一种双端口多电平逆变器的控制方法

1.本发明涉及电力变换器控制领域，具体而言涉及一种双端口多电平逆变器的控制方法。


背景技术：

2.逆变器能够实现直流电源与交流负载或者交流电网之间的双向能量传输与变换，在可再生能源发电、智能电网、电动汽车、航空航天等领域具有广泛的用途。
3.可再生能源并网系统、电动汽车、柔性交流输电系统或其他交流分布式发电系统的应用中，相较于两电平逆变器，多电平逆变器(mli)具备总谐波失真(thd)低，模块化，容错能力强等优势。
4.传统的逆变器只包含一个直流输入端口和一个交流输出端口，即只能实现一个直流输入源和一个交流负载或交流电网之间的功率变换。然而，在可再生能源发电、智能电网、储能等功率系统中，逆变器通常需要有多个输出端口。传统的多端口输出逆变器功率密度不高，新型多端口输出逆变器为单电源输入，通过两个子电路分别为两个端口提供独立的功率和电压控制，怎样实现多端口逆变器的控制成为难题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有控制技术的不足，而提供一种双端口多电平逆变器的控制方法。该方法可以使得该类多电平逆变器的双输出端口一个并网而另一个供电给本地负载。两个端口可独立分配功率以及进行电压控制。目前现有技术无法实现上述功能。
6.一种多端口多电平逆变器的控制方法，包括主功率电路，并网控制模块，离网控制模块，锁相环模块以及控制模式切换模块。
7.所述双端口多电平逆变器输出端口v
o1
并网，输出端口v
o2
接本地独立负载。所述主功率电路包括：直流电源(v
in
)、正电平发生子电路、负电平发生子电路，输出端口v
o1
半桥电路、输出端口v
o2
半桥电路、并网滤波器(lf)；所述输出端口v
o1
半桥电路由功率开关管s1和功率开关管s2串联连接，所述输出端口v
o2
半桥电路由功率开关管s3和功率开关管s4串联连接；所述正电平发生子电路的第一输出端和所述负电平发生子电路的第一输出端相连并连接到所述直流电源的正输出端，所述正电平发生子电路的第二输出端、所述负电平发生子电路的第二输出端和所述直流电源的负输出端相连并连接到地，所述功率开关管s1的第一输出端和所述功率开关管s3的第一输出端相连并连接到所述负电平发生子电路的第三输出端，所述功率开关管s2的第二输出端和所述功率开关管s4的第二输出端相连并连接到所述正电平发生子电路的第三输出端，所述功率开关管s1的第二输出端和所述功率开关管s2的第一输出端相连并和地构成所述输出端口v
o1
，所述功率开关管s3的第二输出端和所述功率开关管s4的第一输出端相连并和地构成所述输出端口v
o2
，所述输出端口v
o1
连接并网滤波器(lf)后接入电网(vg)，所述输出端口v
o2
连接本地独立负载。
8.所述控制电路包括并网控制模块、离网控制模块、锁相环模块以及控制模式切换
模块；控制模式切换模块通过锁相环模块输出的输出电压区间判断信号，对并网控制模块的输出信号和离网控制模块的输出信号进行控制。
9.输出交流电压电平数为2n+1，n为大于等于1的自然数。锁相环模块将电网电压vg与电源电压v
in
的整数倍进行对比，把工作过程分成2n个输出电压区间。输出电压区间定义如下，电网电压vg为正半波时，当(n-1)v
in
≤vg≤nv
in
，定义输出电压区间pn，n为大于等于1的自然数，n取值为1，2，3......。具体的当n＝1时，0≤vg≤v
in
，定义输出电压区间p1；当n＝2时，v
in
≤vg≤2v
in
，定义输出电压区间p2，以此类推。电网电压vg为负半波时，当(n-1)v
in
≤|vg|≤nv
in
，定义输出电压区间nn，n为大于等于1的自然数，n取值为1，2，3......。具体的当n＝1时，-v
in
≤vg≤0，定义输出电压区间n1；当n＝2时，-2v
in
≤vg≤-v
in
，定义输出电压区间n2，以此类推。
10.所述并网控制模块的输入信号为实时采样的电源电压v
in
、输入电流i
in
、电网电压vg、输出端口v
o1
的电流ig和无功指令功率q
ref
、输出端口v
o2
的电压v
o2
、输出端口v
o2
的电流i
o2
，并网控制模块的输出信号为一组主电路开关管控制信号g
drive
，具体实施方法如下：
11.所述并网功率计算模块根据实时采样的v
in
、i
in
、v
o2
、i
o2
，通过下述公式计算得到网侧功率pg：
[0012][0013]
上式中，pg是并网侧功率，p
in
是直流电源的输入功率，p
o2
是输出端口v
o2
的输出功率，v
in
是实时采样的直流电源电压，i
in
是实时采样的输入电流，v
o2
是实时采样的输出端口v
o2
的电压，i
o2
是实时采样的输出端口v
o2
的电流；
[0014]
所述并网控制模块基于峰值电流控制(pcc)策略进行控制，将上述功率参数pg和无功指令信号q
ref
根据下式计算出参考电流i
ref
：
[0015][0016]
上式中，pg是输出端口v
o1
的功率，q
ref
是无功指令功率，v
m，g
是电网峰值电压；
[0017]
主电路功率开关管的控制信号g
drive
驱动主电路功率开关管具体实施方法如下：实时比较输出端口v
o1
的电流ig和参考电流i
ref
，电网电压vg为正半波并且锁相环模块判定当前输出电压区间为pn时，若并网侧电流ig的瞬时值大于等于参考电流i
ref
，pcc控制器产生主电路功率开关管驱动信号使输出端口v
o1
输出电压电平为(n-1)v
in
；若并网侧电流ig的瞬时值小于参考电流i
ref
时，pcc控制器产生主电路功率开关管驱动信号使输出端口v
o1
输出电压电平为nv
in
。电网电压vg为负半波并且锁相环模块判定当前输出电压区间为nn时，若输出端口v
o1
电流ig的瞬时值大于等于参考电流i
ref
，pcc控制器产生主电路功率开关管驱动信号使输出端口v
o1
输出电压电平为-nv
in
；若输出端口v
o1
电流ig的瞬时值小于参考电流i
ref
时，pcc控制器产生主电路功率开关管驱动信号使输出端口v
o1
输出电压电平为-(n-1)v
in
。
[0018]
所述离网控制模块输入信号为实时采样输出端口v
o2
电压v
o2
，离网控制模块的输出信号为一组主电路开关管控制信号l
drive
，具体实施方法如下：
[0019]
通过实时采样输出端口v
o2
的电压v
o2
并计算有效值v
o2_rms
，与参考电压有效值vo2，ref
、补偿环节c(s)得到控制信号u(t)，由如下公式计算：
[0020][0021]
上式中，v
o2_rms
是输出端口v
o2
的电压v
o2
有效值，v
o2，ref
是输出端口v
o2
的电压v
o2
的参考电压有效值，ve是电压误差值，c(s)为补偿器传递函数，可以是比例积分微分调节(pid)但不限于pid控制器。通过将控制信号u与相位滞后电网电压vg180
°
的参考正弦波v
ref
相乘，得到调制电压信号v
o2，ref
。通过采用正弦脉冲宽度调制(spwm)调制产生主电路功率开关管的控制信号l
drive
。
[0022]
所述控制模式切换模块通过所述锁相环模块的输出电压区间信号，控制所述并网控制模块的输出信号g
drive
和所述离网控制模块的输出信号l
drive
接入正电平发生子电路和负电平发生子电路，驱动功率开关管产生正确的输出电平，具体实施方法如下：
[0023]
当锁相环模块判定当前输出电压区间为p2～pn时，控制模式切换模块将控制信号g
drive
接入正电平发生子电路驱动相关功率开关管，输出端口v
o1
输出正半周波；控制模式切换模块将控制信号l
drive
接入负电平发生子电路驱动相关功率开关管，输出端口v
o2
输出负半周波；
[0024]
当锁相环模块判定当前输出电压区间为n2～nn时，控制模式切换模块将控制信号g
drive
接入负电平发生子电路驱动相关功率开关管，输出端口v
o1
输出负半周波；控制模式切换模块将控制信号l
drive
接入正电平发生子电路驱动相关功率开关管，输出端口v
o2
输出正半周波；
[0025]
当锁相环模块判定当前输出电压区间为p1、n1，即|vg|≤v
in
时，在此区间内，由于电路的两个输出端口需同时为零电压电平输出，控制模式切换模块将控制信号g
drive
同时接入正、负电平发生子电路驱动相关功率开关管，具体实施方法如下，当控制信号g
drive
需要驱动主电路功率开关管为输出端口v
o1
提供零电压电平输出时，主电路开关管同时为输出端口v
o2
提供零电压电平输出，而当控制信号g
drive
控制主电路开关管为输出端口v
o1
提供非零电压电平输出时，主电路开关管为输出端口v
o2
提供相反的电压电平输出。
[0026]
有益效果：
[0027]
本发明提供了一种多端口多电平逆变器的控制方法，实现功率主电路在单电源输入时，多电平逆变器的双输出端口一个并网而另一个供电给本地负载，通过对双端口变换器输入、输出功率的实时监测，在特殊的锁相环模式识别方法下，通过控制切换策略，两个输出端口可独立工作在并网和离网控制状态并且可独立分配功率以及进行电压控制，从而实现高功率密度的多端口电源的功率平衡以及功率分配控制。
附图说明
[0028]
图1是本发明提供的双端口多电平逆变器系统以及一端并网、一端接本地负载的控制方法；
[0029]
图2是本发明中控制电路的锁相环模块输出电压区间的判定示意图；
[0030]
图3是本发明中控制电路中控制模式切换模块的流程图；
[0031]
图4是本发明实施例提供的双端口五电平开关电容逆变器电路示意图；
[0032]
图5(a)至图5(c)是本发明实施例的三个特殊等效工作模态图，其中，图5(a)为两
个输出端口输出电压电平都为0的示意图；图5(b)为输出端口v
o1
输出电压电平为v
in
、输出端口v
o2
输出电压电平为-v
in
的示意图；图5(c)为输出端口v
o1
输出电压电平为-v
in
、输出端口v
o2
输出电压电平为v
in
的示意图。
具体实施方式
[0033]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
图3描述了本发明实施例的主电路的构成方式，实施例为双端口五电平开关电容逆变器电路。该主电路包括：直流电源(v
in
)、开关电容左子电路、开关电容右子电路，输出端口v
o1
半桥电路、输出端口v
o2
半桥电路、并网滤波器(lf)；所述开关电容左子电路和开关电容右子电路分别对应负电平发生子电路和正电平发生子电路；所述输出端口v
o1
半桥电路由功率开关管s1和功率开关管s2串联连接，所述输出端口v
o2
半桥电路由功率开关管s3和功率开关管s4串联连接；功率开关管s1的第二输出端和所述功率开关管s2的第一输出端相连并和地构成所述输出端口v
o1
，功率开关管s3的第二输出端和所述功率开关管s4的第一输出端相连并和地构成所述输出端口v
o2
；开关电容左子电路的电容c
l1
的正极和功率开关管s
l11
的第一输出端以及功率开关管s
l12
的第二输出端相连，电容c
l1
的负极和功率开关管s
l13
的第一输出端以及功率开关管s
l21
的第二输出端相连，电容c
l2
的正极和功率开关管s
l21
的第一输出端以及功率开关管s
l22
的第二输出端相连，电容c
l2
的负极和功率开关管s
l23
的第一输出端相连并连接到功率开关管s1的第一输出端和所述功率开关管s3的第一输出端；开关电容右子电路的电容cr的正极和功率开关管s
r12
的第二输出端相连并连接到功率开关管s2的第二输出端和所述功率开关管s4的第二输出端，电容cr的负极和功率开关管s
r11
的第二输出端以及功率开关管s
r13
的第一输出端相连；功率开关管s
l12
的第一输出端、功率开关管s
l22
的第一输出端、功率开关管s
r12
的第一输出端和直流电源(v
in
)的正输出端相连，功率开关管s
l13
的第二输出端、功率开关管s
l23
的第二输出端、功率开关管s
r13
的第二输出端和直流电源(v
in
)的负输出端相连；输出端口v
o1
连接并网滤波器(lf)后接入电网(vg)，输出端口v
o2
连接本地独立负载。
[0035]
所述双端口五电平开关电容逆变器电路中，电容通过和直流电源串联充电至v
in
，通过直流电源和开关电容右子电路中的电容cr串联为两个输出端口提供输出电压电平2v
in
，通过直流电源两个输出端口提供输出电压电平v
in
，通过开关电容左子电路中任一电容放电为两个输出端口提供输出电压电平-v
in
，通过开关电容左子电路中两个电容串联放电为两个输出端口提供输出电压电平-2v
in
。
[0036]
具体控制电路工作方式如下：锁相环模块将电网电压vg与电源电压v
in
的整数倍进行对比，把工作过程分成4个输出电压区间，输出电压区间定义如下，电网电压vg为正半波时，当v
in
≤vg≤2v
in
，定义输出电压区间p2，当0≤vg≤v
in
，定义输出电压区间p1；电网电压vg为负半波时，当-v
in
≤vg≤0，定义输出电压区间n1；当-2v
in
≤vg≤-v
in
，定义输出电压区间n2。
[0037]
所述并网功率计算模块根据实时采样的v
in
、i
in
、v
o2
、i
o2
，通过下述公式计算得到网
侧功率pg：
[0038][0039]
上式中，pg是并网侧功率，p
in
是直流电源的输入功率，p
o2
是输出端口v
o2
的输出功率，v
in
是实时采样的直流电源电压，i
in
是实时采样的输入电流，v
o2
是实时采样的输出端口v
o2
的电压，i
o2
是实时采样的输出端口v
o2
的电流；
[0040]
所述并网控制模块基于峰值电流控制(pcc)策略进行控制，将上述功率参数pg和无功指令信号q
ref
根据下式计算出参考电流i
ref
：
[0041][0042]
上式中，pg是输出端口v
o1
的功率，q
ref
是无功指令功率，v
m，g
是电网峰值电压；
[0043]
主电路功率开关管的控制信号g
drive
驱动主电路功率开关管具体实施方法如下：实时比较输出端口v
o1
的电流ig和参考电流i
ref
，pcc控制器产生主电路功率开关管驱动信号使输出端口v
o1
输出的对应电压电平如下表所示：
[0044]
表1 pcc控制器不同区间的输出电压电平
[0045][0046]
所述离网控制模块输入信号为实时采样输出端口v
o2
的电压v
o2
，离网控制模块的输出信号为一组主电路开关管控制信号l
drive
，具体实施方法如下：
[0047]
通过实时采样输出端口v
o2
的电压v
o2
并计算有效值v
o2_rms
，与参考电压有效值v
o2，ref
、补偿环节c(s)得到控制信号u(t)，由如下公式计算：
[0048][0049]
上式中，v
o2_rms
是输出端口v
o2
的电压v
o2
有效值，v
o2，ref
是输出端口v
o2
的电压v
o2
的参考电压有效值，ve是电压误差值，c(s)为补偿器传递函数，可以是比例积分微分调节(pid)但不限于pid控制器。通过将控制信号u与相位滞后电网电压vg180
°
的参考正弦波v
ref
相乘，得到调制电压信号v
o2，ref
。通过采用正弦脉冲宽度调制(spwm)调制产生主电路功率开关管的控制信号l
drive
。
[0050]
所述控制模式切换模块通过所述锁相环模块的输出电压区间信号，控制所述并网控制模块的输出信号g
drive
和所述离网控制模块的输出信号l
drive
接入开关电容左子电路和开关电容右子电路，驱动功率开关管产生正确的输出电平，具体实施方法如下：
[0051]
当锁相环模块判定当前输出电压区间为p2时，控制模式切换模块将控制信号g
drive
接入开关电容右子电路驱动相关功率开关管，输出端口v
o1
输出正半周波；控制模式切换模块将控制信号l
drive
接入开关电容左子电路驱动相关功率开关管，输出端口v
o2
输出负半周波；
[0052]
当锁相环模块判定当前输出电压区间为n2时，控制模式切换模块将控制信号g
drive
接入开关电容左子电路驱动相关功率开关管，输出端口v
o1
输出负半周波；控制模式切换模块将控制信号l
drive
接入开关电容右子电路驱动相关功率开关管，输出端口v
o2
输出正半周波；
[0053]
当锁相环模块判定当前输出电压区间为p1、n1，即|vg|≤v
in
时，在此区间内，由于电路的两个输出端口需同时为零电压电平输出，控制模式切换模块将控制信号g
drive
同时接入开关电容左、右子电路驱动相关功率开关管，具体实施方法如下，当控制信号g
drive
需要驱动主电路功率开关管为输出端口v
o1
提供零电压电平输出时，主电路开关管同时为输出端口v
o2
提供零电压电平输出，如图5(a)所示；而当控制信号g
drive
控制主电路开关管为输出端口v
o1
提供非零电压电平输出时，主电路开关管为输出端口v
o2
提供相反的电压电平输出，如图5(b)和图5(c)所示。
[0054]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而己，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明包以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范国情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。