基于零序和负序电压注入的级联型并网逆变器直流侧平衡控制方法

摘要

本发明公开了一种基于零序和负序电压注入的级联型并网逆变器相间直流侧平衡的控制方法，该方法基于零序电压和负序电压注入相结合，并可分为如下部分：（1）整体直流电压控制，对于整体的直流电压控制，采用正序电流解耦的控制方法，并在正序解耦的基础上增加对系统不平衡的修正，电网电压和电流的正负序分解方法采用二次谐波滤除法；（2）直流侧相间平衡控制，分别计算出需要注入的零序电压分量及负序电压分量，并根据切换条件进行判定，普通情况下启用零序电压注入法，各相功率差异大时使用负序电压注入的方法。另外，使用零序电压注入需要满足最大输出的相电压不超过逆变器所能提供的最大值的条件。该方法将三相综合考虑，并在不同情况下注入不同相序的电压，兼顾了装置的输出性能和相间功率调节能力，对于三相级联型并网逆变器配合可再生能源大规模并网、大规模储能的应用具有重要的价值。

说明书

技术领域

本发明涉及高压大功率电力电子技术在电力系统中的应用技术领域，尤其 涉及级联型并网逆变器的相间直流侧平衡控制方法。

背景技术

近年来，随着新能源的发展，H桥级联结构在并网逆变、储能、电力电子 变压器等领域成为了研究的热点，它对于配合可再生能源大规模并网、大规模 储能和增强电力系统稳定性具有重要的意义。

此类型的并网逆变器器可以无变压器地接入高压电网，结构上易于模块化 实现，并具有较低开关损耗和谐波输出，但其结构中相互独立的各个H桥直流 侧存在并联型损耗和混合型损耗差异以及脉冲延时差异，连接的电网存在电压 不平衡等因素，这就造成了直流侧电压不平衡的问题。相比于工程应用较为成 熟的级联型静止同步补偿器（STATCOM）场合，级联型并网逆变器由于在直流 侧存在可等效成大负载或电流源的装置，自身可能造成更大的不平衡差异，这 将对装置的输出性能和可靠性造成很大的影响。

中国发明专利CN1514525通过电压测量仪、最小电容电压求取器、脉宽调 节器、脉冲放大器等装置对级联H桥之间进行有功功率交换，从而实现电容电 压的平衡控制，这种方法需要增加额外的装置，增加了成本费用；中国发明专 利CN102291030通过比例积分求电压差并得到偏置量，再将偏置量叠加到原有 调制波的基础上实现了直流侧的电压平衡，无需增加额外硬件装置，但该方法 基于静止坐标系，计算较为复杂，且比例积分的方法需要一定延迟；中国发明 专利CN1913321与美国发明专利US6075350也都是基于控制策略的直流侧电压 平衡控制方法，其本质与中国发明专利CN102291030相同，都是根据各H桥的 功率或电压偏差得到偏置量，再叠加到调制波上进行调节控制。以上都是针对 级联逆变器的相内直流侧平衡控制方法，没有对三相之间的平衡控制进行研 究。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提出一种基于零序和负序电压注 入的级联型并网逆变器相间直流侧平衡的控制方法，该方法根据电网不平衡度 以及各相负载差异大小注入不同相序电压，有效保证装置稳定运行，同时不需 增加额外硬件，方便实现。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种基于零序和负序电压 注入的级联型并网逆变器相间直流侧平衡的控制方法，由整体直流电压控制、 直流侧相间平衡控制两部分构成。其特征在于，包括如下步骤：

1）整体直流电压控制

1.1）采集各相直流侧总电压值u_dcA，u_dcB，u_dcC，计算得到所有H桥单 元直流侧电压总的平均值

1.2）用指令电压均值减去所得差值经比例积分PI调节器，得 到指令有功电流值

1.3）利用park变换形成三相电流i_a,b,c的正序分量和三相电网电 压e_a,b,c的负序分量

1.4）正序解耦控制，利用得到旋转坐标系下的调制电压

1.5）分别与进行叠加，再经过反park变换得到各相初始 调制电压u_a，u_b，u_c。

2）直流侧相间平衡控制

2.1）用步骤1.1）中的分别减去u_dcA，u_dcB，u_dcC，所得的三个差值分 别经过比例积分PI调节器，得到ΔP_A，ΔP_B，ΔP_C;

2.2)ΔP_A，ΔP_B，ΔP_C进行park变换得到ΔP_α和ΔP_β;

2.3）为了抵消电网负序电压，逆变器需输出相同的负序电压，该负序 电压在i相产生的有功功率为用ΔP_α,ΔP_β分别减去的park变换结 果，得到ΔP′_α和ΔP′_β;

2.4）利用ΔP′_α和ΔP′_β以及逆变器输出正序电压、电流和电网负序电压计 算得到需要注入的零序电压分量V_z、θ_z及负序电压分量V_n、θ_n；

2.5）使用零序电压注入需要满足最大输出的相电压不超过逆变器所能 提供的最大值的条件，当零序电压注入法已经无法满足所需的功率调节能力时 应自动切换为负序电压注入；

2.6）将零序电压分量V_z、θ_z或负序电压分量V_n、θ_n叠加至步骤1.5）中 的u_a，u_b，u_c，得到各相最终调制电压利用此调制电压可实现相 间直流侧相间平衡控制。

本发明具有以下有益效果：

(1)可以方便实现，无需配置额外复杂的硬件功率及电压平衡电路，只需 一些低成本的传感器与数字芯片等；

(2)兼顾了装置的输出性能和调节能力，不仅对直流侧电压有较强的调节 能力，而且保证了不对电网有较大污染和影响装置的补偿性能；

(3)算法采用dq旋转坐标系，实现简单方便快速，物理概念清晰，能够很 好得实现网侧电流的无静差控制；

(4)本方法充分考虑了来自电网侧的不平衡因素，增加了对电网负序电压 的控制，具有较高的工程应用价值。

附图说明

图1级联并网逆变器的等效拓扑结构；

图2并网逆变器的整体控制框图；

图3零序电压注入法的向量图；

图4负载变化时各相直流侧电压试验波形；

图5负载突变后，条件判定期间的电流；

图6负序电压注入时三相电流试验波形。

具体实施方式

本发明主要用于级联型并网逆变器的直流侧平衡控制，级联型并网逆变器 的等效拓扑结构如图1所示，各相由N个单元的H桥单元串联而成，三相采用 星型连接，三相间的直流侧电压平衡控制需要在三相总的有功功率不变的情况 下来调节各相的有功功率。选取变流器输出的基波相电压和电流进行定义，如 式1与式2。

$\left(\begin{array}{c}{u}_a=V_p\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)+V_z\sin (\mathrm{\omega t}+{\theta }_z)+\\ V_n\sin (\mathrm{\omega t}+{\theta }_n)+V_n^s\sin (\mathrm{\omega t}+{\theta }_n^s)\\ u_b=V_p\sin (\mathrm{\omega t}-\frac{2\pi }{3})+V_z\sin (\mathrm{\omega t}+{\theta }_z)+\\ V_n\sin (\mathrm{\omega t}+{\theta }_n+\frac{2\pi }{3})+V_n^s\sin (\mathrm{\omega t}+{\theta }_n^s+\frac{2\pi }{3})\\ u_c=V_p\sin (\mathrm{\omega t}+\frac{2\pi }{3})+V_z\sin (\mathrm{\omega t}+{\theta }_z)+\\ V_n\sin (\mathrm{\omega t}+{\theta }_n-\frac{2\pi }{3})+V_n^s\sin (\mathrm{\omega t}+{\theta }_n^s-\frac{2\pi }{3})\end{array}\right)---\left(1\right)$

各相的有功功率均由三部分构成，并统一书写成以下格式：

$P_i=\bar{P}+\Delta P_{\mathrm{ji}}+\Delta P_{\mathrm{in}}^s,(i=A,B,C;j=n,z)---\left(3\right)$

级联型并网逆变器的总的控制框图如图2所示，图2中，直流侧相间平衡 控制模块中的ΔP_α和ΔP_β计算如下：

$\left(\begin{array}{c}\Delta P_{\alpha }\\ \Delta P_{\beta }\end{array}\right)=\frac{\sqrt{2}}{2}\left(\begin{array}{c}\sqrt{3}\Delta P_A\\ \Delta P_B-\Delta P_C\end{array}\right)---\left(4\right)$

为了对抵消电网负序电压所产生的功率进行修正，将进行abc/αβ变换， 从而得到：

将ΔP_zA，ΔP_zB及ΔP_zC经过abc/αβ变换，结合式(4)和(5)从而得到零序注入电 压的幅值V_z及相角θ_z的计算方法：

$V_z=\frac{2}{3I_p}\sqrt{6(\Delta P_{\alpha }^{\prime 2}+\Delta P_{\beta }^{\prime 2})}---\left(6\right)$

将ΔP_nA，ΔP_nB及ΔP_nC经过相同的abc/αβ变换，即可求得负序注入电压的幅值 V_n和相角θ_n如下：

$V_n=\frac{2}{3}\sqrt{\frac{6(\Delta P_{\alpha }^{\prime 2}+\Delta P_{\beta }^{\prime 2})}{M^2+N^2}}---\left(8\right)$

${\theta }_n\left(\begin{array}{cc}{\tan }^{-1}\left(\frac{\mathrm{N\Delta }{P}_{\alpha }^{\prime }+\mathrm{M\Delta }{P}_{\beta }^{\prime }}{\mathrm{M\Delta }{P}_{\alpha }^{\prime }-\mathrm{N\Delta }{P}_{\beta }^{\prime }}\right)& \mathrm{M\Delta }{P}_{\alpha }^{\prime }\ne \mathrm{N\Delta }{P}_{\beta }^{\prime }\\ \frac{\pi }{2}\mathrm{sign}(\mathrm{N\Delta }{P}_{\alpha }^{\prime }+\mathrm{M\Delta }{P}_{\beta }^{\prime })& \mathrm{M\Delta }{P}_{\alpha }^{\prime }=\mathrm{N\Delta }{P}_{\beta }^{\prime }\end{array}\right)---\left(9\right)$

如图3所示，零序电压注入后的逆变器输出电压为从图中可 以看出逆变器输出的最大相电压为零序电压与其正序电压角度θ_z最小 的相。而使用零序电压注入需要满足最大输出的相电压不超过逆变器所能提供 的最大值V_max的条件，即：

$\sqrt{V_z^2+V_p^2+2V_p{V}_z\cos ({\theta }_z-\frac{2\pi }{3}\mathrm{sign}\left({\theta }_z\right[\left|\frac{3{\theta }_z}{\pi }\right|\left]\right))}\le V_{\max }---\left(10\right)$

另外，电网不平衡时，并网逆变器需要输出相抵消的负序电压，这也会对 注入电压的范围产生影响。在式(10)的条件基础上，增加对电网负序电压的限 制，注入零序电压时负序电压幅值不得超过即：

$\sqrt{{\left(e_d^n\right)}^2+{\left(e_q^n\right)}^2}\le e_{\max }^n---\left(11\right)$

图4为稳定时进行负载突变的直流侧电压波形，在直流侧发生波动后，经 过一段时间的调节直流侧电压又趋于稳定。

图5为负载突变发生后并且处于条件判定期间的电流，此时仍处于零序电 压注入状态，可以看出三相电流依然保持对称，但已经发生畸变。

图6为经过负载突变后的稳定三相电流试验波形，此时零序电压注入已不 能满足功率调节要求，所以自动切换至负序电压注入法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普 通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润 饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。