一种并联三电平变换器环流抑制型开关序列设计方法

1.本发明涉及新能源功率变换技术领域，特别是涉及一种并联三电平变换器环流抑制型开关序列设计方法。


背景技术：

2.为了满足风能和太阳能等新能源发电应用不断提升的功率等级需求，三电平拓扑和并联运行技术在新能源功率变换器中得到了广泛应用。
3.新能源功率变换应用往往存在多个方面的性能指标，需要统筹兼顾和利弊权衡，从而实现系统层面的最佳性能，对于并网变换器来说，交流侧的并网电能质量是最重要的系统指标之一，因此如何减小交流侧电流谐波成为应用和研究的热点。
4.对于并联运行的三电平变换器来说，减小交流侧电流谐波的经典做法是采用交错并联技术，所谓交错并联，就是在两台并联运行变换器各自的调制过程中，在载波上设置半个开关周期的相位差，从而使得两台变换器的输出谐波相互抵消一部分，进而提高并联输出的总体谐波水平。
5.但是，传统交错并联技术最大的缺点在于，载波相位差会导致在一个开关周期内的不同时刻，两台变换器的开关状态始终存在差值，进而导致并联变换器之间产生幅值很大的高频环流，一方面，这种高频环流是交错并联技术必然带来的结果，无法通过改变调制过程进行抑制；另一方面，高频环流会显著增加开关器件承受的应力水平，以及增大并联变换器内部的功率损耗。
6.为了解决这个问题，公开号为cn109713725b的中国专利公开了一种风电并网三电平变换器的并联控制方法，可将两台并联变换器视为一个总体的多电平系统进行分析和调制，与传统交错并联技术相比，该方法不仅进一步降低了交流输出谐波水平，而且还有效减小了调制过程中产生的高频环流幅值，为新能源并网应用提供了一种性能更佳的并联运行思路。
7.但是，这种方法所提出的状态分配原则具备较大的局限性，由此设计出来的开关序列无法灵活适应不同的变换器控制目标，特别是不能进一步减小环流，因此，本发明提出了一种新的状态分配原则及相应的开关序列设计方法，在保持交流侧输出谐波不变的前提下，能够进一步显著降低环流幅值。


技术实现要素：

8.为了解决以上技术问题，本发明提供一种并联三电平变换器环流抑制型开关序列设计方法，包括以下步骤
9.将并联的两台三电平变换器整体视为一个五电平系统，利用传统五电平空间矢量调制方法生成一个开关周期内与参考矢量相对应的五电平开关序列；
10.将开关序列中五电平状态分配至并联运行三电平变换器各自对应的三电平开关状态，采用如下分配原则：
11.将开关周期等分成前后两个部分，在前半部分，针对每一个五电平基本矢量，将其中数值为偶数的五电平状态平均分为两个三电平状态，
12.数值为偶数的五电平状态包括0、2和4，
13.数值为0的五电平状态平均分为两个数值为0的三电平状态，
14.数值为2的五电平状态平均分为两个数值为1的三电平状态，
15.数值为4的五电平状态平均分为两个数值为2的三电平状态；
16.针对每一个五电平基本矢量，将其中数值为奇数的五电平状态平均分为差值最小的两个三电平状态，
17.数值为奇数的五电平状态包括1和3，
18.数值为1的五电平状态分为数值分别为0和1的三电平状态，
19.数值为3的五电平状态分为数值分别为1和2的三电平状态；
20.在开关周期的后半部分，其开关序列与开关周期前半部分的开关序列设置为相互对称。
21.本发明进一步限定的技术方案是：
22.进一步的，当五电平基本矢量中数值为奇数的五电平状态有2个时，即有两个五电平状态1，或者两个五电平状态3，或者一个五电平状态1和一个五电平状态3，则其中任意两个奇数值五电平状态在分配为三电平状态时，三相状态差之和最小。
23.前所述的一种并联三电平变换器环流抑制型开关序列设计方法，任意一开关周期的开关序列均与其相邻开关周期的开关序列设置为相互对称。
24.本发明的有益效果是：
25.本发明中，基于分析并联三电平变换器的环流成因，推导出并联环流大小与三电平变换器所采用开关序列之间的密切关系，进而确定了现有开关序列分配方式在环流抑制方面的局限性；利用五电平状态在分配到三电平状态过程中的自由度，不再局限于现有开关序列在一个开关周期内始终不变的分配方式，着眼于在每个五电平基本矢量的分配过程中都确保并联三电平变换器的三相状态差之和最小，提出了一种逐矢量交替分配的开关序列构造方法；这种开关序列分配方式，一方面可以在开关周期内的每一段时间内，都确保最小的开关状态差，从而产生最小的并联环流；另一方面，最终合成的并联系统输出状态并未发生变化，因此可以确保更高的并联输出电能质量，且由于前后两半周期内采用对称的开关序列，以及相邻周期内也采用相互对称的开关序列，因此仍能保证环流平均值为零，从而确保并联变换器能够正常运行，所以本方法在三电平变换器并联应用中，能够有效减小并联环流大小，而且实际的输出电能质量也优于现有方法。
附图说明
26.图1为本发明并联三电平变换器的系统拓扑结构图；
27.图2为本发明调制比为0.2时原始开关序列和改进开关序列的电流和环流实验波形图；
28.图3为本发明调制比为0.4时原始开关序列和改进开关序列的电流和环流实验波形图；
29.图4为本发明调制比为0.6时原始开关序列和改进开关序列的电流和环流实验波
形图；
30.图5为本发明调制比为0.8时原始开关序列和改进开关序列的电流和环流实验波形图；
31.图6为本发明原始开关序列和改进开关序列的零序环流对比图；
32.图7为本发明i扇区2小区原始开关序列零序环流示意图；
33.图8为本发明i扇区2小区改进开关序列零序环流示意图；
34.图9为本发明不同开关序列对应的零序环流示意图。
具体实施方式
35.在并联运行的三电平变换器系统中，定义开关函数表示变换器模块k的j相桥臂开关状态，其中k∈{1,2}，j∈{a,b,c}，，开关函数取值-1、0、1时分别对应桥臂的负、零、正电平输出，变换器模块k的三相桥臂输出电压可以用开关函数表示为：
[0036][0037]
其中，v
dc
表示直流母线电压，v
nk
表示模块k的直流母线上下电容电压之差，v
nk
＝v
uk-v
dk
。
[0038]
由式(1)可得
[0039][0040]
将式(2)中的k分别取值1和2，并进行相减，并考虑并联模块中点之间的电压差，可得系统零序环流激励电压表达式为
[0041][0042]
由式(3)可知，并联系统的零序环流激励电压可分为三个部分，第一部分是并联变换器模块中点电位电压差所产生的激励，第二部分是并联变换器模块开关动作不一致所产生的激励，第三部分则是中点电位差和开关动作不一致共同作用所产生的激励。
[0043]
将并联模块的中点连到一起后，式(3)可以重新表示为
[0044][0045]
在正常工作条件下，每个变换器模块的中点电位基本上都位于平衡态附近，所以vn的数值较小，可近似令vn＝0，则式(4)可进一步简化为
[0046][0047]
因此，从本质上来看，并联环流的主要激励源就是开关周期任意时刻并联三电平变换器之间的开关状态之差，由此可知，要想进一步抑制并联环流大小，必须提出新型开关序列。
[0048]
为了验证本发明所提新型开关序列对并联环流的抑制效果，以及是否真正能够保证交流侧输出谐波水平，将本发明所提的开关序列与背景技术中公开号为cn109713725b的中国专利公开的一种风电并网三电平变换器的并联控制方法进行实验验证，为便于区分，我们将背景技术中公开号为cn109713725b的中国专利公开的一种风电并网三电平变换器的并联控制方法所提出的开关序列称为原始开关序列，而将本发明提出的新的开关序列称为改进开关序列。
[0049]
为验证本发明改进开关序列在各种工况下的效果，在不同调制比下的实验波形如图2至图5所示，无论在多大的调制比下，采用本发明所提改进开关序列的零序环流都要小于背景技术中的原始开关序列，而且并联输出电流的谐波水平也得到了进一步降低。
[0050]
采用原始开关序列和改进开关序列在不同调制比下的零序环流有效值如图6所示，对比可见，尽管在不同调制比下的改善程度各不相同，但是采用本发明所提改进开关序列的零序环流总体上均优于背景技术中的原始开关序列。
[0051]
实施例一：本实施例提供的一种并联三电平变换器环流抑制型开关序列设计方法，其系统拓扑结构图如图1所示，图中o为电网中性点；n为理想的直流母线中点；n1和n2分别为变换器g1和g2的直流母线中点，系统主要参数为直流母线电压200v，逆变器各桥臂的交流侧滤波电感l为6mh，载波频率为3600hz。
[0052]
作为参照，此处简要介绍背景技术中公开号为cn109713725b的中国专利公开的一种风电并网三电平变换器的并联控制方法，其开关序列的构造原则及其对环流的影响，以矢量空间i扇区2小区为例，原始开关序列构造过程及其对应的零序环流变化趋势如图7所示。
[0053]
只有数值为奇数的五电平状态在分配时才会影响环流，因此采用了以下分配方式：
[0054]
在图7所示开关序列的每一段中，将五电平开关序列中数值为偶数的五电平状态平均分为两个三电平状态，
[0055]
上述数值为偶数的五电平状态包括0、2和4，
[0056]
数值为0的五电平状态分为两个数值为0的三电平状态，
[0057]
数值为2的五电平状态分为两个数值为1的三电平状态，
[0058]
数值为4的五电平状态分为两个数值为2的三电平状态。
[0059]
在图7所示开关序列的前后半周期中，将五电平开关序列中数值为奇数的五电平状态分为组合形式不同的两个三电平状态，每一种组合形式中的两个三电平状态之差的绝对值最小，具体如下：
[0060]
上述数值为奇数的五电平状态包括1和3，
[0061]
数值为1的五电平状态分为数值为0和数值为1的三电平状态，
[0062]
数值为3的五电平状态分为数值为1和数值为2的三电平状态，
[0063]
若前半周期将数值为1的五电平状态分为0、1，则后半周期分为1、0；
[0064]
若前半周期将数值为3的五电平状态分为1、2，则后半周期分为2、1。
[0065]
但是，由于在任意半个周期内，五电平状态的分配方式始终保持一致，这就造成对于开关周期中的每一段来说，三电平状态之间的差值总和仍然较大，状态差对应的就是桥臂输出电压，而这个电势差就会产生较大的并联环流，因此，本发明所提出的改进开关序列设计思路，就是在开关周期内的每一段都进行改进，采用以下更加灵活的分配方式。
[0066]
在图8所示改进开关序列的每一段，如果有2个五电平状态为奇数，则将五电平开关序列中数值为奇数的五电平状态仍分为绝对差值最小的三电平状态，同时使得三相开关状态差的总和最小，具体如下：
[0067]
上述数值为奇数的五电平状态包括1和3，
[0068]
数值为1的五电平状态分为数值为0和数值为1的三电平状态，
[0069]
数值为3的五电平状态分为数值为1和数值为2的三电平状态，
[0070]
对于开关周期中每一段五电平状态来说，如果第1个奇数状态分配后的三电平状态差为-1(比如五电平状态1分为0和1，或者五电平状态3分为1和2)，则第2个技术状态分配后的三电平状态差为1(比如五电平状态1分为1和0，或者五电平状态3分为2和1)，反之亦然，由此确保三相开关状态差的总和最小。
[0071]
此外，每个开关周期仅需对前半周期的开关序列进行上述分配，后半周期每个五电平状态的分配直接应用与前半周期相互对称的分配方式即可，以图7所示开关序列中的第一段为例，基本矢量为“211”，按照背景技术中公开号为cn109713725b的中国专利公开的一种风电并网三电平变换器的并联控制方法，需要将其分解为“100”和“111”，则两个三电平变换器的共模状态和之差为(1-1) (0-1) (0-1)＝-2；但是如果分解为“101”和“110”，则共模状态和之差就是(1-1) (0-1) (1-0)＝0，这两种分配方式都能合成相同的五电平输出电压矢量“211”，因此能够确保相同的输出谐波水平。
[0072]
与此同时，原始开关序列和改进开关序列造成的共模电压变化趋势不同，对应于零序环流的变化趋势也不同。
[0073]
对于图8所对应的矢量空间区域，若采用本发明提出的改进开关序列设计思路，则改进开关序列构造过程及对应的环流变化趋势如图8所示，对比图7所示的原始开关序列环流变化趋势可知，采用改进开关序列能够显著减小零序环流的大小。
[0074]
实施例二：i扇区1-9小区对应的两种开关序列及其环流变化型式如图9所示，由环流示意图可知，个别区域的环流本身就已经很小，没有改进空间，例如i扇区的6、7和8小区，因此仍采用原来的开关序列；而在其余区域内，采用改进开关序列都能显著减小共模环流的幅值。
[0075]
根据空间矢量调制的基本原理，距离参考电压矢量最近的三个基本矢量会在一个
开关周期内轮流作用，以合成与参考电压矢量相同的伏秒积，开关序列的改变往往会影响调制过程中的电流纹波和开关次数，本发明提出的改进开关序列，改进的仅仅是将五电平矢量分配为三电平状态的组合方式，而最终合成的五电平矢量仍与原始开关序列完全一致，因此并不会对输出电流纹波和电力电子器件的开关损耗产生影响。
[0076]
所以本发明基于分析并联三电平变换器的环流成因，推导出并联环流大小与三电平变换器所采用开关序列之间的密切关系，进而确定了现有开关序列分配方式在环流抑制方面的局限性；利用五电平状态在分配到三电平状态过程中的自由度，不再局限于原始开关序列在一个开关周期内始终不变的分配方式，着眼于在每个五电平基本矢量的分配过程中都确保并联三电平变换器的三相状态差之和最小，提出了一种逐矢量交替分配的开关序列构造方法。
[0077]
这种开关序列分配方式，一方面可以在开关周期内的每一段时间内，都确保最小的开关状态差，从而产生最小的并联环流；另一方面，最终合成的并联系统输出状态并未发生变化，因此可以确保更高的并联输出电能质量，且由于前后两半周期内采用对称的开关序列，以及相邻周期内也采用相互对称的开关序列，因此仍能保证环流平均值为零，从而确保并联变换器能够正常运行，所以本方法在三电平变换器并联应用中，能够有效减小并联环流大小，而且实际的输出电能质量也优于现有方法。
[0078]
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。