一种三电平变流器并联复合环流抑制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于平均功率控制和优化SVPWM调制的三电平变流器并联复合环流抑制方法，可以解决三相三电平并联系统中的零序环流问题。所述的复合环流抑制方法包括基于平均功率控制和优化的SVPWM调制的复合环流抑制方法，它在控制过程中通过功率均分的方法控制变流器输出电压的大小；在调制过程中引入一个调节因子来调节小矢量作用时间，使得变流器的零序占空比为零，通过优化的控制和调制方法相结合，达到抑制并联三电平变流器环流的目的，从而减小系统输出谐波，降低功率损耗，提高能源利用率及并联系统并网运行的稳定性，具有很好的可行性和实用价值。
【专利说明】
一种三电平变流器并联复合环流抑制方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种基于平均功率控制和优化SVPWM调制的三电平变流器并联复合环 流抑制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着能源与环境问题对人类社会发展的制约日益严重，新能源的开发和 环境的保护越来越受到人们的关注。随着新能源储能、电网储能、电动汽车和微电网的迅速 发展，大规模储能技术在电力系统发电侧、电网侧、用户侧均有较强的应用需求。
[0003] 由于传统的两电平逆变器的功率开关管内压等级的限制，无法满足高压大功率化 的要求。在高电压应用场合，往往需要把功率器件串联使用，这又需要额外的均压电路，导 致系统实现难度的增加。
[0004] 在这种情况下，多电平技术的出现为高压大容量电压型变换器拓扑的发展提供一 条新的思路。而三电平逆变器是多电平逆变电路中开关数量最少的，在多电平逆变器中运 用最为广泛。三电平拓扑的优点有:①开关损耗小、效率高;②开关动作时电压变化率小，弓丨 起的电磁干扰小;③谐波含量少，所需的滤波电感量小，利于降低系统成本。由此可见，三电 平拓扑结构已经成为变流器拓扑结构的热门选择。
[0005] 另一方面，随着智能电网和新能源发电技术的不断发展，建造大规模的储能环节 已经成为了一个迫切的需求。储能逆变器作为连接储能装置和电网的关键设备也受到了广 泛的重视和研究。由于受功率半导体器件功率的限制，单台功率电子变流器能够达到的功 率等级难以满足高功率等级的应用场合，因此在大功率应用场合一般将多模块的逆变器并 联起来使用，以提高系统的容量和冗余度；同时这种并联方式简单易行，便于扩容，因而受 到了广泛的研究和应用。
[0006] 虽然多模块并联运行的众多优点让其成为了大功率应用的一个方向，但是由于多 模块并联拓扑自身结构的特点，使得各相之间能量分配不平衡，且稳态运行时各桥臂间的 电压也不可能完全一致，导致变流器各相桥臂内部存在环流。而环流的存在会导致输出波 形变差、负载电流分配不均、效率降低，还可能引起输出滤波电感饱和，甚至损坏系统功率 开关等一系列的严重问题，所以多模块化并联运行的环流抑制成为了并联技术的关键问 题。
[0007] 中国专利CN201210122767.2《基于电压零矢量前馈控制的双并网逆变器并联系统 环流抑制方法》在传统PI控制法的基础上引入两个逆变器SVPWM中非零矢量占空比之差的 前馈控制，但研究对象仅为两电平逆变器并联系统，并未涉及三电平并联系统；中国专利 CN201210579045.X《基于零序电流无差拍控制的多变流器并联系统的环流抑制方法》引入 了涉及多个变流器SVPWM中零矢量及非零矢量占空比，但控制策略过于复杂；中国专利 CN201510126213.3《T型三电平光伏并网逆变器并联环流抑制和中点平衡方法》提出通过改 变小矢量的开通时间来抑制环流的控制策略，对输出电流波形有所改善，但并不能完全有 效的抑制零序环流。
【发明内容】
[0008] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于平均功率控制 和优化SVPWM调制的三电平变流器并联复合环流抑制方法，能有效解决三相三电平并联系 统中存在零序环流的问题;本发明方法能达到较好的控制并联三电平变流器环流抑制的效 果，并减小系统输出谐波，提高并联系统并网运行的稳定性，最终改善电网的利用率以及电 网质量。
[0009] 技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0010] 一种三电平变流器并联复合环流抑制方法，所述变流器为逆阻型三电平变流器， 两台变流器采用共直流和交流母线的方式并联;对每台变流器采用平均功率控制，对第一 台变流器采用优化三电平七段式空间矢量调制，对第二台变流器采用三电平七段式空间矢 量调制;第一台变流器经平均功率控制产生的电压输出作为自身优化三电平七段式空间矢 量调制的参考电压，第二台变流器经平均功率控制产生的电压输出作为自身三电平七段式 空间矢量调制的参考电压；
[0011] 所述平均功率控制基于传统的双闭环PI控制系统设计，在双闭环PI控制系统的电 流环中加入有功功率和无功功率的均分环节，通过平均有功功率和无功功率与变流器实时 有功功率和无功功率进行比较得到误差电流，将误差电流叠加进电流环，从而对输出电压 进行调节，让两台变流器输出的有功功率和无功功率一致，达到抑制环流的效果；
[0012] 所述优化三电平七段式空间矢量调制，在传统的三电平七段式空间矢量调制过程 中引入一个调节因子f，将调节因子f作用在小矢量的调制时间上，通过优化小矢量的调制 时间，来改变变流器的零序占空比，从而减小零序环流;考虑并联变流器零序环流的对称 性，仅对其中一台变流器采用优化三电平七段式空间矢量调制，另一台变流器采用三电平 七段式空间矢量调制。
[0013] 具体的，所述平均功率控制具体包括如下步骤：
[0014] (al)首先，对两台变流器输出端的线电压线电流进行采样，计算出第一台变流器 的实时有功功率和无功功率为Pi和Qi，计算出第二台变流器的实时有功功率和无功功率为 P2和Q2;然后，计算两台变流器的平均有功功率和无功功率
[0015] (a2)将平均有功功率和无功功率分别与每台变流器实时有功功率和无功功率进 行比较，得到第一台变流器的有功功率误差和无功功率误差为巧-I5和 得到第二台变流器的有功功率误差和无功功率误差为ΔΡ2 = Ρ2 -Τ5和Δ込=0 ;
[0016] (a3)将有功功率误差除以网侧电压在dq坐标系中d轴上的值ed，得到第一台变流 器的d轴误差电流
，得到第二台变流器的d轴误差电流
；将无功功率
误差除以网侧电压在dq坐标系中q轴上的值eq，得到第一台变流器的q轴误差电流为 ，得到第二台变流器的q轴误差电流为
[0017] (a4)将第一台变流器的误差电流Δ ild和Δ ilq叠加到所属电流环的d轴和q轴上， 再经过PI控制后作为自身优化三电平七段式空间矢量调制的参考电压;将第二台变流器的 误差电流Ai24PAi2q叠加到所属电流环的d轴和q轴上，再经过PI控制后作为自身三电平 七段式空间矢量调制的参考电压。
[0018] 具体的，所述优化三电平七段式空间矢量调制具体包括如下步骤：
[0019] (bl)首先，实时检测二电平七段式空间矢量调制过程中小矢量和中矢量的作用时 间，计算出第一台变流器的零序占空比
计算出第二台变流器的零序占空比
;其中，tn和t12分别为第一台变流器的小矢量和中矢量的调制时间，t 21和t22 分别为第二台变流器的小矢量和中矢量的调制时间；
[0020] (b2)对两台变流器的零序占空比做差，得出两个变流器的零序占空比差值
[0021] (b3)在第一台变流器的调制器中加入调节因子
，使得第一台变流器的七 段式每个矢量的调制时间分别为
，于是 第一台变流器的零序占空比优化
，则经过优化后的两台变流器的零 序占空比差值为A dz = 0;其中t13为第一台变流器的大矢量的调制时间。
[0022]有益效果:本发明提供的三电平变流器并联复合环流抑制方法，与现有技术相比， 具有如下优势：1、本发明采用的控制方法可以有效的解决三相三电平并联系统中存在零序 环流的问题;2、三电平结构的优点是逆变器输出的du/dt小且等效开关频率高，可以减小并 网电抗的体积，有利于模块化的堆叠设计；同时还可以降低并网逆变器的开关损耗、电抗器 损耗，从而进一步提高整体转换效率;3、本发明可以显著减小系统输出谐波，提高并联系统 并网运行的稳定性和供电可靠性。
【附图说明】
[0023]图1为本发明的系统原理框图；
[0024]图2为平均功率控制的控制框图；
[0025]图3为小扇区I中空间矢量调制开关时序图；
[0026]图4为调整后的空间矢量时序图；
[0027] 图5为加入调节因子f前后零序占空比的波形图（0.25s后）；
[0028] 图6中：（a)为抑制前的A相环流波形图；（b)为0.25s后采用平均功率控制和优化调 制后的A相环流波形图；
[0029] 图7中：（a)为抑制前的零序环流仿真波形图；（b)为0.25s后加入平均功率控制后 的零序环流仿真波形图；（c)为〇.25s后加入平均功率控制和优化调制后的零序环流仿真波 形图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0031] 如图1所示为一种三电平变流器并联复合环流抑制方法，所述变流器为逆阻型三 电平变流器，两台变流器采用共直流和交流母线的方式并联;对每台变流器采用平均功率 控制，对第一台变流器采用优化三电平七段式空间矢量调制，对第二台变流器采用三电平 七段式空间矢量调制;第一台变流器经平均功率控制产生的电压输出作为自身优化三电平 七段式空间矢量调制的参考电压，第二台变流器经平均功率控制产生的电压输出作为自身 三电平七段式空间矢量调制的参考电压。
[0032] 如图2所示为平均功率控制的控制框图，平均功率控制基于传统的双闭环PI控制 系统设计，在双闭环PI控制系统的电流环中加入有功功率和无功功率的均分环节，通过平 均有功功率和无功功率与变流器实时有功功率和无功功率进行比较得到误差电流，将误差 电流叠加进电流环，从而对输出电压进行调节，让两台变流器输出的有功功率和无功功率 一致，达到抑制环流的效果。所述平均功率控制具体包括如下步骤：
[0033] (al)首先，对两台变流器输出端的线电压线电流进行采样，计算出第一台变流器 的实时有功功率和无功功率为Pi和Qi，计算出第二台变流器的实时有功功率和无功功率为 P2和Q2;然后，计算两台变流器的平均有功功率和无功功率
[0034] (a2)将平均有功功率和无功功率分别与每台变流器实时有功功率和无功功率进 行比较，得到第一台变流器的有功功率误差和无功功率误差为-戶和Δβ ， 得到第二台变流器的有功功率误差和无功功率误差为=巧-F和Δβ2 = ? ;
[0035] (a3)将有功功率误差除以网侧电压在dq坐标系中d轴上的值ed，得到第一台变流 器的d轴误差电流
，得到第二台变流器的d轴误差电流为
；将无功功率
误差除以网侧电压在dq坐标系中q轴上的值eq，得到第一台变流器的q轴误差电流为 ，得到第二台变流器的q轴误差电流为
[0036] (a4)将第一台变流器的误差电流Δ ild和Δ ilq叠加到所属电流环的d轴和q轴上， 再经过PI控制后作为自身优化三电平七段式空间矢量调制的参考电压;将第二台变流器的 误差电流Ai 24PAi2q叠加到所属电流环的d轴和q轴上，再经过PI控制后作为自身三电平 七段式空间矢量调制的参考电压。
[0037] 在电流环的控制下，可以将每一台变流器的输出电压波动控制在最小范围内，因 此零序环流可以被有效抑制。
[0038]所述优化三电平七段式空间矢量调制，在传统的三电平七段式空间矢量调制过程 中引入一个调节因子f，将调节因子f作用在小矢量的调制时间上，通过优化小矢量的调制 时间，来改变变流器的零序占空比，从而减小零序环流;考虑并联变流器零序环流的对称 性，仅对其中一台变流器采用优化三电平七段式空间矢量调制，另一台变流器采用三电平 七段式空间矢量调制。
[0039]传统的三电平七段式空间矢量调制过程中，第n(n = l，2)台变流器的模型为：
[0041]式中：dnj e {1，ο，-1}表示第n台变流器的开关管状态，j表示相;ea，eb， ec表示电网 电压;11。"为电网中性点电压;ucl，uc2为直流侧的电容器电压；ina，i nb，inc为第η台变流器的三 相输出电流;Ln为第η台变流器的交流侧滤波电感;&，C 2为直流侧电容器;in。为第η台变流器 的直流电流。
[0044]为简化分析，采用dq坐标系变换，上述模型变换为：
[0046] 定义第η台变流器的零序环流为inz = ina+inb+in。，又由于iiz = _i2Z，因此零序环流 模型可定义为：
[0048] 其中：dlz = dla+dlb+dlc和d2z = 1+(^+(12。分别为第一台变流器和第二台变流器的 零序占空比。
[0049]因为线路阻抗可以忽略不计，因此上式可以简化为：
[0051]如图3所示为以小扇区I为例，传统三电平变流器空间矢量调制开关时序图。
[0052]优化三电平七段式空间矢量调制，在传统的三电平七段式空间矢量调制过程中引 入一个调节因子f，将调节因子f作用在小矢量的调制时间上，通过优化小矢量的调制时间， 来改变变流器的零序占空比，从而减小零序环流。
[0053]加入调节因子f后，小扇区I中空间矢量调制开关时序图如图4所示。
[0054]优化三电平七段式空间矢量调制具体包括如下步骤：
[0055] (bl)首先，实时检测二电平七段式空间矢量调制过程中小矢量和中矢量的作用时 间，计算出第一台变流器的零序占空比
计算出第二台变流器的零序占空比
嗔中，tn和t12分别为第一台变流器的小矢量和中矢量的调制时间，t21和t22 分别为第二台变流器的小矢量和中矢量的调制时间；
[0056] (b2)对两台变流器的零序占空比做差，得出两个变流器的零序占空比差值
[0057] (b3)在第一台变流器的调制器中加入调节因子.
，使得第一台变流器的七 段式每个矢量的调制时间分别为：
第一台变流器的零序占空比优化为
，则经过优化后的两台变流器的零 序占空比差值为A dz = 0 ;其中t13为第一台变流器的大矢量的调制时间。
[0058] 如图5所示为加入调节因子f前后变流器零序占空比误差的波形图（0.25s后）， Amplitude表不幅度。
[0059 ]通过仿真软件Ma 11 ab / S i mu 1 i n k对本发明所提出的拓扑和控制方法进行仿真验 证，结果如图6和图7所示，Current表示电流。由此可以看出，本发明所提出的一种三电平变 换器并联复合环流抑制方法可以有效的抑制三相三电平并联系统中存在零序环流，并显著 减小系统输出谐波，提高并联系统并网运行的稳定性和供电可靠性。
[0060]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种三电平变流器并联复合环流抑制方法，所述变流器为逆阻型三电平变流器，两 台变流器采用共直流和交流母线的方式并联;其特征在于:对每台变流器采用平均功率控 制，对第一台变流器采用优化三电平七段式空间矢量调制，对第二台变流器采用三电平七 段式空间矢量调制;第一台变流器经平均功率控制产生的电压输出作为自身优化三电平七 段式空间矢量调制的参考电压，第二台变流器经平均功率控制产生的电压输出作为自身三 电平七段式空间矢量调制的参考电压； 所述平均功率控制基于双闭环PI控制系统设计，在双闭环PI控制系统的电流环中加入 有功功率和无功功率的均分环节，通过平均有功功率和无功功率与变流器实时有功功率和 无功功率进行比较得到误差电流，将误差电流叠加进电流环，从而对输出电压进行调节，让 两台变流器输出的有功功率和无功功率一致，达到抑制环流的效果； 所述优化三电平七段式空间矢量调制，在三电平七段式空间矢量调制过程中引入一个 调节因子f，将调节因子f作用在小矢量的调制时间上，通过优化小矢量的调制时间，来改变 变流器的零序占空比，从而减小零序环流;考虑并联变流器零序环流的对称性，仅对其中一 台变流器采用优化三电平七段式空间矢量调制，另一台变流器采用三电平七段式空间矢量 调制。2. 根据权利要求1所述的三电平变流器并联复合环流抑制方法，其特征在于:所述平均 功率控制具体包括如下步骤： (al)首先，对两台变流器输出端的线电压线电流进行采样，计算出第一台变流器的实 时有功功率和无功功率为Pi和Qi，计算出第二台变流器的实时有功功率和无功功率为P2和 Q2;然后，计算两台变流器的平均有功功率和无功功率为(a2)将平均有功功率和无功功率分别与每台变流器实时有功功率和无功功率进行比 较，得到第一台变流器的有功功率误差和无功功率误差为=召-戶和Ag -g，得到 第二台变流器的有功功率误差和无功功率误差为AF2 = P2 -?5和 (a3)将有功功率误差除以网侧电压在dq坐标系中d轴上的值ed，得到第一台变流器的d AiP 轴误差电流为，得到第二台变流器的d轴误差电流为Δ& = ^ ;将无功功率误差 除以网侧电压在dq坐标系中q轴上的值eq，得到第一台变流器的q轴误差电流为， 得到第二台变流器的q轴误差电流为 &'29 (a4)将第一台变流器的误差电流△ iidPA ilq叠加到所属电流环的d轴和q轴上，再经过 PI控制后作为自身优化三电平七段式空间矢量调制的参考电压;将第二台变流器的误差电 流Δ i2d和Δ i2q叠加到所属电流环的d轴和q轴上，再经过PI控制后作为自身三电平七段式 空间矢量调制的参考电压。 3 .根据权利要求1所述的三电平变流器并联复合环流抑制方法，其特征在于:所述优化 三电平七段式空间矢量调制具体包括如下步骤： (bl)首先，实时检测二电平七段式空间矢量调制过程中小矢量和中矢量的作用时间， 计算出第一台变流器的零序占空比戈，计算出第二台变流器的零序占空比为$中，tn和t12分别为第一台变流器的小矢量和中矢量的调制时间，t 21和t22分 别为第二台变流器的小矢量和中矢量的调制时间； (b2)对两台变流器的零序占空比做差，得出两个变流器的零序占空比差值(b3)在第一台变流器的调制器中加入调节因子，使得第一台变流器的七段式 每个矢量的调制时间分别为'是第一 台变流器的零序占空比优化；IJ经过优化后的两台变流器的零序占 空比差值为A dz = O;其中t13为第一台变流器的大矢量的调制时间。
【文档编号】H02M7/493GK106026737SQ201610495576
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】赵剑锋, 杨斌, 刘梦轩, 赵志宏
【申请人】东南大学