CN105703650B - 一种采用shepwm的多台t型三电平逆变器并联控制方法 - Google Patents

一种采用shepwm的多台t型三电平逆变器并联控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用SHEPWM的多台T型三电平逆变器并联控制方法，包括以下步骤：根据需要消除的谐波次数的个数确定每个周期的开关角个数；基于多目标粒子群优化方法求解特定谐波消除脉宽调制的开关角度，生成相应的特定谐波消除脉宽调制信号；采集T型三电平逆变器并联***的中点电压和零序环流；设定时序，按照设定时序根据中点电压或零序环流对特定谐波消除脉宽调制信号进行小矢量控制，对特定谐波消除脉宽调制信号进行改写。本发明按照设定好的时序对中点电压或零序环流进行控制。由于多台逆变器中点相连，所以某一时刻只要控制好其中任意一台逆变器的中点电压，***中点电压就平衡。

Description

一种采用SHEPWM的多台T型三电平逆变器并联控制方法
技术领域
本发明涉及一种采用SHEPWM的多台T型三电平逆变器并联控制方法。
背景技术
伴随着光伏发电***在内的分布式能源大规模接入低压配电网，电网对并网逆变器输出电流波形质量提出更高的要求，传统两电平并网逆变器很难满足大电网高电能质量要求。T型三电平并网逆变器的出现解决了上述问题，如图2所示，和传统两电平相比，该逆变器具有谐波小、开关损耗低、电磁干扰小等优点；和传统二极管钳位型三电平逆变器相比，该逆变器具有开关数目少、导通损耗小和功率损耗均匀等优点；且T型三电平逆变器开关频率在4kHz到30kHz之间效率最高。因此T型三电平逆变器已经广泛应用到光伏发电和微电网等分布式发电场合，但是容量一直是制约其快速发展的瓶颈。
多机T型三电平并网逆变器的并联能够增加***容量、可靠性和效率，已经成为大功率分布式发电的重要选择，但是模块之间硬件不匹配、死区时间以及控制算法执行时间等差别会产生环流。环流会增加***损耗和引起并网电流畸变，严重影响IGBT开关管的寿命，因此研究并联T型三电平逆变器的环流抑制意义重大。
相比于正弦脉宽调制(SPWM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)调制，特定谐波消除法(SHEPWM)具有开关频率低、开关损耗小、输出电压质量好及损耗小等一系列优点，适用于大功率场合，是一种电力电子领域中经常用来消除低次谐波的调制方法。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种采用SHEPWM的多台T型三电平逆变器并联控制方法，本发明对三电平逆变器并联***的关键技术进行了研究，针对逆变器直流侧的中点电压平衡问题进行详细的分析，针对SHEPWM和T型三电平逆变器并联的优点，提出一种适用于多台T型三电平逆变器并联***的新型SHEPWM方法。***由传统SHEPWM相关公式计算出开关角度，然后在传统三相SHEPWM的调制后增加了一个小矢量替换***。并联***中逆变器按照设定好的时序对中点电压或零序环流进行控制。由于多台逆变器中点相连，所以某一时刻只要控制好其中任意一台逆变器的中点电压，***中点电压就平衡。此时其余逆变器通过测量输出电流计算出零序环流并加以控制。所提出的方法不影响逆变器输出的线电压波形，所以具有和传统SHEPWM相同的消除低次谐波的功能，且可以有效抑制环流，能使T型三电平逆变器并联***稳定高效运行。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种采用SHEPWM的多台T型三电平逆变器并联控制方法，包括以下步骤：
(1)根据需要消除的谐波次数的个数确定每个周期的开关角个数；
(2)基于多目标粒子群优化方法求解特定谐波消除脉宽调制的开关角度，生成相应的特定谐波消除脉宽调制信号；
(3)采集T型三电平逆变器并联***的中点电压和零序环流；
(4)设定时序，按照设定时序根据中点电压或零序环流对特定谐波消除脉宽调制信号进行小矢量控制，对特定谐波消除脉宽调制信号进行改写。
所述步骤(1)中，每四分之一个周期中的开关角个数为需要消去的谐波次数加1。
如果要消除N-1个特定的谐波分量，则要设置N个开关角，就能构成N个独立的方程，从而在选择基波幅值的同时，还可以消除N-1个希望消除的谐波分量。
所述步骤(2)中，采用多目标粒子群优化(MOPSO)算法求解三电平特定谐波消除脉宽调制开关角。
所述步骤(4)中，设定并联***周期为T，当n台逆变器并联运行时，并联***每个周期T内：第i台逆变器在(i-1)T/n～iT/n时间段内负责控制中点电压，在其他时段负责控制零序环流。
所述步骤(4)中，控制中点电压时，若T型三电平逆变器的中点电压在阈值范围内，则不改变T型三电平逆变器，使其直接进入三电平逆变器，否则将开关状态修改为小矢量信号，对特定谐波消除脉宽调制信号进行改写。
进一步的，所述步骤(4)中，中点电压的绝对值大于中点电压阈值时，若中点电压大于零，开关状态被改变为N型小矢量；若中点电压小于零，开关状态被改变为P型小矢量，当中点电压的绝对值小于中点电压阈值时，开关状态不改变。
所述步骤(4)中，控制零序环流时，若零序环流超过阈值范围，若零序环流大于零，开关状态被改变为N型小矢量，若零序环流小于零，开关状态被改变为P型小矢量，若零序环流在阈值范围内，开关状态不改变。
一种采用SHEPWM的多台T型三电平逆变器并联控制方法，包括特定谐波消除脉宽调制信号发生器、小矢量控制器、开关组、PWM信号发生器和T型三电平逆变器并联***，其中，T型三电平逆变器并联***，包括多个T型三电平逆变器，所有T型三电平逆变器共用交直流母线，彼此并联；
所述特定谐波消除脉宽调制信号发生器输出特定谐波消除脉宽调制信号给开关组，所述小矢量控制器采集T型三电平逆变器并联***的中点电压和零序环流，根据设定的时序，分别对中点电压和零序环流进行控制，判断其是否在各自的设定阈值内；根据中点电压和零序环流的大小，确认是否对特定谐波消除脉宽调制信号进行改写，通过PWM信号发生器生成控制信号，控制T型三电平逆变器并联***的开关器件。
进一步的，所述小矢量控制器根据中点电压进行判断，若中点电压在设定阈值范围内，则不改变开关组的状态，使特定谐波消除脉宽调制信号通过PWM信号发生器生成控制信号，控制T型三电平逆变器并联***的开关器件；
若中点电压不在设定阈值范围内，小矢量控制器改变开关组状态，使特定谐波消除脉宽调制信号改变成为小电压矢量，通过PWM信号发生器生成控制信号，控制T型三电平逆变器并联***的开关器件。
所述中点电压为T型三电平逆变器的直流侧两个并联电容之间的电压差值的一半。
所述中点电压的绝对值大于中点电压阈值时，若中点电压大于零，开关状态被改变为N型小矢量；若中点电压小于零，开关状态被改变为P型小矢量。
所述小矢量控制器根据零序环流控制时，若零序环流超过阈值范围，若零序环流大于零，开关状态被改变为N型小矢量，若零序环流小于零，开关状态被改变为P型小矢量，若零序环流在阈值范围内，开关状态不改变。
本发明的有益效果为：
(1)本发明中SHEPWM控制方式可以将中点电压限定在一个更小的波动区域，中点电压偏离平衡点时迅速使其恢复平衡，和传统SHEPWM对特定谐波消除的能力基本相同。
(2)本发明中采用SHEPWM的T型三电平逆变器并联***具备三电平拓扑谐波含量小、***效率高的优点，还兼具了并联***可维护性好、冗余性高、便于扩容的优势。
(3)本发明中采用SHEPWM的T型三电平逆变器并联***很好的解决了环流抑制问题和中点电压平衡问题。
附图说明
图1为多台三电平逆变器并联***拓扑图；
图2为三电平逆变器拓扑图；
图3为三电平逆变器SHEPWM的典型波形；
图4为小矢量对中点电压的影响示意图；
图5(a)为大电压矢量[PPN]对三电平逆变器中点电压影响示意图，
图5(b)为中电压矢量[PON]对三电平逆变器中点电压影响示意图；
图5(c)为零电压矢量[PPP]对三电平逆变器中点电压影响示意图；
图5(d)为P型小电压矢量[POO]对三电平逆变器中点电压影响示意图；
图5(e))为N型小电压矢量[ONN]对三电平逆变器中点电压影响示意图；
图6为所提出特定谐波消除法在T型三电平逆变器中中点电压的控制原理；
图7为所提出特定谐波消除法在T型三电平逆变器中中点电压的控制流程图；
图8为所提出特定谐波消除法在T型三电平逆变器中零序电流的控制原理；
图9为所提出特定谐波消除法在T型三电平逆变器中零序电流的控制流程图；
图10为三台逆变器并联***网侧电压和输出电流；
图11(a)是第一台逆变器的仿真结果；
图11(b)是第二台逆变器的仿真结果；
图11(c)是第三台逆变器的仿真结果；
图12为逆变器输出电压仿真结果的谐波分析；
图13(a)是第一台逆变器的仿真结果，其中实线代表上侧电容电压值，虚线代表下侧电容电压值(下同)；
图13(b)是第二台逆变器的仿真结果；
图13(c)是第三台逆变器的仿真结果；
图14为三台逆变器各自零序电流的仿真结果。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，三电平逆变器并联***拓扑图如图1所示，多台逆变器共享交直流母线，P、N为并联***的正负母线；A、B、C为并联***的三相并网点；aj、bj、cj为逆变器输出的交流端，Cj1、Cj2为与直流侧并联的两个电容，中点为Zj，***采用L滤波器，滤波电感为Li，零序电流为izj，imj为第j台逆变器的m相输出电流，m＝a、b、c，j＝1、2，；iA、iB、iC为***并网电流。
以如图2所示单台逆变器结构阐述逆变器控制策略。直流侧串联两个电容C1和C2，制造出中点Z，从而使逆变器的上部器件和下部器件的开关将产生正电平和负电平。a、b、c三相各连接四个带有反并联二极管的开关器件，通过LA、LB、LC向三相负载供电。每一个半桥逆变器有三种状态：上臂开关器件导通、下臂开关器件导通、辅助开关器件导通，分别输出正电平、负电平、零电平。本发明中一种采用SHEPWM的多台T型三电平逆变器并联控制方法主要包括以下步骤：
(1)根据消去谐波次数的个数确定每四分之一个周期中的开关角个数；
(2)根据传统SHEPWM原理计算出开关角度；
(3)在传统三相SHEPWM的调制后增加一个小矢量控制***来控制中点电压和环流；
(4)多台逆变器共用交直流母线，实现并联运行。
(5)并联***中逆变器按照设定好的时序对中点电压或零序环流进行控制。
步骤(1)中，如果要消除N-1个特定的谐波分量，则要设置N个开关角，就能构成N个独立的方程，从而在选择基波幅值的同时，还可以消除N-1个希望消除的谐波分量。
步骤(2)中，采用多目标粒子群优化(MOPSO)算法求解三电平SHEPWM开关角。
步骤(3)中，SHEPWM开关信号由传统SHEPWM信号发生器产生，其后增加小矢量替换器。当小电压矢量开关状态出现时，小电压矢量替换***通过检测中点电压和环流方向替换小矢量；当小电压矢量开关状态没有出现时，小矢量替换***不改变开关状态。
步骤(4)中，多台逆变器共享交直流母线，实现并联运行。
所述步骤(5)中，设定并联***周期为T＝0.02s。当n台逆变器并联运行时，并联***每个周期T内：第i台逆变器在(i-1)T/n～iT/n时间段内负责控制中点电压VZi，在其他时段负责控制零序环流iZi。
负责控制零序环流的逆变器控制策略：iZ大于所设置的环流阀值Irange时，若iZ>0，开关状态被改变为N型小矢量，若iZ<0，开关状态被改变为P型小矢量。当|iZ|<Irange，开关状态不改变。
负责控制中点电压的逆变器控制策略：当|VZ2|>Vrange时，若VZ2>0，开关状态被改变为N型小矢量；若VZ2<0，开关状态被改变为P型小矢量。当|VZ2|<Vrange，开关状态不改变。
传统SHEPWM调制方法为计算每四分之一周期内的N个开关角，为求解N个开关角，需要构成N个方程，其中N-1个方程消除低次谐波，一个方程确定调制比M。一种典型的三电平SHEPWM波形如图3所示，其中Vxz是单相的输出电压，其傅里叶级数为
其中x＝a，b，c；bn是傅立叶系数；bn由下式给出
其中n＝1，5，7，···，3N-2。
通过以下价值函数，来选取方程最优解
其中M为调制指数。开关状态可以表示为空间电压矢量，根据空间电压矢量的大小可将其分为零矢量、小矢量、大矢量、中矢量，小电压矢量又可以分为P型矢量和N型矢量，如图4和表1所示。
表1
采用SHEPWM的逆变器中点电压VZ表示为
其中VC1和VC2是直流侧电容C1和C2的电压值。开关状态对中点电压的影响如图5所示：大矢量和零矢量对中点电压没有影响，因为在这种情况下中点Z没有和直流侧的正、负极相连，因为两个电容没有充放电，所以两电容电压没有变化，中点电压也不变化，如图5(a)、(c)所示；图5(b)显示了中矢量的效果图，此时中点和直流侧的正负侧相连接，中点电压的变化情况由此时的中点电流决定；当逆变器选择P型小矢量开关状态时，负载接在中点与直流侧的正极，电容C1放电，电流流进中点，中点电压上升，如图5(d)所示；与此相反，N型小矢量会使中点电压下降，如图5(e)所示。
第i台逆变器零序电流izi为：
izi＝iai+ibi+ici (5)
其中i为逆变器的设备编号。T型三电平逆变器的零序环流和输出滤波器电感L、中点电位和开关状态有关，对于n台T型三电平逆变器并联***，第i台逆变器输出的零序环流izi为：
鉴于某些逆变器调节中点电压可能会与抑制环流冲突，因此给并联***中逆变器设定好时序，***工作时各逆变器按照设定好的时序对中点电压或零序环流进行控制。本发明中设定并联***周期为T＝0.02s，当n台逆变器并联运行时，并联***每个周期T内：第i台逆变器在(i-1)T/n～iT/n时间段内负责控制中点电压VZi，在其他时段负责控制零序环流iZi。
本发明中采用SHEPWM的逆变器通过替换小电压矢量来保持中点电压平衡，控制原理如图6所示。SHEPWM开关信号由传统SHEPWM***产生，当小电压矢量开关状态出现时小电压矢量控制器作用；当小电压矢量开关状态没有出现时，小矢量控制器被闭锁，开关状态不变。
本发明中中点电压平衡控制的流程图由图7给出，其中Vrange是中点电压的限定波动幅度，VZ是中点电压，小矢量控制器的工作状态如下：
状态一：|VZ|>Vrange，此状态下小矢量被替换。
a)VZ>0：根据表2，开关状态被改变为N型小矢量。
b)VZ<0：根据表2，开关状态被改变为P型小矢量。
状态二：|VZ|<Vrange，开关状态不改变。
本发明中通过替换小电压矢量来保持中点电压平衡，控制原理如图8所示。逆变器的开关信号由传统SHEPWM***产生，当小矢量开关状态出现时小电压矢量控制器作用；当小电压矢量开关状态没有出现时，小矢量控制器被闭锁，开关状态不变。
本发明中零序电流控制的流程图由图9给出，其中Irange是零序电流的限定波动幅度，iZ是零序电流，小矢量控制器的工作状态如下：
状态一：|iZ|>Irange，此状态下小矢量被替换。
a)iZ>0：根据表2，开关状态被改变为N型小矢量。
b)iZ<0：根据表2，开关状态被改变为P型小矢量。
状态二：|iZ|<Irange，开关状态不改变。
仿真研究
本发明中所提出的一种采用SHEPWM的多台T型三电平逆变器并联控制方法可以明显地减小直流侧中点电压的震荡范围，不仅具备三电平拓扑谐波含量小、***效率高的优点，还兼具了并联***可维护性好、冗余性高、便于扩容的优势，很好的解决了环流抑制问题和中点电压平衡问题。
在MATLAB/simulink 2012B中，以图1所示的多台三电平逆变器并联***拓扑结构对本发明提出的控制策略进行仿真研究，选定n＝3。对三台逆变器给定电流分别为15A、15A、25A，仿真结果如图10至图14所示。由图8知并联***向电网输出电流的幅值为55A，为三台逆变器输出电流之和。图9为采用SHEPWM的逆变器输出电压波形，从图10所示电压的谐波分析可知，通过SHEPWM消除了指定低次谐波。由于两台逆变器共用交直流母线而且中点相互连接，两台逆变器的直流侧中点电位相等，如图11(a)-图11(c)所示，直流侧上下两个电容的电压值均为100V，中点电压被限制在一个很小的波动范围。同时，由图12可知，两台逆变器之间的环流限定在0A，环流被有效抑制。
通过以上仿真结果可知，本发明中一种采用SHEPWM的多台T型三电平逆变器并联控制方法可以将中点电压和零序环流限定在一个很小的波动区域，并且保持传统SHEPWM消除特定谐波的能力，很好地解决了环流抑制问题和中点电压平衡问题。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种采用SHEPWM的多台T型三电平逆变器并联控制方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)根据需要消除的谐波次数的个数确定每个周期的开关角个数；
(2)基于多目标粒子群优化方法求解特定谐波消除脉宽调制的开关角度，生成相应的特定谐波消除脉宽调制信号；
(3)采集T型三电平逆变器并联***的中点电压和零序环流；
(4)设定时序，按照设定时序根据中点电压或零序环流对特定谐波消除脉宽调制信号进行小矢量控制，对特定谐波消除脉宽调制信号进行改写；
所述步骤(4)中，控制中点电压时，若T型三电平逆变器的中点电压在阈值范围内，则不改变T型三电平逆变器，使其直接进入三电平逆变器，否则将开关状态修改为小矢量信号，对特定谐波消除脉宽调制信号进行改写；
所述步骤(4)中，中点电压的绝对值大于中点电压阈值时，若中点电压大于零，开关状态被改变为N型小矢量；若中点电压小于零，开关状态被改变为P型小矢量，当中点电压的绝对值小于中点电压阈值时，开关状态不改变；
所述步骤(4)中，控制零序环流时，若零序环流超过阈值范围，若零序环流大于零，开关状态被改变为N型小矢量，若零序环流小于零，开关状态被改变为P型小矢量，若零序环流在阈值范围内，开关状态不改变。
2.如权利要求1所述的一种采用SHEPWM的多台T型三电平逆变器并联控制方法，其特征是：所述步骤(1)中，每四分之一个周期中的开关角个数为需要消去的谐波次数加1。
3.如权利要求1所述的一种采用SHEPWM的多台T型三电平逆变器并联控制方法，其特征是：所述步骤(4)中，设定并联***周期为T，当n台逆变器并联运行时，并联***每个周期T内：第i台逆变器在(i-1)T/n～iT/n时间段内负责控制中点电压，在其他时段负责控制零序环流。
4.一种采用SHEPWM的多台T型三电平逆变器并联控制方法，其特征是：包括特定谐波消除脉宽调制信号发生器、小矢量控制器、开关组、PWM信号发生器和T型三电平逆变器并联***，其中，T型三电平逆变器并联***，包括多个T型三电平逆变器，所有T型三电平逆变器共用交直流母线，彼此并联；
所述特定谐波消除脉宽调制信号发生器输出特定谐波消除脉宽调制信号给开关组，所述小矢量控制器采集T型三电平逆变器并联***的中点电压和零序环流，根据设定的时序，分别对中点电压和零序环流进行控制，判断其是否在各自的设定阈值内；根据中点电压和零序环流的大小，确认是否对特定谐波消除脉宽调制信号进行改写，通过PWM信号发生器生成控制信号，控制T型三电平逆变器并联***的开关器件；所述小矢量控制器根据中点电压进行判断，若中点电压在设定阈值范围内，则不改变开关组的状态，使特定谐波消除脉宽调制信号通过PWM信号发生器生成控制信号，控制T型三电平逆变器并联***的开关器件；
若中点电压不在设定阈值范围内，小矢量控制器改变开关组状态，使特定谐波消除脉宽调制信号改变成为小电压矢量，通过PWM信号发生器生成控制信号，控制T型三电平逆变器并联***的开关器件；
所述小矢量控制器根据零序环流控制时，若零序环流超过阈值范围，若零序环流大于零，开关状态被改变为N型小矢量，若零序环流小于零，开关状态被改变为P型小矢量，若零序环流在阈值范围内，开关状态不改变。
5.如权利要求4所述的一种采用SHEPWM的多台T型三电平逆变器并联控制方法，其特征是：所述中点电压为T型三电平逆变器的直流侧两个串联电容之间的电压差值的一半。
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