CN102208810A - 级联多电平有源电力滤波器分散控制*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种级联多电平有源电力滤波器分散控制***，采用中央控制器上位控制与各单链节下位控制相结合的方式，各链节为具有独立控制器的集成功率单元，更容易实现模块化和链节扩展，各链节直流电压均压和PWM调制由本链节控制器完成，简化了中央控制器的软件设计。

Description

级联多电平有源电力滤波器分散控制***

技术领域

本发明属于电力***谐波补偿技术领域，具体涉及一种级联多电平有源电力滤波器分散控制***。

背景技术

目前链式多电平变换器控制***，可以归纳为两类：①集中控制***；②分散控制***。集中控制***只含有一个中央控制器并由其承担所有的控制任务和链节脉冲宽度调制(PWM)算法。而分散控制***则由中央控制器和单链节控制器组成，其中部分控制任务和链节PWM产生算法被分配到单链节控制器完成。现有链式有源电力滤波器(APF)基本上都采用集中控制，中央控制器一般采用数字信号处理器DSP和现场可编程门阵列FPGA相结合的硬件结构，其中DSP完成APF的上层控制算法，包括直流电容均值控制、动态谐波电流控制以及链节直流电容均压控制等；FPGA完成链式APF的底层调制，负责产生所有链节的PWM脉冲。然而这种集中控制***将本可以由各链节独立完成的均压控制策略和PWM算法，都放在中央控制器完成。当装置链节数较多时，一方面中央控制器的软件设计复杂；另一方面，中央控制电路还必须实时检测每个链节的直流电容电压，大大增加了硬件电路的复杂程度。因此传统的集中控制***不利于链式APF链节数的扩展。

要发挥链式模块化结构的优势，必须研究分散控制***的设计与实现问题。文献“ Implementation and control of distributed PWM cascaded multilevel inverters with minimal harmonic di

另外，链节直流电容电压不平衡是级联多电平变换器面临的一个突出问题。许多文献对此做了深入研究。文献“A generalized control strategy of per-phase DC voltage balancing for cascaded multilevel converter-based STATCOM”，“Individual voltage balancing strategy for PWM cascaded H-Bridge converter-based STATCOM”和“Small-signtal model-based control strategy for balancing individual DC capacitor voltages in cascade multilevel inverter-based STATCOM”提出了一些新的直流电压均压算法，能取得良好效果，但这些算法需要获取各链节的直流电压，若在分散控制***中实现，必然增加控制***软、硬件的复杂程度，同时当链节数较多时，各链节直流电压采样值实时传送的时序配合也是一个难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种级联多电平有源电力滤波器分散控制***，采用中央控制器上位控制与各单链节下位控制相结合的方式，各链节为具有独立控制器的集成功率单元，更容易实现模块化和链节扩展，各链节直流电压均压和PWM调制由本链节控制器完成，简化了中央控制器的软件设计。

级联多电平有源电力滤波器分散控制***，包括中央控制器和三个单相控制单元，中央控制器分别向各单相控制单元提供调制波信号和载波同步信号；所述单相控制单元包括一个以上的单链节，单链节包含单链节控制器、IGBT驱动电路、功率变换桥和直流电压采集电路；所述单链节控制器接收来自中央控制器的调制波信号和载波同步信号，依据链节直流电压采集电路采集的直流电压对调制波信号进行修正，再利用修正后的调制波信号与载波同步信号产生脉宽调制脉冲传送给IGBT驱动电路；IGBT驱动电路在脉宽调制脉冲的作用下对功率变换桥进行控制实现对电网的谐波补偿。

进一步地，所述中央控制器包括电压外环控制模块、电流指令合成模块和电流内环控制模块；所述电压外环控制模块对单相控制单元中任一单链节采集的直流电压作反馈控制生成有功电流指令幅值I_{s_p}；所述电流指令合成模块依据电网电压相位和I_{s_p}生成有功电流指令瞬时值i_{s_p} ^*；所述电流内环控制模块对i_{s_p} ^*作反馈控制生成调制波信号v_{o_ref}。

进一步地，所述单链节控制器按照如下方式对调制波信号修正：

调制波信号v_{o_ref}＝v_{o_ref}+Δv_{on_p}，其中 $\mathrm{\&Delta;}{v}_{\mathrm{on}\_p}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&Delta;}{v_{\mathrm{on}\_p}}^{\&prime;}& i_s\&CenterDot;V_{\mathrm{dcn}\_\mathrm{err}}>0\\ -\mathrm{\&Delta;}{v_{\mathrm{on}\_p}}^{\&prime;}& i_s\&CenterDot;V_{\mathrm{dcn}\_\mathrm{err}}<0\end{array}\right.,i_s$ 为并网电流，V_{dcn_err}为本链节直流电压误差，中间微调量Δv_{on_p}′为V_{dcn_err}经比例调节P放大后，与正交电网电压相位的余弦量t相乘，再对此乘积取的绝对值。

本发明的技术效果体现在：

(1)各链节为具有独立控制器的集成功率单元，能产生PWM驱动脉冲，更容易实现模块化。

(2)各链节直流电压由本链节控制器实现“本地”控制，无需传至中央控制器，因此可节省大量中央控制器和链节控制器间的直流电压采样信号线，便于***设计和维护。

(3)各链节直流电压均压和PWM调制算法由本链节控制器完成，简化了中央控制器软件设计。

附图说明

图1为本发明控制***整体结构示意图；

图2为中央控制器结构框图；

图3为中央控制器软件流程图；

图4为单链节控制器结构框图；

图5为单链节控制器软件流程；

图6为单链节之间载波同步示意图；

图7为分散控制***组网方式示意。

具体实施方式

图1为分散控制***总体结构图，v_s为电网电压，v_c为APF桥臂输出电压，i_s为并网电流，L为连接电感。本***包含一个中央控制器和三个单相控制单元，单相控制单元又包含多个单链节，每个单链节包含单链节控制器、IGBT驱动电路、功率变换桥和直流电压采集电路，同一单相控制单元的各单链节的功率变换桥相级联。图1给出了一个单相控制单元的示例，该单元包含三个链节。控制器分为中央控制器和单链节控制器，中央控制器位于上层控制电路，而单链节控制器位于每个链节内部。中央控制器和单链节控制器之间采用光纤构成双向数据通讯链路，使得上层控制电路和各链节控制电路彼此隔离。中央控制器和单链节控制器均采用TMS320F2812型DSP作为主控设备。

图2为中央控制器控制原理框图。中央控制器按照实现的功能，可分为三个部分：电压外环控制器、电流指令合成器和电流内环控制器。也就是说，该控制***采用了电压、电流双闭环控制的结构，其中，电压外环控制器用来生成有功电流指令值，电流指令合成器将有功电流指令和谐波电流指令合成为装置输出的瞬时电流指令，电流内环控制器再对瞬时电流指令进行跟踪控制。图2所示控制***的详细工作原理如下：引入直流电压值V_dc作为反馈量来体现装置对有功的需求，V_dc与直流电容电压指令值V_dc ^*的误差经过电压调节器G_V(z)的调节后，生成有功电流指令幅值I_{s_p}，I_{s_p}乘以与电网电压同相位的单位正弦值sinωt得到有功电流指令瞬时值i_{s_p} ^*；谐波电流指令瞬时值i_{s_h} ^*与i_{s_p} ^*相加便合成了总装置输出的瞬时电流指令i_s ^*。引入装置输出电流瞬时值i_s作为反馈量与i_s ^*比较，其误差经电流环控制器作用后生成调制波信号v_{o_ref}，其中电流环控制器由比例控制器P和重复控制器G₁(z)复合而成。调制波信号v_{o_ref}将被传送至各单链节控制器。sinωt是锁相环通过对电网电压锁相得来。

图3为中央控制器软件流程图。首先，中央控制器对电网电压和输出电流进行采样并通过锁相算法获得电网电压的相位。然后，对直流电压进行比例积分(PI)调节，得到有功电流指令i_{s_p} ^*，i_{s_p} ^*与谐波电流指令i_{s_h} ^*叠加后生成总电流指令i_s ^*。i_s ^*经电流环控制器算法得到的控制量v_{o_ref}，将作为PWM调制波信号经SPI传送至各单链节控制器。

图4为单链节控制器结构框图。图4中，ωt是电网电压相位信息，由中央控制器对电网电压锁相而获得；sign是符号判断函数，用来判断某些变量的正负；abs是取绝对值运算函数，用来使微调量Δv_{on_p}始终保持为正值；v_om是最终调制信号。电网电压相位信息ωt被传送至单链节控制器无需专门配置信号传送电路，可将其合成到调制波v_{o_ref}中一起传送，这样可以简化硬件。单链节控制器对直流电容电压进行微调以实现均压，微调量Δv_{on_p}的正负方向由电压误差v_{dcn_err}的正负和相电流瞬时值i_s在指定参考方向下的正负共同决定，详见表1。

表1  均压控制调节量Δv_c，Np的选取

Tab.1  Choice of balancing control quantity，Δv_c，Np

图5为单链节控制器软件流程图。在各单链节控制器软件程序中，单链节控制器首先接收中央控制器传送过来的调制波信号v_{o_ref}。另外，单链节控制器还要对本链节的直流电压进行采样并将其传送至中央控制器。直流电压采样值在单链节控制器中由均压控制算法产生均压微调量Δv_{on_p}。v_{o_ref}和Δv_{on_p}合成而来的调节量v_om将作为最终调制波，由单极倍频SPWM算法产生本链节各IGBT的驱动信号。

图6为一相三个链节之间载波同步示意图，其中T_S为载波周期，CAPSIG1、CAPSIG2、CAPSIG3分别对应一相三个链节的载波同步信号。为确保各链节三角载波之间保持高精度且严格固定的相位差，本***采用通过中央控制器外设硬件来产生同步信号的方式来实现载波移相，即通过配置事件管理器B(EVB)中的CMPR4、CMPR5、CMPR6的数值使PWM7、PWM9、PWM11三个引脚输出三路相差1/3载波周期(T_S)的移相载波同步信号。这三路载波移相同步信号被将被传到每相各单链节控制器DSP的捕获口(CAP)来产生一个捕获中断。在各链节控制器DSP的捕获中断子程序中，启动用于产生三角载波的通用定时器计数器，就可以实现每相三个链节载波之间的移相关系。单链节控制器软件设计中，可以利用中断嵌套等方式将捕获中断的优先级设为最高，确保它不会被其它中断延迟或打断。三个链节之间的载波移相关系，完全由中央控制器硬件产生，基本上与软件无关。中央控制器的软件***，不会影响同步信号之间的精确移相关系，使得同步信号稳定且无“抖动”。

图7为本发明分散控制***组网方式示意，中央控制器通过接口电路和各链节控制器之间进行实时通讯。根据链式APF的自身特点，分散控制***采用不同的通讯方式完成不同类型数据的传送，具体分析如下：

(1)调制波信号

分散控制***由上层控制电路负责对v_s和i_s进行采样，然后由中央控制器执行直流电压和并网电流的双闭环控制，最后将计算所得的调制波信号同时发送至各链节控制器。中央控制器采用直接电流控制，调制波信号每控制载波周期(166μs)更新一次，调制波信号对通讯速率要求比较高。即中央控制器的“控制命令”必须被及时、快速地传递到各单链节控制器。否则相当于在***控制结构图前向通道中增加了一个较大的相位延迟环节。这会使分散控制***性能恶化，甚至导致***不稳定。

串行外设接口(SPI)以同步时钟为基准进行数据传送，没有复杂的帧结构，可以实现主机和从机之间的高速串行同步通讯。分散控制***采用SPI传送调制波信号。

(2)链节直流电压采样值

各链节直流电压值由本链节控制电路完成采样，采样数据一方面上传至中央控制器，实现直流电压闭环控制；另一方面传至链节控制器内部，用来实现均压算法。由于直流电压环处于外环，而且链节直流电容量往往较大(以便减少直流电压二次波动)，相当于一个大的惯性环节，因此中央控制器直流电压环调节速度可以比并网电流环调节速度慢很多。中央控制器每基波周期(20ms)调节一次直流电压。

控制器局域网络(CAN)数据帧结构的一个显著特点是数据量比较大，但通讯速率有限(最高1Mbps)。另外，CAN总线采用差分信号实现数据传送，具有较高的抗干扰性。因此采用CAN总线来传送链节直流电压采样值。

(3)载波移相同步信号

本***采用中央控制器的PWM口产生三个相互移相1/3载波周期的载波同步信号CAPSIG1、CAPSIG2、CAPSIG3，分别通过光纤传送至三个链节控制器的CAP口。当链节数比较多时，可以采用专门的逻辑芯片，如(复杂可编程逻辑控件)CPLD，来产生载波移相同步信号。这样可以确保链节之间具有稳定的移相同步关系。

Claims (3)

1.级联多电平有源电力滤波器分散控制***，包括中央控制器和三个单相控制单元，中央控制器分别向各单相控制单元提供调制波信号和载波同步信号；所述单相控制单元包括一个以上的单链节，单链节包含单链节控制器、IGBT驱动电路、功率变换桥和直流电压采集电路；所述单链节控制器接收来自中央控制器的调制波信号和载波同步信号，依据链节直流电压采集电路采集的直流电压对调制波信号进行修正，再利用修正后的调制波信号与载波同步信号产生脉宽调制脉冲传送给IGBT驱动电路；IGBT驱动电路在脉宽调制脉冲的作用下对功率变换桥进行控制实现对电网的谐波补偿。

2.根据权利要求1所述的级联多电平有源电力滤波器分散控制***，其特征在于，所述中央控制器包括电压外环控制模块、电流指令合成模块和电流内环控制模块；所述电压外环控制模块对单相控制单元中任一单链节采集的直流电压作反馈控制生成有功电流指令幅值I_{s_p}；所述电流指令合成模块依据电网电压相位和I_{s_p}生成有功电流指令瞬时值i_{s_p} ^*；所述电流内环控制模块对i_{s_p} ^*作反馈控制生成调制波信号v_{o_ref}。

3.根据权利要求1或2所述的级联多电平有源电力滤波器分散控制***，其特征在于，所述单链节控制器按照如下方式对调制波信号修正：

调制波信号v_{o_ref}＝v_{o_ref}+Δv_{on_p}，其中 $\mathrm{\&Delta;}{v}_{\mathrm{on}\_p}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&Delta;}{v_{\mathrm{on}\_p}}^{\&prime;}& i_s\&CenterDot;V_{\mathrm{dcn}\_\mathrm{err}}>0\\ -\mathrm{\&Delta;}{v_{\mathrm{on}\_p}}^{\&prime;}& i_s\&CenterDot;V_{\mathrm{dcn}\_\mathrm{err}}<0\end{array}\right.,i_s$ 为并网电流，V_{dcn_err}为本链节直流电压误差，中间微调量Δv_{on_p}′为V_{dcn_err}经比例调节P放大后，与正交电网电压相位的余弦量t相乘，再对此乘积取的绝对值。

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