(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 112039113 A(43)申请公布日 2020.12.04
(21)申请号 202010711643.2(22)申请日 2020.07.22
(71)申请人 中国南方电网有限责任公司超高压
输电公司检修试验中心
地址 510663 广东省广州市黄埔区科学城
科学大道223号2号楼(72)发明人 李清
(74)专利代理机构 广州科粤专利商标代理有限
公司 44001
代理人 邓潮彬 黄培智(51)Int.Cl.
H02J 3/38(2006.01)H02M 7/483(2007.01)
权利要求书2页 说明书4页 附图2页
(54)发明名称
NPC型三相三电平逆变器的阻抗建模方法(57)摘要
本发明公开一种NPC型三相三电平逆变器的阻抗建模方法，该三电平并网逆变器采用直流电压外环控制，电流解耦内环控制，并考虑了中性点平衡控制以及锁相环导致的频率耦合，采用谐波线性化的方法，在静止坐标系下建立了NPC型三相三电平逆变器的导纳模型。本发明的有益效果是：本发明考虑了中性点平衡控制，建立了NPC型三电平逆变器的阻抗模型，所建立的模型能准确分析不同功率等级，电网阻抗和控制器参数时的NPC型三电平逆变器的稳定性，能够为NPC型三电平逆变器的系统参数设计和稳定性分析提供理论参考。CN 112039113 ACN 112039113 A
权 利 要 求 书
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1.一种NPC型三相三电平逆变器的阻抗建模方法，其特征在于，应用于分析NPC型三电平并网逆变器系统的稳定性，包括以下步骤：
步骤一，在理想电网下，并网逆变器的PCC处注入频率为fp的扰动电压，得到三相电网电压表达式；
步骤二，所述三相电网电压表达式经过坐标变换，得到dq坐标系下的电网电压vd以及vq，所述的电网电压vd以及vq在dq坐标系下使用复变量表示，得到电压Vdq；
步骤三，在静止坐标系下，根据所述电压Vdq建立功率级电路的小信号模型；步骤四，在dq坐标系下，根据所述电压Vdq建立控制环路的小信号相量模型；步骤五，在dq坐标系下，建立逆变器交流侧和直流侧之间的电流关系的小信号模型；步骤六，在dq坐标系下，得到逆变器交流侧电压电流关系的小信号模型；
步骤七，根据步骤三至六所建立的模型，得到频率为ωp的交流电压扰动流电流扰动
以及与直
对应的导纳Ya0(ωp)；当直流电压稳定时，计算得到交流电压扰动
对应的导纳Ya1(ωp)，以及耦合电流
对应的导纳Ya2与对应的频率为
与交流电流扰动
(ωp)；考虑直流电压扰动时，计算得到频率为ωp的直流电压扰动
(ωp+ω1)和(ωp-ω1)的交流电流扰动之间的导纳Y01(ωp)和Y02(ωp)；计算得到逆变器直流电压电流扰动之间的自导纳Y00(ωp)；
步骤八，将三电平逆变器直流侧电容等效为串联，计算得到直流侧电容的导纳Ydc(ωp)；
步骤九，根据逆变器叫直流侧扰动传递过程计算NPC型三相三电平逆变器的自导纳Ysa(ωp)和伴随导纳Yaa(ωp)。
2.如权利要求1所述的NPC型三相三电平逆变器的阻抗建模方法，其特征在于，所述功率级电路的小信号模型具体为：
其中，ωp为扰动频率；ω1为电网的基波频率；L为滤波电感值；频率为(ωp-ω1)的电流扰动；压值；
为dq坐标系下
为频率为(ωp-ω1)的直流电压扰动；Vdc为直流电
是频率为(ωp-ω1)的逆变器占空比；Ddq为dq坐标系下逆变器占空比的稳
态值；*表示复数的共轭。
3.如权利要求2所述的NPC型三相三电平逆变器的阻抗建模方法，其特征在于，所述控制环路的小信号相量模型具体为：
其中，是频率为(ωp-ω1)的逆变器占空比；Vcr是等效载波幅值，2Vcr＝Vdc；Gc
(ωp-ω1)是电流环PI调节器的传递函数，Gv(ωp-ω1)是电压环PI调节器的传递函数。
4.如权利要求3所述的NPC型三相三电平逆变器的阻抗建模方法，其特征在于，所述逆变器交流侧和直流侧之间的电流关系的小信号模型具体为：
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权 利 要 求 书
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其中，*表示复数的共轭；Idq为dq坐标系下的交流电流。
5.如权利要求4所述的NPC型三相三电平逆变器的阻抗建模方法，其特征在于，所述逆变器交流侧电压电流关系的小信号模型具体为：
6.如权利要求5所述的NPC型三相三电平逆变器的阻抗建模方法，其特征在于，所述自导纳Ysa(ωp)具体为：
所述伴随导纳Yaa(jωp)具体为：
其中，*表示复数的共轭。
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说 明 书
NPC型三相三电平逆变器的阻抗建模方法
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技术领域
[0001]本发明涉及可再生能源发电领域，尤其涉及一种NPC型三相三电平逆变器的阻抗建模方法。
背景技术
[0002]近年来，随着可再生能源的快速发展，以风电、光伏为代表的新能源分布式发电模式得到了广泛的应用。在大功率新能源发电场合，两电平逆变器越来越多被三电平逆变器所取代，如海上风电场。由于并网逆变器的复杂的动态性能，逆变器与弱电网之间的相互作用可能会产生稳定性问题，从而危害电网安全运行。为了分析并网逆变器和电网间的稳定性问题，需要建立逆变器的小信号模型。现有的研究大多是研究两电平并网逆变器。随着可再生能源的快速发展，NPC型三相三电平逆变器越来越多的被应用，然而目前尚未建立NPC型三相三电平逆变器的小型号阻抗模型。[0003]因此，亟需建立NPC型三电平逆变器的阻抗模型用于分析NPC型三电平逆变器并网系统的稳定性。
发明内容
[0004]针对上述问题，本发明提供了一种NPC型三相三电平逆变器的阻抗建模方法，解决了考虑中性点平衡控制时，三电平逆变器阻抗建模的难题。[0005]为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：[0006]一种NPC型三相三电平逆变器的阻抗建模方法，应用于分析NPC型三电平并网逆变器系统的稳定性，包括以下步骤：[0007]步骤一，在理想电网下，并网逆变器的PCC处注入频率为fp的扰动电压，得到三相电网电压表达式；[0008]步骤二，所述三相电网电压表达式经过坐标变换，得到dq坐标系下的电网电压vd以及vq，所述的电网电压vd以及vq在dq坐标系下使用复变量表示，得到电压Vdq；[0009]步骤三，在静止坐标系下，根据所述电压Vdq建立功率级电路的小信号模型；[0010]步骤四，在dq坐标系下，根据所述电压Vdq建立控制环路的小信号相量模型；[0011]步骤五，在dq坐标系下，建立逆变器交流侧和直流侧之间的电流关系的小信号模型；
[0012]步骤六，在dq坐标系下，得到逆变器交流侧电压电流关系的小信号模型；
[0013]
步骤七，根据步骤三至六所建立的模型，得到频率为ωp的交流电压扰动以及
与直流电流扰动动
与交流电流扰动
对应的导纳Ya0(ωp)；当直流电压稳定时，计算得到交流电压扰对应的导纳Ya1(ωp)，以及耦合电流
对应的导纳Ya2与对应的频率为
(ωp)；考虑直流电压扰动时，计算得到频率为ωp的直流电压扰动
(ωp+ω1)和(ωp-ω1)的交流电流扰动之间的导纳Y01(ωp)和Y02(ωp)；计算得到逆变器直
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说 明 书
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流电压电流扰动之间的自导纳Y00(ωp)；[0014]步骤八，将三电平逆变器直流侧电容等效为串联，计算得到直流侧电容的导纳Ydc(ωp)；
[0015]步骤九，根据逆变器叫直流侧扰动传递过程计算NPC型三相三电平逆变器的自导纳Ysa(ωp)和伴随导纳Yaa(ωp)。[0016]本发明的有益效果为：本发明考虑了中性点平衡控制，建立了NPC型三电平逆变器的阻抗模型，所建立的模型能准确分析不同功率等级，电网阻抗和控制器参数时的NPC型三电平逆变器的稳定性，能够为NPC型三电平逆变器的系统参数设计和稳定性分析提供理论参考。
附图说明
[0017]图1为本发明实施例中NPC型三电平逆变器的主电路拓扑和控制结构图；[0018]图2为本发明实施例中NPC型三电平逆变器的控制框图；
[0019]图3为本发明实施例中NPC型三电平逆变器的小信号扰动框图；
[0020]图4为本发明实施例中NPC型三电平逆变器的阻抗模型和仿真测量结果。具体实施方式
[0021]为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。[0022]如图1所示，主电路由12个IGBT和6个反并联二极管组成，采用SVPWM调制；交流滤波器采用L型滤波器；Z为等效电网阻抗；vabc为等效电网电压；iabc为PCC点处的电流；vdc、idc为逆变器直流侧电压、电流。[0023]如图2所示，控制电路采用直流电压控制外环，电流解耦内环控制。[0024]在上述的NPC型三电平逆变器的主电路拓扑和控制结构，以及控制方法的基础上,本实施例提出了一种NPC型三相三电平逆变器的阻抗建模方法，应用于分析NPC型三电平并网逆变器系统的稳定性，包括以下步骤：[0025]步骤一，在理想电网下，并网逆变器的PCC处注入频率为fp的扰动电压，得到三相电网电压表达式；
[0026]
步骤二，所述三相电网电压表达式经过坐标变换，得到dq坐标系下的电网电压vd
以及vq，所述的电网电压vd以及vq在dq坐标系下使用复变量表示，得到电压Vdq；[0028]步骤三，在静止坐标系下，根据所述电压Vdq建立功率级电路的小信号模型；
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[0027]
CN 112039113 A[0029][0030]
说 明 书
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步骤四，在dq坐标系下，根据所述电压Vdq建立控制环路的小信号相量模型；步骤五，在dq坐标系下，建立逆变器交流侧和直流侧之间的电流关系的小信号模步骤六，在dq坐标系下，得到逆变器交流侧电压电流关系的小信号模型；步骤七，根据步骤三至六所建立的模型，得到频率为ωp的交流电压扰动
以
型；
[0031][0032]
及与直流电流扰动扰动
与交流电流扰动
对应的导纳Ya0(ωp)；当直流电压稳定时，计算得到交流电压对应的导纳Ya1(ωp)以及耦合电流
对应的导纳Ya2与对应的频率为
(ωp)；考虑直流电压扰动时，计算得到频率为ωp的直流电压扰动
(ωp+ω1)和(ωp-ω1)的交流电流扰动之间的导纳Y01(ωp)和Y02(ωp)；计算得到逆变器直
流电压电流扰动之间的自导纳Y00(ωp)；[0033]步骤八，当中性点扰动电流作用于直流侧的中性点时，上下两个电容器的扰动电压幅值相同。当电容不平衡时，只影响电容上电流扰动，两个电容电压扰动之和始终为零，直流侧中性点的扰动不会影响直流侧电容电压，因此可以将三电平逆变器直流侧电容等效为串联，计算得到直流侧电容的导纳Ydc(ωp)；[0034]步骤九，根据逆变器叫直流侧扰动传递过程推导得到NPC型三相三电平逆变器的自导纳Ysa(ωp)和伴随导纳Yaa(ωp)。
[0035]本发明考虑了中性点平衡控制，建立了NPC型三相三电平逆变器的阻抗模型，所建立的模型能准确分析不同功率等级，电网阻抗和控制器参数时的NPC型三电平逆变器的稳定性，能够为NPC型三电平逆变器的系统参数设计和稳定性分析提供理论参考。[0036]更进一步地，步骤三中，所述功率级电路的小信号模型具体为：
[0037][0038]
其中，ωp为扰动频率；ω1为电网的基波频率；L为滤波电感值；为dq坐标
系下频率为(ωp-ω1)的电流扰动；流电压值；
为频率为(ωp-ω1)的直流电压扰动；Vdc为直
是频率为(ωp-ω1)的逆变器占空比；Ddq为dq坐标系下逆变器占空比
的稳态值；*表示复数的共轭。[0039]更进一步地，步骤四中，所述控制环路的小信号相量模型具体为：
[0040][0041]
其中，是频率为(ωp-ω1)的逆变器占空比；Vcr是等效载波幅值，2Vcr＝
Vdc；Gc(ωp-ω1)是电流环PI调节器的传递函数，Gv(ωp-ω1)是电压环PI调节器的传递函数。[0042]更进一步地，步骤五中，所述逆变器交流侧和直流侧之间的电流关系的小信号模型具体为：
[0043][0044][0045]
其中，*表示复数的共轭；Idq为dq坐标系下的交流电流。更进一步地，步骤六中，所述逆变器交流侧电压电流关系具体为：
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CN 112039113 A[0046][0047]
说 明 书
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其中，Vcr是等效载波幅值，2Vcr＝Vdc，是频率为(ωp-ω1)的逆变器占空
比，Gc(ωp-ω1)是电流环PI调节器的传递函数，Gv(ωp-ω1)是电压环PI调节器的传递函数。
[0048]
如图3所示，图中，是交流侧频率为ωp的电压、电流扰动；是由
是直流侧的
PLL和直流电压环产生的频率为(ωp-2ω1)的耦合电流；
电压、电流扰动；ωP是扰动频率；ωω是电网的基波频率。根据扰动框图可以得到自导纳Ysa
(ωp)和伴随导纳Yaa(ωp)。步骤九中，所述自导纳Ysa(ωp)具体为：
[0049][0050][0051][0052]
所述伴随导纳Yaa(ωp)具体为：
其中，*表示复数的共轭。[0053]如图4所示，其中，实线是基于阻抗数学模型得到的波特图；虚线是仿真测得的NPC型三电平逆变器的阻抗结果；从图中可知：阻抗测量的结果与所建立的数学模型的结果能很好的吻合，证明了所建立的模型的正确性。
[0054]上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
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说 明 书 附 图
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图1
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说 明 书 附 图
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图3
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