抑制T型三电平变换器中点电压波动的控制方法与流程

抑制t型三电平变换器中点电压波动的控制方法
技术领域
1.本发明涉及交直流混合微电网领域，具体是抑制t型三电平变换器中点电压波动的控制方法。


背景技术：

2.近年来，分布式能源和微电网取得了长足的进步，具有直流微电网和交流微电网优势的混合微电网受到广泛关注。作为连接dc/ac微电网的关键设备，双向dc/ac变流器已成为研究热点。双向dc/ac变换器按其电平可分为两电平变换器和多电平变换器。多电平变换器具有容量大、耐压等级高、输出电流电压谐波含量少、开关损耗小等优点。在多电平变换器中，三电平变换器因其功率器件少、控制简单等优点而被广泛使用。
3.t型转换器是一种变体npc半桥拓扑，与npc型三电平变换器拓扑相比，由于电流流过的开关器件数量减少，导通损耗降低。该拓扑消除了每相桥臂上的两个钳位二极管，因此可以减小变换器的尺寸，提高逆变器效率。然而，由于t 型变换器自身的拓扑结构会造成中点电压波动问题，该问题会增加变流器输出电流和电压的谐波含量，也会降低电解电容的寿命。
4.目前，三电平变换器中使用的中点电压平衡控制方法主要有：(1)通过改变硬件结构保持中点电位平衡。(2)基于值函数最小化的预测控制方法。(3)基于正负小矢量调整的svpwm。(4)基于虚拟矢量的vsvpwm。(5)基于零序电压注入的pwm。注入零序电压和双调制波的混合控制策略，其本质是在一个开关周期内计算其占空比，增加了控制系统的计算量。采用vsvpwm算法或改进算法来保持中点电压平衡的方法，会不可避免地增加了逆变器的开关损耗和输出谐波。


技术实现要素：

5.本发明为了解决t型变换器自身的拓扑结构会造成中点电压波动的问题，针对现有技术缺陷，设计了抑制t型三电平变换器中点电压波动的控制方法。
6.本发明是基于如下技术方案实现的：
7.一种抑制t型三电平变换器中点电压波动的控制方法，该方法是一种基于三电平t型变换器，经过零序电压和pir控制的中点电位平衡控制方法；所述三电平t型变换器主电路由12个igbt、直流母线电容c1和c2、交流滤波电感l1组成，所述电容c1和c2串联后并接在直流母线上；
8.具体采用如下步骤：
9.(1)首先，通过给定三相电流的无功分量和有功分量的基值，与电路中的实际值做差，差值通过pi控制器产生电压信号，电压信号再通过解耦、前馈调节和park逆变换得到三相电压；
10.(2)其次，使时间因子k0等于1/2得到零序电压的表达式，将该表达式注入电压正弦波中产生调制波，同时，分别在直流母线侧的上下电容采集电压，再将两电压做差，产生
的差值通过pir控制器得到电压补偿量，并注入到上述调制波中；所述零序电压表达式为：
[0011][0012]
式中u
dc1
和u
dc2
分别为直流电容c1和c2两端的电压，ua、ub、uc分别为步骤(1)中逆变换得到的三相电压；
[0013]
(3)最后，得到的新调制波通过pwm调制来驱动功率开关，实现对电容电压的平衡控制。
[0014]
本发明是一种运用两个反向串联igbt代替npc电路中的两个钳位二极管连接低电位和中性点的方式解决npc电路中上下桥臂开关管功率损耗分布不均并实现中点电位平衡的控制方法。该方法是一种基于三电平t型变换器，经过零序电压和pir控制的中点电位平衡控制方法，通过引入电流矢量，建立中点电流、无功电流和有功电流之间的函数模型以及spwm和svpwm之间的函数联系，推导得出注入零序电压的表达式，从而解决了解决t型变换器自身的拓扑结构会造成中点电压波动的技术问题。
[0015]
本发明所提供的上述抑制t型三电平变换器中点电压波动的控制方法，与现有技术相比，所具有的优点与积极效果在于：(1)该技术通过比例积分控制器 (pi)尽可能减小中点电位的偏移，实现对直流量的控制，通过谐振控制器(pir) 抑制中点电位的三倍频波动，实现对交流量的控制，从而使系统安全稳定运行； (2)电流流过的开关器件数量较少，导通损耗低；(3)消除了每相桥臂上的两个钳位二极管，减小了变换器的尺寸，提高了逆变器效率；(4)控制策略省去了复杂的占空比计算，可以实现不同功率因数下的电容电压平衡控制。
附图说明
[0016]
图1是本发明所涉及三相t型转换器拓扑图；
[0017]
图2是本发明所涉及三电平空间电压矢量图；
[0018]
图3是本发明所涉及空间矢量和三角载波调制图；
[0019]
图4是本发明所涉及中点电位平衡控制框图；
[0020]
图1中：t型变换器的主电路由12个igbt组成，用s
xi
表示(x＝a，b， c，i＝1,2,3,4)；u
dc
为直流母线电压，u
sa
、u
sb
、u
sc
为三相电网电压；c1、c2为直流母线电容，l1为交流滤波电感，ia、ib、ic为三相并网电感电流；i
dc1
为直流侧输出电流，i
dc2
为t型转换器的输入电流，i
np
为直流侧中点电流，规定流出点 o为正方向。
[0021]
图2中：三相t型变流器的任何一相都有n、p、o三种开关状态，那么共有27种开关状态组合。因为有一些相同的输出电压矢量对应不同的开关状态，所以开关状态是冗余的，共有19个基本电压矢量，又细分为零矢量v0、短矢量 v
1-v6、中矢量v
7-v
12
和大矢量v
13-v
18
。零矢量有两个冗余开关状态，此外，小矢量有一个冗余开关状态。
[0022]
图3中：ts为一个开关周期，sa、sb、sc为a、b、c在一个开关周期内的开关状态，t0、t1、t2为合成参考电压的三个基本电压矢量的作用时间，k0为一对冗余小矢量的作用时间分配系数，u
t
为三角载波幅值，幅值为(u
dc1
u
dc2
)/2。 u
ma
、u
mb
、u
mc
为三角载波pwm调制波信号，u
t1
、u
t2
为三角载波。
[0023]
图4中：pir为前馈环路控制器；uq和ud为经过解耦控制后的输出值；ua、 ub、uc为
park逆变换后的输出三相电压。
具体实施方式
[0024]
本发明解决了t型变换器自身的拓扑结构会造成中点电压波动的问题。
[0025]
本发明涉及一种可适用于新能源接入和消纳交的交直流混合微电网。三电平 t型双向dc/ac变换器，主电路由12个igbt、直流母线电容c1和c2、交流滤波电感l1组成。电容c1和c2串联后并接在直流母线上，s
a1
、s
b1
和s
c1
的源极连接在直流母线正极，s
a2
、s
b2
和s
c2
的漏极连接在直流母线负极；s
a3
和s
a4
的源极连接在电容c1和c2中点，s
a3
和s
a4
的漏极与s
a1
和s
a2
的中间桥臂连接；s
b3
和s
b4
的源极连接在电容c1和c2中点，s
b3
和s
b4
的漏极与s
b1
和s
b2
的中间桥臂连接；s
c3
和s
c4
的源极连接在电容c1和c2中点，s
c3
和s
c4
的漏极与s
c1
和s
c2
的中间桥臂连接。
[0026]
本发明公开了一种在上述交直流配微电网双向dc/ac基础上运用两个反向串联igbt代替npc电路中的两个钳位二极管连接低电位和中性点的方式解决 npc电路中上下桥臂开关管功率损耗分布不均并实现中点电位平衡的控制方法。 (1)首先，通过给定三相电流的无功分量和有功分量的基值，与电路中的实际值做差，差值通过pi控制器产生电压信号，电压信号再通过解耦、前馈调节和park 逆变换得到三相电压ua、ub、uc；
[0027]
(2)其次，通过比较三角载波pwm和空间矢量pwm，得到注入正弦调制波的零序分量的一般表达。具体推导过程如下：
[0028]
以图3中扇区i的第六个小区为例，在图3中能看出：
[0029][0030]
从几何关系中的相似三角形可以看出:
[0031][0032]
将式(1)代入式(2)得:
[0033][0034]
由于调制方式在一个开关周期内遵循伏秒平衡原理，因此可以得到:
[0035]
[0036]
又因为调制波电压和正弦波电压之间存在下列关系：
[0037][0038]
因此，将式(4)和式(5)代入式(3)，可得：
[0039][0040]
因此，零序电压应表示为:
[0041][0042]
在其他区域按照同样的方法推导，可以得到同样的结果，得到的一般表达式为:
[0043][0044]
再将该表达式注入电压正弦波中产生调制波，同时，分别在直流母线侧的上下电容采集电压，再将两电压做差，产生的差值通过pir控制器得到电压补偿量，并注入到上述调制波中；
[0045]
(3)最后，得到的新调制波通过pwm调制来驱动功率开关，实现对电容电压的平衡控制。
[0046]
t型三电平变换器具有功率器件数量少、导通损耗低、功率密度高等优点，被广泛应用于大电流和低压领域，t型变换器的中点电位平衡控制是其关键技术之一。中点电位不平衡增加了输出电压和电流的谐波畸变率，降低了直流侧电容器的使用寿命。针对pir控制的零序电压，提出了中点电位平衡控制策略，以控制中点电位的偏移和波动。建立了中点电流、无功电流和有功电流之间的函数模型以及spwm和svpwm之间的函数联系。该控制策略计算简单，动态响应快。可实现不同功率因数下的中点电位平衡控制和低频电压脉动的抑制。本发明所提控制方法可以抑制t型三电平变换器中点电压波动。本发明适用于交直流混合微电网，具有良好的实用性。