[发明专利]一种混合电平三相四桥臂变流器装置及控制方法

权利要求书

1.一种混合电平三相四桥臂变流器装置的控制方法，其中混合电平三相四桥臂变流器装置包括：直流部分，三相四桥臂、输出滤波电路以及负载与电网，其中：

所述直流部分包括分压电容器C1和分压电容器C2，分压电容器C1和分压电容器C2之间相互串联，串联连接点为O，分压电容器C1和分压电容器C2串联后与直流源输出相连接；

所述三相四桥臂包括三相三电平三桥臂和N相两电平第四桥臂两部分；所述三相三电平三桥臂即A相、B相、C相三电平三桥臂，包括三个并联的T型三电平桥臂，三个T型三电平桥臂的中心点分别为a、b和c；所述N相两电平第四桥臂包括一个两电平桥臂，两电平桥臂的中心点为n；三相三电平三桥臂、N相两电平第四桥臂的直流输入端与所述直流部分的输出端相连接；三相三电平三桥臂、N相两电平第四桥臂输出端与所述输出滤波电路的输入端相连接；

所述输出滤波电路包括三相滤波电感L、三相滤波电容C以及第四桥臂滤波电感L_N；三相滤波电感L的输入端分别与三相三电平三桥臂输出端即三个T型三电平桥臂的中心点a、b、c点相连接，三相滤波电感L的输出端与三相滤波电容C的输入端对应相连接，三相滤波电容C采用星型连接，其星型中性点经第四桥臂滤波电感L_N与两电平桥臂的中心点n相连；输出滤波电路的输出端与三相电网、三相负载的输入端相连接；

其特征在于，主要步骤如下：

步骤1，采样及坐标变换；

所述采样包括采集以下数据：采集分压电容器C1和分压电容器C2上的电压采集三相滤波电容C上的滤波电容电压u_AN,u_BN,u_CN，采集三相滤波电感L上的桥臂侧电感电流为i_LA,i_LB,i_LC，采集公共并网点电压e_a,e_b,e_c；

所述坐标变换包括对以下数据进行坐标变换：

对滤波电容电压u_AN,u_BN,u_CN，桥臂侧电感电流i_LA,i_LB,i_LC进行单同步旋转坐标变换得到滤波电容电压dq的分量U_cd,U_cq和桥臂侧电感电流的dq分量I_Ld,I_Lq；

步骤2，根据步骤1中得到的滤波电容电压的dq分量U_cd,U_cq，通过通用的微分离散化方程计算滤波电容电流的dq分量I_cd,I_cq；根据步骤1得到的桥臂侧电感电流的dq分量I_Ld,I_Lq和滤波电容电流的dq分量I_cd,I_cq，经过输出电流计算方程得到输出电流的dq分量I_od,I_oq；经过有功功率计算方程和无功功率计算方程得到平均有功功率P和平均无功功率Q；对三相四桥臂变流器并网点公共点电压e_a,e_b,e_c经过锁相环环节得到公共点角频率ω_g；

步骤2.1，计算滤波电容电流的dq分量I_cd,I_cq；

令滤波电容电压U_cd,U_cq的离散序列为U_cd(n),U_cq(n)，滤波电容电流dq分量I_cd,I_cq的离散序列为I_cd(n),I_cq(n)，则计算滤波电容电流的通用的微分离散化方程为：

其中，C为三相滤波电容，T_s为三相四桥臂变流器采样周期，K为离散序列点数，n,k为自然数,即n＝0,1,2,3,4......，k＝0,1,2,3,4......；

根据上述方程求得滤波电容电流I_cd,I_cq的离散序列为I_cd(n),I_cq(n)，从而得到滤波电容电流的dq分量I_cd,I_cq；

步骤2.2，计算输出电流的dq分量I_od,I_oq；

根据滤波电容电流的dq分量I_cd,I_cq，经过输出电流计算方程得到输出电流的dq分量I_od,I_oq，所述的输出电流计算方程为：

I_od＝I_Ld-I_cd

I_oq＝I_Lq-I_cq

步骤2.3，根据有功功率计算方程和无功功率计算方程计算平均有功功率P和平均无功功率Q；

有功功率计算方程为：

无功功率计算方程为：

其中，Q_pq为功率计算方程品质因数，ω_h为陷波器需要滤除的谐波角频率，s为拉普拉斯算子，τ为一阶低通滤波器的时间常数,h为待滤除的谐波次数；

步骤3，根据步骤2中得到的平均有功功率P、公共点角频率ω_g和三相四桥臂变流器给定的有功功率指令P₀、三相四桥臂变流器给定有功功率指令P₀时的额定角频率ω₀，经过功角控制方程得到虚拟同步发电机的角频率ω，对ω积分得到虚拟同步发电机的矢量角θ；根据步骤2中得到的平均无功功率Q和三相四桥臂变流器给定的无功功率指令Q₀、三相四桥臂变流器给定无功功率指令Q₀时的额定输出电容电压U₀，经过无功控制方程得到虚拟同步发电机的端电压U^*；

步骤3.1，经过功角控制方程求虚拟同步发电机的角频率ω：

所述功角控制方程为：

其中，ω₀为三相四桥臂变流器给定有功功率指令P₀时的额定角频率，m为功角控制下垂系数，J为模拟同步发电机机组的虚拟转动惯量，s为拉普拉斯算子，D₁为三相四桥臂变流器频率反馈系数，D₂为公共点频率反馈系数；

步骤3.2，对ω积分得到虚拟同步发电机的矢量角θ；

步骤3.3，经过无功控制方程求虚拟同步发电机的端电压U^*；

所述无功控制方程为：

U^*＝U₀+n(Q₀-Q)

其中，U₀为三相四桥臂变流器给定无功功率指令Q₀时的额定输出电容电压、n为无功-电压下垂系数；

步骤4，先根据步骤3中得到的端电压U^*和步骤1中得到的滤波电容电压dq的分量U_cd,U_cq，通过电压控制方程得到电流指令信号再根据电流指令信号步骤1中的桥臂侧电感电流的dq分量I_Ld,I_Lq和步骤2得到的滤波电容电流的dq分量I_cd,I_cq，通过加权电流控制方程得到控制信号U_d,U_q；根据分压电容器C1和分压电容器C2上的电压以及滤波电容电压u_AN,u_BN,u_CN，经过零序分量均衡控制方程得到第四桥臂控制信号U_N；

步骤4.1，计算电流指令信号

根据端电压U^*和滤波电容电压dq的分量U_cd,U_cq，通过电压控制方程得到电流指令信号所述的电压控制方程为:

其中，K_p为电压环比例控制系数，K_i为电压环积分控制系数，K_r为电压环谐振控制器比例系数，Q_u为电压环准谐振调节器品质因数，ω_h为陷波器需要滤除的谐波角频率，s为拉普拉斯算子，h为待抑制的谐波次数；

步骤4.2，计算控制信号U_d,U_q；

根据电流指令信号桥臂侧电感电流的dq分量I_Ld,I_Lq和滤波电容电流的dq分量I_cd,I_cq，通过加权电流控制方程得到控制信号U_d,U_q，所述加权电流控制方程为：

其中，K_pi为电流环比例控制系数，K_ri电流环谐振控制器比例系数，ω₀为三相四桥臂变流器给定有功功率指令P₀时的额定角频率，w₁为电感电流的权重系数，w₂为电容电流的权重系数，K_f为电压前馈系数，Q_i为电流环准谐振调节器品质因数，s为拉普拉斯算子；

步骤4.3，经过零序分量均衡控制方程得到第四桥臂控制信号U_N：

所述零序分量均衡控制方程为：

其中，k₁,k₂分别为零序分量均衡控制方程的均衡控制系数，K_pN为零序分量均衡控制方程比例控制系数，K_rN为零序分量均衡控制方程准谐振控制器比例系数，Q_N为零序分量均衡控制方程准谐振调节器品质因数，s为拉普拉斯算子；

步骤5，将步骤4中得到的控制信号U_d,U_q经过单同步旋转坐标反变换得到三相四桥臂变流器中前三桥臂即三相三电平三桥臂控制信号U_a,U_b,U_c，再根据U_a,U_b,U_c与步骤4得到的第四桥臂控制信号U_N通过混合电平等效矢量调制算法生成开关管的PWM信号；

所述混合电平等效矢量调制算法为：

设三相四桥臂前三桥臂即三相三电平三桥臂控制信号最大值为U_max，最小值为U_min，即

则三相四桥臂变流器中A,B,C,N相的调制信号分别为：

M_N＝U_N

对得到的调制信号M_a,M_b,M_c,M_N通过载波调制策略即可得到每个功率开关管的PWM信号。