一种基于动态控制参数的中点平衡策略方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种应用于分布式新能源并网中的中点平衡策略的谐波观测器算法， 特别设及到中点平衡策略和谐波观测器算法。
【背景技术】
[0002] Ξ电平逆变器(NPC)具有输出电压谐波含量低、EMI小、开关损耗小、滤波电感小等 优点。由于传统二极管型NPC使用错位二极管，损耗与成本增加;单相桥臂内、外开关管损耗 程度不一，器件发热不均，难于集成化小型化，不适合分布式能源的低电压、小功率、高效率 和低成本场合。单相并网应用中，网侧与逆变器侧都通过电流传感器实现功率计算与电流 环控制，过多的传感器将增加成本，影响可靠性。根据节点电流定律，逆变器侧电流的信息 由网侧电流与滤波电容电流合成，获取滤波电容中谐波信息，可估计出逆变器侧电流。
【发明内容】
[0003] 为了解决单一的谐波分量采用快速傅里叶转换算法中存在频谱泄露和栅栏效应， 实时响应性能差，克尔曼滤波器、最小二乘方算法对数学模型精度要求高，计算量大。改进 型数字锁相环需经多个周期锁相环达到稳定，影响动态性能等问题，本文研究了一种基于 动态控制参数的单相全桥Cone巧y NPC中点平衡策略；其后详细介绍基于Luenberger状态 观测理论的谐波观测器算法，实时精确估计出逆变器侧电流，并用于解决单相全桥Conergy NPC中点电位不平衡问题。
[0004] 本发明解决上述技术问题的技术方案是:通过电压电流传感器测量逆变输出电容 电压化输入电容电压Ucl，Uc2和输出电流icmt，将化通入谐波电压观测模块得到输出电压Ud， 将谐波电压观测模块的输出电压Ud和?输入中点电压平衡模块得到动态控制参数λ，将控 制参数λ通过单相SVPWM调制策略来控制功率电路从而实现中点电压平衡。
[000引本发明的技术效果在于:研究了一种基于Luenberger状态观测理论的谐波观测器 算法的单相全桥Conergy NPC中点平衡策略。减少一个电感电流传感器，成本降低。能实时 精确估计出逆变器侧电流，解决单相全桥ConergyNPC中点电位不平衡问题。
【附图说明】
[0006] 图1为本发明中简化的单相全桥Cone巧y NPC控制模型。
[0007] 图2为单相全桥Cone巧y NPC开关模型。
[000引图3为α-β坐标系划分图。
[0009] 图4为SVPWM合成规则。
【具体实施方式】
[0010] 下面结合附图，对本发明作进一步的详细说明：如图1所示，首先采样输出电容电 压Uc输入电容电压Ucl，Uc2和输出电流icmt系； SVPWM调制策略:如图2所示定义开关矢量为(Sa, Sb)，其分布于α-β坐标系的α坐标轴上5 个固定位置，整个坐标系被划分为4个区域(见图3)，其中Vref为逆变器输入电压参考矢量， 相位角为0，虚线圆表示Vref在α-β坐标系内沿着逆时针旋转的轨迹;Vin为Vref在α坐标轴上的 投影(见图4)，为了减少中点电位的波动，开关矢量（1，0)与(0，-1)作用时间相同，（0，1)与 (-1，〇)作用时间相同；同一开关周期禁止Sx在1与-1之间直接切换。SVPWM策略采用5矢量合 成方法，5矢量合成顺序对应的矢量时间关
通过表1中开 关函数完成矢量合成。
[00川实际应用中，平衡电容C;二Γ.严Γ (Uci、Uc2为直流侧电容C1，C2的电压），中点电位 波动Α?/仅由两桥臂的开关函数与输出相电流决定：
开关矢量(1，0)与(0，-1)为一对互补矢量，它们在一个开关周期中作用时间之和为Ta。 设矢量（1，0)和(0，1)作用时间为Ta+=Ta/2,设矢量(0，-1)和(-1,0)作用时间为Ta-=Ta/2。根 据表1与式（1)中4个开关矢量特点，引入动态控制参数λ，实现中点电位平衡。与开关矢量作 用时间之间关系为：
将中点电位波动参考值AU'与式(2)代入式(1)，可W估计出下一开关周期中Ta的时间 分配：
采样Cl、C2上电压与逆变器侧输出电流ia可精确估计λ:
将λ参数代入式(2 )，通过单相SVPWM调制，补偿此时中点电位的不平衡。
[0012] 动态控制参数λ的估计，需要实时获取逆变器输出侧电流ia数值。图1中，ia(t)可表 示为：
式(5)中无法直接获取，本文设计一种谐波观测器算法，实时观测输入信号中各 澈 次谐波信息，同时产生各个谐波的正交信号，完成ia(t)的观测。
[0013] 逆变器稳态工作时，输出电容电压Uc(t)经傅立叶级数可分解为，式(6)所示，其中 Ucm(t)表示m倍基波游的正弦分量(m=0,1,2,3,…银）， am表示为分量信号的幅值大小
[0014] 根据所要观测信号的特点，设ucm(t)的空间状态表达式如式 (7)，xm(t)为状态矢量，其中xml(t)=ucm(t)，
?i(t)为输出值;ucm(t)的 空间矢量模型满足能观条件，Am为系统矩阵，Cm为输出矩阵，
按式(8)将式(7)进行离散化得到ucm(t)的离散模型ucm化T)，如式(9)，采样周期为T。
[0015] 根据式（5)、（9)，UC化T)可由ucm(kT)模型叠加而成，其空间表达式为式（10)，x (kT)为状态矢量，由N个xm(kT)组成，大小为：成4 ; y化T)为输出值;Ad为UC化T)的系统矩 阵，大小为猶满建衆;C为输出矩阵，大小为輪I篆
[0016] 根据观测器设计原理，式（6)的对应观测器空间状态表达式如式（11)所 示，每:为反馈矩阵為掉Γ)为xm(kT)的状态估计值,?综巧为ucm化T)的估计值，树 ucm化T)正交值的估计值;:?.蘇f)为输出值
[0017] 按照渐进观测的设计思路，输入信号uc(t)的离散观测器;设计为一种闭环 的观测器，其中的N个?J^r1;子模块用于各谐波的估计；其反馈值€游辨劈;输入信号中各 々喊. 谐波估计值之和為:蛛Q定义为式（！2)。式中I为反馈矩阵，它由N个4^组成;識袭巧为X 化T)的状态估计值;为输入值UC化T)的估计值
[0018]其中，
％渐进误差轰幾〇,表示为焉鱗r!中％(獻)趋近 于ucm(t)的渐进速度;根据极点配置理论，为了满足pM轰躁：Τ)-^0，特征方程理想极点定 护··辛成 义为气其中鴻麥为理想极点距离Ζ域中圆的距离，控制的参数调节 观测器的收敛速度、观测带宽与精度。象f辩'摊]差分方程为式(13)
式（15)在Z域中的特征方程为式（14)，其中E为2,聚X:滋/的单位矩阵，z为?#巧的极 点，Z的个数为2N个，
期望的特征多项式定义为：
式(14)与式(15)系数相等，便可确定矩阵I的参数。 表1 5矢量合成单相SVPWM策略
表格说明：
【主权项】
1. 一种基于动态控制参数的中点平衡策略方法，包括以下步骤： 检测模块，通过电压电流传感器测量逆变输出电容电压Uc、输入电容电压Ucl、Uc2和输出 电流i〇ut; 将测量电压Udi入谐波电压观测器得到输出电压ud; 谐波电压观测模块的输出电压Ud和iL输入中点电压平衡模块后通过计算得到动态控 制参数λ; 将控制参数λ通过单相SVPffM调制策略来控制功率电路从而实现中点电压平衡。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述SVPffM调制策略实现如下： 当 / 2 时，合成顺序为 ，合成时间 ^'隱.韻'_笔， Ψ ψ Ψ ' 2.i -- .1, ~ i 当〇:<._趣..&:錢氣.:,..2.时，合成顺序为._秦^|||:~^焉~*|_~^_|，合成时间 :脚気，15電 1: ； 当^|^/.:1:.卷〇&5.碧崩时，合成顺序为霉雜^|傷~^1綠^1_^賴_，合成时间 驾： 当时，合成顺序为親參，合成时间为 $:儀:.:-? °3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述与开关矢量作用时间之间关系为：通过采样&、(：2上电压与逆变器侧输出电流ia可精确估计λ，将λ参数代入式(2)，通过单 相SVPffM调制，补偿此时中点电位的不平衡。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过所述谐波电压观测器来实现ia(t)观测 的方法如下： 观测器设计原理，单相全桥Conergy NPC数学模型对应观测器空间状态表达 式如式⑷所示，I为反馈矩阵;:％p7|^Xm(kT)的状态估计值/?!??为u?(kT)的估 计值，iylri为u?(kT)正交值的估计值;|^1|为输出值；按照渐进观测的设计思路，输入信号!!。⑴的离散观测器设计为一种闭环的观 测器，定义为式(5)。式中为反馈矩阵，它由1^个1组成;鋼_")为奴1^)的状态 估计值;f 为输入值UC (kT)的估计值；其中，为渐进误差i_r)，其表示为:?釋r)中 趋近于u?(t)的渐进速度;根据极点配置理论，为了满足特征方程理想 极点定义为，其中:?黨为理想极点距离Z域中心圆的距离，控制％^的 参数调节观测器的收敛速度、观测带宽与精度。的差分方程为式(6):式（15)在Z域中的特征方程为式(7)，其中E为2:揮的单位矩阵，2为4|免3^的极 点，Z的个数为2N个：期望的特征多项式定义为：式(7)与式(8)系数相等，便可确定1!的参数； 并通过实时观测输入信号中各次谐波信息，同时产生各个谐波的正交信号，完成ia(t) 的观测。
【专利摘要】本发明公开一种应用于分布式新能源并网中的中点平衡策略的谐波观测器算法。它包括以下步骤：通过电压电流传感器测量逆变输出电容电压uC输入电容电压Uc1,Uc2和输出电流iout;将uC通入谐波电压观测模块;将谐波电压观测模块结果和iL输入中点电压平衡模块得到动态控制参数<i>λ</i>;将<i>λ</i>出输入SVPWM模块控制控制功率电路使中点电压平衡。本发明的技术效果在于：研究了一种基于Luenberger状态观测理论的谐波观测器算法的单相全桥Conergy？NPC中点平衡策略。减少一个电感电流传感器，成本降低。能实时精确估计出逆变器侧电流，解决单相全桥ConergyNPC中点电位不平衡问题。
【IPC分类】H02M7/483
【公开号】CN105490572
【申请号】CN201510838853
【发明人】易灵芝, 陈宇, 黄鹤, 刘仲范, 林舒, 任旭亮
【申请人】湘潭大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月27日