CN104022668A - 基于准比例谐振控制的三相npc并网逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力电子运用领域，具体涉及一种基于准比例谐振控制的三相NPC并网逆变器。本发明基于准比例谐振控制的三相NPC并网逆变器由主电路模块和控制模块组成，主电路模块实现电能并入电网，控制模块采用电压外环和电流内环的双闭环结构，实现对进网电流的瞬态跟踪。与传统的PI控制相比，本发明提出的一种基于准比例谐振控制的NPC并网逆变器简化了控制***的结构，提高了控制***的稳定性，同时也实现了中点电位的平衡。

Description

基于准比例谐振控制的三相NPC并网逆变器
技术领域
本发明属于电力电子运用领域，涉及一种逆变器，具体涉及一种基于准比例谐振控制的三相NPC并网逆变器。
背景技术
能源危机已成为制约当前经济社会发展的主导因素之一，太阳能等绿色能源得到越来越多的重视，然而只有当输出的电能真正并入电网时才能最大程度地缓解能源紧张和抑制环境污染。并网逆变器作为发电***中与电网接口的设备起着至关重要的作用。与传统的两电平逆变器相比，三电平中性点箝位式(NeutralPointClamped，NPC)逆变器由于不存在动态均压问题、无需额外的器件就可实现静态电压均衡、具有很低的THD和dv/dt等特性在中压大功率传动***中得到了广泛的应用。
三电平NPC逆变器直流侧电容中点电压会随着逆变器运行条件的改变而发生偏移，如果中点电压偏移过多，则会造成电压的分布不均，从而导致增大逆变器输出电压的THD，甚至会过早地损坏开关器件，因此对于三电平逆变器而言，中点电压控制不可忽视。
传统d-q坐标系下的PI控制虽能较好地改善并网逆变***的性能，但无法做到无静差地跟踪正弦指令信号，很难消除稳态误差。对于电网中存在的各低次谐波采用PI控制补偿起来相当的复杂，不易实现。
发明内容
针对传统d-q坐标系下PI控制并网逆变器无法实现交流信号的无静差跟踪的问题，本发明提出了一种基于准比例谐振控制的三相NPC并网逆变器，简化控制***的结构，增强***的抗电网频率偏移能力。
为实现上述目的，本发明具体技术方案如下，基于准比例谐振控制的三相NPC并网逆变器，包括主电路模块和控制模块；其中主电路模块由中性点箝位式逆变器和LC滤波模块串联组成，实现电能并入电网；主电路模块的输入端与直流电源相连，输出端与电网相连；控制模块采用电压外环和电流内环的双闭环结构，实现对进网电流的瞬态跟踪，包括：直流侧电容电压检测模块、网侧电压检测模块、网侧电流检测模块、Clark变换模块、Park逆变换模块、三相锁相环模块、直流电压外环PI控制器模块、电流内环准比例谐振控制器模块、空间矢量脉宽调制模块和中点平衡模块；直流侧电容电压检测模块输入端与逆变器的输入端相连，输出端与直流电压外环PI控制器模块输入端和中点平衡模块输入端相连；网侧电压检测模块输入端与LC滤波模块的输出端相连，输出端与三相锁相环模块相连；网侧电流检测模块输入端和LC滤波模块的输出端相连，输出端与Clark变换模块相连；三相锁相环模块输出端和直流电压外环PI控制器模块输出端与Park逆变换模块相连；Park逆变换模块和Clark变换模块的输出端与电流内环准比例谐振控制器模块相连；电流内环准比例谐振控制器模块输出端和中点平衡模块输出端与空间矢量脉宽调制模块相连；空间矢量脉宽调制模块输出端与中性点箝位式逆变器的脉冲输入端相连。
进一步地，通过上述直流电压外环PI控制器模块实现直流电压的无静差控制。
进一步地，通过上述电流内环准比例谐振控制器模块对基波电流以及需要补偿的各次谐波电流进行无静差跟踪。
与传统的PI控制相比，本发明提出的一种基于准比例谐振控制的NPC并网逆变器简化了控制***的结构，提高了控制***的稳定性，同时也实现了中点电位的平衡。
附图说明
图1是基于准比例谐振控制的三相NPC并网逆变器的结构框图。
图2是基于准比例谐振控制的三相NPC并网逆变器的原理图。
图3是三电平NPC逆变器主电路的原理图。
图4是三相NPC逆变器中点平衡原理图。
图5是三相NPC并网逆变器谐波补偿原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明作进一步描述。
图1是基于准比例谐振控制的三相NPC并网逆变器的结构框图。基于准比例谐振控制的三相NPC并网逆变器包括主电路模块和控制模块；主电路模块由中性点箝位式逆变器和LC滤波模块串联组成，实现电能并入电网，主电路模块的输入端与直流电源相连，输出端与电网相连；控制模块采用电压外环和电流内环的双闭环结构，实现对进网电流的瞬态跟踪，包括：直流侧电容电压检测模块、网侧电压检测模块、网侧电流检测模块、Clark变换模块、Park逆变换模块、三相锁相环模块、直流电压外环PI控制器模块、电流内环准比例谐振控制器模块、空间矢量脉宽调制模块和中点平衡模块；直流侧电容电压检测模块输入端与逆变器的输入端相连，输出端与直流电压外环PI控制器模块输入端和中点平衡模块输入端相连；网侧电压检测模块输入端与LC滤波模块的输出端相连，输出端与三相锁相环模块相连；网侧电流检测模块输入端和LC滤波模块的输出端相连，输出端与Clark变换模块相连；三相锁相环模块输出端和直流电压外环PI控制器模块输出端与Park逆变换模块相连；Park逆变换模块和Clark变换模块的输出端与电流内环准比例谐振控制器模块相连；电流内环准比例谐振控制器模块输出端和中点平衡模块输出端与空间矢量脉宽调制模块相连；空间矢量脉宽调制模块输出端与中性点箝位式逆变器的脉冲输入端相连。
图2是基于准比例谐振控制的三相NPC并网逆变器的原理图。逆变器并网运行时，采样三相电网电压的瞬时值uga,ugb,ugc，通过三相锁相环进行锁相，获得瞬时电网电压的频率和相位信号，以此作为并网电流频率和相位的参考值；同时采样三相并网电流ia,ib,ic，通过Clark变换得到α轴和β轴分量iα和iβ；采样直流侧电容两端电压udc，与直流电压给定值udc*相减后经过PI调节器得到d轴电流id*，与给定电流iq*经过Park逆变换后，得到α轴和β轴分量iα*和iβ*。采样直流侧两电容电压，将两电压的差值与给定值作比较，经PI调节后得到调整因子k，以改变正负小矢量的作用时间，以实现对NPC逆变器中点电位的控制。电压外环输出的瞬时电流的α轴和β轴分量iα*和iβ*与瞬时电网电流的α轴和β轴分量iα和iβ通过准PR控制再经过空间矢量脉宽调制模块得到开关管的驱动信号，最终实现对给定电流的无静差跟踪。
图3是三电平NPC逆变器主电路的原理图。图中每相桥臂由带有反并联二极管的四个有源开关组成，逆变器直流侧的两个电容给出了中点，连接到中点的两个二极管为箝位二极管。当每相桥臂的中间两个开关导通时，逆变器输出端通过其中一个箝位二极管连接到中点，每个直流电容上的电压通常为总直流电压的一半，中点电流对电容充放电会使中点电压产生偏移。逆变器输入端与直流电源相连，输出端通过LC滤波器与电网相连。
图4是三相NPC逆变器中点平衡原理图。图中采样直流侧上下两容的电压并作差值，将偏差电压与给定值0输入到PI调节器得到调整因子k,通过调整因子k改变正负小矢量的作用时间，最终实现对NPC逆变器中点电位的平衡。
图5是三相NPC并网逆变器谐波补偿原理图。准PR控制的传递函数为：式中比例系数kp起减小稳态误差的作用，积分系数ki主要影响控制***的比例增益，谐振频率ω0通常设为基波频率，截止频率ωc主要影响控制器的带宽。在准PR控制的基础上叠加n次谐波补偿器，使得谐波的补偿项在相应的频率点发生谐振，从而使控制***只在基波点和需要补偿的谐波点的增益较大，而在其它频段处增益几乎为零。即可实现对n次谐波的补偿。本实施例主要针对电网中存在的3、5、7次谐波进行了补偿，将准PR控制传递函数中基波频率分别设置3ω0、5ω0和7ω0即可得到3、5、7次谐波补偿模块，将其叠加到准PR控制器上，即可得到带有3、5、7次谐波补偿功能。

Claims (3)

1.一种基于准比例谐振控制的三相NPC并网逆变器，其特征在于，包括主电路模块和控制模块；所述主电路模块由中性点箝位式逆变器和LC滤波模块串联组成，实现电能并入电网；主电路模块的输入端与直流电源相连，输出端与电网相连；所述控制模块采用电压外环和电流内环的双闭环结构，实现对进网电流的瞬态跟踪，包括：直流侧电容电压检测模块、网侧电压检测模块、网侧电流检测模块、Clark变换模块、Park逆变换模块、三相锁相环模块、直流电压外环PI控制器模块、电流内环准比例谐振控制器模块、空间矢量脉宽调制模块和中点平衡模块；直流侧电容电压检测模块输入端与逆变器的输入端相连，输出端与直流电压外环PI控制器模块输入端和中点平衡模块输入端相连；网侧电压检测模块输入端与LC滤波模块的输出端相连，输出端与三相锁相环模块相连；网侧电流检测模块输入端和LC滤波模块的输出端相连，输出端与Clark变换模块相连；三相锁相环模块输出端和直流电压外环PI控制器模块输出端与Park逆变换模块相连；Park逆变换模块和Clark变换模块的输出端与电流内环准比例谐振控制器模块相连；电流内环准比例谐振控制器模块输出端和中点平衡模块输出端与空间矢量脉宽调制模块相连；空间矢量脉宽调制模块输出端与中性点箝位式逆变器的脉冲输入端相连。
2.如权利要求1所述的基于准比例谐振控制的三相NPC并网逆变器，其特征在于：通过所述直流电压外环PI控制器模块实现直流电压的无静差控制。
3.如权利要求1所述的基于准比例谐振控制的三相NPC并网逆变器，其特征在于：通过所述电流内环准比例谐振控制器模块对基波电流以及需要补偿的各次谐波电流进行无静差跟踪。
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