Shepwm控制電路、兩臺t型三電平shepwm逆變器并聯系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了SHEPWM控制電路、兩臺T型三電平SHEPWM逆變器并聯系統，其中，兩臺T型三電平SHEPWM逆變器并聯系統包括兩臺T型三電平逆變器，所述T型三電平逆變器的直流側并聯連接至同一臺直流電壓源，T型三電平逆變器的各個IGBT管均由SHEPWM控制電路驅動，T型三電平逆變器的交流側經過濾波器濾波后并聯連接來實現并網功能。
【專利說明】
SHEPWM控制電路、兩臺T型三電平SHEPWM逆變器并聯系統
技術領域
[0001 ] 本實用新型屬于逆變器領域，尤其涉及一種SHEPWM控制電路、兩臺T型三電平 SHEPWM逆變器并聯系統。
【背景技術】
[0002] 伴隨著光伏發電系統在內的分布式能源大規模接入低壓配電網，電網對并網逆變 器輸出電流波形質量提出更高的要求，傳統兩電平并網逆變器很難滿足大電網高電能質量 要求。T型三電平并網逆變器的出現解決了上述問題，如圖2所示，和傳統兩電平相比，該逆 變器具有諧波小、開關損耗低、電磁干擾小等優點；和傳統二極管鉗位型三電平逆變器相 比，該逆變器具有開關數目少、導通損耗小和功率損耗均勻等優點；且T型三電平逆變器開 關頻率在4kHZ到30kHZ之間效率最高。因此T型三電平逆變器已經廣泛應用到光伏發電和微 電網等分布式發電場合，但是容量一直是制約其快速發展的瓶頸。
[0003] 多機T型三電平并網逆變器的并聯能夠增加系統容量、可靠性和效率，已經成為大 功率分布式發電的重要選擇，但是模塊之間硬件不匹配、死區時間以及控制算法執行時間 等差別會產生環流。環流會增加系統損耗和引起并網電流畸變，嚴重影響IGBT開關管的壽 命，因此研究并聯T型三電平逆變器的環流抑制意義重大。
[0004] 特定諧波消除脈寬調制（Selective Harmonic Elimination Pulse Width Modulation，SHEPWM)，通過開關時刻的優化選擇，產生PWM來消除選定的低次諧波，具有波 形質量高、效率高、直流電壓利用率高、直流側濾波器尺寸小等顯著優點，越來越受到人們 的青睞。相比于正弦脈寬調制（SPWM)和空間矢量脈寬調制（SVP麗)調制，特定諧波消除法 (SHEPWM)具有開關頻率低、開關損耗小、輸出電壓質量好及損耗小等一系列優點，適用于大 功率場合，是一種電力電子領域中經常用來消除低次諧波的調制方法。 【實用新型內容】
[0005] 為了解決現有技術的缺點，本實用新型提供一種SHEPWM控制電路、兩臺T型三電平 SHEPWM逆變器并聯系統。本實用新型在傳統三相SHEPWM的調制后增加了一個小矢量控制 器，通過測量每臺逆變器中點電壓和輸出電流來確定是否替換該臺逆變器中小矢量的開關 狀態，用于有效抑制環流，保障T型三電平逆變器并聯系統穩定高效運行。
[0006] 為實現上述目的，本實用新型采用以下技術方案：
[0007] 一種SHEPWM控制電路，包括兩個SHEPWM信號發生器，每個SHEPWM信號發生器均與 一個小矢量控制器相連;每個SHEPWM信號發生器產生的兩路三相SHEPWM信號，分別傳送至 相應的小矢量控制器及三電平逆變器；
[0008] 其中，一個小矢量控制器與電流檢測模塊相連，該小矢量控制器與一個三電平逆 變器的開關管相連；
[0009] 另一個小矢量控制器與電壓檢測模塊相連，該小矢量控制器與另一個三電平逆變 器的開關管相連。
[0010] 所述三電平逆變器為T型三電平逆變器。
[0011] 所述T型三電平逆變器包括并聯的三相橋臂，每相橋臂包括兩個串聯的IGBT管，各 相橋臂的中點一側還串聯兩個方向不同的IGBT管，另一側與濾波器連接;每臺T型三電平逆 變器的直流側并聯兩個電容，兩個電容的連接點還與各相橋臂的兩個方向不同IGBT管的一 端相連。
[0012]所述電流檢測模塊為電流互感器。
[0013] 所述電壓檢測模塊為壓流互感器。
[0014] 一種應用SHEPWM控制電路的兩臺T型三電平SHEPWM逆變器并聯系統，包括兩臺T型 三電平逆變器，所述T型三電平逆變器的直流側并聯連接至同一臺直流電壓源，T型三電平 逆變器的各個IGBT管均由SHEPWM控制電路驅動，T型三電平逆變器的交流側經過濾波器濾 波后并聯連接來實現并網功能。
[0015]本實用新型的有益效果為：
[0016] (1)本實用新型中SHEPWM控制方式可以將中點電壓限定在一個更小的波動區域， 中點電壓偏離平衡點時迅速使其恢復平衡，和傳統SHEPWM對特定諧波消除的能力基本相 同。
[0017] (2)本實用新型中兩臺T型三電平SHEP麗逆變器并聯系統具備三電平拓撲諧波含 量小、系統效率高的優點，還兼具了并聯系統可維護性好、冗余性高、便于擴容的優勢。
[0018] (3)本實用新型中兩臺T型三電平SHEPWM逆變器并聯系統很好的解決了環流抑制 問題和中點電壓平衡問題。
【附圖說明】
[0019] 圖1為兩臺三電平逆變器并聯系統拓撲圖；
[0020] 圖2為三電平逆變器拓撲圖；
[0021] 圖3為三電平逆變器SHEP麗的典型波形；
[0022] 圖4為小矢量對中點電壓的影響示意圖；
[0023] 圖5(a)為開關角狀態大電壓矢量[PPN]對三電平逆變器中點電壓影響示意圖；
[0024] 圖5(b)為開關角狀態中電壓矢量[P0N]對三電平逆變器中點電壓影響示意圖； [0025]圖5(c)為開關角狀態零電壓矢量[PPP]對三電平逆變器中點電壓影響示意圖； [0026]圖5(d)為開關角狀態P型小電壓矢量[P00]對三電平逆變器中點電壓影響示意圖； [0027]圖5(e)為開關角狀態N型小電壓矢量[0NN]對三電平逆變器中點電壓影響示意圖； [0028]圖6為T型三電平SHEP麗逆變器的中點電壓控制方法的控制原理；
[0029]圖7為T型三電平SHEP麗逆變器的中點電壓控制方法流程圖；
[0030] 圖8為T型三電平SHEP麗逆變器的零序環流控制方法的控制原理；
[0031]圖9為T型三電平SHEP麗逆變器的零序環流控制方法流程圖；
[0032] 圖10(a)為第一臺逆變器的輸出電壓的仿真結果；
[0033] 圖10(b)為第二臺逆變器的輸出電壓的仿真結果；
[0034] 圖11為逆變器輸出電壓仿真結果的諧波分析；
[0035]圖12 (a)為第一臺逆變器直流側電容的仿真結果；
[0036]圖12 (b)為第二臺逆變器直流側電容的仿真結果；
[0037] 圖13為兩臺逆變器之間環流的仿真結果。
【具體實施方式】
[0038] 下面結合附圖與實施例對本實用新型做進一步說明：
[0039] 三電平逆變器并聯系統拓撲圖如圖1所示，兩臺逆變器共享交直流母線，P、N為并 聯系統的正負母線;A、B、C為并聯系統的三相并網點;aj、bj、cj為逆變器輸出的交流端，Cn、 CJ2為與直流側并聯的兩個電容，中點為匕，濾波器采用LC濾波器，濾波電感為U，濾波電容 為Cmj，零序電流為i zj，imj為第j臺逆變器的m相輸出電流，m = a、b、c，」=1、2,3山、丨[3、：[。為系 統并網電流。
[0040] 以如圖2所示單臺逆變器結構闡述逆變器控制策略。直流側串聯兩個電容CjPC2， 中點為Z，從而使逆變器的上部器件和下部器件的開關將產生正電平和負電平。a、b、c三相 各連接四個帶有反并聯二極管的開關器件，通過La、Lb、U濾波后連接三相負載。每一個半橋 逆變器有三種狀態：正電平、負電平、零電平。其中，T型三電平逆變器的直流側并聯連接至 同一臺直流電壓源，各個IGBT管均由SHEPWM控制電路驅動，T型三電平逆變器的交流側經過 濾波器濾波后并聯連接來實現并網功能。
[0041] 以如圖2所示單臺逆變器結構闡述逆變器控制策略。
[0042]傳統SHEPWM調制方法為計算每四分之一周期內的N個開關角，為求解N個開關角， 需要構成N個方程，其中N-1個方程消除低次諧波，一個方程確定調制比M。一種典型的三電 平SHEPWM波形如圖3所示，其中Vxz是單相的輸出電壓，其傅里葉級數為 ?
[0043] Z - (i)
[0044] 其中x = a，b，c;bn是傅立葉系數;bn由下式給出
(2)
[0046] 其中 n = l，5,7，."，3N-2。
[0047] 通過以下價值函數，來選取方程最優解：
[0048] Z7 (a,, ?2,….' %). = (A -_M) +K H i-b~ (.3.)
[0049] 其中M為調制指數。開關狀態可以表示為空間電壓矢量，根據空間電壓矢量的大小 可將其分為零矢量、小矢量、大矢量、中矢量，小電壓矢量又可以分為P型矢量和N型矢量，如 圖4和表1所示。
[0050] 表1空間電壓矢量與開關狀態的關系
[0052] SHEPTOl的中點電壓Vz表示為
(4)
[0054] 其中VC1和VC2是直流側電容CjPC2的電壓值。開關狀態對中點電壓的影響如圖5所 示:大矢量和零矢量對中點電壓沒有影響，因為在這種情況下中點Z沒有和直流側的正、負 極相連，因為兩個電容沒有充放電，所以兩電容電壓沒有變化，中點電壓也不變化，如圖5 (a)、（c)所示；圖5(b)顯示了中矢量的效果圖，此時中點和直流側的正負側相連接，中點電 壓的變化情況由此時的中點電流決定；當逆變器選擇P型小矢量開關狀態時，負載接在中點 與直流側的正極，電容Q放電，電流流進中點，中點電壓上升，如圖5 (d)所示;與此相反，N型 小矢量會使中點電壓下降，如圖5 (e)所示。
[0055] 第i臺逆變器零序電流izi為：
[0056] izi = iai+ibi+ici (5)
[0057]其中i = l、2。對于兩臺并聯T型三電平逆變器零序環流大小相等，方向相反，系統 環流定義如下：
[0058] iz = izi = -iz2 (6)
[0059] T型三電平逆變器的零序環流和輸出濾波器電感L、中點電位和開關狀態有關。兩 臺T型三電平逆變器的零序環流iz為：
(7)
[0061]本實用新型中SHEPWM逆變器通過替換小電壓矢量來保持中點電壓平衡和抑制環 流，控制原理如圖6所示。SHEPWM開關信號由傳統SHEP麗信號發生器產生，當小電壓矢量開 關狀態出現時小電壓矢量控制器作用；當小電壓矢量開關狀態沒有出現時，小矢量控制器 被閉鎖，開關狀態不變。
[0062] 其中，SHEP麗信號發生器可采用TMS320F28335芯片予以實現。小矢量控制器也采 用DSP控制器予以實現。
[0063] 如圖6所示，本實用新型的SHE PWM控制電路，包括兩個SHE PWM信號發生器，每個 SHEPWM信號發生器均與一個小矢量控制器相連;每個SHEPWM信號發生器產生的兩路三相 SHEPWM信號，分別傳送至相應的小矢量控制器及三電平逆變器；
[0064] 其中，一個小矢量控制器與電流檢測模塊相連，該小矢量控制器根據接收的三相 SHEPWM信號進行判斷相應三電平逆變器的開關狀態，若出現小電壓矢量開關狀態，則根據 電流檢測模塊檢測到的零序環流信號與零序環流閾值的大小比較結果，進行改變相應三電 平逆變器的開關狀態改變;否則，該小矢量控制器處于閉鎖狀態；
[0065] 另一個小矢量控制器與電壓檢測模塊相連，該小矢量控制器根據接收的三相 SHEPWM信號進行判斷相應三電平逆變器的開關狀態，若出現小電壓矢量開關狀態，則根據 電壓檢測模塊檢測到的直流側中點電壓信號與直流側中點電壓閾值的大小比較結果，進行 改變相應三電平逆變器的開關狀態改變;否則，該小矢量控制器處于閉鎖狀態。
[0066] 進一步地，三電平逆變器為T型三電平逆變器。
[0067]本實用新型的SHEP麗控制電路的工作方法，包括：
[0068] 步驟（1):電流檢測模塊和電壓檢測模塊分別將檢測到的相應三電平逆變器的零 序環流信號和直流側中點電壓信號分別傳送至相應小矢量控制器;小矢量控制器根據接收 的三相SHEPWM信號進行判斷相應三電平逆變器的開關狀態；
[0069] 步驟(2):若出現小電壓矢量開關狀態，則與電流檢測模塊相連的小矢量控制器， 根據獲取的零序環流信號與零序環流閾值的大小比較結果，進行改變相應三電平逆變器的 開關狀態改變;否則，該小矢量控制器處于閉鎖狀態；
[0070] 步驟(3):若出現小電壓矢量開關狀態，則與電壓檢測模塊相連的小矢量控制器， 根據獲取的直流側中點電壓信號與直流側中點電壓閾值的大小比較結果，進行改變相應三 電平逆變器的開關狀態改變;否則，該小矢量控制器處于閉鎖狀態。
[0071] 本實用新型中保持中點電壓平衡控制原理如圖7所示，其相對應的小矢量控制器 的工作狀態包括：
[0072]狀態一 ：|Vz|>Vrange，此狀態下小矢量被替換；
[0073] a)Vz>0:開關狀態被改變為N型小矢量；
[0074] b)Vz〈0:開關狀態被改變為P型小矢量。
[0075] 狀態二：| Vz | <Vrange，開關狀態不改變；
[0076] 其中，Vrange5是直流側中點電壓閾值，Vz是直流側中點電壓信號。
[0077] 本實用新型中通過替換小電壓矢量來保持中點電壓平衡，控制原理如圖8所示。逆 變器的開關信號由傳統SHEPWM系統產生，當小矢量開關狀態出現時小電壓矢量控制器作 用；當小電壓矢量開關狀態沒有出現時，小矢量控制器被閉鎖，開關狀態不變。
[0078] 本實用新型中零序電流控制的流程圖由圖9給出，相應的小矢量控制器的工作狀 態如下：
[0079] 狀態一：|iz|>Irange，此狀態下小矢量被替換；
[0080] a)iz>0:開關狀態被改變為N型小矢量；
[0081 ] b) iz〈0:開關狀態被改變為P型小矢量；
[0082]狀態二：|乜|〈1:_，開關狀態不改變；
[0083]其中，Irange是零序環流電流閾值，iz是零序環流電流彳目號。
[0084] 本實用新型中所提出的兩臺T型三電平SHEPWM逆變器并聯系統可以明顯地減小直 流側中點電壓的震蕩范圍，不僅具備三電平拓撲諧波含量小、系統效率高的優點，還兼具了 并聯系統可維護性好、冗余性高、便于擴容的優勢，很好的解決了環流抑制問題和中點電壓 平衡問題。
[0085]本實用新型的兩臺T型三電平SHEP麗逆變器并聯系統的控制方法，包括：
[0086]步驟一:根據消去諧波次數的個數來確定兩臺T型三電平SHEP麗逆變器并聯系統 的每四分之一個周期中的開關角個數，并計算開關角度；
[0087]步驟二：SHEPWM信號發生器根據開關角度產生相應的兩路三相SHEPWM信號；小矢 量控制器根據接收的三相SHEPWM信號進行判斷相應三電平逆變器的開關狀態；
[0088] 步驟三:若出現小電壓矢量開關狀態，則與電流檢測模塊相連的小矢量控制器，根 據獲取的零序環流信號與零序環流閾值的大小比較結果，進行改變相應三電平逆變器的開 關狀態改變;否則，該小矢量控制器處于閉鎖狀態；
[0089] 若出現小電壓矢量開關狀態，則與電壓檢測模塊相連的小矢量控制器，根據獲取 的直流側中點電壓信號與直流側中點電壓閾值的大小比較結果，進行改變相應三電平逆變 器的開關狀態改變;否則，該小矢量控制器處于閉鎖狀態。
[0090] 其中，步驟一中，采用多目標粒子群優化算法來求解開關角。
[0091] 本實用新型中所提出的兩臺T型三電平SHEPWM逆變器并聯系統可以明顯地減小直 流側中點電壓的震蕩范圍，不僅具備三電平拓撲諧波含量小、系統效率高的優點，還兼具了 并聯系統可維護性好、冗余性高、便于擴容的優勢，很好的解決了環流抑制問題和中點電壓 平衡問題。
[0092] 在MATLAB/simulink 2012B中，以圖1所示的兩臺三電平逆變器并聯系統拓撲結構 對本實用新型提出的控制策略進行仿真研究。對第一臺逆變器給定電流為10A，第二臺逆變 器給定電流為20A，仿真結果如圖10至圖13所示，圖10(a)和圖10(b)分別為第一臺逆變器和 第二臺輸出電壓波形，從圖11所示電壓的諧波分析可知，通過SHEPWM消除了指定低次諧波。 由于兩臺逆變器共用交直流母線而且中點相互連接，兩臺逆變器的直流側中點電位相等， 如圖12(a)和圖12(b)所示，其中實線表示上側電容電壓值，虛線表示下側電容電壓值，直流 側上下兩個電容的電壓值均為100V，中點電壓被限制在一個很小的波動范圍。同時，由圖13 可知，兩臺逆變器之間的環流限定在〇A，環流被有效抑制。
[0093] 通過以上仿真結果可知，本實用新型中SHEPWM控制方式可以將中點電壓和零序環 流限定在一個很小的波動區域，并且保持傳統SHEPWM消除特定諧波的能力，很好地解決了 環流抑制問題和中點電壓平衡問題。
[0094]上述雖然結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本實用新 型保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領 域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范 圍以內。
【主權項】
1. 一種SHEHVM控制電路，其特征在于，包括兩個SHEPWM信號發生器，每個SHEHVM信號發 生器均與一個小矢量控制器相連;每個SHEHVM信號發生器產生的兩路三相SHEHVM信號，分 別傳送至相應的小矢量控制器及三電平逆變器； 其中，一個小矢量控制器與電流檢測模塊相連，該小矢量控制器與一個三電平逆變器 的開關管相連； 另一個小矢量控制器與電壓檢測模塊相連，該小矢量控制器與另一個三電平逆變器的 開關管相連。2. 如權利要求1所述的一種SHEPmi控制電路，其特征在于，所述三電平逆變器為T型三 電平逆變器。3. 如權利要求2所述的一種SHEPmi控制電路，其特征在于，所述T型三電平逆變器包括 并聯的三相橋臂，每相橋臂包括兩個串聯的IGBT管，各相橋臂的中點一側還串聯兩個方向 不同的IGBT管，另一側與濾波器連接;每臺T型三電平逆變器的直流側并聯兩個電容，兩個 電容的連接點還與各相橋臂的兩個方向不同IGBT管的一端相連。4. 如權利要求1所述的一種SHEPWM控制電路，其特征在于，所述電流檢測模塊為電流互 感器。5. 如權利要求1所述的一種SHEPWM控制電路，其特征在于，所述電壓檢測模塊為壓流互 感器。6. -種應用如權利要求1 -5任一所述的SHEPmi控制電路的兩臺T型三電平SHEPWM逆變 器并聯系統，其特征在于，包括兩臺T型三電平逆變器，所述T型三電平逆變器的直流側并聯 連接至同一臺直流電壓源，T型三電平逆變器的各個IGBT管均由SHEHVM控制電路驅動，T型 三電平逆變器的交流側經過濾波器濾波后并聯連接來實現并網功能。
【文檔編號】H02M7/487GK205453533SQ201620232796
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月24日
【發明人】張承慧, 賈立朋, 杜春水, 陳阭蓮, 張桐盛, 秦昌偉
【申請人】山東大學