基於三次諧波注入的三相四橋臂逆變器並聯環流抑制方法
2023-05-31 00:12:26
專利名稱：基於三次諧波注入的三相四橋臂逆變器並聯環流抑制方法
技術領域：
本發明涉及的是一種基於三次諧波注入的三相四橋臂逆變器並聯環流抑制方法， 屬電能變換裝置中的控制技術。
背景技術：
目前新能源、飛機及電動汽車等分布式發電系統中，採用SPWM控制的三相四橋臂 逆變器以其三相解耦、帶不對稱負載能力、短路限流等優點得到廣泛的應用。隨著電力電子 設備功率等級的不斷提高，逆變器並聯技術將多個逆變模塊堆疊，共同給負載提供電能，成 為逆變器擴容和降低開關管電流應力優先選擇。
由於逆變器並聯不同於傳統的直直變換器的並聯，當多臺逆變器共直流母線進行 擴容並聯時，要求每臺逆變器模塊輸出的幅值和相位一致，防止模塊之間的環流。環流將導 致各個模塊之間功率的不平衡，增加額外的損耗，嚴重的時候甚至會損壞主電路中的器件。 同時三次諧波注入有利於提高直流電壓利用率，降低逆變器輸入直流母線電壓等級，提高 輸出波形質量。實際中各個模塊的主電路參數和主功率管開關時間等不可能是一致的，這 些因素引起的三次諧波不對稱勢必導致環流問題的加劇。因此非常有必要研究一種基於三 次諧波注入的三相四橋臂逆變器並聯環流抑制控制策略。
發明內容
本發明旨在提出一種適用於三次諧波注入的三相四橋臂逆變器並聯環流抑制方法。
為了實現上述目的，本發明採用的技術方案是，在傳統的基於平均電流控制的三 相三橋臂並聯均流控制策略的基礎上，將三相電流基準信號相加得到中線零序電流基準， 每個並聯模塊中線電感電流經過PI調節跟蹤中線零序電流基準得到第四橋臂調製信號， 該調製信號與載波交截產生SPWM開關信號控制第四橋臂開關管。實現多個模塊並聯第四 橋臂電感電流均流的目的。
在傳統逆變器控制策略中通過三次諧波注入方法提高直流電壓利用率。本發明採 用的控制策略中若通過每個模塊自身電流環輸出調製信號合成三次諧波作為三次諧波注 入時，由於各模塊之間電路主電路參數和主功率管開關時間的不對稱等原因將會產生模塊 間生成三次諧波不對稱的問題。當三次諧波信號注入到本模塊橋臂調製信號，將會在並聯 模塊之間產生零序環流。本發明在上述三次諧波注入策略的基礎上將各個模塊的三次諧波 信號相加取平均值作為所有逆變模塊共用的三次諧波信號，該信號與每個模塊的各個橋臂 調製信號相加，生成的調製信號與載波交截產生SPWM開關信號。該方法消除了零序環流分 量，實現逆變模塊的功率平衡。
附圖1是本發明的三相四橋臂逆變器並聯三次諧波注入的環流抑制方法控制策略結構示意圖。附圖1中的標號名稱(I)——三相均流控制單元；(2)——三相四橋臂逆變 器模塊I ; (3)——三相四橋臂逆變器模塊2 ； (4)——中線電流基準信號生成單元；(5)逆變 模塊I三次諧波生成單元；(6)逆變模塊2三次諧波生成單元；(7)無零序環流分量的三次 諧波信號生成單元；(8)三次諧波信號。
附圖2是本發明對於中線電感電流環流的抑制效果主要波形示意圖。
附圖3是未採用本發明中零序環流抑制方法時模塊之間零序環流效果主要波形 示意圖。
附圖4是採用本發明中零序環流抑制方法時三相負載平衡狀態下模塊之間零序 環流抑制效果主要波形示意圖。
附圖5是採用本發明中零序環流抑制方法時三相不平衡狀態下模塊之間零序環 流抑制效果主要波形示意圖。
附圖1中的主要符號名稱
Vin——輸入直流電壓，Cl、C2——輸入濾波電容，Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8——逆變模塊I主功率管開關信號，LA1、Lbi,Lci>——模塊I三相濾波電感，ILA1、ILB1、ILa、—— 模塊一三相濾波電感電流，Lni——模塊I中線電感，ILni——模塊I中線電感電流，Q9、Q10、 Q11、Q12、Q13、Q14、Q15、Q16——逆變模塊2各橋臂主功率管開關信號，LA2、LB2、Le2、——模 塊2三相濾波電感，ILa2, ILb2, ILc2,——模塊一三相濾波電感電流，Ln2——模塊I中線電 感，ILn2——模塊I中線電感電流，CA、CB、C。——三相輸出濾波電容，Ra、Rb、R。——三相負載， VA> VB、Vc——三相輸出電壓，VaMf、Vbref, Vcref——三相輸出電壓基準信號，Tal, Tbl, Tcl——模塊I三相電流環輸出誤差信號，Ta2> Tb2> Tc2-模塊2三相電流環輸出誤差信號，Inref-中線電流參考信號，TFH——三次諧波信號。
具體實施例方式
附圖1是帶三次諧波注入的三相四橋臂逆變器並聯環流抑制方法控制策略結構 示意圖，其控制電路部分主要由三相電感電流均流控制器(I)、中線電流基準信號生成控制 器(4)、三次諧波生成器(5) (6) (7)、幾個主要部分組成。其中三相電感電流均流控制器首 先由反饋的三相輸出電壓與基準電壓比較，經過運算放大器組成的比例積分環節得到三相 電流環的電流基準信號，然後通過LEM採樣得到各個逆變模塊三相電感電流的反饋值與共 用的電流基準信號進行比較，經過運算放大器組成的比例積分環節得到各模塊三相前三個 橋臂的調製信號，該調製信號與載波交結經過SPWM調製進而得到三相前三個橋臂主功率 管的開關信號。
將共用的三相電感電流基準信號相加，得到三相三橋臂的零序電流基準信號，作 為各個逆變模塊第四橋臂中線電感電流的基準信號。各模塊中線電感電流經過LEM採樣與 零序電流基準信號進行比較經過比例積分環節得到調製信號與載波交結獲得各逆變模塊 第四橋臂主功率管SPWM開關信號。
將各模塊三相電流環輸出誤差信號Tal、Tbl、Tel和Ta2、Tb2、Tc2分別合成得到本模塊 的三次諧波信號，然後將各三次諧波信號相加取平均值，所獲得的三次諧波信號平均值疊 加到各個逆變模塊三相橋臂和中線第四橋臂的調製信號中實現三次諧波注入。合成後的調製信號與載波交截得到SPWM開關信號控制主功率管的開關。
工作原理
下面根據附圖1，敘述本發明的具體工作原理，對應的電路關鍵波形見附圖2-附圖5.
對於共直流母線的並聯三相三橋臂逆變器基於平均電流控制的雙環均流控制方式是常用的控制策略。若將三相四橋臂逆變器並聯，第四橋臂與前面三個橋臂一樣也會存在環流問題的。開關管的參數不對稱是造成該環流問題一個主要的原因。假設附圖1中Q7 與Q16存在同時導通的狀態，假設該狀態為狀態A，而Q8與Q15也存在同時導通的狀態，設該狀態為狀態B。如果在N個開關周期中處於狀態A的周期要多於狀態B的周期，那麼在N 個開關周期之後狀態周期的不平衡導致的ILNdP ILn2的變化率不同將會產生中線電流不平衡的狀態，甚至超過主功率管的允許值，損壞主電路。該過流過程通過附圖2中的中線電流環流波形可以體現。
本發明參考了三相四橋臂逆變器第四橋臂提供三相零序電流通路的工作原理，瞬時零序電流為瞬時三相三橋臂電感電流之和。因此為了實現並聯三相四橋臂逆變器第四橋臂中線電流均流，可以採用三相電流環電流基準信號之和作為第四橋臂零序電流基準信號來生成。通過反饋第四橋臂電感電流與零序電流基準信號經過比例積分環節得到調製信號實現第四橋臂均流。
為了提高直流電壓利用率，優化輸出波形，需要在並聯三 相四橋臂逆變器中疊加三次諧波信號。建立模塊I的電流環誤差信號模型
dal = (Iaref-1al)Gi
dbl = (Ibref-1bl)Gi
dcl = (Icref-1cl)Gi
上式中dnl為電流環每一相的電流環輸出誤差信號，為每相電流環基準信號， inl為每相電感電流反饋信號，Gi為電流環傳遞函數。同理可以得到模塊2的電流環誤差信號模型
da2 = (Iaref-1a2)Gi
db2 = (Ibref-1b2)Gi
dc2 = (Icref-1c2)Gi
當兩模塊滿足濾波器不平衡、開關時間不對稱等狀態不平衡條件時，採用共電壓環均流，但是電感電流反饋值會存在誤差。以A相為例，假設兩模塊電感電流平均值為ia， 模塊一電感電流ial = 3+Δ ia,則模塊二電感電流ia2 = ia-A ia,並可以此類推到B相和C 相。雖然誤差量可以通過PI調節器調製保持平衡實現均流，但是當採用三次諧波注入的時，三次諧波是由PI調節器輸入不平衡導致的輸出的瞬時不平衡。假設三次諧波生成傳遞函數為Gs,則模塊一、模塊二的三次諧波分別為
S1 = (dal+dbl+dcl) XGs
= [ (iaref-1a) + (ibref-1b) + (icref-1c) ] X Gi X Gs+ ( Λ ia+ Λ iv+ Λ ic) X Gi X Gs
S2 = (da2+db2+dc2) XGs
= [ (iaref-1a) + (ibref-1b) + (icref-1c) ] X Gi X Gs- ( Λ ia+ Λ ib+ Λ ic) X Gi X Gs
由上面兩式可以看出，兩個模塊都存在一個(Aia+Aib+Λ i。)X Gi X Gs的不受控零序分量，若疊加到三相電流環輸出誤差信號和第四橋臂，該不受控的量相當於在模塊的調製信號中疊加了一個零序分量進而產生零序環流問題，大大提高兩模塊同相電感電流的環流。同時根據建模結果該零序環流分量不會因為負載的減輕而減小。當負載減小時會使電感電流產生明顯的畸變。該零序環流問題在附圖3的波形圖中有明確的體現。
根據推導結果，零序分量是由疊加的三次諧波中不受控的零序成分引起的，根據公式，兩模塊的零序分量幅值相等相位相反。
S1 = (dal+dbl+dcl) XGs
= [ (iaref-1a) + (ibref-1b) + (icref-1c) ] X Gi X Gs+ ( Λ ia+ Λ ib+ Λ ic) X Gi X Gs
S2 = (da2+db2+dc2) X Gs_] = [ (iaref-1a) +1、) + U ] X Gi X Gs_ ( Λ ia+ Λ ib+ Λ ic) X Gi X Gs
若將兩個模塊的三次諧波分量中的零序成分消除，則可以解決零序環流問題。本發明中的控制策略就是將三次諧波疊加後取平均值得到新的三次諧波信號。
^= -1a) + (ihr￥ -1h) + {icref -U]xC ,. XGi
該信號在控制電路中的注入方式與之前的相同。控制策略結果體現附圖4的負載平衡狀態的波形圖中，同時通過附圖5體現了該控制策略不會影響並聯三相四橋臂逆變器帶不平衡負載的能力。這與建模結果是相吻合的。
權利要求
1.一種基於三次諧波注入的三相四橋臂逆變器並聯環流抑制方法。主電路拓撲採用兩套三相四橋臂逆變器共輸入和共輸出的連接方式(2) (3)。其特徵在於採用電壓電流雙閉環控制(I)，三相電壓環產生兩個逆變器模塊公用的三相電流基準Imef、Ibref和Iraef,每個模塊的三相電流在電流內環PI調節器的作用下跟蹤對應的三相電流基準，內環PI調節器輸出調製信號與三次諧波信號Tra相加後，作為調製信號與載波交截產生SPWM信號，分別驅動Ql 6和Q9 14開關管。三相電流基準相加⑷生成Inref作為第四橋臂電感電流基準，反饋兩個模塊第四橋臂電感電流Im和Im2，與第四橋臂電感電流基準經過PI調節器輸出調製信號與三次諧波信號Tra相加後與載波交截產生SPWM信號，分別驅動Q7、Q8和Q15、Q16開關管。其中三次諧波信號IFH由信號Tal、Tbl、Tcl (5)和Ta2、Tb2、Tc2 (6)分別合成的三次諧波信號相加取平均值(7)生成。該公用三次諧波信號 Η消除了因為並聯模塊參數不平衡引起的零序環流問題。
全文摘要
一種基於三次諧波注入的三相四橋臂逆變器並聯環流抑制控制策略。該方法在三相三橋臂逆變器並聯電壓電流雙環控制的基礎上(1)，針對兩個三相四橋臂逆變器模塊(2)(3)並聯的拓撲，將電壓環輸出的三相電流基準信號合成零序電流基準信號(4)，使每個模塊第四橋臂中線電感電流經過誤差放大器跟蹤零序電流基準信號，實現兩臺三相四橋臂逆變器中線電流均流，達到抑制中線電流環流保護功率管提高變換器效率的目的。同時將兩模塊電流環輸出信號合成的兩個三次諧波信號(5)相加(6)取平均值(7)作為注入到兩逆變器模塊三相和中線調製信號中的公用三次諧波信號(8)，消除三次諧波信號中的零序調製分量，抑制由主電路濾波器參數不一致、開關管開關時間不一致等因素，產生的瞬時零序環流。該方法具有幾個突出的優點1)有效抑制了中線電流環流；2)控制環路簡單；3)不影響並聯逆變器的三次諧波注入，提高了直流電壓利用率。
文檔編號H02M1/08GK103001527SQ20121026263
公開日2013年3月27日 申請日期2012年7月27日 優先權日2012年7月27日
發明者陳軼涵, 龔春英, 韋徵, 鄧翔, 陳杰 申請人:南京航空航天大學