一种抑制电力电子变压器低压侧死区谐波的有源阻尼方法与流程

[0001]
本发明涉及电力电子变压器技术领域，尤其涉及一种抑制电力电子变压器低压侧死区谐波的有源阻尼方法。


背景技术：

[0002]
电力电子变压器(pet)又称为能量路由器，相比传统电力变压器，pet不仅能实现电压等级变换、电气隔离和能量传递等功能，还能实现潮流控制、电能质量控制等额外功能，是未来电力系统发展的趋势。dc/ac变换器在输出基波(工频50hz)分量电压的同时，其开关工作模式会在三相逆变桥的输出电压中引入开关次高频谐波，lcl滤波器的大的高频阻抗可显著滤除高频谐波；为防止逆变桥直通所加入的死区会产生大量的低频谐波分量，而lcl滤波器的低频阻抗小，对其抑制能力有限。
[0003]
传统的死区谐波抑制方法主要分为两类，死区补偿与优化控制。其中，死区补偿的方法从开关的调制过程入手，分析由死区所造成的谐波电压的大小并以此为依据调整调制波的大小，从而实现死区谐波的抑制。但死区所造成的谐波电压与电流的方向、开关器件的非线性以及直流母线电压的波动等因素都有关系，精确的死区补偿的实施难度较大。优化控制的方法从电流控制器的设计与优化入手，如采用并设计合理的谐振控制器、重复控制器等，其本质是提高逆变器的等效阻抗，从而在相同的死区谐波电压下产生较小的谐波电流。这些优化控制方法可以取得较好的效果，但原理复杂实现麻烦，研发周期较长。


技术实现要素：

[0004]
本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种抑制电力电子变压器低压侧死区谐波的有源阻尼方法，所述方法运用有源阻尼技术来提高lcl滤波器的低频阻抗，从而抑制电力电子变压器低压侧基于lcl滤波器的dc/ac变换器中由死区所引入的低频谐波分量。
[0005]
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]
一种抑制电力电子变压器低压侧死区谐波的有源阻尼方法，包括以下步骤：
[0007]
步骤1：简化lcl滤波器模型，电力电子变压器低压侧dc/ac变换器带有lcl滤波器，三相逆变桥输出电压v到并网电流i
g
的传递函数为：
[0008][0009]
将lcl滤波器简化为一阶系统，其传递函数为：
[0010][0011]
步骤2：选取有源电阻值r
ad
，在引入有源电阻r
ad
之后，传递函数近似等效为：
[0012][0013]
其中r
ad
的取值大小显著影响谐波抑制的频率范围，r
ad
的取值为：
[0014]
r
ad
≥2πnf
1_max
(l1+l2)
[0015]
其中f
1_max
为考虑电网电压频率波动时所取的最大值；n为需抑制低频谐波的最高次数。
[0016]
步骤3：实现有源阻尼技术的电流比例前馈，在控制系统中检测逆变侧电流i
l1
，并在逆变桥输出电压给定v
ref
中减去i
l1
与r
ad
的乘积。
[0017]
步骤4：校正电流控制，采用有源阻尼技术之后，传递函数近似等效为：
[0018][0019]
其中，为数字控制系统的延时环节，t
s
为控制系统的采样周期。对比g
ad_d
(s)与g(s)，可知采用有源阻尼方法之后，被控对象的传递函数与之前相比发生了变化。
[0020]
为实现相同的电流控制效果，在控制器后串联校正环节，同时完成电力电子变压器低压侧死区谐波的抑制，其校正环节过程为：
[0021][0022]
进一步地，步骤2运用有源阻尼技术来提高lcl滤波器的低频阻抗，从而抑制电力电子变压器低压侧基于lcl滤波器的dc/ac变换器中由死区所引入的低频谐波分量。
[0023]
进一步地，步骤2中n可根据需求值，考虑电能质量相关标准中对50次基波频率的要求，建议n的取值满足n≥50。
[0024]
本发明的有益技术效果：
[0025]
1.在lcl滤波器中串联电阻增大其低频阻抗，显著提高lcl滤波器对死区谐波的抑制能力。
[0026]
2.在控制中使用有源阻尼技术所实现的控制效果，与在实际电路中串联电阻是等效的，不会引入额外的功率损耗。
[0027]
3.引入有源阻尼技术并选取合适的有源电阻值r
ad
，可以显著提高lcl滤波器的低频阻抗，从而抑制电力电子变压器低压侧基于lcl滤波器的dc/ac变换器中由死区所引入的低频谐波分量。
附图说明
[0028]
图1是本发明抑制电力电子变压器低压侧死区谐波的有源阻尼方法的电力电子变压器拓扑图。
[0029]
图2是本发明抑制电力电子变压器低压侧死区谐波的有源阻尼方法的电力电子变压器低压侧基于lcl滤波器的dc/ac变换器示意图
[0030]
图3是本发明抑制电力电子变压器低压侧死区谐波的有源阻尼方法的流程图。
[0031]
图4是本发明抑制电力电子变压器低压侧死区谐波的有源阻尼方法的lcl滤波器
传递函数g
lcl
(s)及其简化形式g(s)的伯德图。
[0032]
图5是本发明抑制电力电子变压器低压侧死区谐波的有源阻尼方法的增加有源电阻r
ad
后lcl滤波器的简化形式g
ad
(s)的伯德图。
[0033]
图6是不采用有源电阻技术的并网电流控制拓扑图。
[0034]
图7是本发明抑制电力电子变压器低压侧死区谐波的有源阻尼方法的采用有源电阻技术的并网电流控制拓扑图。
[0035]
图8是不采用有源电阻技术的并网电流控制的并网电流仿真结果。
[0036]
图9是本发明抑制电力电子变压器低压侧死区谐波的有源阻尼方法的采用有源电阻技术的并网电流控制的并网电流仿真结果。
具体实施方式
[0037]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
[0038]
本发明应用的电力电子变压器的拓扑图如图1所示，电力电子变压器具有中、高压交流端口与低压交流端口。中、高压交流端口侧为模块化结构，a、b、c三相模块分别由n个模组构成，每相的n个模组的h桥串联构成级联h桥(chb)结构的输入级，实现了ac/dc变换；每个h桥的直流母线经过一个串联谐振型双有源h桥隔离变换器与低压直流母线相连，并实现dc/dc变换与隔离。低压交流端口侧，ac/dc变换器连接着低压直流母线与低压交流电网，实现dc/ac变换。
[0039]
图2中展示了电力电子变压器低压侧的基于lcl滤波器的dc/ac变换器示意图，dc/ac变换器在输出基波(工频50hz)分量电压的同时，其开关工作模式会在三相逆变桥的输出电压中引入开关次高频谐波，lcl滤波器的大的高频阻抗可显著滤除高频谐波。除此之外，为防止逆变桥直通所加入的死区会产生大量的低频谐波分量，而lcl滤波器的低频阻抗小，对其抑制能力有限。
[0040]
图3展示了本发明的实施步骤流程，引入有源阻尼技术并选取合适的有源电阻值r
ad
，显著提高了lcl滤波器的低频阻抗，从而抑制电力电子变压器低压侧基于lcl滤波器的dc/ac变换器中由死区所引入的低频谐波分量。
[0041]
本发明的一种抑制电力电子变压器低压侧死区谐波的有源阻尼方法，包括以下步骤：
[0042]
步骤1：简化lcl滤波器模型。电力电子变压器低压侧dc/ac变换器带有lcl滤波器，三相逆变桥输出电压v到并网电流i
g
的传递函数为：
[0043][0044]
上式表明lcl滤波器为三阶系统，其传递函数g
lcl
(s)的伯德图在图4中展示。由图4可知lcl滤波器的高频阻抗大，所以其具有良好的高频滤波效果；但其低频阻抗小，所以对低频谐波分量的抑制能力有限。dc/ac变换器中由死区所引入的谐波分量主要为低频，lcl滤波器对其抑制能力有限。
[0045]
为简化低频段的分析，将lcl滤波器简化为一阶系统，其传递函数为：
[0046][0047]
lcl滤波器传递函数的简化形式g(s)的伯德图在图4中展示。
[0048]
步骤2：选取有源电阻值r
ad
。在lcl滤波器中串联电阻可以显著增大其低频阻抗，可以显著提高lcl滤波器对死区谐波的抑制能力。在引入有源电阻r
ad
之后，传递函数近似等效为：
[0049][0050]
增加有源电阻r
ad
后lcl滤波器的简化形式g
ad
(s)的伯德图在图5中展示，可知，g
ad
(s)的伯德图包含两条渐近线，称其交点为转折点，其角频率为：
[0051][0052]
在转折点左侧(频率降低的方向)，g
ad
(s)的伯德图主要受有源电阻r
ad
的影响，表明r
ad
可显著增大lcl滤波器的低频阻抗；在转折点右侧，r
ad
的影响较小。这表明r
ad
的取值大小显著影响谐波抑制的频率范围，应选取合适的有源电阻值r
ad
。
[0053]
r
ad
的取值为：
[0054]
r
ad
≥2πnf
1_max
(l1+l2)
[0055]
其中f
1_max
为考虑电网电压频率波动时所取的最大值；n为需抑制低频谐波的最高次数。n可根据需求值，考虑电能质量相关标准中对50次基波频率的要求，所选取的有源电阻值r
ad
至少应对50次基波频率有抑制作用，建议n的取值满足n≥50。
[0056]
步骤3：实现有源阻尼技术的电流比例前馈。实际电路中的电流流经电阻之后会在电阻两端产生压降，为实现相同的效果，在控制系统中检测逆变侧电流i
l1
，并在逆变桥输出电压给定v
ref
中减去i
l1
与r
ad
的乘积。
[0057]
不采用有源电阻技术的并网电流控制拓扑图与采用有源电阻技术的并网电流控制拓扑图分别在图6和图7中展示，其中图7展示了有源阻尼技术的电流比例前馈实现的细节。在控制中使用有源阻尼技术所实现的控制效果，与在实际电路中串联电阻是等效的，而且不会引入额外的功率损耗。
[0058]
步骤4：校正电流控制。采用有源阻尼技术之后，传递函数近似等效为：
[0059][0060]
其中，为数字控制系统的延时环节，t
s
为控制系统的采样周期。对比g
ad_d
(s)与g(s)，可知采用有源阻尼方法之后，被控对象的传递函数与之前相比发生了变化。
[0061]
为实现相同的电流控制效果，在控制器后串联校正环节，同时完成电力电子变压器低压侧死区谐波的抑制，其校正环节过程为：
[0062][0063]
图7展示了校正环节的位置。
[0064]
不采用有源电阻技术的并网电流控制的并网电流仿真结果与采用有源电阻技术的并网电流控制的并网电流仿真结果分别在图8与图9中展示，图8的电流波形中包含大量的低频谐波，而采用本发明方法的图9的电流波形更接近与正弦，低频谐波分量显著减少，表明本发明的有效性。
[0065]
上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。