[發(fā)明專利]模塊化多電平變流器上下橋臂功率不平衡控制方法

有效

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• 申請日: 2017-02-27
• 公開（公告）號: CN106602911B
• 公開（公告）日: 2018-10-23
• 發(fā)明（設計）人: 張興;劉萍;王付勝;劉亮;呂袆林
• 申請（專利權）人: 合肥工業(yè)大學
• 主分類號: H02M7/483
• 分類號: H02M7/483;H02M7/515
• 代理公司: 合肥和瑞知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 34118
• 代理人: 王挺

1.一種模塊化多電平變流器上下橋臂功率不平衡控制方法，所述的模塊化多電平變流器包括A、B、C三相，每相分為上橋臂和下橋臂，每個橋臂由N個帶有光伏電池的子模塊和一個電感L組成，將橋臂的第i個子模塊記為SMi，i＝1，2，3···N，其中，N＞1，即所述的模塊化多電平變流器每相含有2N個子模塊；模塊化多電平變流器系統(tǒng)含有連接直流電網(wǎng)的公共直流母線；每個子模塊由一個半橋子模塊、一個支撐電容C_SM和一組光伏電池并聯(lián)組成；每個子模塊的輸出電壓為0V或光伏電池的電壓；所述的半橋子模塊結構由兩個絕緣柵雙極型晶閘管VT₁和VT₂和兩個續(xù)流二極管D1、D2組成，絕緣柵雙極型晶閘管VT₁和VT₂串聯(lián)，VT₁的發(fā)射極與VT₂的集電極相接，續(xù)流二極管D1、D2分別反并聯(lián)在各自相對應的絕緣柵雙極型晶閘管VT₁和VT₂兩端；絕緣柵雙極型晶閘管VT₁的集電極與支撐電容C_SM和光伏電池的正極相接，絕緣柵雙極型晶閘管VT₂的發(fā)射極與支撐電容C_SM和光伏電池的負極相接；

本控制方法包括電壓和電流的采集，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，信號采集，包括：

三相交流電網(wǎng)的相電壓u_ga,u_gb,u_gc；

三相6個橋臂電流，包括A相上橋臂電流i_pa，A相下橋臂電流i_na，B相上橋臂電流i_pb，B相下橋臂電流i_nb，C相上橋臂電流i_pc，C相下橋臂電流i_nc；

直流電網(wǎng)電壓U_dc即直流母線電壓；

所有子模塊電容電壓也就是其所接光伏電池的輸出電壓，包括A相上橋臂第i個子模塊電壓u_smapi，A相下橋臂第i個子模塊電壓u_smani，B相上橋臂第i個子模塊電壓u_smbpi，B相下橋臂第i個子模塊電壓u_smbni，C相上橋臂第i個子模塊電壓u_smcpi，C相下橋臂第i個子模塊電壓u_smcni；

所有子模塊中光伏電池的輸出電流，包括A相上橋臂第i個子模塊的光伏電池的輸出電流i_pvapi，A相下橋臂第i個子模塊的光伏電池的輸出電流i_pvani，B相上橋臂第i 個子模塊的光伏電池的輸出電流i_pvbpi，B相下橋臂第i個子模塊的光伏電池的輸出電流i_pvbni，C相上橋臂第i個子模塊的光伏電池的輸出電流i_pvcpi，C相下橋臂第i個子模塊的光伏電池的輸出電流i_pvcni；

流入電網(wǎng)的三相電流i_ga,i_gb,i_gc分別由i_ga＝i_pa-i_na,i_gb＝i_pb-i_nb,i_gc＝i_pc-i_nc得到；三相橋臂環(huán)流i_diffa,i_diffb,i_diffc分別由式得到；

步驟2，通過模塊化多電平變流器6個橋臂的各子模塊的平均輸出功率指令分別求出6個橋臂的平均輸出功率指令并通過該6個橋臂的平均輸出功率指令，求出A、B、C三相各自的子模塊總平均輸出功率指令和三相所有子模塊的總平均輸出功率值指令具體步驟如下：

步驟2.1，求6個橋臂的各子模塊的平均輸出功率指令其過程為：

將采集到的A相上橋臂第i個子模塊電壓u_smapi與光伏電池的輸出電流i_pvapi送到其最大功率點跟蹤控制器即MPPT控制器并輸出子模塊電壓指令將采集到的A相上橋臂第i個子模塊電壓u_smapi經(jīng)過陷波器和一階低通濾波器，得到處理后的子模塊電壓平均值u_smapiL，與子模塊電壓指令的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到的值作為該子模塊的參考輸出電流值再與u_smapiL相乘得到子模塊平均輸出功率指令

將采集到的A相下橋臂第i個子模塊電壓u_smani與光伏電池的輸出電流i_pvani送到其最大功率點跟蹤控制器即MPPT控制器并輸出子模塊電壓指令將采集到的A相下橋臂第i個子模塊電壓u_smani經(jīng)過陷波器和一階低通濾波器，得到處理后的子模塊電壓平均值u_smaniL，與子模塊電壓指令的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到的值作為該子模塊的參考輸出電流值再與u_smaniL相乘得到子模塊平均輸出功率指令

將采集到的B相上橋臂第i個子模塊電壓u_smbpi與光伏電池的輸出電流i_pvbpi送到其最大功率點跟蹤控制器即MPPT控制器并輸出子模塊電壓指令將采集到的B相上橋臂第i個子模塊電壓u_smbpi經(jīng)過陷波器和一階低通濾波器，得到處理后的子模塊電壓平均值u_smbpiL，與子模塊電壓指令的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到的值作為該子模塊的參考輸出電流值再與u_smbpiL相乘得到子模塊平均輸出功率指令

將采集到的B相下橋臂第i個子模塊電壓u_smbni與光伏電池的輸出電流i_pvbni送到其最大功率點跟蹤控制器即MPPT控制器并輸出子模塊電壓指令將采集到的B相下橋臂第i個子模塊電壓u_smbni經(jīng)過陷波器和一階低通濾波器，得到處理后的子模塊電壓平均值u_smbniL，與子模塊電壓指令的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到的值作為該子模塊的參考輸出電流值再與u_smbniL相乘得到子模塊平均輸出功率指令

將采集到的C相上橋臂第i個子模塊電壓u_smcpi與光伏電池的輸出電流i_pvcpi送到其最大功率點跟蹤控制器即MPPT控制器并輸出子模塊電壓指令將采集到的C相上橋臂第i個子模塊電壓u_smcpi經(jīng)過陷波器和一階低通濾波器，得到處理后的子模塊電壓平均值u_smcpiL，與子模塊電壓指令的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到的值作為該子模塊的參考輸出電流值再與u_smcpiL相乘得到子模塊平均輸出功率指令

將采集到的C相下橋臂第i個子模塊電壓u_smcni與光伏電池的輸出電流i_pvcni送到其最大功率點跟蹤控制器即MPPT控制器并輸出子模塊電壓指令將采集到的C相下橋臂第i個子模塊電壓u_smcni經(jīng)過陷波器和一階低通濾波器，得到處理后的子模塊電壓平均值u_smcniL，與子模塊電壓指令的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到的值作為該子模塊的參考輸出電流值再與u_smcniL相乘得到子模塊平均輸出功率指令

其計算式分別為：

A相上橋臂第i個子模塊電壓平均值u_smapiL、參考輸出電流值與平均輸出功率指令的計算式為：

A相下橋臂第i個子模塊電壓平均值u_smaniL、參考輸出電流值與平均輸出功率指令的計算式為：

B相上橋臂第i個子模塊電壓平均值u_smbpiL、參考輸出電流值與平均輸出功率指令的計算式為：

B相下橋臂第i個子模塊電壓平均值u_smbniL、參考輸出電流值與平均輸出功率指令的計算式為：

C相上橋臂第i個子模塊電壓平均值u_smcpiL、參考輸出電流值與平均輸出功率指令的計算式為：

C相下橋臂第i個子模塊電壓平均值u_smcniL、參考輸出電流值與平均輸出功率指令的計算式為：

式中的h為陷波器需要濾除的諧波次數(shù)、ω_h為陷波器需要濾除的諧波角頻率、Q為陷波器的品質(zhì)因數(shù)、τ為一階低通濾波器的時間常數(shù)、s為拉普拉斯算子、為對所有數(shù)值下標“h”涉及到的方程式進行求積，K_up為比例控制系數(shù)、K_ui為積分控制系數(shù)；

步驟2.2，通過步驟2.1得到的6個橋臂的各子模塊的平均輸出功率指令分別求出6個橋臂的平均輸出功率指令

步驟2.3，通過步驟2.2得到的6個橋臂的平均輸出功率指令，求出A、B、C三相各自的子模塊總平均輸出功率指令和三相所有子模塊的總平均輸出功率值指令

步驟3，能量分配控制；

根據(jù)系統(tǒng)調(diào)配指令獲取直流電網(wǎng)輸出功率指令和三相交流電網(wǎng)有功輸出功率指令進而獲取三相交流電網(wǎng)有功電流i_d的指令值和三相橋臂零序環(huán)流i_diffa0,i_diffb0,i_diffc0的指令值所述的三相橋臂零序環(huán)流i_diffa0,i_diffb0,i_diffc0為三相橋臂環(huán)流i_diffa,i_diffb,i_diffc的零序分量；

設三相交流電網(wǎng)電壓u_ga,u_gb,u_gc,和三相交流電網(wǎng)電流i_ga,i_gb,i_gc,分別為：

式中，U_m,I_m分別為三相交流電網(wǎng)電壓和電流的峰值，為三相交流電網(wǎng)功率因數(shù)；

設i_q為無功電流，為i_q的參考值，令電網(wǎng)有功電流i_d的指令值獲取方式為：

三相橋臂零序環(huán)流i_diffa0,i_diffb0,i_diffc0的指令值的獲取方式為：

式中，分別為A、B、C三相橋臂從直流側吸收的功率指令值，式中0≤α≤1，α由系統(tǒng)調(diào)度指令得到；

令三相功率對稱，即A、B、C三相各自的子模塊總平均輸出功率指令相等，則三相橋臂零序環(huán)流的指令值通過下式獲得：

式中，

步驟4，根據(jù)上下橋臂功率差值獲取三相橋臂基頻環(huán)流i_diffa1,i_diffb1,i_diffc1的指令值所述的三相橋臂基頻環(huán)流i_diffa1,i_diffb1,i_diffc1為三相橋臂環(huán)流i_diffa,i_diffb,i_diffc的基頻分量；為使i_diffa1,i_diffb1,i_diffc1環(huán)流幅值最小，令三相橋臂基頻環(huán)流指令值的參考相位與三相交流電網(wǎng)相電壓u_ga,u_gb,u_gc,一致，因此，三相橋臂基頻環(huán)流的指令值的峰值獲取方式為：

則對應步驟3所述三相交流電網(wǎng)相電壓u_ga,u_gb,u_gc,的三相橋臂基頻環(huán)流指令值為：

當為負時，表示電流方向與u_ga,u_gb,u_gc,相反；

步驟5，三相交流電網(wǎng)的功率控制；

步驟5.1，對步驟3中得到的三相交流電網(wǎng)電流i_ga,i_gb,i_gc,進行跟蹤控制，具體的，先根據(jù)步驟1中采集得到的三相交流電網(wǎng)電壓u_ga,u_gb,u_gc，經(jīng)軟件鎖相環(huán)PLL得到三相交流電網(wǎng)電壓的dq分量u_gd,u_gq和相角θ_g，然后令三相交流電網(wǎng)對稱時U_m＝u_gd,u_gq＝0，再將得到的i_ga,i_gb,i_gc經(jīng)abc/dq坐標變換得到基于三相交流電網(wǎng)相角θ_g定向的三相交流電網(wǎng)電流i_ga,i_gb,i_gc的dq分量i_d,i_q；

步驟5.2，根據(jù)步驟3得到的有功電流指令值以及系統(tǒng)無功指令值與i_d,i_q作差后經(jīng)PI控制方程式得到三相電感電壓的dq分量，其方程式為：

上式中的K_p為比例控制系數(shù)、K_i為積分控制系數(shù)；

步驟5.3，先將步驟5.2得到的u_dl,u_ql經(jīng)dq/abc坐標變換得到基于電網(wǎng)相角θ_g定向的三相交流電感電壓的u_al,u_bl,u_cl，再將三相交流電感電壓u_al,u_bl,u_cl與三相交流電網(wǎng)電壓u_ga,u_gb,u_gc分別相加得到三相交流輸出電壓參考值

步驟6，橋臂環(huán)流的控制；

三相橋臂環(huán)流指令值由步驟3所述的三相橋臂零序環(huán)流指令值與步驟4所述的三相橋臂基頻環(huán)流指令值組成：

所述環(huán)流指令值與步驟1所述的三相橋臂環(huán)流i_diffa,i_diffb,i_diffc作差后經(jīng)PI控制方程式得到A、B、C三相的橋臂電感電壓參考值，其計算式為：

式中的K_ip為比例控制系數(shù)、K_ii為積分控制系數(shù)；

步驟7，根據(jù)步驟 5得到的三相交流輸出電壓參考值步驟6中得到的橋臂電感電壓參考值和步驟1中采樣得到的直流電壓U_dc生成6個橋臂的調(diào)制波：

先得到6個橋臂輸出電壓參考值，其表達式為：

然后得6個橋臂調(diào)制波，其表達式為：

6個橋臂調(diào)制波與各橋臂子模塊的載波信號分別比較，得到每個子模塊的PWM開關信號，在所述載波分配調(diào)制策略中采用按如下載波移相方式產(chǎn)生三角載波信號：

設定每相上橋臂N個子模塊對應的三角載波信號依次對應CP₁，CP₂，CP₃，…，CP_N，相鄰的三角載波間隔相位為1/N，每相下橋臂N個子模塊對應的三角載波信號依次對應CN₁，CN₂，CN₃，…，CN_N，相鄰的三角載波間隔1/N，下橋臂與上橋臂的對應相同序號的三角波信號間隔1/(2N)，所有三角載波信號的峰值均為1，幅值為0-1，變流器的三相輸出電壓可達2N+1電平；

各橋臂的調(diào)制波與對應橋臂子模塊的三角載波信號比較，當調(diào)制波大于等于三角載波時，對應子模塊的PWM信號為1，令該子模塊絕緣柵雙極型晶閘管VT₁導通，絕緣柵雙極型晶閘管VT₂關閉，此時該子模塊輸出電壓為光伏電池的電壓；當調(diào)制波小于三角載波時，對應子模塊的PWM信號為0，令該子模塊的絕緣柵雙極型晶閘管VT₁關閉，絕緣柵雙極型晶閘管VT₂導通，此時該子模塊輸出電壓為0。