基于虚拟磁链误差补偿的特定谐波暂态控制系统及方法

本发明涉及电力电子系统并网逆变器控制，具体涉及一种基于虚拟磁链误差补偿的特定谐波暂态控制系统及方法。

背景技术：

1、随着风力发电、光伏发电等新能源发电设备不断接入电网，电力电子器件的利用率逐渐增加，由此带来的谐波干扰越来越为学者所重视。对于低开关频率下工作的工业电力电子系统，非对称优化脉冲模式在稳态条件下采用低开关频率来实现了选择性谐波控制，而由于其在工况变化下，比如有功、无功的调节等等瞬态过程中并不具有优良的动态性能，这是因为在工作点改变或者在不同脉冲模式之间发生过渡时，将会产生较高的谐波失真，极端情况下产生大电流，甚至引起变流器跳闸保护，对整个系统造成威胁。

2、具有半波周期奇对称、四分之一周期不对称开关角的三电平非对称优化脉冲模式方法是将2个自由度分配给基波或某一个特定谐波的幅值和相位进行联合控制，比如三电平逆变器控制opus(optimal pulsepatternwithunsymmetricalswitchingangles，非对称开关角最佳脉冲方向图)方法控制半波周期内的6个自由度的非对称开关角的情况，即能够分别控制基波和2个特定谐波的幅度和相位。但是该方法不得不求解针对联合控制谐波电压幅度和相位的超越方程方程组来获得开关控制角，以控制三电平全桥逆变器中接通和断开开关的开关角，从而再选择性地控制比如5次和(或)7次谐波，同时也能够控制所需的基波，该方法使得大功率逆变器运行在低于1khz的开关频率下，同时也能够控制特定低次谐波的幅值和相位角。这种特定谐波控制法是针对大功率变流器在低开关频率条件提出的一种同步非对称的优化脉宽调制策略，相比于传统调制策略，其具有开关频率低、输出电压质量好及损耗小等优点，有很大潜力应用于statcom(staticsynchronouscompensator，静止同步补偿器)、hvdc(high-voltagedirectcurrent，高压直流输电)、新能源并网发电等场合。

3、采用opus方法可以有效吸收分布式电网中的低次谐波，通过lcl滤波器抑制高频谐波，进一步降低逆变器体积和成本。然而，opus方法目前通常通过查开关表生成，动态响应较慢，成为了该方法公认的应用瓶颈问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于虚拟磁链误差补偿的特定谐波暂态控制系统及方法，将轨迹控制的概念与滚动优化策略相结合，设计了一种具有非常好的动态响应性能的基于opus的控制器，较好地解决了电网侧公共连接点电压通常不平衡而且通常含低次谐波的问题。

2、为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

3、采样模块，其用于采样逆变器的输出电压，并根据采样得到的输出电压计算出调制度并输出；

4、预测控制模块，其用于根据所述采样模块计算出的调制度，实现对参考磁链矢量的跟踪，从而控制逆变器模块的开断，以向电网注入特定低阶谐波，实现对电网低阶谐波的抵消控制。

5、在上述技术方案的基础上，所述采样模块包括采样单元和计算单元；

6、所述采样单元用于通过电压传感器将采集到的瞬态逆变侧电压传输给计算单元；

7、所述计算单元用于根据所述采样单元传输的电压计算出此时的调制度并输出。

8、在上述技术方案的基础上，所述预测控制模块包括非对称脉冲序列寄存模块、参考磁链模块、实际磁链计算模块、核心处理器模块和脉冲发送模块；

9、所述非对称脉冲序列寄存模块用于根据所述采样模块输出的调制度和预设的脉冲模式自由度，查表得到当前工作点所需的opus开关角和开关序列并输出；

10、所述参考磁链模块用于为所要控制的逆变器的输出电压的磁链值提供参考；

11、所述实际磁链计算模块用于通过优化前后的开关时刻，对参考磁链进行运算得到实际磁链值，为磁链修正量的计算提供依据；

12、所述核心处理器模块用于对脉冲模式进行计算，从而优化opus开关时刻并传输，使实际磁链在预设时间内跟踪参考磁链，从而消除磁链误差，控制电流谐波，并实现动态响应；

13、所述脉冲发送模块用于根据核心处理器模块输出的优化后开关时刻，计算出预测周期，并在预测周期内将开关时刻以及对应的电平转化为igbt驱动信号，控制逆变器开断。

14、在上述技术方案的基础上，所述非对称脉冲序列寄存模块包括opus离线计算存储单元和时钟单元；

15、所述opus离线计算存储单元用于根据所述采样模块输出的调制度以及设定的脉冲模式自由度，以所述非对称脉冲序列寄存模块中时钟单元的时钟信号为指针，查表并提供当前工作点所需的opus开关角和开关序列，以用于计算参考磁链，并为求解动态磁链补偿提供原始数据；

16、在上述技术方案的基础上，所述非对称脉冲序列寄存模块还用于：

17、当给出需注入的特定低阶谐波的次数、调制度和相位角时，通过优化方程计算得到含有特定低阶谐波的开关角，以吸收电网中需要消除的对应低阶谐波。

18、在上述技术方案的基础上，所述参考磁链模块包括opus积分单元、磁链存储单元和时钟单元；

19、所述opus积分模块用于根据所述非对称脉冲序列寄存模块提供的opus开关角计算出不同角度的磁链，将磁链矢量表示在坐标系中得到折线轨迹圆，并将该折线轨迹圆的拐点数据传输给所述磁链存储单元进行保存；

20、所述参考磁链模块中时钟单元用于将时钟信号对应时刻转化为对应角度并以此为指针信号，通过查表确定相邻的两个拐点，采用线性插值法得到此刻的参考磁链。

21、在上述技术方案的基础上，所述实际磁链计算模块包括存储模块、开关序列更新模块和实际磁链计算模块；

22、所述存储模块用于接收并存储非对称脉冲序列寄存模块传输的开关角和开关序列；

23、所述开关序列更新模块用于以存储模块的数据为基础，通过接收核心处理器模块传输的优化后的开关时刻，更新存储模块的开关数据，形成新的开关角和开关序列并进行存储；

24、所述实际磁链计算模块用于通过获取新的开关角和开关序列，基于当前参考磁链进行计算，得到当前时刻至预测范围结束时间内的实际磁链值。

25、在上述技术方案的基础上，所述核心处理器模块包括时钟信号单元、寻找有效相单元、开关时刻约束单元、磁链修正单元和二次规划求解单元；

26、所述寻找有效相单元用于接收所述非对称脉冲序列寄存模块输出的opus开关角和开关序列，将opus开关角以所述核心处理器模块中时钟信号单元的时钟信号为基准，确定具有下一次开关切换的两相，得到有效相，同时，所述开关时刻约束单元以当前时钟信号为基准，生成有效相内开关时刻的约束条件，以保证开关切换有序进行；

27、所述磁链修正模块用于根据所述实际磁链计算模块计算得到的实际磁链值计算磁链修正量；

28、所述二次规划求解单元用于接收所述寻找有效相单元得到的有效相、相应的opus开关角和开关序列和所述磁链修正单元计算的磁链修正量，在开关时刻约束单元的约束条件下，对预测范围内各有效相的标称时间进行优化计算，并将优化之后的开关时刻传输给所述实际磁链计算模块和所述脉冲发送模块。

29、在上述技术方案的基础上，所述脉冲发送模块包括时钟信号单元、预测周期计算单元和脉冲发送单元；

30、所述预测周期计算单元用于接收所述脉冲发送模块中时钟信号单元传输的当前采样时刻和有效相优化前后的开关时刻，选取优化前后距离当前采样时刻t最远的时刻tx，tx与当前采样时刻t的距离即为预测周期tp，所述tp为一个变时长预测范围，在当前预测周期通过之后tp进行更新；

31、所述脉冲发送模块通过接收所述预测周期计算单元传输的预测周期，将所述实际磁链模块传输的更新后的开关序列转换为有效相对应igbt开关管的开关脉冲，在预测范围内按照对应时刻和顺序输出给igbt开关管。

32、本发明还提供一种基于虚拟磁链误差补偿的特定谐波暂的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

33、离线计算opus开关角和参考磁链；

34、实时采样逆变器输出电压，根据输出电压得到当前调制度，并设定opus脉冲模式自由度；

35、检测电网中是否含有低阶谐波电压或电流，根据检测结果：

36、当不含低阶谐波电压或电流时，则以调制度和自由度检索非对称脉冲序列寄存器模块，得到控制逆变器的开关序列，将开关序列按顺序输出给igbt进行开断；

37、当含有低阶谐波电压或电流时，则重新获取调制度，根据调制度得到更新后的开关序列，判断当前实际磁链与参考磁链的偏移量是否超过预设裕度：

38、-若是，则基于实际磁链和参考磁链计算得到磁链补偿值，并通过优化函数计算出优化后的开关序列，将优化后开关序列按顺序输出给igbt进行开断；

39、-若否，则将更新后的开关序列按顺序输出给igbt进行开断。

40、与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提出的一种基于虚拟磁链误差补偿的特定谐波暂态控制方法及装置，将轨迹控制的概念与滚动优化策略相结合，设计了一种具有非常好的动态响应性能的基于opus的控制器，较好地解决了电网侧公共连接点电压通常不平衡而且通常含低次谐波的问题，通过主动注入负序电流、特定低次谐波电流，使得statcom能够运行在中压电网不平衡状态下正常运行，使statcom设备的开关频率和开关损耗显著降低，同时其输出的电流频谱能够满足并网要求。