基于混合级联七电平逆变器的多载波频率CPS-POD调制方法

本发明设计混合级联七电平逆变器调制和控制领域，尤其涉及基于多载波频率的载波移相-正负反相层叠的调制方法和自适应vsg控制方法。

背景技术：

1、混合级联多电平逆变器主要是指由不同结构或不同电压等级的功率单元串联而成的电路，相比于级联多电平逆变器的优势在于当输出同样的电平数下所需级联模块更少且输出电压谐波含量更低，从而降低了整个系统成本且保证了电能质量。

2、对于混合级联七电平逆变器主要采用高频调制方法，高频调制又可分为载波移相(cps-pwm)、同相层叠(in-phase disposition，ipd)法、相邻反相层叠(alternative phaseopposite disposition，apod)法以及正负反相层叠(phase opposite disposition，pod)法。这些传统的调制方法单独只使用一个不能使逆变器输出理想的波形，甚至会产生大量的谐波和电流倒灌和能量反馈的问题。

3、虚拟同步发电机技术(vsg)能够充分发挥分布式微源的潜在优势，在光伏系统中，通常先在直流侧配备一储能装置，对光伏和储能系统进行一体化控制，然后将该技术应用到并网逆变器中，从而实现光伏微源的充分利用。传统的vsg技术由于固定了虚拟惯量j和阻尼系数d，导致系统难以兼顾快速性和稳定性。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对上述问题，1.提出一种基于多载波频率的载波移相-正负反相层叠的调制方法来改善电流倒灌和能量反馈的问题；2.在传统的vsg控制上引入自适应模块，提升了控制性能和系统的快速性及稳定性。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案是：基于混合级联七电平逆变器的多载波频率cps-pod调制方法，包括以下步骤：

3、步骤1：将载波移相调制法和正负反相层叠调制法结合使用，使得输出电压和输出功率极性相同避免了电流流倒灌和能量反馈的问题；

4、步骤2：根据二阶同步发电机原理和vsg无功功率与电压的关系建立了vsg外环控制模型；

5、步骤3：通过引入虚拟电感和准比例谐振控制建立了vsg内环控制模型；

6、步骤4：将自适应模块引入vsg控制系统，然后将系统的震荡过程分为四个阶段。通过比较虚拟转子角速度和电网角速度的大小和判断虚拟转子角速度变化率的正负来调节虚拟惯量和阻尼系数的大小。

7、进一步的，所述步骤1包括以下步骤：

8、步骤1.1：基于多载波频率的载波移相-正负反相层叠调制方法中首先给出6个载波：vcr1、vcr1-(频率相同且关于横轴对称)、vcr2、vcr2-(频率相同且关于横轴对称)、vcr3、vcr3-(频率相同且关于横轴对称)且vcr1、vcr1-、vcr3、vcr3-的载波频率是vcr2、vcr2-的两倍，然后给出1个正弦调制波vref；

9、步骤1.2：基于多载波频率的载波移相-正负反相层叠调制方法的原理如下：低压单元h2的载波频率为高压单元h1载波频率的两倍。对于高压单元，输出电平为-2e、0、2e，当调制波vref大于载波vcr2时，ug11输出高电平，反之为低电平。当vref小于vcr2-时，ug31输出为高电平，反之为低电平。对于低压单元，输出电平为-e、0、e，当vm大于vcr1或vcr3时，ug12输出为高电平，反之为低电平。当vref小于vcr1-和vcr3-时，ug32输出为高电平，反之为低电平；

10、步骤1.3：基于调制原理得出逆变器输出功率和输出电压的极性相同避免了电流倒灌和能量反馈的问题。

11、进一步的，所述步骤2具体包括以下步骤：

12、步骤2.1：建立了同步电机的数学模型，假设vsg的极对数为1，可以得到vsg控制中的模拟转子运动方程：

13、

14、其中j为虚拟转动惯量，d为阻尼系数，θ为虚拟内电势相角，ω和ωn分别为虚拟角频率、额定角频率，pref和pe分别表示电网有功功率的参考值和实际值；

15、步骤2.2：建立了vsg外环控制的数学模型如下所示，其中em为vsg虚拟内电势电压幅值，kq为无功功率与电压的下垂系数，qref和qe分别为无功功率的参考值和实际值,e1为电压基准值。

16、

17、进而得到虚拟内电势的瞬时值为：

18、eref＝em·sinθ (3)

19、进一步的，所述步骤3具体包括以下步骤：

20、步骤3.1：由于同步发电机内电势eq、定子电流i、机端电压ug存在eq＝ug-i(ra+jωld)的关系，为了使vsg的控制策略也具备相似的同步发电机定子电气特性,vsg的电压环引入了虚拟电感lv，逆变器与电网之间的感性和输出阻抗得到提高，有助于vsg有功环和无功环的解耦和参数设计，也有助于抑制多台vsg并联运行形成环流；

21、步骤3.2：建立了vsg内环电流环的控制模型，vsg的电流环控制采用准比例谐振(qpr)控制，准pr控制器的传递函数如下式所示。

22、

23、其中，kp为比例系数；kr为谐振系数；ω0为谐振频率，此处取ω0＝ωn；ωc为谐振部分带宽，考虑到电网频率波动往往不会超过1hz，取ωc＝2πrad/s。

24、进一步的，所述步骤4具体包括以下步骤：

25、步骤4.1：阶段(1)和阶段(3)：阶段(1)中虚拟同步发电机的虚拟转子角速度大于电网角速度ω>ωn且角速度的变化率dω/dt>0，而阶段(3)中的ω<ωn且dω/dt<0，因此这两个阶段都具有|ω-ωn|逐渐变大的特性，即属于转子角频率的加速阶段，所以需要增大j抑制ω的快速增加，但j的增大也会导致系统超调量σ％和调节时间ts的变大，因此这两个阶段需要在增大虚拟惯量j的同时也需要适当增大阻尼d；

26、步骤4.2：阶段(2)阶段(4)：在阶段(2)中，ω>ωn但dω/dt<0，而阶段(4)的ω<ωn但dω/dt>0，因此这两个阶段都具有|ω-ωn|逐渐变小的特性，属于转子角频率的减速阶段，所以需要减小虚拟惯量j加快|dω/dt|，从而使ω更快恢复ωn，同时适当增大阻尼d获得更小的超调量σ％和调节时间ts。

27、步骤4.3：基于自适应控制原理得出自适应控制策略数学表达式：

28、

29、其中j0、d0分别为转动惯量、阻尼系数的初始值，kj和kd分别为转动惯量和阻尼系数的自适应调节系数；tj为|dω/dt|的阈值，使得j不会在频率小范围波动下频繁波动。

技术特征：

1.基于混合级联七电平逆变器的多载波频率cps-pod调制方法，其特征在于，包括以下步骤:

2.如权利要求1所述的基于混合级联七电平逆变器的多载波频率cps-pod调制方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程如下：

3.如权利要求2所述的基于混合级联七电平逆变器的多载波频率cps-pod调制方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程如下：

4.如权利要求3所述的基于混合级联七电平逆变器的多载波频率cps-pod调制方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程如下：

5.如权利要求4所述的基于混合级联七电平逆变器的多载波频率cps-pod调制方法，其特征在于，所述步骤4的具体过程如下：

技术总结
本发明公开了基于混合级联七电平逆变器的多载波频率CPS‑POD调制方法。针对适用于混合级联七电平逆变器的传统混合调制策略存在的电流倒灌和能量反馈的问题，提出基于多载波频率的载波移相‑正负反相层叠(CPS‑POD)调制方法。针对传统的VSG控制，由于固定的虚拟惯量和阻尼系数导致系统的快速性和稳定性难以兼顾，本发明在此基础上加入了自适应模块，通过分析系统的震荡过程并设定条件阈值使得虚拟惯量和阻尼系数实时地进行改变，大幅优化了控制性能，提高了系统效率。

技术研发人员：金宁治,杜诗睿,侯焦伟,孙东阳
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/30