CN117155138B - 三电平四象限变频器及其控制方法 - Google Patents

三电平四象限变频器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，更具体地，本发明涉及三电平四象限变频器及其控制方法，该控制方法包括计算谐波失真度，谐波失真度大于第一阈值且小于第二阈值时，确定电流调制信号，结合电压调制信号和基波调制信号计算系统调制信号，谐波失真度大于第二阈值时，计算电压畸变率及对应的电压校正值，确定电流参考值并生成系统调制信号，根据系统调制信号生成PWM信号进行调节。根据本发明的方案，解决了目前当变频器中非线性功率器件承受的电压较高时，无法准确的抑制非线性功率器件输出的谐波含量的问题。

Description

三电平四象限变频器及其控制方法
技术领域
本发明一般地涉及电力电子技术领域。更具体地，本发明涉及三电平四象限变频器及其控制方法。
背景技术
目前的四象限变频器基本的主电路拓扑结构通常采用固定的单相两电平拓扑结构，并不能根据实际情况或者工况进行拓扑变换。在实际应用中，四象限变频器采用多种方式和策略来综合降低电流谐波带来的污染。
目前的分布式电源系统中，典型的控制方法主要分为两种，一种是幅相控制，另一种是双闭环矢量控制。两种控制方法均需通过锁相环跟踪网侧电压相位进行坐标变换，并结合功率控制、电压环电流环双环控制，实现对接入电网的电气量的调节。然而，现有的方式是采用功率参考值设定、功率控制、电压控制和电流控制四个控制环节，以生成对应的电压或电流参考值，从而根据该参考值进行并网点电压的调节。例如授权公告号为CN109412425B的中国发明专利中，就公开了一种带抑制直压波动的三电平-四象限变频器及控制方法，该方法中通过三电平拓扑结构，利用功率前馈的电流指令算法，并结合锁相控制的同相层叠载波以及死区控制和电压均衡的电压调制波的生成方式对变频器进行控制，以实现直压可控，功率可控，能量的双向流动，实时补偿电机运行所需的无功。
这种方式仅在针对变频器中非线性功率器件承受电压适中时，抑制电压波动，减小功率器件输出的谐波含量，但是当变频器中非线性功率器件承受的电压较高时，无法准确的抑制非线性功率器件输出的谐波含量，造成整个变频器系统的整体传输性能变差。
发明内容
为解决上述一个或多个技术问题，本发明提出通过实时计算三电平四象限变频器在运行过程中各部分的谐波失真度，并在不同的谐波失真程度下采用不同的控制策略，从而有效减小了变频器中非线性功率器件输出谐波含量，提升了系统运行的可靠性。为此，本发明在如下的多个方面中提供方案。
在第一方面中，本发明提供了一种三电平四象限变频器的控制方法，包括：获取三电平四象限变频器对应的网侧、直流侧和负载侧的电气量值，并根据所述电气量值计算谐波失真度；响应于谐波失真度大于第一阈值且小于第二阈值，根据网侧和负载侧的电气量值进行电流有功、无功分量提取，以确定电流调制信号；根据直流侧的电气量值进行电压控制以确定电压调制信号，并根据电压前馈控制算法确定基波调制信号，将电流调制信号、电压调制信号和基波调制信号叠加，以作为系统调制信号；根据所述系统调制信号生成对应的PWM信号，以对三电平四象限变频器中的开关器件进行调节；响应于谐波失真度大于第二阈值，计算电压畸变率，并根据网侧的电气量值和电压畸变率调整有功无功解耦控制策略中的超前相位角，以得到电压控制所需的相位校正值；根据电压幅值和相位校正值进行电压控制，以生成用于电流控制的电流参考值，将电流控制输出的电压调节量作为系统调制信号；根据所述系统调制信号生成对应的PWM信号，以对三电平四象限变频器中的开关器件进行调节。
在一个实施例中，所述控制方法还包括：响应于谐波失真度小于第一阈值，将网侧的电压频率和幅值的变化依次经过功率参考值设定、功率控制、电压控制和电流控制的环节，生成对应的电流参考信号以作为系统调制信号。
在一个实施例中，根据网侧和负载侧的电气量值进行电流有功、无功分量提取，以确定电流调制信号包括：利用有功无功解耦控制策略提取有功无功电流指令，并利用锁相环采集网侧的电气量值以输出电压频率和相位；对所述有功无功电流指令进行反变换并结合电压频率和相位生成三相电流指令；将三相电流指令和设定的补偿电流进行比较，并将比较结果与系统性能参数进行相乘，以得到电流调制信号。
在一个实施例中，根据直流侧的电气量值进行电压控制以确定电压调制信号包括：获取直流侧中串联的直流电容对应的两个电压信号；将两个电压信号的差值与电压参考值进行比较，以得到偏差值；将所述偏差值进行PI控制以得到电压调节信号，将所述电压调节信号作为电压调制信号。
在一个实施例中，根据电压前馈控制算法确定基波调制信号包括：将采集的网侧的三相电压进行离散傅里叶变换和反变换，以得到基波电压；对所述基波电压进行校正，以得到校正后的基波电压，根据所述校正后的基波电压生成基波调制信号。
在一个实施例中，根据网侧的电气量值和电压畸变率调整有功无功解耦控制策略中的超前相位角，以得到电压控制所需的相位校正值包括：根据锁相环采集的网侧的电压对应的相位和超前相位角计算得到电压相位调整值，其中超前相位角根据超前相位角初始值和电压畸变率计算得到；根据所述电压相位调整值调整相位，以得到相位校正值。
在一个实施例中，根据电压幅值和相位校正值进行电压控制，以生成用于电流控制的电流参考值包括：根据相位校正值计算网侧电压的相角，以根据网侧电压计算得到dq旋转坐标系下的d轴电压参考值和q轴电压参考值；对网侧实际电压的d轴分量和网侧实际电压的q轴分量进行PI控制，输出网侧的d轴电流参考值和q轴电流参考值。
在一个实施例中，将电流控制输出的电压调节量作为系统调制信号包括：根据电流参考值对网侧的实际电流进行PI控制以得到三相电压参考值。
在第二方面中，本发明还提供了一种三电平四象限变频器，包括输入电抗器、功率主电路、直流电容、输出电抗器和控制器，所述输入电抗器与电网和功率主电路连接，所述功率主电路采用三电平形式的交-直-交结构，所述功率主电路的直流侧串联有直流电容，所述输出电抗器与功率主电路的输出端连接，所述控制器与功率主电路连接，用于实现如前文一个或多个实施例中所述的三电平四象限变频器的控制方法。
本发明的有益效果在于：根据本发明的方案，可以根据变频器输出的谐波失真度进行等级划分，在不同的谐波失真程度下采用不同的控制策略生成对应的系统调制信号，有效降低了谐波污染，提升了变频器控制的准确性和可靠性，提升了变频器运行性能。同时在谐波失真度较高时，通过结合电压畸变等因素实现对变频器中功率器件的控制，有效减小了对变频器中功率器件的损坏，提升了变频器的运行可靠性。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
图1是示意性示出根据本发明的实施例的三电平四象限变频器的结构的示意图；
图2是示意性示出根据本发明的实施例的三电平四象限变频器的控制方法的流程图；
图3是示意性示出根据本发明的实施例的电流调制信号的确定方法的流程图；
图4是示意性示出根据本发明的实施例的电压调制信号和基波调制信号的确定方法的流程图；
图5是示意性示出根据本发明的实施例的电压校正值和参考信号生成方法的流程图。
具体实施方式
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。
下面结合附图来详细描述本发明的具体实施方式。
图1是示意性示出根据本发明的实施例的三电平四象限变频器的结构的示意图。
如图1所示，该三电平四象限变频器包括输入电抗器、功率主电路、直流电容、输出电抗器和控制器。输入电抗器与电网和功率主电路连接，所述功率主电路采用三电平形式的交-直-交结构。功率主电路的直流侧串联有直流电容，所述输出电抗器与功率主电路的输出端连接，所述控制器与功率主电路连接。该功率主电路中包括整流电路、滤波电路和逆变电路，滤波电路可以通过串联在整流电路输出端的直流电容实现。整流电路、逆变电路均为二极管、IGBT开关器件组成钳位式三电平全桥结构，每个桥臂的两个开关器件加入一对中性点钳位二极管，两个二极管的连接点与直流电压的中点相连。该设置中整流电路和逆变电路可以实现能量的双向流动。在实际运行过程中，能量既可以从电网流动至电机，以进行供电，也可以将电机产生的能量回馈至电网。
进一步，该变频器中还包括熔断器、LC滤波电路和预充电电路等。熔断器可以防止瞬间大电流情况发生短路。LC滤波电路由电感L和电容C组成，能量从网侧流向负载侧时，对输入的交流电流进行滤波，使其输入系统的电流平稳。
控制器通过采集三电平四象限变频器对应的网侧、直流侧和负载侧的电气量值，并结合相应的谐波失真度计算、功率控制、电压控制和电流控制，从而实现准确而有效地控制谐波含量，有效提升了三电平四象限变频器运行的可靠性。接下来将结合图1至图5详细阐述具体地控制过程。
图2是示意性示出根据本发明的实施例的三电平四象限变频器的控制方法200的流程图。
如图2所示，在步骤S201处，计算谐波失真度。获取三电平四象限变频器对应的网侧、直流侧和负载侧的电气量值，并根据所述电气量值计算谐波失真度。该电气量值可以包括并网点处采集的三相交流电压、三相交流电流、有功功率和无功功率，以及利用锁相环采集的输出电压、瞬时频率、负载电压、电流和直流分压等。在一些实施例中，谐波失真度，式中P表示信号总功率，P1表示信号基波能量，/>表示三电平四象限变频器的性能参数。
在步骤S202处，谐波失真度大于第一阈值且小于第二阈值时，确定电流调制信号。根据网侧和负载侧的电气量值进行电流有功、无功分量提取，以确定电流调制信号。在一些实施例中，可以通过功率前馈控制的电流指令算法生成相应的电流调制信号。例如可以通过提取电流有功分量和无功分量，并利用预先设定的参考值分别进行修正，然后通过PI控制过程分别确定对应的电流指令，以作为电流调制信号。
在步骤S203处，结合电压调制信号和基波调制信号计算系统调制信号。根据直流侧的电气量值进行电压控制以确定电压调制信号，并根据电压前馈控制算法确定基波调制信号，将电流调制信号、电压调制信号和基波调制信号叠加，以作为系统调制信号。
在步骤S204处，PWM信号调节。根据所述系统调制信号生成对应的PWM信号，以对三电平四象限变频器中的开关器件进行调节。由于根据调制信号生成对应的PWM信号的过程属于现有技术，此处将不再重复说明。
在步骤S205处，谐波失真度大于第二阈值时，计算电压畸变率及对应的电压校正值。响应于谐波失真度大于第二阈值，计算电压畸变率，并根据网侧的电气量值和电压畸变率调整有功无功解耦控制策略中的超前相位角，以得到电压控制所需的相位校正值。在一些实施例中，超前相位角根据以下公式计算得到：
其中，表示超前相位角，/>表示初始值，J表示电压畸变率，/>表示相位补偿参数，/>示各次谐波电压值，/>表示基波电压值。通过上述超前相位角修正对应的相位，可以将测量得到的相位减去上述超前相位角，从而得到对应的相位校正值。
在步骤S206处，确定电流参考值并生成系统调制信号。根据电压幅值和相位校正值进行电压控制，以生成用于电流控制的电流参考值，将电流控制输出的电压调节量作为系统调制信号。在一些实施例中，可以通过电压控制环节中，根据功率控制环节构造的网侧电压幅值V和相位校正值θ得到dq旋转坐标系下的d轴电压参考值Vdref和q轴电压参考值Vqref，然后对网侧实际电压的d轴分量Vd和网侧实际电压的q轴分量Vq进行PI控制，输出网侧的d轴电流参考值Idref和q轴电流参考值Iqref。
在步骤S207处，PWM信号调节。根据所述系统调制信号生成对应的PWM信号，以对三电平四象限变频器中的开关器件进行调节。
进一步，上述控制方法还包括：
响应于谐波失真度小于第一阈值，将网侧的电压频率和幅值的变化依次经过功率参考值设定、功率控制、电压控制和电流控制的环节，生成对应的电流参考信号以作为系统调制信号。
图3是示意性示出根据本发明的实施例的电流调制信号的确定方法300的流程图。
如图3所示，在步骤301处，利用有功无功解耦控制策略提取有功无功电流指令，并利用锁相环采集网侧的电气量值以输出电压频率和相位。上述方式中采用功率前馈控制方法确定电流指令。在本实施例中，还可以通过有功无功解耦控制策略进行有功无功电流指令的获取，由于该部分属于现有技术，此处将不再赘述。
在步骤S302处，对上述有功无功电流指令进行反变换并结合电压频率和相位生成三相电流指令。
在步骤S303处，将三相电流指令和设定的补偿电流进行比较，并将比较结果与系统性能参数进行相乘，以得到电流调制信号。在一些实施例中，可以将三相电流指令与设定的补偿电流进行作差，从而得到对应的差值。将该差值与系统性能参数进行相乘，可以得到对应的调节量用于生成电流调制信号。
图4是示意性示出根据本发明的实施例的电压调制信号和基波调制信号的确定方法400的流程图。
如图4所示，在步骤S401处，获取直流侧中串联的直流电容对应的两个电压信号。
在步骤S402处，将两个电压信号的差值与电压参考值进行比较，以得到偏差值。
在步骤S403处，将偏差值进行PI控制以得到电压调节信号，将所述电压调节信号作为电压调制信号。在一些实施例中，通过PI控制能够以偏差最小为目的实现电压调节过程。
在步骤S404处，将采集的网侧的三相电压进行离散傅里叶变换和反变换，以得到基波电压。
在步骤S405处，对所述基波电压进行校正，以得到校正后的基波电压，根据所述校正后的基波电压生成基波调制信号。
图5是示意性示出根据本发明的实施例的电压校正值和参考信号生成方法500的流程图。
如图5所示，在步骤S501处，根据锁相环采集的网侧的电压对应的相位和超前相位角计算得到电压相位调整值，其中超前相位角根据超前相位角初始值和电压畸变率计算得到。由于上述内容中已经说明了计算方式，此处将不再重复赘述。
在步骤S502处，根据电压相位调整值调整相位，以得到相位校正值。
在步骤S503处，根据相位校正值计算网侧电压的相角，以根据网侧电压计算得到dq旋转坐标系下的d轴电压参考值和q轴电压参考值。
在步骤S504处，对网侧实际电压的d轴分量和网侧实际电压的q轴分量进行PI控制，输出网侧的d轴电流参考值和q轴电流参考值。
在步骤S505处，根据电流参考值对网侧的实际电流进行PI控制以得到三相电压参考值。
通过上述过程，可以使网侧的实际电流的d轴分量Id对d轴电流参考值Idref进行跟踪，以及使得网侧的实际电流的q轴分量Iq对q轴电流参考值Iqref进行跟踪。同时通过PI控制得到三相电压参考值VcAref、VcBref和VcCref。
虽然本说明书已经示出和描述了本发明的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本发明思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本发明的过程中，可以采用对本文所描述的本发明实施例的各种替代方案。

Claims (4)

1.一种三电平四象限变频器的控制方法，其特征在于，包括：
获取三电平四象限变频器对应的网侧、直流侧和负载侧的电气量值，并根据所述电气量值计算谐波失真度；
响应于谐波失真度大于第一阈值且小于第二阈值，根据网侧和负载侧的电气量值进行电流有功、无功分量提取，以确定电流调制信号；
根据直流侧的电气量值进行电压控制以确定电压调制信号，并根据电压前馈控制算法确定基波调制信号，将电流调制信号、电压调制信号和基波调制信号叠加，以作为系统调制信号；
根据所述系统调制信号生成对应的PWM信号，以对三电平四象限变频器中的开关器件进行调节；
响应于谐波失真度大于第二阈值，计算电压畸变率，并根据网侧的电气量值和电压畸变率调整有功无功解耦控制策略中的超前相位角，以得到电压控制所需的相位校正值；
根据电压幅值和相位校正值进行电压控制，以生成用于电流控制的电流参考值，将电流控制输出的电压调节量作为系统调制信号；
根据所述系统调制信号生成对应的PWM信号，以对三电平四象限变频器中的开关器件进行调节；
根据网侧和负载侧的电气量值进行电流有功、无功分量提取，以确定电流调制信号包括：
利用有功无功解耦控制策略提取有功无功电流指令，并利用锁相环采集网侧的电气量值以输出电压频率和相位；
对所述有功无功电流指令进行反变换并结合电压频率和相位生成三相电流指令；
将三相电流指令和设定的补偿电流进行比较，并将比较结果与系统性能参数进行相乘，以得到电流调制信号；
根据直流侧的电气量值进行电压控制以确定电压调制信号包括：
获取直流侧中串联的直流电容对应的两个电压信号；
将两个电压信号的差值与电压参考值进行比较，以得到偏差值；
将所述偏差值进行PI控制以得到电压调节信号，将所述电压调节信号作为电压调制信号；
根据电压前馈控制算法确定基波调制信号包括：
将采集的网侧的三相电压进行离散傅里叶变换和反变换，以得到基波电压；
对所述基波电压进行校正，以得到校正后的基波电压，根据所述校正后的基波电压生成基波调制信号；
根据网侧的电气量值和电压畸变率调整有功无功解耦控制策略中的超前相位角，以得到电压控制所需的相位校正值包括：
根据锁相环采集的网侧的电压对应的相位和超前相位角计算得到电压相位调整值，其中超前相位角根据超前相位角初始值和电压畸变率计算得到；
根据所述电压相位调整值调整相位，以得到相位校正值；
根据电压幅值和相位校正值进行电压控制，以生成用于电流控制的电流参考值包括：
根据相位校正值计算网侧电压的相角，以根据网侧电压计算得到dq旋转坐标系下的d轴电压参考值和q轴电压参考值；
对网侧实际电压的d轴分量和网侧实际电压的q轴分量进行PI控制，输出网侧的d轴电流参考值和q轴电流参考值。
2.根据权利要求1所述的三电平四象限变频器的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
响应于谐波失真度小于第一阈值，将网侧的电压频率和幅值的变化依次经过功率参考值设定、功率控制、电压控制和电流控制的环节，生成对应的电流参考信号以作为系统调制信号。
3.根据权利要求1所述的三电平四象限变频器的控制方法，其特征在于，将电流控制输出的电压调节量作为系统调制信号包括：
根据电流参考值对网侧的实际电流进行PI控制以得到三相电压参考值。
4.一种三电平四象限变频器，其特征在于，包括输入电抗器、功率主电路、直流电容、输出电抗器和控制器，所述输入电抗器与电网和功率主电路连接，所述功率主电路采用三电平形式的交-直-交结构，所述功率主电路的直流侧串联有直流电容，所述输出电抗器与功率主电路的输出端连接，所述控制器与功率主电路连接，用于实现如权利要求1-3中任意一项所述的三电平四象限变频器的控制方法。
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