基于SVM策略的三相并联逆变系统环流抑制方法

摘要

本发明公开了一种基于SVM策略的三相并联逆变系统环流抑制方法，本发明基于两电平拓扑和SVM调制策略，对三相两电平逆变器并联控制运行的关键技术进行了研究，针对共直流母线并联逆变器产生的零序环流和开关损耗问题进行详细的分析，利用SVM策略可以抑制并联逆变器的零序环流的优点。本发明为了解决现有技术中没有控制方法能够应用于逆变器的模块化并联运行在光伏发电和微电网等分布式发电场合存在的零序环流问题，结合最近三矢量合成原则(NTV)调制方法合成SVM，仅通过调整开关导通时间便可以抑制环流。此外，应用此方法可以减小开关损耗。通过此SVM方法可以在没有附加硬件或者复杂控制器的条件下抑制环流。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于SVM策略的三相并联逆变系统环流抑制方法。

背景技术

随着光伏发电系统在内的分布式能源大规模接入低压配电网，电能变换向大功率方向发展，传统单台逆变器很难满足低压大电流场合对输出电流的要求。逆变器的模块化并联运行的出现解决了上述问题，如图1所示，和传统单台逆变器的方案相比，逆变器的模块化并联运行冗余度增大，可靠性增强，即使某个并联模块出现故障问题，也可切除之后降额使用；而且逆变器的模块化并联运行更适合于大电流场合，具有开关数目少、导通损耗小等优点；且限于经济或技术水平，目前电力电子开关器件所能做到的功率等级是有限制的，而且即使达到的高的功率等级，其器件的开关特性也可能也不是很好。

因此逆变器的模块化并联运行已经广泛应用到光伏发电和微电网等分布式发电场合，但是存在的零序环流问题会影响逆变器并联的高效运行。而目前没有相关的控制方法能够改善存在的零序环流问题。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于SVM策略的三相并联逆变系统环流抑制方法，本发明基于两电平拓扑和SVM调制策略，对三相两电平逆变器并联控制运行的关键技术进行了研究，针对共直流母线并联逆变器产生的零序环流和开关损耗问题进行详细的分析，利用SVM策略可以抑制并联逆变器的零序环流的优点。

本发明为了解决现有技术中没有控制方法能够应用于逆变器的模块化并联运行在光伏发电和微电网等分布式发电场合存在的零序环流问题，本发明提供一种基于实时调整采用SVM策略的三相并联逆变系统环流抑制方法，该方法结合最近三矢量合成原则(NTV)调制方法合成SVM，仅通过调整开关导通时间便可以抑制环流。此外，应用此方法可以减小开关损耗。通过此SVM方法可以在没有附加硬件或者复杂控制器的条件下抑制环流。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于SVM策略的三相并联逆变系统环流抑制方法，包括以下步骤：

(1)基于最近三矢量合成原则调制方法，合成SVM调制方法，得到可用于满足指令电压的时间间隔和；

(2)根据时间间隔和确定零矢量作用时间，生成相应的脉宽对称的脉宽调制信号；

(3)在SVM的调制后每相加上或减去三相导通时间中的最小导通时间来抑制零序环流。

所述步骤(1)中，由于逆变器中电子开关的存在，在恒定的直流输入电压作用下，通过所述SVM控制输出电压并优化输出谐波。

所述步骤(2)中，根据传统NTV调制方法合成SVM确定零矢量作用时间。

所述步骤(2)中，零矢量作用时间填补半个开关周期间隔中剩下的时间的时间间隔，在零矢量和之间进行分配。

所述步骤(2)中，根据对称的脉冲得到输出谐波最小的规律生成相应的脉宽对称的脉宽调制信号。

所述步骤(3)中，通过测量判断零序环流的正负来确定加上还是减去最小导通时间。

所述步骤(3)中，若第一台逆变器的零序环流大于零，则通过加上三相导通时间中的最小导通时间重新简单计算得到调整后的开关导通时间，使零状态V0开关矢量的作用时间比传统增加一倍。

所述步骤(3)中，若第一台逆变器的零序环流小于零，则通过减去三相导通时间中的最小导通时间重新简单计算得到调整后的开关导通时间，使零状态V7开关矢量的作用时间比传统增加一倍。

所述步骤(3)中，通过将每个周期加上或减去一个最小开通时间对信SVM调制策略进行优化，若第一台逆变器的零序环流大于零，零状态V0在SVM调制策略中抑制零序环流；若第一台逆变器的零序环流小于零，零状态V7在SVM调制策略中抑制零序环流。

应用上述方法的并联两电平并网逆变器的零序环流抑制系统，包括电流跟踪感应器、抑制零序电流的控制器、PWM信号发生器和用于并联的两电平并网逆变器模块，其中，所述电流跟踪感应器采集第一台逆变器的零序环流，对零序环流的正负进行判断，所述抑制零序电流的控制器通过电流跟踪感应器得到相应可调整的零矢量，将第一台逆变器的零序环流抑制到0；

若第一台逆变器的零序环流大于零，零状态V0在SVM调制策略中抑制零序环流，则通过加上三相导通时间中的最小导通时间重新简单计算得到调整后的开关导通时间，使V0(000)开关矢量的作用时间比传统增加一倍；

若第一台逆变器的零序环流小于零，零状态V7在SVM调制策略中抑制零序环流，则通过减去三相导通时间中的最小导通时间重新简单计算得到调整后的开关导通时间，使V7(111)开关矢量的作用时间比传统增加一倍。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明结合最近三矢量合成原则(NTV)调制方法合成SVM，仅通过调整开关导通时间便可以抑制环流。此外，应用此方法可以减小开关损耗。通过此SVM方法可以在没有附加硬件或者复杂控制器的条件下抑制环流。同时，本发明可以将大大提高逆变系统的灵活性，打破逆变器在功率等级上的极限；使并联模块零序环流得到抑制，相电流波形畸变得到消除；可以减小开关频率，开关损耗显著减小。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为并联逆变系统拓扑图；

图2为两电平逆变器电压空间矢量图；

图3为I扇区7段式SVM波形以及最小导通时间计算方法示意图；

图4是零序环流大于零时得到调整后的I扇区SVM波形示意图；

图5是零序环流小于零时得到调整后的I扇区SVM波形示意图；

图6是所提出零序环流抑制方法的流程图；

图7(a)是没有零序环流控制的实验结果；

图7(b)是本发明的实验结果；

图8(a)是不同参考电流相同滤波条件下没有零序环流控制的实验结果；

图8(b)是本发明的实验结果。

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。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中缺少能够抑制零序环流问题的控制方法。

本申请的一种典型的实施方式中，一种基于实时调整采用SVM策略的三相并联逆变系统环流抑制方法，包括以下步骤：

(1)基于最近三矢量合成原则(NTV)调制方法，合成SVM，得到可用于满足指令电压的时间间隔t_a和t_b；

(2)根据t_a和t_b，得到零矢量作用时间t₀，生成相应的脉宽对称的脉宽调制信号；

(3)采集第一台逆变器的零序环流i_z1；

(4)由于零序环流主要受并联逆变器每个PWM周期的零矢量作用时间影响，判断零序环流i_z1的正负，实时调整零矢量V0和V7的作用时间从而控制占空比，以便控制零序环流；

所述步骤(1)中，由于逆变器中电子开关的存在，在恒定的直流输入电压V_d作用下，通过所述SVM控制输出电压并优化输出谐波。

所述步骤(2)中，零矢量作用时间t₀是用于填补半个开关周期间隔中剩下的时间的时间间隔，它在零矢量V₀和V₇之间以一种适当的方式分配，根据对称的脉冲得到输出谐波最小的规律生成相应的脉宽对称的脉宽调制信号。

所述步骤(4)中，通过将每个周期加上或减去一个最小开通时间对信SVM调制策略进行优化，若第一台逆变器的零序环流i_z1大于零，零状态V0(000)可以在SVM调制策略中抑制零序环流；若第一台逆变器的零序环流i_z1小于零，零状态V7(111)可以在SVM调制策略中抑制零序环流。

应用于并联两电平并网逆变器的零序环流抑制系统，包括电流跟踪感应器、抑制零序电流的控制器、PWM信号发生器和用于并联的两电平并网逆变器模块，其中，所述电流跟踪感应器采集第一台逆变器的零序环流i_z1，对零序环流的正负进行判断，所述抑制零序电流的控制器通过电流跟踪感应器得到相应可调整的零矢量，将第一台逆变器的零序环流抑制到0；

若第一台逆变器的零序环流i_z1大于零，零状态V0(000)可以在SVM调制策略中抑制零序环流，则通过加上三相导通时间中的最小导通时间T_{min_on}重新简单计算得到调整后的开关导通时间T′_{a_on}，使V0(000)开关矢量的作用时间比传统增加一倍；

若第一台逆变器的零序环流i_z1小于零，零状态V7(111)可以在SVM调制策略中抑制零序环流，则通过减去三相导通时间中的最小导通时间T_{min_on}重新简单计算得到调整后的开关导通时间T″_{a_on}，使V7(111)开关矢量的作用时间比传统增加一倍。

所述最小导通时间T_{min_on}为T_{a_on}，T_{b_on}和T_{c_on}中的最小值。

以如图1所示并联逆变系统拓扑结构阐述逆变器控制策略。

包括采用共交流母线且共直流母线结构的两个并联三相光伏逆变器，即两个逆变器在同一处接入电网，采用同一个直流源，每个逆变器拓扑由并联的三相桥臂构成，每相桥臂包括两个串联的IGBT管，各相桥臂的中点经滤波器与电阻连接，最终并入电网；在并联的各桥臂输入端接入输入电压源；输入电压源两端并联有电容C，各个IGBT管均由控制信号驱动，选择直流母线的负极N作为参考点。

a、b、c三相各连接两个带有反并联二极管的开关器件，分别通过L₁和L₂滤波后接入电网。每一个半桥逆变器有两种状态：正电平和负电平。本发明中并联三相并网逆变器环流抑制控制方法主要包括以下内容：

(1)根据传统NTV调制方法合成SVM确定零矢量作用时间t₀；

(2)根据对称的脉冲得到输出谐波最小的规律，生成相应的脉宽对称的脉宽调制信号；

(3)在传统SVM的调制后每相加上或减去三相导通时间中的最小导通时间来抑制零序环流；

(4)通过测量判断零序环流的正负来确定加上还是减去最小导通时间。

步骤(1)中，零矢量作用时间t₀是用于填补半个开关周期间隔中剩下的时间的时间间隔，它在零矢量V₀和V₇之间以一种适当的方式分配；

步骤(2)中，由于逆变器中电子开关的存在，在恒定的直流输入电压V_d作用下，通过传统SVM控制输出电压并优化输出谐波，根据对称的脉冲得到输出谐波最小的规律生成相应的脉宽对称的脉宽调制信号；

步骤(3)中，若第一台逆变器的零序环流i_z1大于零，则通过加上三相导通时间中的最小导通时间T_{min_on}重新简单计算得到调整后的开关导通时间T′_{a_on}，使V0(000)开关矢量的作用时间比传统增加一倍；

若第一台逆变器的零序环流i_z1小于零，则通过减去三相导通时间中的最小导通时间T_{min_on}重新简单计算得到调整后的开关导通时间T″_{a_on}，使V7(111)开关矢量的作用时间比传统增加一倍。

步骤(4)中，i_z1表示第一台逆变器的零序环流，当i_z1大于0时，零状态V0(000)可以在SVM调制策略中抑制零序环流；当i_z1小于0时，零状态V7(111)可以在SVM调制策略中抑制零序环流。

根据传统NTV调制方法合成SVM的调制过程有：可用于满足指令电压的时间间隔t_a和t_b；根据对称的脉冲得到输出谐波最小的规律，生成相应的脉宽对称的脉宽调制信号。

三相逆变器的三相指令调制电压总是正弦型的。因此它们构成一个旋转的空间矢量V^*，如图1所示。以图2所示V^*矢量所处的位置为例，NTV调制方法产生PWM输出的规律是：利用扇区I的相邻矢量V₁和V₂，使其各自工作部分时间，从而使平均输出满足参考矢量的要求。V^*可以按照如下方式(投影)求解：

从而可得

式中，V_a和V_b分别为V^*在V₁和V₂方向上的分解矢量。考虑半个开关周期在此期间，平均输出应当与指令参考值吻合，因此可写出如下矢量相加式：

式中

t₀＝T_c-(t_a+t_b)(8)

其中，时间间隔t_a和t_b可用于满足指令电压的大小和方向。而时间间隔t₀为零矢量作用时间，用于填补半个开关周期间隔中剩下的时间。图3给出了一个开关周期中满足式(6)-式(8)的对称脉冲博兴的构成，图中T_s为一个采样周期。t₀在零矢量V₀和V₇之间以一种适当的方式分配，从而秒回出一个脉宽对称的脉冲。研究证明，对称的脉冲将给出最小的输出谐波。

一个三相桥式逆变器，有2³＝8个可能的开关状态，表1列出了所有这些开关状态。

表1

状态导通器件电压空间矢量0Q₄Q₆Q₂V₀(000)1Q₁Q₆Q₂V₁(100)2Q₁Q₃Q₂V₂(110)3Q₄Q₃Q₂V₃(010)4Q₄Q₃Q₅V₄(011)5Q₄Q₆Q₅V₅(001)6Q₁Q₆Q₅V₆(101)7Q₁Q₃Q₅V₇(111)

零序环流主要受并联逆变器每个PWM周期的零矢量作用时间影响。PWM模式和环流的关系如表2所示。一个逆变器有8中开关状态表示为V0～V7。如表2所示，正号表示零序环流和输出电流方向相同，负号表示零序环流和输出电流方向相反。数量越大表示零序电流越大。

表2开关状态和零序环流的关系

本发明中零序环流抑制的流程图由图7给出，其中T_{min_on}为三相导通时间中的最小导通时间，即T_{a_on}，T_{b_on}和T_{c_on}中的最小值，i_z1为第一台逆变器的零序环流，零序环流控制器的工作状态如下：

状态一：i_z1＞0，使用零状态V0(000)。

通过加上三相导通时间中的最小导通时间T_{min_on}重新简单计算得到调整后的开关导通时间T′_{a_on}，使V0(000)开关矢量的作用时间比传统增加一倍；

状态二：i_z1＜0，使用零状态V7(111)。

通过减去三相导通时间中的最小导通时间T_{min_on}重新简单计算得到调整后的开关导通时间T″_{a_on}，使V7(111)开关矢量的作用时间比传统增加一倍。

本发明中所提出基于实时调整的SVM控制方式可以使并联模块零序环流得到抑制，相电流波形畸变得到消除；同时，该控制方式可以减小开关频率，开关损耗显著减小。提出的基于实时调整的SVM控制方式进行实验。

图3给出了没有零序环流控制的实验波形和运用本发明所提出控制方法的实验波形。两台并联逆变器的参数分别为L₁＝2mH,L₂＝3mHand>d1*＝i_d2*＝8A。这表明，当SVM控制策略使用该环流抑制方法时零序环流会减小。同样的，运用该控制器电网电流波形质量很好。

图4给出了不同参考电流相同滤波条件下的实验波形。两台并联逆变器的参数是L₁＝2mH,L₂＝3mH and>d1*＝8A,i_d2*＝12A

图4给出了应用本发明提出方法之前和之后的零序环流和两台逆变器的A相电流。并联逆变器未应用零序环流控制方法时相电流会发生畸变。

交流侧电压220V直流侧电压630V直流侧电容3300μF参考电流(i_d*)12/8A滤波器电感2/3mH

通过以上实验结果可知，应用本发明提出的控制策略后，零序环流得到抑制，相电流波形畸变得到消除。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

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。