級聯多電平有源電力濾波器分散控制系統的製作方法
2023-04-30 05:39:21 1
專利名稱：級聯多電平有源電力濾波器分散控制系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於電力系統諧波補償技術領域，具體涉及一種級聯多電平有源電力濾波器分散控制系統。
背景技術：
目前鏈式多電平變換器控制系統，可以歸納為兩類①集中控制系統；②分散控制系統。集中控制系統只含有一個中央控制器並由其承擔所有的控制任務和鏈節脈衝寬度調製(PWM)算法。而分散控制系統則由中央控制器和單鏈節控制器組成，其中部分控制任務和鏈節PWM產生算法被分配到單鏈節控制器完成。現有鏈式有源電力濾波器(APF)基本上都採用集中控制，中央控制器一般採用數位訊號處理器DSP和現場可編程門陣列FPGA相結合的硬體結構，其中DSP完成APF的上層控制算法，包括直流電容均值控制、動態諧波電流控制以及鏈節直流電容均壓控制等；FPGA完成鏈式APF的底層調製，負責產生所有鏈節的PWM脈衝。然而這種集中控制系統將本可以由各鏈節獨立完成的均壓控制策略和PWM算法，都放在中央控制器完成。當裝置鏈節數較多時，一方面中央控制器的軟體設計複雜；另一方面，中央控制電路還必須實時檢測每個鏈節的直流電容電壓，大大增加了硬體電路的複雜程度。因此傳統的集中控制系統不利於鏈式APF鏈節數的擴展。要發揮鏈式模塊化結構的優勢，必須研究分散控制系統的設計與實現問題。文獻 "Implementation and control of distributed PWM cascaded multilevel inverters with minimal harmonic distortion and common-mode voltage，，提出了一禾中級聯多電平變換器的分散控制系統，單鏈節由獨立的功率單元構成，採用「背靠背」結構，配以完備的控制系統，但鏈節之間調製波和載波同步的方法比較複雜，而且載波移相角的精度依賴於各鏈節鎖相精度，因此鏈節載波之間的精確移相較難實現。文獻「!tactical Implementation of PWM synchronization and phase-shift method for cascadedH-Bridge multilevel inverters based on a standard serial communication protocol" ft")(^^ H- ^f^ % 平電機驅動裝置，提出基於CAN總線的分散控制系統，中央控制器和單鏈節控制器之間採用CAN總線傳遞控制信息，但由於CAN總線數據幀結構特點和通訊速率限制，該方案較難實現高速實時控制，對於需要對諧波電流進行快速、動態補償的APF並不適用。另外，鏈節直流電容電壓不平衡是級聯多電平變換器面臨的一個突出問題。許多文獻對此做了深入研究。文獻"A generalized control strategy of per-phase DC voltage balancing for cascaded multilevel converter-based STATC0M","Individual voltage balancing strategy for PWM cascaded H-Bridge converter-based STATC0M" 禾口 "Small-signtal model-based control strategy for balancing individual DC capacitor voltages in cascade multilevel inverter-based STATC0M」提出了一些新的直流電壓均壓算法，能取得良好效果，但這些算法需要獲取各鏈節的直流電壓，若在分散控制系統中實現，必然增加控制系統軟、硬體的複雜程度，同時當鏈節數較多時，各鏈節直流電壓採樣值實時傳送的時序配合也是一個難題。
發明內容
本發明的目的在於提供一種級聯多電平有源電力濾波器分散控制系統，採用中央控制器上位控制與各單鏈節下位控制相結合的方式，各鏈節為具有獨立控制器的集成功率單元，更容易實現模塊化和鏈節擴展，各鏈節直流電壓均壓和PWM調製由本鏈節控制器完成，簡化了中央控制器的軟體設計。級聯多電平有源電力濾波器分散控制系統，包括中央控制器和三個單相控制單元，中央控制器分別向各單相控制單元提供調製波信號和載波同步信號；所述單相控制單元包括一個以上的單鏈節，單鏈節包含單鏈節控制器、IGBT驅動電路、功率變換橋和直流電壓採集電路；所述單鏈節控制器接收來自中央控制器的調製波信號和載波同步信號，依據鏈節直流電壓採集電路採集的直流電壓對調製波信號進行修正，再利用修正後的調製波信號與載波同步信號產生脈寬調製脈衝傳送給IGBT驅動電路；IGBT驅動電路在脈寬調製脈衝的作用下對功率變換橋進行控制實現對電網的諧波補償。進一步地，所述中央控制器包括電壓外環控制模塊、電流指令合成模塊和電流內環控制模塊；所述電壓外環控制模塊對單相控制單元中任一單鏈節採集的直流電壓作反饋控制生成有功電流指令幅值Isjj ；所述電流指令合成模塊依據電網電壓相位和Is—p生成有功電流指令瞬時值is—/ ；所述電流內環控制模塊對is—/作反饋控制生成調製波信號ν。—&。進一步地，所述單鏈節控制器按照如下方式對調製波信號修正
Av 』 i -V, >0調製波信號^械=^獄+「」，其中八^廠°n-P, 「 — ，4為並
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網電流，Vd。n—為本鏈節直流電壓誤差，中間微調量Av。nj/為Vdm m經比例調節P放大後， 與正交電網電壓相位的餘弦量t相乘，再對此乘積取的絕對值。本發明的技術效果體現在(1)各鏈節為具有獨立控制器的集成功率單元，能產生PWM驅動脈衝，更容易實現模塊化。(2)各鏈節直流電壓由本鏈節控制器實現「本地」控制，無需傳至中央控制器，因此可節省大量中央控制器和鏈節控制器間的直流電壓採樣信號線，便於系統設計和維護。(3)各鏈節直流電壓均壓和PWM調製算法由本鏈節控制器完成，簡化了中央控制器軟體設計。
圖1為本發明控制系統整體結構示意圖；圖2為中央控制器結構框圖；圖3為中央控制器軟體流程圖；圖4為單鏈節控制器結構框圖；圖5為單鏈節控制器軟體流程；圖6為單鏈節之間載波同步示意圖；圖7為分散控制系統組網方式示意。
具體實施例方式圖1為分散控制系統總體結構圖，Vs為電網電壓，Vc為APF橋臂輸出電壓，is為併網電流，L為連接電感。本系統包含一個中央控制器和三個單相控制單元，單相控制單元又包含多個單鏈節，每個單鏈節包含單鏈節控制器、IGBT驅動電路、功率變換橋和直流電壓採集電路，同一單相控制單元的各單鏈節的功率變換橋相級聯。圖1給出了一個單相控制單元的示例，該單元包含三個鏈節。控制器分為中央控制器和單鏈節控制器，中央控制器位於上層控制電路，而單鏈節控制器位於每個鏈節內部。中央控制器和單鏈節控制器之間採用光纖構成雙向數據通訊鏈路，使得上層控制電路和各鏈節控制電路彼此隔離。中央控制器和單鏈節控制器均採用TMS320F2812型DSP作為主控設備。圖2為中央控制器控制原理框圖。中央控制器按照實現的功能，可分為三個部分 電壓外環控制器、電流指令合成器和電流內環控制器。也就是說，該控制系統採用了電壓、 電流雙閉環控制的結構，其中，電壓外環控制器用來生成有功電流指令值，電流指令合成器將有功電流指令和諧波電流指令合成為裝置輸出的瞬時電流指令，電流內環控制器再對瞬時電流指令進行跟蹤控制。圖2所示控制系統的詳細工作原理如下引入直流電壓值Vd。 作為反饋量來體現裝置對有功的需求，Vd。與直流電容電壓指令值Vdc*的誤差經過電壓調節 ^IGv(Z)的調節後，生成有功電流指令幅值Is p，I」乘以與電網電壓同相位的單位正弦值 sin t得到有功電流指令瞬時值is / ；諧波電流指令瞬時值isJ；與is /相加便合成了總裝置輸出的瞬時電流指令i/。引入裝置輸出電流瞬時值is作為反饋量與i/比較，其誤差經電流環控制器作用後生成調製波信號ν。—Mf，其中電流環控制器由比例控制器P和重複控制器&(2)複合而成。調製波信號ν。&將被傳送至各單鏈節控制器。sinot是鎖相環通過對電網電壓鎖相得來。圖3為中央控制器軟體流程圖。首先，中央控制器對電網電壓和輸出電流進行採樣並通過鎖相算法獲得電網電壓的相位。然後，對直流電壓進行比例積分(PI)調節，得到有功電流指令is—/，iSJ*與諧波電流指令is—！；疊加後生成總電流指令i/。i/經電流環控制器算法得到的控制量V。—ref，將作為PWM調製波信號經SPI傳送至各單鏈節控制器。圖4為單鏈節控制器結構框圖。圖4中，《t是電網電壓相位信息，由中央控制器對電網電壓鎖相而獲得；sign是符號判斷函數，用來判斷某些變量的正負；abs是取絕對值運算函數，用來使微調量Δ v。nj)始終保持為正值；v。m是最終調製信號。電網電壓相位信息ω t被傳送至單鏈節控制器無需專門配置信號傳送電路，可將其合成到調製波V。中一起傳送，這樣可以簡化硬體。單鏈節控制器對直流電容電壓進行微調以實現均壓，微調量 Δ Vonj的正負方向由電壓誤Svdm m的正負和相電流瞬時值is在指定參考方向下的正負共同決定，詳見表1。表1均壓控制調節量Δ ν。,Νρ的選取Tab. 1 Choice of balancing control quantity, Δ vCjNp
權利要求
1.級聯多電平有源電力濾波器分散控制系統，包括中央控制器和三個單相控制單元， 中央控制器分別向各單相控制單元提供調製波信號和載波同步信號；所述單相控制單元包括一個以上的單鏈節，單鏈節包含單鏈節控制器、IGBT驅動電路、功率變換橋和直流電壓採集電路；所述單鏈節控制器接收來自中央控制器的調製波信號和載波同步信號，依據鏈節直流電壓採集電路採集的直流電壓對調製波信號進行修正，再利用修正後的調製波信號與載波同步信號產生脈寬調製脈衝傳送給IGBT驅動電路；IGBT驅動電路在脈寬調製脈衝的作用下對功率變換橋進行控制實現對電網的諧波補償。
2.根據權利要求1所述的級聯多電平有源電力濾波器分散控制系統，其特徵在於，所述中央控制器包括電壓外環控制模塊、電流指令合成模塊和電流內環控制模塊；所述電壓外環控制模塊對單相控制單元中任一單鏈節採集的直流電壓作反饋控制生成有功電流指令幅值I」 ；所述電流指令合成模塊依據電網電壓相位和Is—P生成有功電流指令瞬時值iSJ；； 所述電流內環控制模塊對is—/作反饋控制生成調製波信號ν。—&。
3.根據權利要求1或2所述的級聯多電平有源電力濾波器分散控制系統，其特徵在於， 所述單鏈節控制器按照如下方式對調製波信號修正 調製波信號\獄=^八、 ，其中
全文摘要
本發明提供了一種級聯多電平有源電力濾波器分散控制系統，採用中央控制器上位控制與各單鏈節下位控制相結合的方式，各鏈節為具有獨立控制器的集成功率單元，更容易實現模塊化和鏈節擴展，各鏈節直流電壓均壓和PWM調製由本鏈節控制器完成，簡化了中央控制器的軟體設計。
文檔編號H02J3/01GK102208810SQ20111014952
公開日2011年10月5日 申請日期2011年6月3日 優先權日2011年6月3日
發明者康勇, 張樹全, 彭繁, 徐晨, 戴珂, 段科威, 陳晶晶, 陳睿, 黃雲輝 申請人:華中科技大學