CN120222831A 一种三相四线制三电平变流器的不平衡负载补偿方法

(19)国家知识产权局地址310058浙江省杭州市西湖区余杭塘司33200专利代理师郑海峰HO3H17/02(2006.01)HO2M7/5387(2007.01)HO2M1/12(2006.01)一种三相四线制三电平变流器的不平衡负本发明公开了一种三相四线制三电平变流同相层叠调制建立三相四线制三电平变流器桥三阶带通滤波器)实现三相不平衡负载电压正负频段的滤波效果。并基于三序dq0坐标系设计分21.一种三相四线制三电平变流器的不平衡负载补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立三相四线制三电平变流器的桥臂电压数学模型，分析桥臂电压谐波成分；2)基于SOGI滤波器设计SOGI-pro模块，具体为：在SOGI滤波器D分环节，将SOGI的D轴二阶带通滤波器改造为三阶带通滤波器、将Q轴二阶低通滤波器改造为三阶带通滤波器；3)基于SOGI-pro模块对三相不平衡负载电压在aβ坐标系下进行高精度正负序分离；4)在三序dq0坐标系设计分序不平衡补偿控制环路，对不平衡负载进行补偿。2.根据权利要求1所述的三相四线制三电平变流器的不平衡负载补偿方法，其特征在于：所述的三相四线制三电平变流器采用分裂电容中点回接式拓扑，通过输出负载中线回接至直流母线中点，为三相四线制三电平变流器离网带载系统中的零序电流分量提供环路，从而提升变流器对零序不平衡分量的管理能力。3.根据权利要求1所述的三相四线制三电平变流器的不平衡负载补偿方法，其特征在于：所述步骤1)中，三相四线制三电平变流器采用正弦载波同相层叠调制方法，通过上下正弦半周的载波层叠复用集中时域或频域的信号能量，实现输出正弦分量的功率传输效率提升和抗干扰能力增强；定义每相桥臂四个全控开关的开关函数为S,x,其中y=1,2,3,44.根据权利要求3所述的三相四线制三电平变流器的不平衡负载补偿方法，其特征在于：根据双重傅里叶分析进一步计算得开关函数S1,xS₂,表达式，具体为：其中A₀,o、Do,₀表示相应开关函数的直流分量幅值，Aon、D,表示相应开关函数的基频n关频率分量频次，n表示基频分量频次，四。表示基频角频率，w表示高频载波角频率，θ在正半调制周期，开关函数之差S1,xS₂,x表示三电平变流器拓扑处于“0”电平状态的占偶次谐波为主；滤除载波频带高频分量后，求得开关函数之和S₂,x+S1,,其主要成分为直流3其中U₀表示直流分量的占空比、U₂表示两倍频分量的占空比、M表示基频分量的占5.根据权利要求1所述的三相四线制三电平变流器的不平衡负载补偿方法，其特征在于：三相四线制三电平变流器的桥臂电压ux的主要成分包括中点平衡分量ua1和中点不平衡分量u₁,所述中点平衡分量ub₁为母线直流电压逆变后的三相基频分量，中点不平衡分其中，Upφn分别表示中点电压波动幅值与相位；根据上根据开关函数之差与中点波动电压u(t)求得桥臂电压中点不平衡分量ub₁,其主要成=Ucos(30₀t+φmp)·[U₀+U₂cos6.根据权利要求1所述的三相四线制三电平变流器的不平衡负载补偿方法，其特征在7.根据权利要求1所述的三相四线制三电平变流器的不平衡负载补偿方法，其特征在4学实现方式为：其中，Uβ、Uβ分别为αβ坐标系下桥臂电压Uaβ的正序分量和负序分量，j为正交变换SOGI-pro模块通过提高正交D、Q轴滤波器在全频段的谐波抑制性能，生成基频分量的正交信号的同时滤除三相不平衡桥臂电压其他频次的谐波干扰，从而实现高准确的正负序分离；零序分量等效为三相输出的共模分量，因此通过求解三相桥臂电压平均值对零序分8.根据权利要求1所述的三相四线制三电平变流器的不平衡负载补偿方法，其特征在于：所述步骤4)包括：将步骤3)提取的αβ坐标系下正负序分量通过Park变换到dq0坐标系，具体转换方程为：其中，Uo、U2o、U分别为dq0坐标系下桥臂电压正序分量、负序分量和零序分量；在三序dq0坐标系设计分序不平衡补偿控制环路，所述分序不平衡补偿控制环路采用正负序PI控制器和零序PR控制器，抑制三相输出电压的不平衡负序、零序分量，同时实现对正序基波分量的无静差跟踪，进而实现高精度的三相不平衡桥臂电压补偿控制。5一种三相四线制三电平变流器的不平衡负载补偿方法技术领域[0001]本发明属于电力电子控制技术领域，具体涉及一种三相四线制三电平变流器的不平衡负载补偿方法。背景技术[0002]随着可再生能源和储能技术的迅速发展，储能变流器在离网运行中的应用越来越受到关注。在离网供电系统中，负载的不平衡是一个普遍存在的问题，特别是在微电网或偏远地区的小型电网中，由于用户类型多样化及单相负载的广泛存在，系统经常面临显著的负载不平衡问题。不平衡负载不仅会导致变流器输出电压和电流的波形畸变，还会增加系统损耗，影响变流器和负载的使用寿命，甚至可能危及系统的稳定性和供电质量。因此，如何实现对不平衡负载的有效补偿成为离网变流器研究的关键难题之一。[0003]三相四线制中点回接型储能变流器凭借其在不平衡负载补偿方面的独特优势，逐渐成为研究热点。相比传统的三相三线制拓扑，三相四线制拓扑通过引入中线，能够在不平衡负载条件下提供独立的相电压调节能力。这种结构允许每一相负载电流不对称，而不会对其他相造成显著影响，从而有效减小负载不平衡对系统的干扰。因此，三相四线制中点回接型储能变流器在离网不平衡负载场景中具有显著优势，其研究对提高离网系统的可靠性和供电质量具有重要意义。[0004]在离网供电系统中，降低三相不平衡度、提升不平衡补偿精度是储能变流器实现不平衡补偿的核心目标之一。然而，实现这一目标面临多重挑战。首先，负载不平衡情况具有高度动态性和随机性，要求变流器的控制策略具备高精度和快速动态响应能力。其次，由于离网系统中可能存在冲击性负载、非线性负载、谐波干扰等复杂工况，控制策略需同时兼顾谐波抑制和系统稳定性。最后，先进控制算法的实现对硬件性能和计算资源提出了更高发明内容[0005]针对现有技术所存在的上述问题，本发明提出了一种三相四线制三电平变流器的不平衡负载补偿方法。该发明基于正弦载波同相层叠调制建立三相四线制三电平变流器桥臂电压数学模型并完成谐波含量分析。在此基础之上通过合理设计闭环传递函数，提高传统SOGI滤波器的阶数，增强对高低频段的滤波效果，从而有利于消除三相不平衡桥臂电压中的谐波分量，实现正负序分离精度提升。进一步，该发明基于三序dq0坐标系设计分序不平衡补偿控制环路，实现对正序基波分量的无静差跟踪和对负序、零序不平衡分量的强效抑制，较传统策略具备更好的不平衡补偿控制效果。[0006]本发明提供了一种三相四线制三电平变流器的不平衡负载补偿方法，其包括如下[0007]1)建立三相四线制三电平变流器的桥臂电压数学模型，分析桥臂电压谐波成分；6[0009]3)基于SOGI-pro模块对三相不平衡负载电压在aβ坐标系下进行高精度正负序分[0011]作为本发明的优选方案，步骤1)中的三相四线制三电平变流器采用分裂电容中点[0013]作为本发明的优选方案，步骤1)中，根据双重傅里叶分析进一步计算得开关函数7[0029]=Umpcos(3wt+φm)-[U₀+U₂cos(2wt+θ)]段谐波的抑制能力。SOGI-pro模块的设计别表示为8[0045]在三序dq0坐标系设计分序不平衡补偿控制环路，所述分序不平衡补偿控制环路[0047]本发明提出的三相四线制三电平变流器桥臂电压数学模型对其各频次谐波组成[0049]本发明设计的dq0坐标系下分序不平衡补偿控制环路实现了对正序分量、负序分9量、零序分量的解耦控制，通过合理设计控制器参数完成对正序基波分量的无静差跟踪，对负序、零序不平衡分量的强效抑制，实现高精度的三相不平衡桥臂电压补偿控制。附图说明[0050]图1为三相四线制三电平变流器离网带不平衡负载电路的示意图。[0051]图2为PD-SPWM开关调制波形示意图。[0052]图3为SOGI-pro模块传递函数框图。[0053]图4为SOGI-pro模块d轴滤波器波特图。[0054]图5为SOGI-pro模块q轴滤波器波特图。[0055]图6为分序不平衡补偿控制策略框图。[0056]图7为dq0坐标系下桥臂电压正负序分量仿真波形。[0057]图8为不平衡补偿控制仿真波形。具体实施方式[0058]为了更加具体清晰地描述本发明提出的方法，下面结合附图及实际案例对本发明的技术实施方案进行详细说明。[0059]本发明提供了一种基于改进型三相四线制变流器不平衡负载补偿方法。本发明所述的三相四线制变流器离网带不平衡负载电路如图1所示，正、负直流母线分别连接上、下桥臂，变流器三相桥臂输出经过LCL滤波器后连接三相负载，负载中线回接至直流母线电容中点，提供输出零序电流环路将输出侧的不平衡零序能量转由直流母线电容承担，大幅提升逆变器的零序控制性能，在微网系统储能变流器带不平衡负载场景具备显著优势。所述的直流母线电容由合适容值的电解电容串并联组成，为提高直流侧储存零序能量的能力，母线电容容值一般设计较大。本发明方法除用于NPC三电平拓扑，也适用于其他传统的三电[0060]本发明的基于改进SOGI滤波器的三相四线制变流器不平衡负载补偿方法，具体流程为：[0061]1)建立三相四线制三电平变流器的桥臂电压数学模型，分析桥臂电压谐波成分；差积分环节，将SOGI的D轴二阶带通滤波器改造为三阶带通滤波器、将Q轴二阶低通滤波器改造为三阶带通滤波器；[0063]3)基于SOGI-pro模块对三相不平衡负载电压在aβ坐标系下进行高精度正负序分[0064]4)在三序dq0坐标系设计分序不平衡补偿控制环路，对不平衡负载进行补偿。[0065]在本发明的一个具体实施例中，采用三相四线制三电平变流器离网带不平衡负载方案进行说明。如图2所示，三电平变换器采用PD-SPWM调制方式，上下正弦半周采用同相层叠三角载波进行调制，同相叠加集中了频率/时域的信号能量有助于功率传输效率的提升，多载波层叠具备更灵活的信号控制能力，通过关闭受扰子载波层保证其他载波的可靠传输。由于开关函数具备周期特性，可根据双重傅里叶分析进一步计算得上下桥臂的开关函[0067]其中A,o、Do,表示相应开关函数的直流分量幅值，Ao,n、Do表示相应开关函数的基频n倍频分量幅值，n为≥1的整数，Am,n、D表示基频角频率，@。表示高频载波角频率，m表示开关频率分量频次，n表示基频分量频次，[0068]开关函数包含直流分量、基频分量与基带倍频分量、载波频带的高频分量，各频率成分的幅值表达式分别为：空比，求得开关函数之差S₂2,x-S1,主要包含直流分量、基带倍频分量，且基带倍频分量以二倍频偶次谐波为主。滤除载波频带高频分量后，可求得开关函数之和S₂,x+S1,x,其主要成分[0076]其中U₀表示直流分量的占空比、U₂表示两倍频分量的占空比、M表示基频分量的占空比。[0077]基于周期开关函数表达式可推导出三相四线制三电平变流器桥臂电压数学模型。变流器输出电压为开关函数与直流侧各电压分量卷积，上桥臂导通或下桥臂导通时开关函数S₂,x+S₁,x-1的值分别为1、-1,乘以二分之一直流母线电压后输出电压幅值分别表示为Uac/2、Uac/2,考虑调制周期内的开关函数占空比即可得到三相对称的基频输出电压uba₁,而当桥臂处于续流状态时连接至直流母线电容中点，此时开关函数S₂,x-S1,的值为1,乘以母线电容中点三倍频电压波动后在输出侧叠加中点不平衡分量u₆1,具体表达式如下所示：[0081]其中，Uφ分别表示中点电压波动幅值与相位。根据上述分析可求得桥臂电压的中点平衡分量ua₁,其主要成分为基频分量，具体表达式为：[0083]其中，Ao,为开关函数S,的基频分量占空比，D,为开关函数S2,的基频分量占空[0084]根据开关函数之差S2,x-S1,x与中点波动电压u(t)可求得桥臂电压中点不平衡分量u,其主要成分为基频负序分量、三倍频零序分量、五倍频正序分量，具体表达式为：建立三相四线制三电平变流器桥臂电压模型准确刻画了输出侧电压的谐波成分，有助于在带不平衡负载的条件下更好地设计滤波器抑制各谐波分量的干扰，实现高精度的正负序分离与不平衡分量补偿。[0087]本发明所述的SOGI-pro模块通过在SOGI滤波器输入前端增加误差积分环节，其传递函数框图如图3所示。具体可描述为，在SOGI滤波器输入前端增加误差积分正反馈，将传统SOGI的D轴二阶带通滤波器改造为三阶带通滤波器、将Q轴二阶低通滤波器改造为三阶带通滤波器，改造后的D、Q轴滤波器传递函数[0091]改造后的D、Q轴滤波器波特图分别如图4、图5所示，二者维持输入基准频率的增益不变的同时降低了其他频次的闭环增益，提高对全频段谐波的抑制能力，实现对基准频率的自适应跟踪。基于上述改进型SOGI-pro滤波器在aβ坐标系下实现不平衡电压的高精度正负序分离，通过正交分量的线性组合完成正序、负序分量的提取，具体转换方程可表示为[0095]SOGI-pro模块通过提高正交D、Q轴滤波器在全频段的谐波抑制性能，生成基频分量的正交信号的同时滤除三相不平衡桥臂电压其他频次的谐波干扰，从而实现高准确的正负序分离；零序分量等效为三相输出的共模分量，因此通过求解三相桥臂电压平均值对零[0097]其中，U⁰为桥臂电压零序分量，Uabc为三相桥臂电压。本发明所述的dq0坐标系下分别表示转换到abc坐标系下的三相调制波；Vpu₁se表示SPWM调制后的脉冲波形。将改进型[0101]进一步在三序dq0坐标系设计分序不平衡补偿控制环路，所述分序不平衡补偿控制环路采用正负序PI控制器和零序PR控制器，抑制三相输出电压的不平衡负序、零序分量，同时实现对正序基波分量的无静差跟踪，进而实现高精度的三相不平衡桥臂电压补偿控[0102]为展示本发明所述三相四线制三电平变流器不平衡负载补偿方法的有实施效况下进行测试，分别验证基于SOGI模块和SOGI-pro模块正负序分离的不平衡补偿控制效坐标系的桥臂电压正负序分量，相较于图7中的(a),图7中的(b)中的d轴正序序分量U、