專利名稱：級聯(lián)多電平有源電力濾波器分散控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)諧波補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種級聯(lián)多電平有源電力濾波器分散控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶儞Q器控制系統(tǒng)，可以歸納為兩類①集中控制系統(tǒng)；②分散控制系統(tǒng)。集中控制系統(tǒng)只含有一個(gè)中央控制器并由其承擔(dān)所有的控制任務(wù)和鏈節(jié)脈沖寬度調(diào)制(PWM)算法。而分散控制系統(tǒng)則由中央控制器和單鏈節(jié)控制器組成，其中部分控制任務(wù)和鏈節(jié)PWM產(chǎn)生算法被分配到單鏈節(jié)控制器完成。現(xiàn)有鏈?zhǔn)接性措娏V波器(APF)基本上都采用集中控制，中央控制器一般采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP和現(xiàn)場可編程門陣列FPGA相結(jié)合的硬件結(jié)構(gòu)，其中DSP完成APF的上層控制算法，包括直流電容均值控制、動(dòng)態(tài)諧波電流控制以及鏈節(jié)直流電容均壓控制等；FPGA完成鏈?zhǔn)紸PF的底層調(diào)制，負(fù)責(zé)產(chǎn)生所有鏈節(jié)的PWM脈沖。然而這種集中控制系統(tǒng)將本可以由各鏈節(jié)獨(dú)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(dāng)裝置鏈節(jié)數(shù)較多時(shí)，一方面中央控制器的軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜；另一方面，中央控制電路還必須實(shí)時(shí)檢測每個(gè)鏈節(jié)的直流電容電壓，大大增加了硬件電路的復(fù)雜程度。因此傳統(tǒng)的集中控制系統(tǒng)不利于鏈?zhǔn)紸PF鏈節(jié)數(shù)的擴(kuò)展。要發(fā)揮鏈?zhǔn)侥K化結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，必須研究分散控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)問題。文獻(xiàn) "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(lián)多電平變換器的分散控制系統(tǒng)，單鏈節(jié)由獨(dú)立的功率單元構(gòu)成，采用“背靠背”結(jié)構(gòu)，配以完備的控制系統(tǒng)，但鏈節(jié)之間調(diào)制波和載波同步的方法比較復(fù)雜，而且載波移相角的精度依賴于各鏈節(jié)鎖相精度，因此鏈節(jié)載波之間的精確移相較難實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)“!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(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，提出基于CAN總線的分散控制系統(tǒng)，中央控制器和單鏈節(jié)控制器之間采用CAN總線傳遞控制信息，但由于CAN總線數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和通訊速率限制，該方案較難實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)控制，對于需要對諧波電流進(jìn)行快速、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)腁PF并不適用。另外，鏈節(jié)直流電容電壓不平衡是級聯(lián)多電平變換器面臨的一個(gè)突出問題。許多文獻(xiàn)對此做了深入研究。文獻(xiàn)"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(jié)的直流電壓，若在分散控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，必然增加控制系統(tǒng)軟、硬件的復(fù)雜程度，同時(shí)當(dāng)鏈節(jié)數(shù)較多時(shí)，各鏈節(jié)直流電壓采樣值實(shí)時(shí)傳送的時(shí)序配合也是一個(gè)難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種級聯(lián)多電平有源電力濾波器分散控制系統(tǒng)，采用中央控制器上位控制與各單鏈節(jié)下位控制相結(jié)合的方式，各鏈節(jié)為具有獨(dú)立控制器的集成功率單元，更容易實(shí)現(xiàn)模塊化和鏈節(jié)擴(kuò)展，各鏈節(jié)直流電壓均壓和PWM調(diào)制由本鏈節(jié)控制器完成，簡化了中央控制器的軟件設(shè)計(jì)。級聯(lián)多電平有源電力濾波器分散控制系統(tǒng)，包括中央控制器和三個(gè)單相控制單元，中央控制器分別向各單相控制單元提供調(diào)制波信號(hào)和載波同步信號(hào)；所述單相控制單元包括一個(gè)以上的單鏈節(jié)，單鏈節(jié)包含單鏈節(jié)控制器、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、功率變換橋和直流電壓采集電路；所述單鏈節(jié)控制器接收來自中央控制器的調(diào)制波信號(hào)和載波同步信號(hào)，依據(jù)鏈節(jié)直流電壓采集電路采集的直流電壓對調(diào)制波信號(hào)進(jìn)行修正，再利用修正后的調(diào)制波信號(hào)與載波同步信號(hào)產(chǎn)生脈寬調(diào)制脈沖傳送給IGBT驅(qū)動(dòng)電路；IGBT驅(qū)動(dòng)電路在脈寬調(diào)制脈沖的作用下對功率變換橋進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的諧波補(bǔ)償。進(jìn)一步地，所述中央控制器包括電壓外環(huán)控制模塊、電流指令合成模塊和電流內(nèi)環(huán)控制模塊；所述電壓外環(huán)控制模塊對單相控制單元中任一單鏈節(jié)采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(jù)電網(wǎng)電壓相位和Is—p生成有功電流指令瞬時(shí)值is—/ ；所述電流內(nèi)環(huán)控制模塊對is—/作反饋控制生成調(diào)制波信號(hào)ν?！?amp;。進(jìn)一步地，所述單鏈節(jié)控制器按照如下方式對調(diào)制波信號(hào)修正
Av ’ i -V, >0調(diào)制波信號(hào)^械=^獄+“”，其中八^廠°n-P, “ — ，4為并
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網(wǎng)電流，Vd。n—為本鏈節(jié)直流電壓誤差，中間微調(diào)量Av。nj/為Vdm m經(jīng)比例調(diào)節(jié)P放大后， 與正交電網(wǎng)電壓相位的余弦量t相乘，再對此乘積取的絕對值。本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在(1)各鏈節(jié)為具有獨(dú)立控制器的集成功率單元，能產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)脈沖，更容易實(shí)現(xiàn)模塊化。(2)各鏈節(jié)直流電壓由本鏈節(jié)控制器實(shí)現(xiàn)“本地”控制，無需傳至中央控制器，因此可節(jié)省大量中央控制器和鏈節(jié)控制器間的直流電壓采樣信號(hào)線，便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和維護(hù)。(3)各鏈節(jié)直流電壓均壓和PWM調(diào)制算法由本鏈節(jié)控制器完成，簡化了中央控制器軟件設(shè)計(jì)。


圖1為本發(fā)明控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為中央控制器結(jié)構(gòu)框圖；圖3為中央控制器軟件流程圖；圖4為單鏈節(jié)控制器結(jié)構(gòu)框圖；圖5為單鏈節(jié)控制器軟件流程；圖6為單鏈節(jié)之間載波同步示意圖；圖7為分散控制系統(tǒng)組網(wǎng)方式示意。
具體實(shí)施例方式圖1為分散控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，Vs為電網(wǎng)電壓，Vc為APF橋臂輸出電壓，is為并網(wǎng)電流，L為連接電感。本系統(tǒng)包含一個(gè)中央控制器和三個(gè)單相控制單元，單相控制單元又包含多個(gè)單鏈節(jié)，每個(gè)單鏈節(jié)包含單鏈節(jié)控制器、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、功率變換橋和直流電壓采集電路，同一單相控制單元的各單鏈節(jié)的功率變換橋相級聯(lián)。圖1給出了一個(gè)單相控制單元的示例，該單元包含三個(gè)鏈節(jié)?？刂破鞣譃橹醒肟刂破骱蛦捂湽?jié)控制器，中央控制器位于上層控制電路，而單鏈節(jié)控制器位于每個(gè)鏈節(jié)內(nèi)部。中央控制器和單鏈節(jié)控制器之間采用光纖構(gòu)成雙向數(shù)據(jù)通訊鏈路，使得上層控制電路和各鏈節(jié)控制電路彼此隔離。中央控制器和單鏈節(jié)控制器均采用TMS320F2812型DSP作為主控設(shè)備。圖2為中央控制器控制原理框圖。中央控制器按照實(shí)現(xiàn)的功能，可分為三個(gè)部分 電壓外環(huán)控制器、電流指令合成器和電流內(nèi)環(huán)控制器。也就是說，該控制系統(tǒng)采用了電壓、 電流雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，其中，電壓外環(huán)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(shí)電流指令，電流內(nèi)環(huán)控制器再對瞬時(shí)電流指令進(jìn)行跟蹤控制。圖2所示控制系統(tǒng)的詳細(xì)工作原理如下引入直流電壓值Vd。 作為反饋量來體現(xiàn)裝置對有功的需求，Vd。與直流電容電壓指令值Vdc*的誤差經(jīng)過電壓調(diào)節(jié) ^IGv(Z)的調(diào)節(jié)后，生成有功電流指令幅值Is p，I”乘以與電網(wǎng)電壓同相位的單位正弦值 sin t得到有功電流指令瞬時(shí)值is / ；諧波電流指令瞬時(shí)值isJ；與is /相加便合成了總裝置輸出的瞬時(shí)電流指令i/。引入裝置輸出電流瞬時(shí)值is作為反饋量與i/比較，其誤差經(jīng)電流環(huán)控制器作用后生成調(diào)制波信號(hào)ν。—Mf，其中電流環(huán)控制器由比例控制器P和重復(fù)控制器&(2)復(fù)合而成。調(diào)制波信號(hào)ν。&將被傳送至各單鏈節(jié)控制器。sinot是鎖相環(huán)通過對電網(wǎng)電壓鎖相得來。圖3為中央控制器軟件流程圖。首先，中央控制器對電網(wǎng)電壓和輸出電流進(jìn)行采樣并通過鎖相算法獲得電網(wǎng)電壓的相位。然后，對直流電壓進(jìn)行比例積分(PI)調(diào)節(jié)，得到有功電流指令is—/，iSJ*與諧波電流指令is—??；疊加后生成總電流指令i/。i/經(jīng)電流環(huán)控制器算法得到的控制量V?！猺ef，將作為PWM調(diào)制波信號(hào)經(jīng)SPI傳送至各單鏈節(jié)控制器。圖4為單鏈節(jié)控制器結(jié)構(gòu)框圖。圖4中，《t是電網(wǎng)電壓相位信息，由中央控制器對電網(wǎng)電壓鎖相而獲得；sign是符號(hào)判斷函數(shù)，用來判斷某些變量的正負(fù)；abs是取絕對值運(yùn)算函數(shù)，用來使微調(diào)量Δ v。nj)始終保持為正值；v。m是最終調(diào)制信號(hào)。電網(wǎng)電壓相位信息ω t被傳送至單鏈節(jié)控制器無需專門配置信號(hào)傳送電路，可將其合成到調(diào)制波V。中一起傳送，這樣可以簡化硬件。單鏈節(jié)控制器對直流電容電壓進(jìn)行微調(diào)以實(shí)現(xiàn)均壓，微調(diào)量 Δ Vonj的正負(fù)方向由電壓誤Svdm m的正負(fù)和相電流瞬時(shí)值is在指定參考方向下的正負(fù)共同決定，詳見表1。表1均壓控制調(diào)節(jié)量Δ ν。,Νρ的選取Tab. 1 Choice of balancing control quantity, Δ vCjNp
權(quán)利要求
1.級聯(lián)多電平有源電力濾波器分散控制系統(tǒng)，包括中央控制器和三個(gè)單相控制單元， 中央控制器分別向各單相控制單元提供調(diào)制波信號(hào)和載波同步信號(hào)；所述單相控制單元包括一個(gè)以上的單鏈節(jié)，單鏈節(jié)包含單鏈節(jié)控制器、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、功率變換橋和直流電壓采集電路；所述單鏈節(jié)控制器接收來自中央控制器的調(diào)制波信號(hào)和載波同步信號(hào)，依據(jù)鏈節(jié)直流電壓采集電路采集的直流電壓對調(diào)制波信號(hào)進(jìn)行修正，再利用修正后的調(diào)制波信號(hào)與載波同步信號(hào)產(chǎn)生脈寬調(diào)制脈沖傳送給IGBT驅(qū)動(dòng)電路；IGBT驅(qū)動(dòng)電路在脈寬調(diào)制脈沖的作用下對功率變換橋進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的諧波補(bǔ)償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的級聯(lián)多電平有源電力濾波器分散控制系統(tǒng)，其特征在于，所述中央控制器包括電壓外環(huán)控制模塊、電流指令合成模塊和電流內(nèi)環(huán)控制模塊；所述電壓外環(huán)控制模塊對單相控制單元中任一單鏈節(jié)采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(jù)電網(wǎng)電壓相位和Is—P生成有功電流指令瞬時(shí)值iSJ；； 所述電流內(nèi)環(huán)控制模塊對is—/作反饋控制生成調(diào)制波信號(hào)ν?！?amp;。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的級聯(lián)多電平有源電力濾波器分散控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述單鏈節(jié)控制器按照如下方式對調(diào)制波信號(hào)修正 調(diào)制波信號(hào)\獄=^八、 ，其中
全文摘要
本發(fā)明提供了一種級聯(lián)多電平有源電力濾波器分散控制系統(tǒng)，采用中央控制器上位控制與各單鏈節(jié)下位控制相結(jié)合的方式，各鏈節(jié)為具有獨(dú)立控制器的集成功率單元，更容易實(shí)現(xiàn)模塊化和鏈節(jié)擴(kuò)展，各鏈節(jié)直流電壓均壓和PWM調(diào)制由本鏈節(jié)控制器完成，簡化了中央控制器的軟件設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)H02J3/01GK102208810SQ20111014952
公開日2011年10月5日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者康勇, 張樹全, 彭繁, 徐晨, 戴珂, 段科威, 陳晶晶, 陳睿, 黃云輝 申請人:華中科技大學(xué)