一种并网非对称级联H桥变换器系统小信号建模方法技术方案

本发明专利技术公布了一种并网非对称级联H桥多电平变换器系统小信号建模方法，属交直变换器系统建模。本发明专利技术的并网非对称级联H桥多电平变换器系统包括功率电路和变换器控制系统，其中功率电路包括非对称级联H桥多电平变换电路、LCL滤波电路、电网阻抗及电网。并网非对称级联H桥多电平变换器系统小信号建模方法包括步骤S1、依据并网非对称级联H桥多电平变换器简化模型，推导功率电路小信号模型；S2、推导控制系统中电网电流ig、电网电流参考信号ig,ref、滤波电容电流参考信号

【技术实现步骤摘要】
一种并网非对称级联H桥变换器系统小信号建模方法
本专利技术涉及一种电力电子
的级联H桥变换器的并网非对称级联H桥变换器系统小信号建模方法。
技术介绍
为了克服并网两电平变换器容量低、输出电压质量差、难以适应日益增长的中高压工况等缺点，多电平变换器应运而生，它通过增加电平数，提高输出电压质量和等级，解决中高压工况需求；非对称级联H桥多电平变换器因其输出电平数多、易模块化、器件利用率高等优点在二极管钳位、飞跨电容等多电平变换器中脱颖而出，在学术界和工业界获得广泛关注。目前，基于级联H桥多电平变换器的研究主要集中其控制策略和调制策略方面。申请公布号为CN106208782B的中国专利从调制角度提出一种级联H桥逆变器控制方法；申请公布好为CN106849168A的中国专利提出一种基于混合调制策略的级联H桥逆变器功率均衡控制方法。申请公布号为CN108306538A的中国专利提出了一种适用于混合级联H桥多电平逆变器的改进型载波移相调制方法；申请公布号为CN104796024B的中国专利提出了一种适用于三相级联H桥型变换器的简化多电平空间矢量脉宽调制方法。但是有关级联H桥多电平变换器的建模分析的研究很少，而且现有研究中缺乏完整性。TiagoDaviCuriBusarello等人在IEEETransactionsonPowerElectronics发表的题为《SimplifiedSmall-SignalModelforOutputVoltageControlofAsymmetricCascadedH-bridgeMultilevelInverter》的文章提出一种级联H桥多电平逆变器小信号建模方法，模型融合考虑了功率电路和阶梯调制策略，建模方法简洁易懂，但却忽略了系统控制策略，所以缺乏建模完整性。AliMortezaei等人在IEEETransactionsonPowerElectronics发表的题为《MultifuntionalControlStrategyforAsymmetricalCascadedH-bridgeInverterinMicrogridApplications》的文章通过在稳态调制信号上添加小信号扰动研究了离网非对称级联H桥多电平逆变器，提出一个阶梯波调制环节的小信号模型，并在该小信号模型基础上，针对单闭环和双闭环两种不同的控制策略，利用系统传递函数设计了相应的控制参数。然而，文中提出的小信号模型仅是对阶梯波调制的一个传递函数描述，而不是对整个系统的描述，所以该小信号模型是不完整的。因此有必要提出一种更精确更完整的并网非对称级联H桥多电平变换器建模方法。
技术实现思路
本专利技术目的是为了弥补已有技术的缺陷，提出一种并网非对称级联H桥多电平变换器系统小信号建模方法，使得在进行系统分析时能够同时兼顾功率电路、控制策略和调制策略，增加分析结果的可靠性和适用性。本专利技术的具体技术方案为：一种并网非对称级联H桥多电平变换器系统小信号建模方法，具体包括以下步骤：S1、依据并网非对称级联H桥多电平变换器简化模型，推导功率电路小信号模型；S2、推导控制系统中电网电流ig、电网电流参考信号ig,ref、滤波电容电流参考信号及调制信号um等的扰动微分方程；S3、计算并网非对称级联H桥多电平变换器输出电压vi，推导不含锁相环的系统小信号模型；S4、推导锁相环的小信号模型，建立整个并网非对称级联H桥多电平变换器系统小信号模型。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S1中依据并网非对称级联H桥多电平变换器简化模型，推导功率电路小信号模型的方法为：S11、建立并网非对称级联H桥多电平变换器简化模型：并网非对称级联H桥多电平变换器功率电路简化模型由变换器输出电压vi、LCL滤波器、电网阻抗Zg及电网电压vg组成，其中LCL滤波器包含逆变器侧电感L1、滤波电容C、网侧电感L2。逆变器侧电感L1一端与变换器输出电压vi相连，另一端同时连接滤波电容C的一端和网侧电感L2的一端；网侧电感L2的另一端与电网阻抗Zg的一端相连；电网阻抗Zg另一端与电网电压vg一端相连；电网电压vg的另一端同时连接滤波电容C的另一端和变换器输出电压vi的另一端。S12、功率电路时域方程：基于S11所建立的简化模型，根据电压电流基尔霍夫定律建立功率电路时域方程，为：式中：i1为逆变器侧电流，vc为滤波电容电压，ic为滤波电容电流，ig为电网电流，uPCC为公共点电压。S13、功率电路小信号模型：选取滤波电容电流ic、电网电压ig、滤波电容电压vc及公共点电压uPCC为状态变量。每个状态变量都由其对应的稳态量和扰动量之和，即：将式(2)代入式(1)，并进行分离扰动和线性化，从而可得到功率电路小信号模型，表示为：式中：和分别代表电网电流ig、公共点电压uPCC、滤波电容电流ic、滤波电容电压vc和变换器输出电压vi的扰动量。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中推导控制系统中电网电流ig、电网电流参考信号ig,ref、滤波电容电流参考信号及调制信号um等扰动微分方程为：S21、控制系统简介：控制系统包含电流控制和混合调制策略，电流控制建立在同步坐标系(Synchronousreferenceframe,SRF)和静止坐标系(αβstationaryframe)下。在电流控制中，令电网电流ig和电网参考电流ig,ref分别为iα和iα,ref；为了得到两相系统，iα和iα,ref需分别同时经过延时环节e-τs，得到iβ和iβ,ref；然后通过Park变换，将iα和iβ、iα,ref和iβ,ref两组信号分别转换到SRF中，并分别得到ig,d和ig,q、ig,refd和ig,refq。用ig,refd减去ig,d可以得到电网电流与电网参考电流在d轴上的误差信号ed；用ig,refq减去ig,q可以得到电网电流与电网参考电流在q轴上的误差信号eq。为了实现零稳态误差，两个相同的比例积分(Proportional-integral,PI)控制器分别同时用来控制误差信号ed和eq；两个PI控制器输出分别为和再将信号和通过Park逆变换得到信号和信号用作滤波电容电流的参考信号。将信号减去电容电流ic的值与电流内环比例增益K的乘积作为调制信号um。S22、计算电网电流ig的扰动微分方程：根据S21控制系统简介可知：iα≈ig，iα经延时环节e-τs，可得iβ。所以可以建立一个关于iα和iβ的微分方程为：式中：τ为时间常数。令x1＝iα+iβ，可得：对式(5)进行扰动分离和线性化，即可得到电网电流ig的扰动微分方程：式中：是x1的扰动量。S23、计算电网电流参考信号ig,ref的扰动微分方程：根据S21控制系统简介可知：电网电流参考信号ig,ref的处理过程与电网电流ig一致。同样地，假设x2＝iα,ref+iβ,ref。那么经过同样的处理，即可得到电网电流参考信号ig,ref的扰动微分方程：式中：为x2的扰动量。S24、计算滤波电容电流参考信号的扰动方程：根据S21控制系统简介可知：ed＝ig,refd-ig,d和eq＝ig,refq-ig,q。在稳态情况下，ed和eq均为0。假设两个虚拟的状态变量xd和xq，且dxd/dt＝ed、dxq/d本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种并网非对称级联H桥多电平变换器系统小信号建模方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、依据并网非对称级联H桥多电平变换器简化模型，推导功率电路小信号模型；S2、推导控制系统中电网电流ig、电网电流参考信号ig,ref、滤波电容电流参考信号

【技术特征摘要】
1.一种并网非对称级联H桥多电平变换器系统小信号建模方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、依据并网非对称级联H桥多电平变换器简化模型，推导功率电路小信号模型；S2、推导控制系统中电网电流ig、电网电流参考信号ig,ref、滤波电容电流参考信号及调制信号um等的扰动微分方程；S3、计算并网非对称级联H桥多电平变换器输出电压vi，推导不含锁相环的系统小信号模型；S4、推导锁相环的小信号模型，建立整个并网非对称级联H桥多电平变换器系统小信号模型。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S1中依据并网非对称级联H桥多电平变换器简化模型，推导功率电路小信号模型的方法为：S11、建立并网非对称级联H桥多电平变换器简化模型：并网非对称级联H桥多电平变换器功率电路简化模型由变换器输出电压vi、LCL滤波器、电网阻抗Zg及电网电压vg组成，其中LCL滤波器包含逆变器侧电感L1、滤波电容C、网侧电感L2。逆变器侧电感L1一端与变换器输出电压vi相连，另一端同时连接滤波电容C的一端和网侧电感L2的一端；网侧电感L2的另一端与电网阻抗Zg的一端相连；电网阻抗Zg另一端与电网电压vg一端相连；电网电压vg的另一端同时连接滤波电容C的另一端和变换器输出电压vi的另一端。S12、功率电路时域方程：基于S11所建立的简化模型，根据电压电流基尔霍夫定律建立功率电路时域方程，为：式中：i1为逆变器侧电流，vc为滤波电容电压，ic为滤波电容电流，ig为电网电流，uPCC为公共点电压。S13、功率电路小信号模型：选取滤波电容电流ic、电网电压ig、滤波电容电压vc及公共点电压uPCC为状态变量。每个状态变量都由其对应的稳态量和扰动量之和，即：将式(2)代入式(1)，并进行分离扰动和线性化，从而可得到功率电路小信号模型，表示为：式中：和分别代表电网电流ig、公共点电压uPCC、滤波电容电流ic、滤波电容电压vc和变换器输出电压vi的扰动量。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中推导控制系统中电网电流ig、电网电流参考信号ig,ref、滤波电容电流参考信号及调制信号um等扰动微分方程为：S21、控制系统简介：控制系统包含电流控制和混合调制策略，电流控制建立在同步坐标系(Synchronousreferenceframe,SRF)和静止坐标系(αβstationaryframe)下。在电流控制中，令电网电流ig和电网参考电流ig,ref分别为iα和iα,ref；为了得到两相系统，iα和iα,ref需分别同时经过延时环节e-τs，得到iβ和iβ,ref；然后通过Park变换，将iα和iβ、iα,ref和iβ,ref两组信号分别转换到SRF中，并分别得到ig,d和ig,q、ig,refd和ig,refq。用ig,refd减去ig,d可以得到电网电流与电网参考电流在d轴上的误差信号ed；用ig,refq减去ig,q可以得到电网电流与电网参考电流在q轴上的误差信号eq。为了实现零稳态误差，两个相同的比例积分(Proportional-integral,PI)控制器分别同时用来控制误差信号ed和eq；两个PI控制器输出分别为和再将信号和通过Park逆变换得到信号和信号用作滤波电容电流的参考信号。将信号减去电容电流ic的值与电流内环比例增益K的乘积作为调制信号um。S22、计算电网电流ig的扰动微分方程：根据S21控制系统简介可知：iα≈ig，iα经延时环节e-τs，可得iβ。所以可以建立一个关于iα和iβ的微分方程为：式中：τ为时间常数。令x1＝iα+iβ，可得：对式(5)进行扰动分离和线性化，即可得到电网电流ig的扰动微分方程：式中：是x1的扰动量。S23、计...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩杨，陈浩，蔺向阳，杨雄超，胡鹏飞，王丛岭，杨平，熊静琪，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51