一种用于能量路由器的基于sogi的三次谐波注入法
阅读说明：本技术 一种用于能量路由器的基于sogi的三次谐波注入法 (Third harmonic injection method based on SOGI (short-range optical injection index) for energy router ) 是由 范建华 徐鹏飞 李健勋 李广琛 李鸿儒 赵新举 邵康 纪华丽 于 2021-01-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于能量路由器的基于SOGI的三次谐波注入法,通过CLARK变换将三相输出电压给定值变换到两相静止坐标系下；通过MSOGI-FLL对两相静止坐标系下的输出电压给定值进行锁相并滤除高频噪声、谐波与负序基波分量,获得其中的正序基波分量；正序基波通过三次谐波发生器计算获得所需的三次谐波给定电压；三相输出电压给定值分别与三次谐波给定电压相加,实现基于SOGI的三次谐波注入法。本发明所述方法运用MSOGI-FLL的频率自适用与高性能滤波特性,滤除谐波、负序基波以及高频噪声分量,精确的生成三次谐波电压,在能量路由器系统中实现精确的基于SOGI的三次谐波注入。(The invention discloses an SOGI-based third harmonic injection method for an energy router, which converts a three-phase output voltage given value into a two-phase static coordinate system through CLARK conversion; performing phase locking on an output voltage given value under a two-phase static coordinate system through MSOGI-FLL, and filtering high-frequency noise, harmonic waves and negative sequence fundamental wave components to obtain positive sequence fundamental wave components; the positive sequence fundamental wave is calculated by a third harmonic generator to obtain the required third harmonic given voltage; and adding the three-phase output voltage given value and the third harmonic given voltage respectively to realize the third harmonic injection method based on the SOGI. The method of the invention utilizes the frequency self-adaptation and high-performance filtering characteristics of MSOGI-FLL to filter out harmonic waves, negative sequence fundamental waves and high-frequency noise components, accurately generate third harmonic voltage and realize accurate SOGI-based third harmonic injection in an energy router system.)
技术领域
本发明涉及电力电子变压器技术领域，尤其涉及一种用于能量路由器的基于SOGI的三次谐波注入法。
背景技术
能量路由器又称为电力电子变压器(PET)，相比传统电力变压器，PET不仅能实现电压等级变换、电气隔离和能量传递等功能，还能实现潮流控制、电能质量控制等额外功能，是未来电力系统发展的趋势。PET通过脉冲宽度调制(PWM)逆变或整流技术实现直流与交流电压之间的变换，为提高直流电压的利用率或提高调制度(交流电压与直流电压的比值)，已经开发了空间矢量脉宽调制(SVPWM)和三次谐波注入法的正弦脉冲宽度调制(SPWM)，能够在不增加谐波含量的前提下优化交流电压，提高直流电压利用率约15％。
空间矢量脉宽调制具有成熟的计算步骤，便于数字实现，但其交流侧零序分量的成分比较复杂，包含三次以及大量三的倍数次的零序电压分量，零序电压(又称为共模电压)是共模电流的主要激励源，会造成电磁污染、增加损耗等危害。理想的三次谐波注入法的正弦脉冲宽度调制仅生成并注入三次的零序电压，其交流侧零序分量的成分比较单一，这是其相对于空间矢量脉宽调制的显著优点。但在交流侧电压或三相调制波包含谐波、负序基波甚至高频噪声分量的情况下，传统的三次谐波注入法所生成的三次谐波电压会包含谐波、负序基波甚至高频噪声分量。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种用于能量路由器的基于SOGI的三次谐波注入法，所述方法运用MSOGI-FLL的频率自适用与高性能滤波特性，滤除谐波、负序基波以及高频噪声分量，精确的生成三次谐波电压，在能量路由器系统中实现精确的基于 SOGI的三次谐波注入。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于能量路由器的基于SOGI的三次谐波注入法，包括以下步骤：
步骤1：通过CLARK变换将三相静止坐标系下的输出电压给定值与变换到两相静止坐标系下的输出电压给定值与
步骤2：通过MSOGI-FLL对两相静止坐标系下的输出电压给定值与进行锁相并滤除高频噪声、谐波与负序基波分量，获得两相静止坐标系下输出电压给定中的正序基波分量与
步骤3：两相静止坐标系下输出电压给定中的正序基波分量与经过三次谐波发生器的计算，获得所需的三次谐波给定电压
步骤4：三相静止坐标系下的输出电压给定值与分别与三次谐波给定电压相加，实现基于SOGI的三次谐波注入。
进一步地，所述步骤1通过CLARK变换将三相静止坐标系下的输出电压给定值与变换到两相静止坐标系下的输出电压给定值与的表达式为：
进一步地，所述步骤3中三次谐波发生器的计算表达式为：
本发明的有益技术效果：
1.在两相静止坐标系下进行运算，只需要采用两个MSOGI-FLL，相比于三相静止坐标系下所需三个MSOGI-FLL的情况，减少了计算量。
2.采用MSOGI-FLL，其具有频率自适用与高性能的滤波特性，在滤除谐波、负序基波以及高频噪声分量的同时，精确提取正序基波分量，无幅值与相位偏差。
3.运用MSOGI-FLL的频率自适用与高性能滤波特性，滤除谐波、负序基波以及高频噪声分量，精确的生成三次谐波电压，在能量路由器系统中实现精确的基于SOGI的三次谐波注入。
附图说明
图1是本发明用于能量路由器的基于SOGI的三次谐波注入法的能量路由器拓扑图。
图2是本发明用于能量路由器的基于SOGI的三次谐波注入法的能量路由器中A相CHB 拓扑图。
图3是本发明用于能量路由器的基于SOGI的三次谐波注入法的能量路由器中低压侧的基于NPC三电平拓扑的DC/AC变换器的拓扑图。
图4是本发明用于能量路由器的基于SOGI的三次谐波注入法的实施流程框图。
图5是本发明用于能量路由器的基于SOGI的三次谐波注入法的MSOGI-FLL的实现框图。
图6是本发明用于能量路由器的基于SOGI的三次谐波注入法的MSOGI-FLL中DSOGI-FLL的实现框图。
图7是基于SOGI的SOGI-QSG的实现框图。
图8是本发明用于能量路由器的基于SOGI的三次谐波注入法的三次谐波发生器的实现框图。
图9是传统的三次谐波注入法的在输入存在谐波、负序基波分量情况下的所生成的三次谐波电压的仿真结果。
图10是本发明用于能量路由器的基于SOGI的三次谐波注入法的在输入存在谐波、负序基波分量情况下的所生成的三次谐波电压的仿真结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
本发明应用的能量路由器的拓扑图如图1所示，能量路由器具有中、高压交流端口与低压交流端口。中、高压交流端口侧为模块化结构，A、B、C三相模块分别由N个模组构成，每相的N个模组的H桥串联构成级联H桥(CHB)结构的输入级，实现了AC/DC变换。图 2展示了能量路由器A相CHB的拓扑图。每个H桥的直流母线经过一个串联谐振型双有源H 桥隔离变换器与低压直流母线相连，并实现DC/DC变换与隔离。三相CHB经单L滤波器与中、高压交流电网相连。低压交流端口侧，DC/AC变换器连接着低压直流母线与低压交流电网，实现DC/AC变换。图3展示了能量路由器系统低压侧的基于NPC三电平拓扑的DC/AC 变换器的拓扑图，经LCL滤波器与低压电网相连。LCL滤波器的电容公共点与直流母线中点相连，构成共模滤波器，用于降低系统的电磁干扰。
图1所示能量路由器系统的三相CHB拓扑的AC/DC变换器与基于NPC三电平拓扑的DC/AC变换器都可采用三次谐波注入法的正弦脉冲宽度调制，提高直流电压利用率。高性能的三次谐波注入法可以降低CHB直流母线的电压波动，也可以减少基于NPC三电平拓扑的DC/AC变换器中共模滤波器中的低频共模电流。
图4展示了本发明的实施流程，在两相静止坐标系下运用MSOGI-FLL的频率自适用与高性能滤波特性，滤除谐波、负序基波以及高频噪声分量，精确的生成三次谐波电压，在能量路由器系统中实现精确的基于SOGI的三次谐波注入。
本发明的一种用于能量路由器的基于SOGI的三次谐波注入法，包括以下步骤：
步骤1：通过CLARK变换将三相静止坐标系下的输出电压给定值与变换到两相静止坐标系下的输出电压给定值与变换的表达式为：
实际中，输出电压给定值与中既包含正序的基波分量，也会受非理想电网条件的影响，包含正序的基波分量与复杂谐波分量，同时数字控制系统也会引入一定的高频噪声。
三相静止坐标系下输出电压给定值与中的n+次正序分量的表达式为：
其中，n为谐波次数，理论上n可为任何正整数；Vmn+为n+次正序分量的幅值；为n+次正序分量的初相位。
与分量经过CLARK变换之后的表达式为：
同理，给定值与中的n-次负序分量与的表达式及其经过CLARK 变换之后与的表达式分别为：
其中，Vmn-为n-次负序分量的幅值；为n-次正序分量的初相位。
步骤2：通过MSOGI-FLL对两相静止坐标系下的输出电压给定值与进行锁相并滤除高频噪声、谐波与负序基波分量，获得两相静止坐标系下输出电压给定中的正序基波分量与
MSOGI-FLL的实现框图在图5中展示，MSOGI-FLL由多个二阶广义积分器(MSOGIs)和一个锁频环(FLL)构成，具体包含一个DSOGI-FLL与多个可选的并联连接的DSOGI，用于提取正序基波分量与并滤除其他频率的正序分量和所有的正序分量。其中 DSOGI-FLL的实现框图在图6中展示，DSOGI-FLL由一个DSOGI与一个FLL构成。一个 DSOGI主要由两个二阶广义积分器(SOGI)构成。其中基于SOGI的SOGI-QSG的实现框图在图7中展示。
步骤3：两相静止坐标系下输出电压给定中的正序基波分量与经过三次谐波发生器的计算，获得所需的三次谐波给定电压
对于正序基波分量与
所需的三次谐波给定电压为：
三次谐波发生器基于三角函数运算实现，其实现框图在图8中展示，计算的表达式为：
其中，中间变量与以及Vm1+的表达式分别为：
步骤4：三相静止坐标系下的输出电压给定值与分别与三次谐波给定电压相加，实现基于SOGI的三次谐波注入。
传统的三次谐波注入法的在输入存在谐波、负序基波分量情况下的所生成的三次谐波电压的仿真结果在图9中展示，所生成的三次谐波电压存在明显畸变。本发明用于能量路由器的基于SOGI的三次谐波注入法的在输入存在谐波、负序基波分量情况下的所生成的三次谐波电压的仿真结果在图10中展示，相比于图9结果，本发明方法的结果更接近于正弦，表明本发明的有效性。
上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。
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