、派克变换矩阵T_αβ/dq对输出的三相电压电网转变至dq同步旋转坐标轴中，

得到将abc变换到静止的αβ坐标轴的回路方程：

得到将静止的αβ坐标轴的回路方程变换到旋转的dq坐标轴的回路方程：

u_ad＝e_ad+(Ls+R)i_ad-ωLi_ad

u_aq＝e_aq+ωLi_aq+(Ls+R)i_aq

将控制量由时变的交流量变为直流量，利于控制器的设计，简化了逆变器的控制。

dq同步旋转坐标轴中，d轴和q间存在耦合，对其进行解耦控制，利于有功分量和无功分量的区分以及零序电压的注入。

解耦后重新进行坐标变化获得新的三相调制波u′_a、u′_b、u′_c，以此获得注入的零序电压u_o：

其中，i_a、i_b、i_c分别为a、b、c三相电流，i与u符号相同。

以u′_a＞0、u′_b＜0、u′_c＜0为例，注入的零序电压为u_o，其中，u′_b、u′_c、i_b、i_c均小于0。

反馈补偿通过采用自适应调节器实现：

其中，K_ip为比例系数，K_il为积分系数，s为自适应控制器的输入值，ω_c为自适应控制器的带宽，ω_r为谐振频率；

获得补偿量：

Δu′_dc＝M(s)(i_dref+ΔI_dc)+Δe_dc

Δu′_qc＝M(s)(i_qref+ΔI_qc)+Δe_qc

其中，Δu′_dc、Δu′_qc分别为第一母线电容电压与第二母线电容电压转变为dq坐标轴后的d轴有功电压差值和q轴无功电压差值，ΔI_dc、ΔI_qc为d轴有功补偿差值和q轴无功补偿差值，Δe_dc、Δe_qc分别为d轴有功输出电压差值和q轴无功输出电压差值。

对获取的d轴、q轴分量再次通过clark变换矩阵T_abc/αβ、派克变换矩阵T_αβ/dq进行坐标转换即可获得最终的自适应调节补偿量。将注入的零序电压与自适应调节补偿量叠加入三相调制波中，即可获得最终调制波u。

采用自适应的控制器可以实现全频率交流量的跟踪，使谐振频率可以自适应的调整，对反馈补偿量进行自适应调整，使第一母线电容与第二母线电容中点在一个基波周期内保持平衡。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.基于三电平算法的共模电流的抑制方法，其特征在于：包括如下步骤：预设并网逆变器系统三相电网动态输出模型，获取并网逆变器系统三相电网动态输出模型的三相调制波，分别对三相调制波进行前馈补偿和反馈补偿，将前馈补偿量和反馈补偿量叠加至三相调制波中，使第一母线电容与第二母线电容的中点电位在一个基波周期内保持平衡。

2.根据权利要求1所述的基于三电平算法的共模电流的抑制方法，其特征在于：所述前馈补偿为向三相调制波中注入的零序电压。

3.根据权利要求2所述的基于三电平算法的共模电流的抑制方法，其特征在于：所述反馈补偿通过获取第一母线电容电压与第二母线电容电压的电压差值，将电压差值通过自适应控制器，获取自适应调节补偿量。

4.根据权利要求3所述的基于三电平算法的共模电流的抑制方法，其特征在于：根据补偿叠加获得最终调制波u：

u＝u_o+u_x+ΔM

其中，u_o为注入的零序电压，u_x为a、b、c三相电压，ΔM为自适应控制补偿量。

5.根据权利要求4所述的基于三电平算法的共模电流的抑制方法，其特征在于：根据并网逆变器系统和基尔霍夫电压定律，获得三相电网动态输出模型a、b、c三相电压、电流三相平衡时的回路方程：

其中，u_a、u_b、u_c分别为a、b、c三相电压，e_a、e_b、e_c分别为a、b、c三相输出电压，i_a、i_b、i_c分别为a、b、c三相电流，L为LC滤波器等效电感，

为三相电流在时间t上的偏导，R为等效电感的等效电阻。

6.根据权利要求5所述的基于三电平算法的共模电流的抑制方法，其特征在于：将回路方程转换至dq同步旋转坐标系下，设d轴为有功分量，q轴为无功分量，根据clark变换矩阵T_abc/αβ：

得到将abc变换到静止的αβ坐标轴的回路方程：

其中，u_α、u_β分别为单相电压的αβ坐标轴等效电压，e_α、e_β分别单相输出电压的αβ坐标轴等效输出电压，i_α、i_α分别为单相电流的αβ坐标轴等效电流。

7.根据权利要求6所述的基于三电平算法的共模电流的抑制方法，其特征在于：根据派克变换矩阵T_αβ/dq：

其中，ω为电压基波频率，t为时间，sin为正弦函数，cos为余弦函数；

得到将静止的αβ坐标轴的回路方程变换到旋转的dq坐标轴的回路方程：

u_d＝e_d+(Ls+R)i_d-ωLi_d

u_q＝e_q+ωLi_q+(Ls+R)i_q

其中，u_d、u_q分别为逆变器并网电压的有功电压和无功电压，e_d、e_q分别逆变器并网电压的有功输出电压和无功输出电压，i_d、i_d分别为逆变器并网电流的有功电流和无功电流，s为转换为复频域后的输入值；

对得到的dq坐标轴的回路方程进行整理：

得到a、b、c三相转换至dq坐标轴的电流模型。

8.根据权利要求7所述的基于三电平算法的共模电流的抑制方法，其特征在于：电流间存在耦合，对其进行解耦控制：

u′_d＝i_dref-i_d+e_d

u′_q＝i_qref-i_q+e_q

u′_d为解耦后的电压有功分量，u′_q为解耦后的电压无功分量，i_dref为逆变器并网电流的有功参考电流，i_qref为逆变器并网电流的无功参考电流，e_d为并网输出电压的有功分量，e_q为并网输出电压的无功分量。

9.根据权利要求8所述的基于三电平算法的共模电流的抑制方法，其特征在于：对解耦后的分量根据clark变换矩阵T_abc/αβ、派克变换矩阵T_αβ/dq进行坐标转换，获得a、b、c三相的新的调制波u′_a、u′_b、u′_c，获得注入的零序电压u_o：

其中，i_a、i_b、i_c分别为a、b、c三相电流，i与u符号相同。

10.根据权利要求9所述的基于三电平算法的共模电流的抑制方法，其特征在于：所述反馈补偿通过采用自适应调节器实现：

其中，K_ip为比例系数，K_il为积分系数，ω_c为自适应控制器的带宽，ω_r为谐振频率；

获得补偿量：

Δu′_dc＝M(s)(i_dref+ΔI_dc)+Δe_dc

Δu′_qc＝M(s)(i_qref+ΔI_qc)+Δe_qc

其中，Δu′_dc、Δu′_qc分别为第一母线电容电压与第二母线电容电压转变为dq坐标轴后的d轴有功电压差值和q轴无功电压差值，ΔI_dc、ΔI_qc为d轴有功补偿差值和q轴无功补偿差值，Δe_dc、Δe_qc分别为d轴有功输出电压差值和q轴无功输出电压差值。

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