[發(fā)明專利]一種混合電平三相四橋臂變流器裝置及控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611112777.2
• 申請(qǐng)日: 2016-12-07
• 公開（公告）號(hào): CN106602916B
• 公開（公告）日: 2018-10-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉芳;張杰;王付勝;洪劍峰;李飛;張興;趙文廣
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H02M7/5387
• 分類號(hào): H02M7/5387;H02M7/5395;H02M1/12;H02J3/38
• 代理公司: 合肥和瑞知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 34118
• 代理人: 王挺

1.一種混合電平三相四橋臂變流器裝置的控制方法，其中混合電平三相四橋臂變流器裝置包括：直流部分，三相四橋臂、輸出濾波電路以及負(fù)載與電網(wǎng)，其中：

所述直流部分包括分壓電容器C1和分壓電容器C2，分壓電容器C1和分壓電容器C2之間相互串聯(lián)，串聯(lián)連接點(diǎn)為O，分壓電容器C1和分壓電容器C2串聯(lián)后與直流源輸出相連接；

所述三相四橋臂包括三相三電平三橋臂和N相兩電平第四橋臂兩部分；所述三相三電平三橋臂即A相、B相、C相三電平三橋臂，包括三個(gè)并聯(lián)的T型三電平橋臂，三個(gè)T型三電平橋臂的中心點(diǎn)分別為a、b和c；所述N相兩電平第四橋臂包括一個(gè)兩電平橋臂，兩電平橋臂的中心點(diǎn)為n；三相三電平三橋臂、N相兩電平第四橋臂的直流輸入端與所述直流部分的輸出端相連接；三相三電平三橋臂、N相兩電平第四橋臂輸出端與所述輸出濾波電路的輸入端相連接；

所述輸出濾波電路包括三相濾波電感L、三相濾波電容C以及第四橋臂濾波電感L_N；三相濾波電感L的輸入端分別與三相三電平三橋臂輸出端即三個(gè)T型三電平橋臂的中心點(diǎn)a、b、c點(diǎn)相連接，三相濾波電感L的輸出端與三相濾波電容C的輸入端對(duì)應(yīng)相連接，三相濾波電容C采用星型連接，其星型中性點(diǎn)經(jīng)第四橋臂濾波電感L_N與兩電平橋臂的中心點(diǎn)n相連；輸出濾波電路的輸出端與三相電網(wǎng)、三相負(fù)載的輸入端相連接；

其特征在于，主要步驟如下：

步驟1，采樣及坐標(biāo)變換；

所述采樣包括采集以下數(shù)據(jù)：采集分壓電容器C1和分壓電容器C2上的電壓采集三相濾波電容C上的濾波電容電壓u_AN,u_BN,u_CN，采集三相濾波電感L上的橋臂側(cè)電感電流為i_LA,i_LB,i_LC，采集公共并網(wǎng)點(diǎn)電壓e_a,e_b,e_c；

所述坐標(biāo)變換包括對(duì)以下數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換：

對(duì)濾波電容電壓u_AN,u_BN,u_CN，橋臂側(cè)電感電流i_LA,i_LB,i_LC進(jìn)行單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換得到濾波電容電壓dq的分量U_cd,U_cq和橋臂側(cè)電感電流的dq分量I_Ld,I_Lq；

步驟2，根據(jù)步驟1中得到的濾波電容電壓的dq分量U_cd,U_cq，通過(guò)通用的微分離散化方程計(jì)算濾波電容電流的dq分量I_cd,I_cq；根據(jù)步驟1得到的橋臂側(cè)電感電流的dq分量I_Ld,I_Lq和濾波電容電流的dq分量I_cd,I_cq，經(jīng)過(guò)輸出電流計(jì)算方程得到輸出電流的dq分量I_od,I_oq；經(jīng)過(guò)有功功率計(jì)算方程和無(wú)功功率計(jì)算方程得到平均有功功率P和平均無(wú)功功率Q；對(duì)三相四橋臂變流器并網(wǎng)點(diǎn)公共點(diǎn)電壓e_a,e_b,e_c經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)環(huán)節(jié)得到公共點(diǎn)角頻率ω_g；

步驟2.1，計(jì)算濾波電容電流的dq分量I_cd,I_cq；

令濾波電容電壓U_cd,U_cq的離散序列為U_cd(n),U_cq(n)，濾波電容電流dq分量I_cd,I_cq的離散序列為I_cd(n),I_cq(n)，則計(jì)算濾波電容電流的通用的微分離散化方程為：

其中，C為三相濾波電容，T_s為三相四橋臂變流器采樣周期，K為離散序列點(diǎn)數(shù)，n,k為自然數(shù),即n＝0,1,2,3,4......，k＝0,1,2,3,4......；

根據(jù)上述方程求得濾波電容電流I_cd,I_cq的離散序列為I_cd(n),I_cq(n)，從而得到濾波電容電流的dq分量I_cd,I_cq；

步驟2.2，計(jì)算輸出電流的dq分量I_od,I_oq；

根據(jù)濾波電容電流的dq分量I_cd,I_cq，經(jīng)過(guò)輸出電流計(jì)算方程得到輸出電流的dq分量I_od,I_oq，所述的輸出電流計(jì)算方程為：

I_od＝I_Ld-I_cd

I_oq＝I_Lq-I_cq

步驟2.3，根據(jù)有功功率計(jì)算方程和無(wú)功功率計(jì)算方程計(jì)算平均有功功率P和平均無(wú)功功率Q；

有功功率計(jì)算方程為：

無(wú)功功率計(jì)算方程為：

其中，Q_pq為功率計(jì)算方程品質(zhì)因數(shù)，ω_h為陷波器需要濾除的諧波角頻率，s為拉普拉斯算子，τ為一階低通濾波器的時(shí)間常數(shù),h為待濾除的諧波次數(shù)；

步驟3，根據(jù)步驟2中得到的平均有功功率P、公共點(diǎn)角頻率ω_g和三相四橋臂變流器給定的有功功率指令P₀、三相四橋臂變流器給定有功功率指令P₀時(shí)的額定角頻率ω₀，經(jīng)過(guò)功角控制方程得到虛擬同步發(fā)電機(jī)的角頻率ω，對(duì)ω積分得到虛擬同步發(fā)電機(jī)的矢量角θ；根據(jù)步驟2中得到的平均無(wú)功功率Q和三相四橋臂變流器給定的無(wú)功功率指令Q₀、三相四橋臂變流器給定無(wú)功功率指令Q₀時(shí)的額定輸出電容電壓U₀，經(jīng)過(guò)無(wú)功控制方程得到虛擬同步發(fā)電機(jī)的端電壓U^*；

步驟3.1，經(jīng)過(guò)功角控制方程求虛擬同步發(fā)電機(jī)的角頻率ω：

所述功角控制方程為：

其中，ω₀為三相四橋臂變流器給定有功功率指令P₀時(shí)的額定角頻率，m為功角控制下垂系數(shù)，J為模擬同步發(fā)電機(jī)機(jī)組的虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，s為拉普拉斯算子，D₁為三相四橋臂變流器頻率反饋系數(shù)，D₂為公共點(diǎn)頻率反饋系數(shù)；

步驟3.2，對(duì)ω積分得到虛擬同步發(fā)電機(jī)的矢量角θ；

步驟3.3，經(jīng)過(guò)無(wú)功控制方程求虛擬同步發(fā)電機(jī)的端電壓U^*；

所述無(wú)功控制方程為：

U^*＝U₀+n(Q₀-Q)

其中，U₀為三相四橋臂變流器給定無(wú)功功率指令Q₀時(shí)的額定輸出電容電壓、n為無(wú)功-電壓下垂系數(shù)；

步驟4，先根據(jù)步驟3中得到的端電壓U^*和步驟1中得到的濾波電容電壓dq的分量U_cd,U_cq，通過(guò)電壓控制方程得到電流指令信號(hào)再根據(jù)電流指令信號(hào)步驟1中的橋臂側(cè)電感電流的dq分量I_Ld,I_Lq和步驟2得到的濾波電容電流的dq分量I_cd,I_cq，通過(guò)加權(quán)電流控制方程得到控制信號(hào)U_d,U_q；根據(jù)分壓電容器C1和分壓電容器C2上的電壓以及濾波電容電壓u_AN,u_BN,u_CN，經(jīng)過(guò)零序分量均衡控制方程得到第四橋臂控制信號(hào)U_N；

步驟4.1，計(jì)算電流指令信號(hào)

根據(jù)端電壓U^*和濾波電容電壓dq的分量U_cd,U_cq，通過(guò)電壓控制方程得到電流指令信號(hào)所述的電壓控制方程為:

其中，K_p為電壓環(huán)比例控制系數(shù)，K_i為電壓環(huán)積分控制系數(shù)，K_r為電壓環(huán)諧振控制器比例系數(shù)，Q_u為電壓環(huán)準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器品質(zhì)因數(shù)，ω_h為陷波器需要濾除的諧波角頻率，s為拉普拉斯算子，h為待抑制的諧波次數(shù)；

步驟4.2，計(jì)算控制信號(hào)U_d,U_q；

根據(jù)電流指令信號(hào)橋臂側(cè)電感電流的dq分量I_Ld,I_Lq和濾波電容電流的dq分量I_cd,I_cq，通過(guò)加權(quán)電流控制方程得到控制信號(hào)U_d,U_q，所述加權(quán)電流控制方程為：

其中，K_pi為電流環(huán)比例控制系數(shù)，K_ri電流環(huán)諧振控制器比例系數(shù)，ω₀為三相四橋臂變流器給定有功功率指令P₀時(shí)的額定角頻率，w₁為電感電流的權(quán)重系數(shù)，w₂為電容電流的權(quán)重系數(shù)，K_f為電壓前饋系數(shù)，Q_i為電流環(huán)準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器品質(zhì)因數(shù)，s為拉普拉斯算子；

步驟4.3，經(jīng)過(guò)零序分量均衡控制方程得到第四橋臂控制信號(hào)U_N：

所述零序分量均衡控制方程為：

其中，k₁,k₂分別為零序分量均衡控制方程的均衡控制系數(shù)，K_pN為零序分量均衡控制方程比例控制系數(shù)，K_rN為零序分量均衡控制方程準(zhǔn)諧振控制器比例系數(shù)，Q_N為零序分量均衡控制方程準(zhǔn)諧振調(diào)節(jié)器品質(zhì)因數(shù)，s為拉普拉斯算子；

步驟5，將步驟4中得到的控制信號(hào)U_d,U_q經(jīng)過(guò)單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)反變換得到三相四橋臂變流器中前三橋臂即三相三電平三橋臂控制信號(hào)U_a,U_b,U_c，再根據(jù)U_a,U_b,U_c與步驟4得到的第四橋臂控制信號(hào)U_N通過(guò)混合電平等效矢量調(diào)制算法生成開關(guān)管的PWM信號(hào)；

所述混合電平等效矢量調(diào)制算法為：

設(shè)三相四橋臂前三橋臂即三相三電平三橋臂控制信號(hào)最大值為U_max，最小值為U_min，即

則三相四橋臂變流器中A,B,C,N相的調(diào)制信號(hào)分別為：

M_N＝U_N

對(duì)得到的調(diào)制信號(hào)M_a,M_b,M_c,M_N通過(guò)載波調(diào)制策略即可得到每個(gè)功率開關(guān)管的PWM信號(hào)。