一种基于零序环流前馈的并联三相四桥臂逆变器环流抑制方法

摘要

一种基于零序环流前馈的并联三相四桥臂逆变器环流抑制方法，通过基于电压电流双环平均电流控制的分布式环流抑制方法，实现多个三相四桥臂逆变器并联拓扑的并联三相桥臂输出滤波电感电流均流，抑制相间环流；同时将逆变器共用的电压外环产生的三相输出滤波电流基准信号相加作为零序电流基准信号，将各逆变器第四桥臂电感电流与所述零序电流基准比较后经过比例积分环节生成第四桥臂调制信号，控制各逆变器第四桥臂实现第四桥臂电感电流均流。该方法有效抑制了逆变器之间三相零序环流，有助于逆变器之间的功率平衡；并且实现零序环流抑制的前馈环仅需要本单元控制电路的控制信号，不依赖并联单元之间的信号交换。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种基于零序环流前馈的并联三相四桥臂逆变器环流抑制方法，属电能变换装置中的控制技术。>

背景技术

随着新能源、航空、电动汽车等领域分布式发电对变换器功率容量和电能质量提出越来越高的要求，多逆变器并联扩容技术得到越来越多的关注。其中采用共输入母线的逆变器并联不同于传统的直直变换器并联，当多个逆变器并联时，除了实现功率平衡，还要求并联逆变器同一相桥臂输出电压以及幅值相位的动态一致，以抑制共直流母线的并联逆变器间的环流。而三相四桥臂逆变器与三相三桥臂逆变器相比，因其相间控制解耦、带不平衡负载能力等优点得到广泛的应用。>

直流电压利用率是采用PWM调制的逆变器一个固有问题，三次谐波注入是目前逆变器提高直流电压利用率的一种普遍采用的方法。直流电压利用率的提高有助于降低逆变器输入侧电压等级、减少开关损耗、提高输出波形质量。对于三相四桥臂逆变器可以采用三相电流环输出误差信号合成三次谐波，并注入第四桥臂和三相桥臂的控制信号中以实现三次谐波注入，该方法控制简单，适用于模拟电路实现。当多台逆变器并联时，由于各个逆变器之间的主电路参数和模拟电路控制参数不可能完全一致，导致电流环输出误差信号瞬时不平衡，从而各个逆变器所合成的三次谐波信号瞬时不一致。当各个逆变器内部产生的三次谐波信号叠加到本逆变器控制信号后，等效于引入不平衡的扰动分量，并在逆变器之间产生输出桥臂电压的相位和幅值差。该扰动最终表现为并联单元之间零序环流的形式，并叠加在并联逆变器的输出电感电流上，增大了环流的峰值。虽然对于该问题可以通过将所有并联单元独立生成的三次谐波信号叠加取平均值，并将该平均值作为公共的三次谐波信号抵消零序分量的方法来解决，但是该方法增加了逆变器之间的信号通讯，而且若其中某一个或几个逆变器出现故障，则需要整机停机，影响了整机的冗余性。因此有必要研究一种不依赖并联逆变器之间信号通讯的零序环流抑制方式，同时保证并联单元间的冗余性，以保证基于三次谐波注入的并联三相四桥臂逆变器的环流得到有效抑制。>

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于三次谐波注入的并联三相四桥臂逆变器均流控制方法，使零序环流抑制不依赖并联逆变器之间信号通讯的，同时保证并联逆变器间的冗余性。>

技术方案：一种基于零序环流前馈的并联三相四桥臂逆变器环流抑制方法，通过基于电压电流双环平均电流控制的分布式环流抑制方法，实现多个三相四桥臂逆变器并联拓扑的并联，三相桥臂输出滤波电感电流均流，抑制并联桥臂间环流；同时将逆变器共用的电压外环产生的三相输出滤波电流基准信号相加作为本并联单元零序电流基准信号，将各逆变器第四桥臂电感电流与所述零序电流基准比较后经过比例积分环节生成第四桥臂调制信号，控制各逆变器第四桥臂实现第四桥臂电感电流均流。>

作为本发明的改进，还包括如下步骤：>

步骤1)，将共用的电压外环产生的三相输出滤波电感电流基准信号相加作为零序电流基准信号，将一个并联逆变器内部三相输出滤波电感电流反馈值相加作为本逆变器的零序电流反馈信号，然后将所述零序电流反馈信号与零序电流基准信号的差值通过比例环节放大后，作为本逆变器的零序环流抑制前馈控制信号；>

步骤2)，将各逆变器三相电流环输出误差信号叠加到本逆变器的所述零序环流抑制前馈控制信号上得到电流环三相调制信号，并将各逆变器电流环三相调制信号合成对应的三次谐波信号；>

步骤3)，将所述各三次谐波信号叠加到对应逆变器的三相调制信号中，从而生成各逆变器的三相并联桥臂调制信号；同时将各三次谐波信号叠加到对应各逆变器第四桥臂调制信号中，最终实现整机三次谐波注入。>

有益效果：各逆变器控制采用共电压外环，逆变器三相滤波电感电流通过比例积分环节跟踪电压外环所产生的三相输出滤波电流基准信号，同时第四桥臂电感电流跟踪零序电流基准，实现三相和中线电感并联均流，平衡各逆变器的功率。>

将共用的电压外环产生的三相输出滤波电感电流基准信号相加作为零序电流基准信号，将一个并联逆变器内部三相输出滤波电感电流反馈值相加作为零序电流反馈信号。然后将该零序电流反馈信号与零序电流基准信号的差值通过比例环节放大，作为本逆变器的零序环流抑制前馈控制信号。但是该零序环流抑制前馈控制信号除了包含零序环流的谐波成分，还包含载波频率及其谐波组成的高频分量，前馈到控制环路中会引起最终调制波与载波的多次交割，提高开关频率产生额外的损耗，所以前馈环节的比例控 制器需要增加高频极点消除高频载波谐波分量。将前馈环节获得的信号叠加到并联逆变器三相电流环输出误差信号后，产生新的电流环三相调制信号，并用其合成三次谐波，其中前馈环的作用等效于提高了电流环对于零序环流谐波成分的增益。将新产生的三次谐波信号叠加到三相桥臂和第四桥臂的调制信号中实现三次谐波注入。最终调制信号与载波交结产生各个桥臂的SPWM脉冲，控制主功率管的开关。>

本方法在每个逆变器原控制方法基础上增加了一个前馈环节。前馈环节所使用的反馈控制量都是本逆变器控制环路内部的控制信号。所以本方法中的零序环流抑制环节不依赖并联单元之间的通讯。该前馈环结合基于电压电流双环控制的均流控制方法，能够实现并联逆变器间的环流抑制与冗余工作。>

附图说明

图1是本发明冗余三次谐波注入三相四桥臂逆变器并联零序环流抑制方法控制方法示意图；附图1中的标号名称：(1)并联逆变器三相分布式均流调节单元；(2)两逆变器并联三相四桥臂逆变器主电路单元；(3)三相均流电流基准信号生成单元；(4)第四桥臂电流基准信号生成单元；(5)第四桥臂电流基准信号；(6)第四桥臂电流均流控制单元；(7)三次谐波生成单元；(8)前馈环节零序环流基准信号生成单元；(9)前馈环节零序环流反馈信号生成单元；(10)零序环流增益单元；(11)前馈信号注入；(12)三相调制信号三次谐波注入单元；>

附图1中的主要符号名称：V_in——输入电压，C₁、C₂——输入滤波电容，Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、Q₆、Q₇、Q₈——并联逆变单元1各桥臂主功率管开关信号，L_A1、L_B1、L_C1——并联逆变单元1三相滤波电感，IL_A1、IL_B1、IL_C1——并联逆变单元1三相滤波电感电流，L_N1——并联逆变单元1中线电感，IL_N1——并联逆变单元1中线电感电流，Q₉、Q₁₀、Q₁₁、Q₁₂、Q₁₃、Q₁₄、Q₁₅、Q₁₆——并联逆变单元2各桥臂主功率管开关信号，L_A2、L_B2、L_C2——并联逆变单元2三相滤波电感，IL_A2、IL_B2、IL_C2——并联逆变单元2三相滤波电感电流，L_N2——并联逆变单元2中线电感，IL_N2——逆变器1中线电感电流，C_A、C_B、C_C——三相输出滤波电容，R_A、R_B、R_C——三相负载阻抗，V_A、V_B、V_C——三相输出电压，V_aref、V_bref、V_cref——三相输出电压基准信号，I_aref、I_bref、I_cref——三相输出滤波电感电流基准信号，M_a1、M_b1、M_c1——并联逆变单元1三相电流环输出误差信号，Ma2、Mb2、Mc2——并联逆变单元2三相电流环输出误差信号，V₁——并联逆变单元1零序环流抑制前馈信号，V₂——并联逆变单元2零序环流抑制前馈信号，Ta1、Tb1、Tc1>1、I₂——前馈环节中零序电流反馈信号；>

图2是三次谐波注入三相四桥臂逆变器并联未采用零序环流抑制方法时负载10KW三相环流波形；>

图3是三次谐波注入三相四桥臂逆变器并联未采用零序环流抑制方法时负载2KW并联单元三相电感电流波形；>

图4是基于三次谐波注入的并联三相四桥臂逆变器未采用零序环流抑制方法时两并联逆变器独立生成的三次谐波信号波形；>

图5是基于三次谐波注入的并联三相四桥臂逆变器采用零序环流抑制方法后负载10KW三相环流波形；>

图6是基于三次谐波注入的并联三相四桥臂逆变器采用零序环流抑制方法后负载2KW三相电感电流波形；>

图7是基于三次谐波注入的并联三相四桥臂逆变器采用零序环流抑制方法后两并联逆变器独立生成的三次谐波信号波形；>

图8是基于三次谐波注入的并联三相四桥臂逆变器采用零序环流抑制方法后一相满载两相1/3载的负载不平衡状态下三相电感电流波形；>

图9是三次谐波注入三相四桥臂逆变器并联采用零序环流抑制前馈法控制方法时一相满载两相1/3载的负载不平衡状态下三相输出电压波形。>

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。>

以两单元并联三相四桥臂逆变器为例，附图1是并联三相四桥臂逆变器三次谐波注入零序环流冗余前馈抑制方法控制方法结构示意图，其控制电路主要由并联三相四桥臂逆变器主电路、三相电流分布式均流控制器、第四桥臂电流均流控制器、零序环流抑制前馈环、三次谐波生成器组成。>

其中，并联三相四桥臂逆变器主电路包括并联的第一三相四桥臂逆变器单元和第二三相四桥臂逆变器单元。在三相均流电流基准信号生成单元中，首先由反馈的三相输出电压V_A、V_B、V_C分别与基准电压V_aref、V_bref、V_cref作差比较后，经过运算放大器及其>aref、I_bref、I_cref。然后通过电流传感器采样得到第一逆变器单元三相滤波电感电流的反馈值IL_A1、IL_B1、IL_C1，以及第二逆变器单元三相滤波电感电流的反馈值IL_A2、IL_B2、IL_C2。再将各逆变器单元三相滤波电感电流的反馈值分别与共用的电流基准信号I_aref、I_bref、I_cref进行比较后，经过运算放大器与外围电路组成的比例积分环节得到各第一逆变器单元三相电流环输出误差信号M_a1、M_b1、M_c1，以及第二逆变器单元三相电流环输出误差信号M_a2、M_b2、M_c2。>

将共用的三相输出滤波电感电流基准信号I_aref、I_bref、I_cref相加，得到三相四桥臂的前馈环节中零序电流基准信号I_nref，作为各个逆变逆变器第四桥臂中线电感电流的基准信号。将第一逆变器反馈的三相滤波电感电流值IL_A1、IL_B1、IL_C1相加作为该逆变器前馈环节中零序电流反馈信号I₁，该零序电流反馈信号I₁经过比例环节跟踪零序电流基准信号I_nref后，作为用于第一逆变器的零序环流抑制的前馈信号V₁。然后分别将该零序环流抑制的前馈信号V₁与第一逆变器三相电流环输出误差信号M_a1、M_b1、M_c1相加作为新的三相调制信号T_a1、T_b1、T_c1，即新的电流环输出误差信号。同理，将第二逆变器反馈的三相滤波电感电流值IL_A2、IL_B2、IL_C2相加作为该逆变器前馈环节中零序电流反馈信号I₂，该零序电流反馈信号I₂经过比例环节跟踪零序电流基准信号I_nref后，作为用于第二逆变器的零序环流抑制的前馈信号V₂。然后分别将该零序环流抑制的前馈信号V₂与第二逆变器三相电流环输出误差信号M_a2、M_b2、M_c2相加作为新的三相调制信号T_a2、T_b2、T_c2，即新的电流环输出误差信号。第一逆变器中三组叠加了前馈信号的三相调制信号T_a1、T_b1、T_c1经过三次谐波生成单元生成该逆变器所要注入的三次谐波TFH1。第二逆变器中三组叠加了前馈信号的三相调制信号T_a2、T_b2、T_c2经过三次谐波生成单元生成该逆变器所要注入的三次谐波TFH2。>

将电流环的三相输出滤波电感电流基准信号I_aref、I_bref、I_cref相加作为前馈环节中零序电流基准信号I_nref，将第一逆变器中线电感电流ILN1经过比例环节跟踪零序电流基准信号I_nref后，再叠加上三次谐波TFH1，生成第一逆变器第四桥臂调制信号。同理将第二逆变器中线电感电流IL_N2经过比例环节跟踪零序电流基准信号Inref后，再叠加上三次谐波TFH2，生成第二逆变器第四桥臂调制信号。同时将三次谐波TFH1分别叠加到第一逆变器三相调制信号T_a1、T_b1、T_c1中，将三次谐波TFH2分别叠加到第二逆变器三相调制信号T_a2、T_b2、T_c2中，从而实现三次谐波注入。将各逆变器所有桥臂最终获得的 调制信号与载波交结获得各逆变器中主功率管SPWM开关信号。>

工作原理：对于共直流母线的并联三相三桥臂逆变器基于平均电流控制的分布式均流控制方式是实现并联单元冗余工作的常用控制方法。三相四桥臂逆变器并联系统中，第四桥臂与前面三个桥臂一样也会存在环流问题的。本发明针对的并联单元拓扑基于三相四桥臂逆变器，其为了在三相三桥臂逆变器的基础上实现承受不平衡负载的能力，引入第四桥臂为负载不平衡下的零序电流提供通路，零序电流定义为三桥臂电感电流之和。为了实现并联三相四桥臂逆变器第四桥臂电感电流均流，可以采用三相电流基准信号之和作为第四桥臂零序电流基准信号，通过反馈第四桥臂电感电流与零序电流基准信号做差值，经过比例积分环节得到并联第四桥臂调制信号。>

为了提高直流电压利用率，改善输出波形质量，提高开关管电压应力降低损耗，本方法在并联三相四桥臂逆变器中叠加三次谐波信号。以并联的第一逆变器为例，建立电流环误差信号模型。设d_a1、d_b1、d_c1分别为三相电流环电流环输出误差信号，i_aref、i_bref、i_cref分别为每相电流环基准信号，i_a1、i_b1、i_c1为第一逆变器每相电感电流反馈信号，G_i为电流环基准信号与反馈信号差值到电流环输出调制信号的传递函数。其中：>

d_a1＝(i_aref-i_a1)G_i

d_b1＝(i_bref-i_b1)G_i

d_c1＝(i_cref-i_c1)G_i

同理设d_a2、d_b2、d_c2分别为并联的第一逆变器三相电流环电流环输出误差信号，i_a2、i_b2、i_c2为第一逆变器每相电感电流反馈信号，可以得到第一逆变器的电流环误差信号模型：>

d_a2＝(i_aref-i_a2)G_i

d_b2＝(i_bref-i_b2)G_i

d_c2＝(i_cref-i_c2)G_i

当两并联逆变器单元满足滤波器不平衡、开关时间不对称等条件时，尽管采用共电压环均流方式，但是电感电流反馈值会存在误差，以A相为例，假设两逆变器电感电流 平均值为i_a，并联第一逆变器电感电流i_a1＝i_a+Δi_a，则逆变器二电感电流i_a2＝i_a-Δi_a，并可以此类推到B相、C相。虽然误差量可以通过误差PI调节器调制保持平衡实现均流，但是当采用三次谐波注入的时，三次谐波是由误差信号产生的，假设三次谐波生成传递函数为G_s，则并联的第一、第二逆变器单元的三次谐波S₁、S₂分别为：>

S₁＝(d_a1+d_b1+d_c1)×G_s

＝[(i_aref-i_a)+(i_bref-i_b)+(i_cref-i_c)]×G_i×G_s+(Δi_a+Δi_b+Δi_c)×G_i×G_s

S₂＝(d_a2+d_b2+d_c2)×G_s

＝[(i_aref-i_a)+(i_bref-i_b)+(i_cref-i_c)]×G_i×G_s-(Δi_a+Δi_b+Δi_c)×G_i×G_s

两个逆变器都存在一个表达为(Δi_a+Δi_b+Δi_c)×G_i×G_s的扰动。在附图2中的两并联逆变器单元三次谐波信号波形中显示该不受控扰动分量将导致逆变器之间三次谐波信号的不平衡，并联逆变器扰动信号幅值近似，相位相反。若不平衡的三次谐波信号叠加到各逆变器的三相电流环输出误差信号和第四桥臂，该扰动信号将导致并联桥臂间零序环流问题，提高两逆变器同相电感电流的环流峰值。同时该零序环流分量不会因为负载的减轻而减小。>

如附图2、图3、图4所示，当负载减小时零序环流成分就在电感电流中所占的比重大大增加，会使电感电流产生更加明显的畸变。>

根据推导结果，零序分量是由叠加的三次谐波中的不受控的零序成分引起的，两逆变器的零序分量幅值相等方向相反。>

若将两个逆变器的三次谐波分量中的扰动成分消除，则可以解决零序环流问题。最直接的方法可以将两逆变器单元产生的三次谐波信号取平均值，抵消零序电流调制分量。但是该方法需要增加并联单元之间的信号通讯。而且当多个逆变器并联时，如果其中一台或者几台出现故障，将很难预知出现故障的单元数量以计算三次谐波平均值，从而影响系统的冗余工作。本发明所提出的控制方法基于本逆变器单元内部的控制信号就可以抑制并联桥臂零序环流问题，不依赖逆变器间的通讯。>

根据现有的研究，提高基于电压电流双环均流控制方法中电流环的增益，等效提高系统的闭环输出阻抗，通过该方法能够有效抑制环流。但是一味提高电流环放大系数也会相应增加控制环路中频和高频的增益，不仅会在调制信号中引入不必要的谐波影响调制，也会破坏原系统的稳定性。因此希望采取一种控制方法，能够仅提高固定频率环流 成分电流环增益，从而等效在原并联电路输出阻抗等效电路中额外串联虚拟输出阻抗，以抑制该频率成分的环流。>

针对三次谐波注入引入的零序环流，其频率成分由主电路和控制信号的对称性决定，并非固定频率成分的信号，因此需要一种分解出该扰动信号的方法。根据三相电路零序分量的定义，零序电流基准为三相电流基准之和，三相零序电流反馈值为三相电感电流反馈值之和。将一个并联单元内三相零序电流基准信号与零序电流反馈信号相减所得到的信号包含低频零序环流的主要谐波成分，以及高频开关频率及其谐波成分。该提取方式如附图1单元8、9所示。>

零序环流信号经过前馈放大器提高零序环流谐波成分的增益得到零序环流前馈信号，前馈信号与逆变器每相电流环输出信号相加得到一组新的控制信号。该方法等效于在原系统输出阻抗上串联由前馈环引入的零序环流谐波成分虚拟输出阻抗，而且该输出阻抗仅与零序环流谐波成分的大小成正比，从而达到抑制不平衡的三次谐波注入带来的扰动分量引起的零序环流的目的。>

根据附图5、图6、图7、图8、图9中的波形，本方法提出的零序环流前馈抑制方法在不依赖逆变器之间通讯的情况下消除了逆变器产生的三次谐波分量中的不可控零序调制分量，能够有效的抑制逆变器之间三相零序环流成分，而且不影响并联逆变器单元的三相解耦和不平衡负载下的正常工作。>

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。>