本發(fā)明設(shè)計混合級聯(lián)七電平逆變器調(diào)制和控制領(lǐng)域，尤其涉及基于多載波頻率的載波移相-正負(fù)反相層疊的調(diào)制方法和自適應(yīng)vsg控制方法。

背景技術(shù)：

1、混合級聯(lián)多電平逆變器主要是指由不同結(jié)構(gòu)或不同電壓等級的功率單元串聯(lián)而成的電路，相比于級聯(lián)多電平逆變器的優(yōu)勢在于當(dāng)輸出同樣的電平數(shù)下所需級聯(lián)模塊更少且輸出電壓諧波含量更低，從而降低了整個系統(tǒng)成本且保證了電能質(zhì)量。

2、對于混合級聯(lián)七電平逆變器主要采用高頻調(diào)制方法，高頻調(diào)制又可分為載波移相(cps-pwm)、同相層疊(in-phase?disposition，ipd)法、相鄰反相層疊(alternative?phaseopposite?disposition，apod)法以及正負(fù)反相層疊(phase?opposite?disposition，pod)法。這些傳統(tǒng)的調(diào)制方法單獨只使用一個不能使逆變器輸出理想的波形，甚至?xí)a(chǎn)生大量的諧波和電流倒灌和能量反饋的問題。

3、虛擬同步發(fā)電機技術(shù)(vsg)能夠充分發(fā)揮分布式微源的潛在優(yōu)勢，在光伏系統(tǒng)中，通常先在直流側(cè)配備一儲能裝置，對光伏和儲能系統(tǒng)進行一體化控制，然后將該技術(shù)應(yīng)用到并網(wǎng)逆變器中，從而實現(xiàn)光伏微源的充分利用。傳統(tǒng)的vsg技術(shù)由于固定了虛擬慣量j和阻尼系數(shù)d，導(dǎo)致系統(tǒng)難以兼顧快速性和穩(wěn)定性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對上述問題，1.提出一種基于多載波頻率的載波移相-正負(fù)反相層疊的調(diào)制方法來改善電流倒灌和能量反饋的問題；2.在傳統(tǒng)的vsg控制上引入自適應(yīng)模塊，提升了控制性能和系統(tǒng)的快速性及穩(wěn)定性。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：基于混合級聯(lián)七電平逆變器的多載波頻率cps-pod調(diào)制方法，包括以下步驟：

3、步驟1：將載波移相調(diào)制法和正負(fù)反相層疊調(diào)制法結(jié)合使用，使得輸出電壓和輸出功率極性相同避免了電流流倒灌和能量反饋的問題；

4、步驟2：根據(jù)二階同步發(fā)電機原理和vsg無功功率與電壓的關(guān)系建立了vsg外環(huán)控制模型；

5、步驟3：通過引入虛擬電感和準(zhǔn)比例諧振控制建立了vsg內(nèi)環(huán)控制模型；

6、步驟4：將自適應(yīng)模塊引入vsg控制系統(tǒng)，然后將系統(tǒng)的震蕩過程分為四個階段。通過比較虛擬轉(zhuǎn)子角速度和電網(wǎng)角速度的大小和判斷虛擬轉(zhuǎn)子角速度變化率的正負(fù)來調(diào)節(jié)虛擬慣量和阻尼系數(shù)的大小。

7、進一步的，所述步驟1包括以下步驟：

8、步驟1.1：基于多載波頻率的載波移相-正負(fù)反相層疊調(diào)制方法中首先給出6個載波：vcr1、vcr1-(頻率相同且關(guān)于橫軸對稱)、vcr2、vcr2-(頻率相同且關(guān)于橫軸對稱)、vcr3、vcr3-(頻率相同且關(guān)于橫軸對稱)且vcr1、vcr1-、vcr3、vcr3-的載波頻率是vcr2、vcr2-的兩倍，然后給出1個正弦調(diào)制波vref；

9、步驟1.2：基于多載波頻率的載波移相-正負(fù)反相層疊調(diào)制方法的原理如下：低壓單元h2的載波頻率為高壓單元h1載波頻率的兩倍。對于高壓單元，輸出電平為-2e、0、2e，當(dāng)調(diào)制波vref大于載波vcr2時，ug11輸出高電平，反之為低電平。當(dāng)vref小于vcr2-時，ug31輸出為高電平，反之為低電平。對于低壓單元，輸出電平為-e、0、e，當(dāng)vm大于vcr1或vcr3時，ug12輸出為高電平，反之為低電平。當(dāng)vref小于vcr1-和vcr3-時，ug32輸出為高電平，反之為低電平；

10、步驟1.3：基于調(diào)制原理得出逆變器輸出功率和輸出電壓的極性相同避免了電流倒灌和能量反饋的問題。

11、進一步的，所述步驟2具體包括以下步驟：

12、步驟2.1：建立了同步電機的數(shù)學(xué)模型，假設(shè)vsg的極對數(shù)為1，可以得到vsg控制中的模擬轉(zhuǎn)子運動方程：

13、

14、其中j為虛擬轉(zhuǎn)動慣量，d為阻尼系數(shù)，θ為虛擬內(nèi)電勢相角，ω和ωn分別為虛擬角頻率、額定角頻率，pref和pe分別表示電網(wǎng)有功功率的參考值和實際值；

15、步驟2.2：建立了vsg外環(huán)控制的數(shù)學(xué)模型如下所示，其中em為vsg虛擬內(nèi)電勢電壓幅值，kq為無功功率與電壓的下垂系數(shù)，qref和qe分別為無功功率的參考值和實際值,e1為電壓基準(zhǔn)值。

16、

17、進而得到虛擬內(nèi)電勢的瞬時值為：

18、eref＝em·sinθ?(3)

19、進一步的，所述步驟3具體包括以下步驟：

20、步驟3.1：由于同步發(fā)電機內(nèi)電勢eq、定子電流i、機端電壓ug存在eq＝ug-i(ra+jωld)的關(guān)系，為了使vsg的控制策略也具備相似的同步發(fā)電機定子電氣特性,vsg的電壓環(huán)引入了虛擬電感l(wèi)v，逆變器與電網(wǎng)之間的感性和輸出阻抗得到提高，有助于vsg有功環(huán)和無功環(huán)的解耦和參數(shù)設(shè)計，也有助于抑制多臺vsg并聯(lián)運行形成環(huán)流；

21、步驟3.2：建立了vsg內(nèi)環(huán)電流環(huán)的控制模型，vsg的電流環(huán)控制采用準(zhǔn)比例諧振(qpr)控制，準(zhǔn)pr控制器的傳遞函數(shù)如下式所示。

22、

23、其中，kp為比例系數(shù)；kr為諧振系數(shù)；ω0為諧振頻率，此處取ω0＝ωn；ωc為諧振部分帶寬，考慮到電網(wǎng)頻率波動往往不會超過1hz，取ωc＝2πrad/s。

24、進一步的，所述步驟4具體包括以下步驟：

25、步驟4.1：階段(1)和階段(3)：階段(1)中虛擬同步發(fā)電機的虛擬轉(zhuǎn)子角速度大于電網(wǎng)角速度ω>ωn且角速度的變化率dω/dt>0，而階段(3)中的ω<ωn且dω/dt<0，因此這兩個階段都具有|ω-ωn|逐漸變大的特性，即屬于轉(zhuǎn)子角頻率的加速階段，所以需要增大j抑制ω的快速增加，但j的增大也會導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)量σ％和調(diào)節(jié)時間ts的變大，因此這兩個階段需要在增大虛擬慣量j的同時也需要適當(dāng)增大阻尼d；

26、步驟4.2：階段(2)階段(4)：在階段(2)中，ω>ωn但dω/dt<0，而階段(4)的ω<ωn但dω/dt>0，因此這兩個階段都具有|ω-ωn|逐漸變小的特性，屬于轉(zhuǎn)子角頻率的減速階段，所以需要減小虛擬慣量j加快|dω/dt|，從而使ω更快恢復(fù)ωn，同時適當(dāng)增大阻尼d獲得更小的超調(diào)量σ％和調(diào)節(jié)時間ts。

27、步驟4.3：基于自適應(yīng)控制原理得出自適應(yīng)控制策略數(shù)學(xué)表達(dá)式：

28、

29、其中j0、d0分別為轉(zhuǎn)動慣量、阻尼系數(shù)的初始值，kj和kd分別為轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)系數(shù)；tj為|dω/dt|的閾值，使得j不會在頻率小范圍波動下頻繁波動。

技術(shù)特征：

1.基于混合級聯(lián)七電平逆變器的多載波頻率cps-pod調(diào)制方法，其特征在于，包括以下步驟:

2.如權(quán)利要求1所述的基于混合級聯(lián)七電平逆變器的多載波頻率cps-pod調(diào)制方法，其特征在于，所述步驟1的具體過程如下：

3.如權(quán)利要求2所述的基于混合級聯(lián)七電平逆變器的多載波頻率cps-pod調(diào)制方法，其特征在于，所述步驟2的具體過程如下：

4.如權(quán)利要求3所述的基于混合級聯(lián)七電平逆變器的多載波頻率cps-pod調(diào)制方法，其特征在于，所述步驟3的具體過程如下：

5.如權(quán)利要求4所述的基于混合級聯(lián)七電平逆變器的多載波頻率cps-pod調(diào)制方法，其特征在于，所述步驟4的具體過程如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了基于混合級聯(lián)七電平逆變器的多載波頻率CPS?POD調(diào)制方法。針對適用于混合級聯(lián)七電平逆變器的傳統(tǒng)混合調(diào)制策略存在的電流倒灌和能量反饋的問題，提出基于多載波頻率的載波移相?正負(fù)反相層疊(CPS?POD)調(diào)制方法。針對傳統(tǒng)的VSG控制，由于固定的虛擬慣量和阻尼系數(shù)導(dǎo)致系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性難以兼顧，本發(fā)明在此基礎(chǔ)上加入了自適應(yīng)模塊，通過分析系統(tǒng)的震蕩過程并設(shè)定條件閾值使得虛擬慣量和阻尼系數(shù)實時地進行改變，大幅優(yōu)化了控制性能，提高了系統(tǒng)效率。

技術(shù)研發(fā)人員：金寧治,杜詩睿,侯焦偉,孫東陽
受保護的技術(shù)使用者：哈爾濱理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30