用于零序阻尼和電壓平衡的方法和設(shè)備的制作方法
【專利摘要】提供一種用于零序阻尼和電壓平衡的方法和設(shè)備。一種用于裝置的方法和一種實現(xiàn)該方法的設(shè)備，該裝置包括：三相多電平逆變器；將逆變器連接至電網(wǎng)的輸出LCL濾波器；以及在LCL濾波器與DC鏈的中性點之間的虛擬地連接。該方法包括：確定LCL濾波器逆變器側(cè)電流的零序分量；基于LCL濾波器逆變器側(cè)電流的零序分量和在DC鏈的兩半上的電壓來計算零序阻尼和平衡電壓項；以及將零序阻尼和電壓平衡項加至輸出電壓參考。
【專利說明】用于零序阻尼和電壓平衡的方法和設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開內(nèi)容涉及多電平逆變器，具體地涉及將共模電壓以及直流(DC)鏈電壓的不
平衡最小化。
【背景技術(shù)】
[0002]電容器電壓的平衡為如下問題:該問題可以在多電平拓撲結(jié)構(gòu)中自然出現(xiàn)，或每當DC鏈電壓為了特定目的(例如，為了允許連接至中性電網(wǎng)點)而被分為特定拓撲結(jié)構(gòu)時出現(xiàn)。針對該問題的解決方案已在文獻[I]和[2]中大量報告。
[0003]在文獻[I]中，作者提議使用通過對多電平轉(zhuǎn)換器的冗余控制向量進行估計而被實時最小化的能量函數(shù)。在文獻[2]中遵循類似的構(gòu)思，其中作者開發(fā)了同樣基于冗余度的使用并且將電壓不平衡方面的代價函數(shù)最小化的兩種策略。在文獻[3]中，對于五電平轉(zhuǎn)換器使用冗余狀態(tài)來平衡電容器電壓。在文獻[4]中，提出用于保證DC鏈電容器電壓的平衡的調(diào)制策略。在文獻[4]中所提議的策略基于經(jīng)修改的不連續(xù)脈寬調(diào)制(PWM)。
[0004]三相逆變器的另一問題為共模電壓(CMV)的生成。該問題近來已引起關(guān)注，原因是其已經(jīng)變得較明顯，特別是在其中沒有電流隔離可用的無變壓器應(yīng)用中(文獻[5])。CMV是可能與所使用的調(diào)制算法和逆變器拓撲結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的問題。CMV可以例如由逆變器自身引起，并且然后可以被傳播至連接到逆變器的設(shè)備，導(dǎo)致嚴重的不利影響。
[0005]CMV可以將其自身表現(xiàn)為相對于地的零序電壓波動。根據(jù)應(yīng)用，零序電壓波動尤其可能導(dǎo)致間接的電網(wǎng)電流失真、另外的損耗和安全問題(文獻[6])。例如，電力驅(qū)動中的CMV可能會創(chuàng)建可以對發(fā)電機造成物理損害的軸承電流。CMV還可以導(dǎo)致相當大的泄漏電流流過向逆變器供電的光伏(PV)板的寄生電容。
[0006]CMV問題的常規(guī)解決方案在于將逆變器的DC鏈分為兩半，并且將DC鏈的中點連接至電網(wǎng)的中性點(文獻[7])。在此修改之后，逆變器電橋中的每個橋臂(leg)均獨立受控，仿佛它們是三個獨立的單相系統(tǒng)一樣。然而，此修改降低DC電壓的使用，即其限制調(diào)制指數(shù)。此外，可能需要另外的平衡策略來保證DC鏈中的兩半保持相同電壓。
[0007]在多電平逆變器中，還可能存在通過對生成CMV的某些切換控制向量進行避免來消除CMV的可能性。在文獻[8]中，示出具有奇數(shù)電平的逆變器可以通過在某些可用狀態(tài)之間進行切換來避免生成共模電壓。
[0008]然而，當切換狀態(tài)受限制時，就不再可能保證電容器電壓的平衡。在不具有硬件修改的情況下不能同時實現(xiàn)DC鏈電壓平衡(或中性點平衡)和CMV取消(文獻[11])。因而，一些作者已經(jīng)提議插入第四橋臂來處理DC鏈電壓平衡問題(文獻[9]至[11])。然而，所增加的第四橋臂可能增加逆變器的復(fù)雜度并且降低其成本效益。
[0009]在文獻[12]中公開了另一方法，其中提議將濾波器用于三相可調(diào)速電機驅(qū)動器。該濾波器存在于兩電平逆變器的輸出端處的三相LRC網(wǎng)絡(luò)，其中濾波器星點電連接至DC鏈的中點，因而電容性地形成人工電源中性星點。類似的構(gòu)思被用在文獻[13]的整流系統(tǒng)中。濾波器可以無源地減小差與CMV兩者而不用增加第四橋臂。另一方面，濾波器中的電阻器引入系統(tǒng)的另外損耗，因而降低系統(tǒng)的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于提供一種方法和一種設(shè)備以減輕以上缺點。本發(fā)明的目的通過以獨立權(quán)利要求中所陳述的內(nèi)容為特征的方法和設(shè)備來實現(xiàn)。本發(fā)明的優(yōu)選實施方式在從屬權(quán)利要求中公開。
[0011]為了減輕上述缺點，本公開內(nèi)容考慮通過LCL濾波器連接至電網(wǎng)的多相逆變器。逆變器拓撲結(jié)構(gòu)包括在本公開中被稱為虛擬地(VG)連接的人工電源中性星點連接。VG表示用于CMV的最小化的良好選擇。為了形成VG，由LCL濾波器的電容器形成的星點被連接至DC鏈的中點。
[0012]虛擬地的使用還允許DC鏈電壓的最大利用。DC鏈電壓可以通過使用三次諧波參考注入法而降低。因而，逆變器的逆變器電橋中的半導(dǎo)體器件可以暴露于較低電壓，這轉(zhuǎn)而可以降低損耗。
[0013]由于DC鏈中的電容器被分開，并且DC鏈具有VG連接，所以可能出現(xiàn)電壓平衡問題。本公開公開了以平均方式保證電壓平衡的方法。
[0014]通過DC鏈電容器電壓不平衡和LCL濾波器的逆變器側(cè)電流和電壓的零序分量還可能引起另外的諧振。所公開的方法通過有源插入適當?shù)淖枘醽頊p弱零序諧振。與必須在LCL濾波器中插入電阻器的無源阻尼方法相比較，使用有源阻尼方法使得能夠降低損耗。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]下面將參照附圖通過優(yōu)選實施方式更詳細地描述本發(fā)明，在附圖中:
[0016]圖1示出包括三相三電平逆變器和將逆變器連接至電網(wǎng)的輸出LCL濾波器的示例性裝置；
[0017]圖2示出用于生成零序阻尼和平衡電壓項的示例性控制器實現(xiàn)的示例性框圖；
[0018]圖3示出以三次諧波進行調(diào)諧的示例性陷波濾波器；
[0019]圖4示出用于計算三次諧波分量的示例性裝置；
[0020]圖5示出整體零序阻尼和電壓平衡控制器的示例性方案；
[0021]圖6a和圖6b示出在第一仿真期間DC鏈電容器電壓的和與差的瞬態(tài)響應(yīng)；
[0022]圖7a和圖7b示出在第二仿真中DC鏈電壓的和與差的瞬態(tài)響應(yīng)，其中，在第二仿真中未啟用阻尼和電壓平衡控制方案；
[0023]圖8a和圖Sb示出在第一仿真期間逆變器側(cè)電感器電流的零序分量和LCL濾波器的電容器電壓的零序分量的瞬態(tài)響應(yīng)；
[0024]圖9a和圖9b示出基于所公開的方法的相電壓生成；
[0025]圖1Oa和圖1Ob示出在第一仿真中三次諧波注入的影響；
[0026]圖1la和圖1lb示出在第一仿真期間用三次諧波注入構(gòu)建相電壓參考的示例；以及
[0027]圖12示出在第一仿真期間SRF-PLL的瞬態(tài)響應(yīng)。
【具體實施方式】[0028]如之前所提及的，虛擬地連接是用于消除CMV的良好選擇。具有輸出LCL濾波器的三相多電平逆變器可以被設(shè)置有將DC鏈分為兩半的中性點。然后，逆變器可以設(shè)置有在LCL濾波器與中性點之間的虛擬地連接。虛擬地連接創(chuàng)建高頻諧波分量可以流通的低阻抗路徑，從而避免它們朝向電網(wǎng)的流通。高頻諧波分量可以例如通過逆變器電橋中器件的切換來引起。
[0029]由虛擬地連接提供的低阻抗路徑可以將高頻分量對在逆變器輸入端處的電源與地之間的DC或低頻電壓的影響最小化。實際上，高頻分量能夠流過低阻抗路徑。此外，與基于增加第四橋臂的方法相比較，虛擬地方法顯著減小了在切換頻率下的CMV分量。
[0030]在其中DC鏈被分為上半部和下半部并且使用VG連接的多電平中性點鉗位型(NPC)拓撲結(jié)構(gòu)中，可能出現(xiàn)電壓平衡問題。本公開提供一種方法和一種實現(xiàn)該方法的設(shè)備，以平衡DC鏈電壓(或等同地，調(diào)節(jié)中性點)。
[0031 ] 在包括LCL濾波器的應(yīng)用中可能出現(xiàn)的另一問題為在LCL濾波器的諧振頻率下的諧振的阻尼。到目前為止已提出了用于LCL濾波器中的有源阻尼注入的若干種方法(文獻
[16]至[18])。
[0032]然而，DC鏈的不平衡以及LCL濾波器逆變器側(cè)電流和電壓的零序分量可能生成另外的諧振。所公開的方法通過有源插入適當阻尼來減弱該諧振。
[0033]所公開的方法可以與主控制回路獨立操作。主控制回路可以例如控制電力從光伏(PV)陣列經(jīng)過LCL濾波器到電網(wǎng)的傳輸。主控制回路還可以結(jié)合用于對LCL濾波器的諧振頻率下的諧振進行阻尼的方法。
[0034]當主控制回路使用電壓參考來控制輸出電壓時，所公開的方法可以用于計算零序阻尼和電壓平衡項，然后該零序阻尼和電壓平衡項可以被加至電壓參考。
[0035]零序阻尼和電壓平衡項可以基于LCL濾波器逆變器側(cè)電流的零序分量和在DC鏈的兩半上的電壓進行計算。LCL濾波器逆變器側(cè)電流的零序分量可以例如基于流過虛擬地連接的電流進行確定。DC鏈的兩半之間的電壓差以及整個DC鏈上的電壓可以通過確定上半部DC鏈電壓和下半部DC鏈電壓來進行計算。這些電壓可以通過例如測量而確定。
[0036]所公開的阻尼和平衡方法可以與控制逆變器的輸出電壓的主控制回路獨立使用。
[0037]虛擬地連接還允許DC鏈電壓的最大利用。朝向電網(wǎng)的連接仍然可以是不具有至電網(wǎng)中性點的物理連接的三線連接。這意味著零序電流朝向地的流通不存在或零序電流朝向地的流通可忽略。因而，三次諧波參考注入法可以用于擴展調(diào)制指數(shù)的范圍，或者等同地，可以允許DC鏈電壓的最大優(yōu)化。在文獻[14]中，三次諧波參考注入被用于實現(xiàn)15%的調(diào)制范圍增加。這可以是生成電網(wǎng)側(cè)逆變器電壓的效率方面的相當大的改進。DC鏈上的電壓電平可以減小，這轉(zhuǎn)而可以減小切換器件中的應(yīng)力，從而引起損耗降低。
[0038]三次諧波注入可以被結(jié)合到阻尼和平衡項的計算中。然而，可能必需首先減少所計算的阻尼和平衡項的三次諧波含量。然后，三次諧波項可以基于逆變器輸出電壓來進行計算，并且三次諧波項最終可以被加至阻尼和平衡項。
[0039]圖1示出包括三相三電平逆變器11和將逆變器連接至三相電網(wǎng)13的輸出LCL濾波器12的示例性裝置。逆變器11由電源15供電，并且包括具有中性點m的DC鏈14。
[0040]在圖1中，電源15是光伏(PV)板陣列，并且DC鏈由兩個電容器C1和C2構(gòu)造。Va和vC2是分別在電容器C1和C2上測量的電壓。因而，電壓Va和vC2表示在圖1中的DC鏈的上半部和下半部上的電壓。Vpv表示在PV板陣列15上的電壓，并且iPV是由板陣列15所生成的電流。
[0041]逆變器11的逆變器電橋16由分別具有切換順序ua、Ub和U。的三態(tài)開關(guān)Sa、Sb和Sc表示。通過對開關(guān)Sa、Sb和S。進行操作，逆變器電橋16生成三相電壓ea至e。，然后三相電壓ea至e。通過LCL濾波器12被提供至電網(wǎng)13。LCL濾波器12包括三個逆變器側(cè)電感器L1、三個電容器C以及三個電網(wǎng)側(cè)電感器L。?！罥ci。表示電網(wǎng)側(cè)相電流，1&至I1。表示逆變器側(cè)相電流，以及Vaia至Vai。表示LCL濾波器12的電容器電壓。圖1中的三相電網(wǎng)13由三個電壓 VSa、VSb 和 vSc
表示。
[0042]裝置還包括在LCL濾波器12的星點I與DC鏈14的中性點m之間的虛擬地連接。iffl是虛擬地連接中的電流。虛擬地連接創(chuàng)建高頻諧波分量(主要由于切換引起)可以流通的路徑。這可以顯著地減少泄漏電流。在圖1中，地連接η僅用于確定零電勢的參考。也就是說，在逆變器11與電網(wǎng)13之間的連接中不存在第四導(dǎo)線，從而零序電流朝向地連接η的流通不存在或零序電流朝向地連接η的流通可忽略。
[0043]圖1的示例性裝置是三電平逆變器(諸如三電平中性點鉗位型(NPC)逆變器(文獻
[19])、或已向其添加有VG連接以處理CMV的三電平混合逆變器(文獻[19]和[20]))的等效通用表示。在專利[15]中具有VG連接的混合轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)也可以使用圖1的等效電路來描述。因此，本公開中示出的結(jié)果至少適用于這些三電平逆變器族。雖然圖1的示例性裝置示出三電平逆變器11，但是所公開的方法不限于三電平逆變器。逆變器還可以生成更多電壓電平。
[0044]用于圖1的裝置的控制器設(shè)計可以例如基于系統(tǒng)模型的平均版本。在文獻[21]中已詳細地研究了三電平NPC的平均建模。假設(shè)開關(guān)Sa、Sb和S。的切換頻率足夠高，則相位調(diào)制指數(shù)向量Sabc=[Sa 5b δ Jt可以用于在模型等式中表示開關(guān)的切換順序Ua、Ub和U。。因而，圖1中的電路的動態(tài)可以通過平均數(shù)學(xué)模型來描述。
[0045]圖1的相位變量可以被變換為α β Y坐標,其中，α分量和β分量形成靜止參考坐標系中的向量，而Y坐標表示零序分量。這允許突出可以在控制器設(shè)計中開發(fā)的結(jié)構(gòu)特性。相電壓和電流向量可以通過使用歸一化克拉克(Clarke)變換矩陣T而變換為固定坐標系的α β Y坐標:
[0046]
【權(quán)利要求】
1.一種用于裝置的方法，所述裝置包括: 三相多電平逆變器，所述三相多電平逆變器包括具有中性點的直流鏈，所述中性點將所述直流鏈分為兩半，其中，基于輸出電壓參考來控制所述逆變器的輸出電壓； 將所述逆變器連接至電網(wǎng)的輸出LCL濾波器；以及 在所述LCL濾波器與所述直流鏈的所述中性點之間的虛擬地連接，其中，所述方法包括: 確定LCL濾波器逆變器側(cè)電流的零序分量； 基于所述LCL濾波器逆變器側(cè)電流的零序分量和在所述直流鏈的所述兩半上的電壓來計算零序阻尼和電壓平衡項；以及 將所述零序阻尼和電壓平衡項加至所述輸出電壓參考。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，計算零序阻尼和電壓平衡項包括: 形成所述LCL濾波器的零序分量模型； 形成用于所述零序分量模型的控制器；以及 通過使用所述控制器來形成零序阻尼和電壓平衡項。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，計算零序阻尼和電壓平衡項基于如下等式來執(zhí)行:
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，計算所述零序阻尼和電壓平衡項基于如下等式來執(zhí)行:
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，計算所述零序阻尼和電壓平衡項通過使用比例積分控制器來執(zhí)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法，其中，計算所述阻尼和電壓平衡項還包括: 減少所述阻尼和平衡項的三次諧波含量； 基于逆變器輸出電壓控制項來計算三次諧波項；以及 將所述三次諧波項加至所述阻尼和平衡項。
7.一種用于裝置的設(shè)備，所述裝置包括: 三相多電平逆變器，所述三相多電平逆變器包括具有中性點的直流鏈，所述中性點將所述直流鏈分為兩半，其中，基于輸出電壓參考來控制所述逆變器的輸出電壓； 將所述逆變器連接至電網(wǎng)的輸出LCL濾波器；以及在所述LCL濾波器與所述直流鏈的所述中性點之間的虛擬地連接，其中，所述設(shè)備包括: 被配置成確定LCL濾波器逆變器側(cè)電流的零序分量的部件； 被配置成基于所述LCL濾波器逆變器側(cè)電流的零序分量和在所述直流鏈的所述兩半上的電壓來計算零序阻尼和電壓平衡項的部件；以及 被配置成將所述零序 阻尼和電壓平衡項加至所述輸出電壓參考的部件。
【文檔編號】H02M7/483GK103490655SQ201310223954
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月7日
【發(fā)明者】格拉爾多·埃斯科巴爾, 薩米·彼得松, 何藝文 申請人:Abb研究有限公司