一种基于单相电流源型五电平逆变器的并网谐波抑制方法

1.本发明涉及电力电子变流器技术领域，尤其是涉及一种基于单相电流源型五电平逆变器的并网谐波抑制方法。


背景技术：

2.根据逆变器直流侧储能元件的不同，并网逆变器可分为电压源型逆变器和电流源型逆变器。目前，并网逆变器普遍采用电压源型逆变器，但电流源型逆变器自身也具有诸多优点，如输入端无需采用电解电容可增加变流器寿命、不存在桥臂直通过流问题、短路保护能力强。采用电流源型五电平逆变器可使输出电流波形更接近正弦，同时每个开关器件只需承受一半电流应力，有效提升电路性能和可靠性。然而，电流源型逆变器在并网时其输出侧通常采用电容滤波，由于并网点跟逆变器输出点连接线之间存在一个等效电感，当该等效电感的感抗刚好达到与逆变器lc谐振时，逆变器输出侧的电网电压会引入一个高频谐振分量，一旦该高频分量经采样进入控制系统，就会导致系统发散、逆变器谐振等问题，如不加抑制则有可能无限放大相频率的谐波电流直至系统崩溃。
3.现有技术中，一般只针对电压型并网逆变器的谐振进行抑制，抑制方法又是往往仅适合于纯有功并网模式，导致功率因数不可调、功能相对比较单一；另外，现有的针对电压型逆变器的谐振抑制方法通常需要电流和电压的两级变换处理，结构复杂、电流响应速度较慢。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对单相电流源型五电平逆变器用于并网逆变时所产生的谐振问题，提供一种能够良好地抑制谐振、并网时任意功率因数可调，并且电流响应速度快的并网谐波抑制方法。
5.本发明所采用的技术方案是，一种基于单相电流源型五电平逆变器的并网谐波抑制方法，该方法通过基于小均流电感单相电流型五电平逆变器的并网系统实施，所述基于小均流电感单相电流型五电平逆变器的并网系统包括主电路部分以及控制电路部分，所述主电路部分包括单相电流型五电平逆变电路、cll滤波电路以及网侧电源电路，所述控制电路部分包括锁相环电路、单相交流电流的坐标变换电路、基于pi的直接电流控制电路、电容反馈电压的低通滤波处理电路、高频谐波电流补偿电路、并网电流参考信号电路以及多载波pwm发生器驱动电路，所述基于pi的直接电流控制电路包括一级pi调节器，该方法包括下列步骤：
6.s1、采集电网电压us作为参考信号，通过锁相环电路进行锁相处理后得到参考相位角θ，将参考相位角θ分别送入单相交流电流的坐标变换电路和基于pi的直接电流控制电路，分别用于αβ-dq变换和dq-αβ变换；
7.s2、采集电网电流is，通过单相交流电流的坐标变换电路进行αβ-dq变换处理，获得dq坐标系下的直流电流id和iq，并将直流电流id和iq送入基于pi的直接电流控制电路作
为一级pi调节器的负反馈信号；
8.s3、设定理论值i
d*
和i
q*
，i
d*
表示需向电网注入的有功电流值，i
q*
表示需向电网注入的无功电流值，将i
d*
和i
q*
输入基于pi的直接电流控制电路中，分别与负反馈信号id和iq进行比较，比较后获得各自的电流误差信号，将电流误差信号输入一级pi调节器进行电流变换，得到新的d-q轴直流电流i
sd
和i
sq
，再经dq-αβ反变换后得到单相交流电流i
sa
；
9.s4、采样电容电压uc，经过处理得到电容电压uc的基波分量u
cb
；
10.s5、通过高频谐波电流补偿电路中有功电流和无功电流的给定值来判断并网模式，并根据并网模式来选择需要构建的反馈电流i
rc
；具体过程为：当i
d*
≠0、i
q*
＝0时，即以纯有功模式并网，选择电容电压uc作为反馈电流i
rc
；当i
d*
＝0、i
q*
≠0时，即以纯无功模式并网，选择电容电压uc的高频谐波分量作为反馈电流i
rc
；当i
d*
≠0、i
q*
≠0时，即以有功 无功模式并网，选择电容电压uc的高频谐波分量作为反馈电流i
rc
；
11.s6、在获得单相交流电流i
sa
的基础上，通过往基于pi的直接电流控制电路中反向注入谐波补偿电流i
rc
与单相交流电流i
sa
进行比较，比较后获得新的交流电流i
s’，经幅值标幺化处理后得到正弦调制信号i
s*
，即并网电流参考信号；
12.s7、将得到的正弦调制信号i
s*
送入多载波pwm发生器产生8路spwm信号，经隔离驱动后控制单相电流型五电平逆变电路中的各个开关器件的开通与关断。
13.本发明的有益效果是：本发明在通用型单相电流型五电平逆变电路拓扑基础上，通过高频调制可将均流电感值从mh级减少到uh级，有效提升了电流型多电平变流器的实用性。本发明将基于uh级均流电感的单相电流源型五电平变流器用于并网逆变，与传统电压型逆变器一样也会产生输出侧的谐波自谐振问题。本发明通过采用高频谐波电流补偿的方法不仅解决了纯有功并网模式(功率因数为1)时的谐波自谐振问题，而且还提供了纯无功以及有功 无功这两种模式下的谐振抑制方法，从而实现了并网时任意功率因数可调的效果。因此，本发明所提的单相电流源型五电平变流器及其谐波抑制策略除了用于常规的并网发电，还具有无功补偿功能，丰富了逆变器的使用功能，适用性更广泛；并且该方法基于电流直接控制，电流响应速度快，进一步保证了系统的响应速度，提高了工作效率。
14.作为优选，在步骤s4中，经过处理得到电容电压uc的基波分量u
cb
的具体方法为：采样电容电压uc，对电容电压uc依次进行αβ-dq变换和dq-αβ变换处理，获得dq坐标系下的直流电流u
cd
和u
cq
，再将直流电流u
cd
和u
cq
分别经过电容反馈电压的低通滤波处理电路中的低通滤波器处理，处理后分别得到u
cd
和u
cq
的基波分量u
cdb
和u
cqb
，再经dq-αβ反变换后得到电容电压uc的基波分量u
cb
。
15.作为优选，所述高频谐波分量等于电容电压uc与基波分量u
cb
之差。
附图说明
16.图1为本发明一种基于单相电流源型五电平逆变器的并网谐波抑制方法的原理图；
17.图2为本发明中当设定i
d*
＝15、i
q*
＝0时的并网电流波形图；
18.图3为本发明中当设定i
d*
＝0、i
q*
＝-19时的并网电流波形图；
19.图4为本发明中当i
d*
＝15、i
q*
＝-15时的并网电流波形图；
20.如图所示：1、单相电流型五电平逆变电路；2、cll滤波电路；3、网侧电源电路；4、锁
相环电路；5、单相交流电流的坐标变换电路；6、基于pi的直接电流控制电路；7、电容反馈电压的低通滤波处理电路；8、高频谐波电流补偿电路；9、并网电流参考信号电路；10、多载波pwm发生器驱动电路。
具体实施方式
21.以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。
22.本发明涉及一种基于单相电流源型五电平逆变器的并网谐波抑制方法，该方法通过基于小均流电感单相电流型五电平逆变器的并网系统实施，所述基于小均流电感单相电流型五电平逆变器的并网系统包括主电路部分以及控制电路部分，如图1所示，所述主电路部分包括单相电流型五电平逆变电路1、由滤波电容和引线等效电感构成的cll滤波电路2以及网侧电源电路3，所述控制电路部分包括锁相环电路4、单相交流电流的坐标变换电路5、基于pi的直接电流控制电路6、电容反馈电压的低通滤波处理电路7、高频谐波电流补偿电路8、并网电流参考信号电路9以及多载波pwm发生器驱动电路10，所述基于pi的直接电流控制电路6包括一级pi调节器，该方法包括下列步骤：
23.s1、如图1所示，采集电网电压us作为参考信号，电网电压us通过锁相环电路4进行锁相处理后得到参考相位角θ，将参考相位角θ分别送入单相交流电流的坐标变换电路5和基于pi的直接电流控制电路6，分别用于αβ-dq变换和dq-αβ变换；
24.s2、采集电网电流is，电网电流is通过单相交流电流的坐标变换电路5进行αβ-dq变换处理，获得dq坐标系下的直流电流id和iq，并将直流电流id和iq送入基于pi的直接电流控制电路6作为pi调节器的负反馈信号；
25.s3、设定理论值i
d*
和i
q*
，i
d*
表示需向电网注入的有功电流值，i
q*
表示需向电网注入的无功电流值，将i
d*
和i
q*
输入基于pi的直接电流控制电路6中，分别与负反馈信号id和iq进行比较，比较后获得各自的电流误差信号，将电流误差信号经pi调节器后得到新的d-q轴直流电流i
sd
和i
sq
，再经dq-αβ反变换后得到单相交流电流i
sa
；
26.s4、采样电容电压uc，经过处理得到电容电压uc的基波分量u
cb
；
27.s5、通过高频谐波电流补偿电路中有功电流和无功电流的给定值来判断并网模式，并根据并网模式来选择需要构建的谐波反馈电流i
rc
；uc和u
cb
用于构建谐波反馈电流，i
d*
和i
q*
用于判别并网的工作模式(纯有功模式或无功模式)，具体过程为：当i
d*
≠0、i
q*
＝0时，即以纯有功模式并网，选择电容电压uc作为反馈电流i
rc
；当i
d*
＝0、i
q*
≠0时，即以纯无功模式并网，选择电容电压uc的高频谐波分量作为反馈电流i
rc
，所述高频谐波分量为电容电压uc与基波分量u
cb
之差；当i
d*
≠0、i
q*
≠0时，即以有功 无功模式并网，选择电容电压uc的高频谐波分量作为反馈电流i
rc
，所述高频谐波分量为电容电压uc与基波分量u
cb
之差。
28.s6、在获得单相交流电流i
sa
的基础上，通过往基于pi的直接电流控制电路6中反向注入谐波补偿电流i
rc
与单相交流电流i
sa
进行比较，比较后获得新的交流电流i
s’，经幅值标幺化处理后得到正弦调制信号i
s*
，即并网电流参考信号；
29.s7、将得到的正弦调制信号i
s*
送入多载波pwm发生器驱动电路10中，通过多载波pwm发生器产生八路spwm信号，经隔离驱动后控制单相电流型五电平逆变电路1中的各个开关器件的开通与关断。
30.本发明在通用型单相电流型五电平逆变电路拓扑基础上，通过高频调制可将均流电感值从mh级减少到uh级，有效提升了电流型多电平变流器的实用性。本发明将基于uh级均流电感的单相电流源型五电平变流器用于并网逆变，与传统电压型逆变器一样也会产生输出侧的谐波自谐振问题。本发明通过采用高频谐波电流补偿的方法不仅解决了纯有功并网模式(功率因数为1)时的谐波自谐振问题，而且还提供了纯无功以及有功 无功这两种模式下的谐振抑制方法，从而实现了并网时任意功率因数可调的效果，具体效果参见图2、图3和图4所示的并网电流波形。因此，本发明所提的单相电流源型五电平变流器及其谐波抑制策略除了用于常规的并网发电，还具有无功补偿功能，丰富了逆变器的使用功能，适用性更广泛；并且该方法基于电流直接控制，电流响应速度快，进一步保证了系统的响应速度，提高了工作效率。
31.在步骤s4中，经过处理得到电容电压uc的基波分量u
cb
的具体方法为：采样电容电压uc，对电容电压uc依次进行αβ-dq变换和dq-αβ变换处理，获得dq坐标系下的直流电流u
cd
和u
cq
，再将直流电流u
cd
和u
cq
分别经过电容反馈电压的低通滤波处理电路7中的低通滤波器处理，处理后分别得到u
cd
和u
cq
的基波分量u
cdb
和u
cqb
，再经dq-αβ反变换后得到电容电压uc的基波分量u
cb
。
32.本发明分别针对三种并网工作模式进行了仿真验证，(1)纯有功模式：设定i
d*
＝15、i
q*
＝0；(2)纯无功模式：设定i
d*
＝0、i
q*
＝-19；(3)有功 无功模式：设定i
d*
＝15、i
q*
＝-15。为了便于对比控制效果，设定t＝0.1s时，用于补偿的反馈电流信号才投入控制。如图2、图3和图4所示，可以看出：三种并网工作模式下，单相电流型五电平逆变电路1输出侧的谐波自谐振问题均能很好地得到抑制，入网电流波形接近于正弦波，同时可实现并网时任意功率因数可调。
33.本发明在通用的电路拓扑基础上，通过高频调制将均流电感值从mh级减少到uh级，进一步提升电流型多电平变流器的实用性。在此基础上，本发明基于小均流电感单相电流型五电平逆变器，提出一种电流谐波补偿方法以解决逆变器输出侧的谐波自谐振问题，通过采样滤波电容c上的电压，分别经αβ-dq变换、低通滤波以及dq-αβ反变换处理后获得50hz电压基波分量，与原始电容电压相减即可获得高频谐波分量，利用该高频谐波分量对并网电流进行谐波补偿。在纯有功、纯无功以及有功 无功三种不同并网工作模式下，该补偿方法均能起到抑制谐振的效果，具体效果参见图2、图3和图4所示的并网电流波形。