一种高电能质量输出的电力电子变压器及其控制方法技术

本发明专利技术提供了一种高电能质量输出的电力电子变压器及其控制方法，所述的电力电子变压器拓扑结构包括输入级、中间隔离级和输出级，输出级为三相四桥臂结构的逆变器，前三相桥臂采用基于PIR控制器的输出电压外环和基于PI控制器的电感电流内环的双闭环控制策略，第四桥臂采用基于比例谐振的中线电流独立控制方法；本发明专利技术利用频域理论中频率特性曲线和根轨迹等相关方法对双闭环PIR-PI控制器参数进行分频段整定，有效地提高稳定性的同时兼顾系统的稳态误差和鲁棒性要求。

【技术实现步骤摘要】
一种高电能质量输出的电力电子变压器及其控制方法
本专利技术涉及电力设备
，尤其涉及电力电子变压器。
技术介绍
电力电子变压器(PowerElectronicTransformer,PET)又被称为固态变压器，是实现电压变换、电气隔离、无功补偿和可再生能源并网接入等多种功能的智能化电力电子设备，同时兼有交直流混合接口和继电保护的功能，应用前景十分广阔。低压配电网系统一般为三相四线制结构，其负载多为不平衡非线性混合负载，这些负载除了会产生基波正序电流外，还会向系统中注入负序、零序和谐波电流。而电力电子变压器可以通过合适控制对配网电压形成支撑作用，抑制负序、零序和谐波电流对配电网的影响，同时还可以省去传统配网中的谐波无功补偿装置。针对不平衡非线性负载的控制，现有的主流方法是在dq正序旋转坐标系下转化为直流量进行控制。经过正序坐标变换后，正序谐波分量体现为降次的交流量，负序基波分量体现为升次的交流量。而传统的比例积分控制器对交流量增益有限，并不能很好的实现无稳态误差控制，甚至会降低配电网电力电子变压器的输出电压性能。因此，采用合适的控制策略对于配电网电力电子变压器来说是非常重要的，同时对于所采用控制器的参数进行合理的设计也成为急需解决的问题。现有的技术方案一：针对不平衡非线性混合负载产生的负序和谐波分量，通过在基波电压电流环的基础上，叠加不平衡负载的负序控制环和非线性负载的谐波补偿控制环。负载输出三相电压在不同角频率的dq旋转坐标系下经过低通滤波器后，可以将基波正序、负序和谐波分量全部转换成直流量，可以实现PI控制器的无静差控制。另外该控制器参数采用先计算内环PI参数后外环PI参数的方法。但该方案具有以下缺点：(1)使用较多的旋转坐标变换和低通滤波器会增加控制的复杂程度和产生延时，影响控制精度。(2)控制器内环和外环相互关联，单独设计内环或者外环参数不能保证系统的性能。现有的技术方案二：针对不平衡负载产生的正序、负序和零序分量，将其转化到αβ0坐标系下仍为交流量。可以利用比例谐振控制器对交流分量增益大的特点，分别在α轴、β轴和0轴上采用比例谐振控制器，实现交流量的无差控制，但该技术方案具有以下缺点：(1)谐波分量在αβ0坐标系下仍为同频次交流量，未考虑非线性负载的影响。(2)αβ0轴只采用比例谐振电压环控制器，缺少电流闭环影响系统的动态响应。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服了上述现有存在问题，提供一种电力电子变压器输出级高电能质量控制策略及其参数设计方法，实现了对配电网不平衡和非线性负载的良好控制性能。本专利技术提供的技术方案如下：一种高电能质量输出的电力电子变压器，所述的电力电子变压器拓扑结构包括输入级、中间隔离级和输出级，输出级为三相四桥臂结构的逆变器，所述逆变器包括四桥臂逆变电路和LC滤波电路，所述的四桥臂逆变电路由直流电解电容和八个带反并联二极管的IGBT构成，所述的LC滤波电路由三相LC滤波器和第四桥臂中线电感构成，负载中性点通过中线电感与第四桥臂中点相连；其特征在于：前三相桥臂的控制电路设有电压外环PIR控制器和电流内环的PI控制器，第四桥臂的控制电路设有中线电流的PR控制器。所述输入级每相采用级联H桥拓扑，每相级联H桥由n个单相PWM整流模块组成，中性点采用星形连接方式。所述中间隔离级为双主动桥结构。所述输出级的控制电路包括：第一采样电路，用于获取低压直流侧母线电压udc；并将低压直流侧母线电压udc发送给DSP核心处理器；第二采样电路，用于获取逆变器三相输出电压uoauobuoc，并将三相输出电压uoauobuoc发送给DSP核心处理器；第三采样电路，用于获取逆变器三相电感电流iLaiLbiLc、三相负载电流ioaiobioc和中线电流in，并将三相电感电流iLaiLbiLc、三相负载电流ioaiobioc和中线电流in发送给DSP核心处理器；DSP核心处理器，用于对所采集的输入信号进行控制算法计算，通过事件管理器中比较单元输出PWM驱动脉冲给IGBT驱动单元，同时对电气采样值进行程序保护；IGBT驱动电路，用于接收DSP处理器发出的PWM脉冲并进行信号放大来驱动IGBT；硬件保护电路，用于对相关电压电流值进行硬件电路保护，同时结合软件保护和IGBT保护进行故障信号汇总，通过触发光耦从而控制主电路二次保护。所述输出级的控制方法步骤包括如下：(1)获取三相负载输出电压uoauobuoc、电感电流iLaiLbiLc、负载电流ioaiobioc及中线电流in；(2)将步骤(1)中的物理量分别通过基波正序dq旋转坐标变换得到其d轴和q轴分量，即输出电压uoduoq、电感电流iLdiLq和负载电流iodioq；(3)逆变器的前三相桥臂采用输出电压外环和电感电流内环的双闭环控制,以d轴为例，将步骤(2)中输出电压uod与给定值作差，通过外环PIR控制器得到其内环电流给定值；接着将其与步骤(2)中电感电流iLd作差，通过内环PI控制器得到其d轴电压调制信号；其中，外环采用基于2、6倍谐振频率的比例积分谐振控制器，其传递函数为：式中KP、KI、KRh分别为比例系数、积分系数和谐振系数，ωc为截止频率，ωh为谐振角频率，s为微分算子；(4)逆变器的第四桥臂采用基于零序不平衡电流的闭环控制。将步骤(1)中三相负载电流ioaiobioc进行叠加，取反后得到零序指令电流信号，将其与步骤(1)中线电感电流in作差，通过改进PR控制器得到第四桥臂的控制信号；其中改进PR控制器的传递函数为：式中KP、KR分别为比例系数和谐振系数，ωc为截止频率，ω0为基波角频率；所述输出级的PIR-PI双闭环控制器采用分频段参数整定方法，参数设计步骤如下：(1)在给定输入电压信号负载电流扰动信号Iod同时作用下，输出电压Uod的闭环传递函数为：式中Gv、Gi分别为电压外环和电流内环控制器传递函数，Kpwm为逆变器等效增益，L和C分别为输出滤波器的电感和电容值；Hd(s)为电压闭环传递函数，Zd(s)为逆变器的等效输出阻抗；(2)对基于电压电流的双PI闭环控制器参数进行设计,系统的开环传递函数为式中K1PK1I、K2PK2I分别为电压外环、电流内环的比例和积分系数；(3)逆变器输出LC滤波器谐振角频率为将内环PI控制器的零点设置在滤波器的谐振角频率处，即有K2I/K2P＝ωres，根据阻尼系数ξ关系可以计算出电流内环PI参数；(4)接着选择合适的中频带宽度h＝T1/T2和开环增益K值，算出电压外环PI参数；(5)对谐振控制器R的参数进行设计，利用步骤(5)中选定的电压环PI参数作为PIR控制器的比例和积分系数；(6)利用根轨迹法分析谐振系数KRh变化时对应的闭环传递函数极点分布趋势情况，确定谐振系数KRh的上限取值范围；(7)根据系统对稳态误差的要求，确定谐振系数KRh的下限取值范围，从步骤(1)中输出电压Uod的闭环传函可知，h次谐波电流处的相对稳态幅值误差为结合步骤(1)中的逆变器的等效输出阻抗Zd(s)的数学表达式，可以得到式中|GPIR(jωh)|和|Gi(jωh)|分别为电压环PIR和电流环PI控制器在h次谐波处的增益值；(8)将比例积分谐振控制器在谐振频率ωh处的相对增益作如下简化|GPIR(jωh)|≈KP+KRh本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高电能质量输出的电力电子变压器，所述的电力电子变压器拓扑结构包括输入级、中间隔离级和输出级，输出级为三相四桥臂结构的逆变器，所述逆变器包括四桥臂逆变电路和LC滤波电路，所述的四桥臂逆变电路由直流电解电容和八个带反并联二极管的IGBT构成，所述的LC滤波电路由三相LC滤波器和第四桥臂中线电感构成，负载中性点通过中线电感与第四桥臂中点相连；其特征在于：前三相桥臂的控制电路设有电压外环PIR控制器和电流内环的PI控制器，第四桥臂的控制电路设有中线电流的PR控制器。

【技术特征摘要】
1.一种高电能质量输出的电力电子变压器的控制方法，所述的电力电子变压器拓扑结构包括输入级、中间隔离级和输出级，输出级为三相四桥臂结构的逆变器，所述逆变器包括四桥臂逆变电路和LC滤波电路，所述的四桥臂逆变电路由直流电解电容和八个带反并联二极管的IGBT构成，所述的LC滤波电路由三相LC滤波器和第四桥臂中线电感构成，负载中性点通过中线电感与第四桥臂中点相连；前三相桥臂的控制电路设有电压外环PIR控制器和电流内环的PI控制器，第四桥臂的控制电路设有中线电流的PR控制器；其特征在于：所述电力电子变压器的控制方法步骤包括如下：(1)获取三相负载输出电压uoauobuoc、电感电流iLaiLbiLc、负载电流ioaiobioc及中线电流in；(2)将步骤(1)中的物理量分别通过基波正序dq旋转坐标变换得到其d轴和q轴分量，即输出电压uoduoq、电感电流iLdiLq和负载电流iodioq；(3)逆变器的前三相桥臂采用输出电压外环和电感电流内环的双闭环控制,以d轴为例，将步骤(2)中输出电压uod与给定值作差，通过外环PIR控制器得到其内环电流给定值；接着将其与步骤(2)中电感电流iLd作差，通过内环PI控制器得到其d轴电压调制信号；其中，外环采用基于2、6倍谐振频率的比例积分谐振控制器，其传递函数为：式中KP、KI、KRh(h＝2、6)分别为比例系数、积分系数和谐振系数，ωc为截止频率，ωh为谐振角频率，s为微分算子；(4)逆变器的第四桥臂采用基于零序不平衡电流的闭环控制，将步骤(1)中三相负载电流ioaiobioc进行叠加，取反后得到零序指令电流信号，将其与步骤(1)中线电感电流in作差，通过改进PR控制器得到第四桥臂的控制信号，其中改进PR控制器的传递函数为：式中KP、KR分别为比例系数和谐振系数，ωc为截止频率，ω0为基波角频率。2.根据权利要求1所述的一种高电能质量输出的电力电子变压器的控制方法，其特征在于：输入级每相采用级联H桥拓扑，每相级联H桥由n个单相PWM整流模块组成，中性点采用星形连接方式；所述中间隔离级为双主动桥结构。3.根据权利要求1所述的一种高电能质量输出的电力电子变压器的控制方法，其特征在于：所述输出级的控制电路包括：第一采样电路，用于获取低压直流侧母线电压udc；并将低压直流侧母线电压udc发送给DSP核心处理器；第二采样电路，用于获取逆变器三相输出电压uoauobuoc，并将三相输出电压uoauobuoc发送给DSP核心处理器；第三采样电路，用于获取逆变器三相电感电流iLaiLbiLc、三相负载电流ioaiobioc和中线电流in，并将三相电感电流...

【专利技术属性】
技术研发人员：周柯，帅智康，王凯，葛俊，杨理才，兰征，楚红波，郭敏，王晓明，陈铭，周卫，孙志媛，刘光时，
申请(专利权)人：广西电网有限责任公司电力科学研究院，湖南大学，
类型：发明
国别省市：广西;45