CN101079582A - 一种逆变系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种逆变系统的控制方法，包括中央控制模块、多路数据检测与采集模块、分级通讯模块、多路功率驱动模块和分级报警模块；该控制系统中各模块都嵌入了控制软件，其中：多路数据检测与采集模块中嵌入了测量处理子程序；中央控制模块中嵌入运行前检测和判断子程序、运行和停机控制子程序、逆变器单相控制子程序、逆变器第四桥臂控制子程序；多路功率驱动模块嵌入窄脉冲限制子程序；多级报警管理模块中嵌入危险报警中断处理子程序、一、二级报警子程序、电流、电压、直流母线电压报警子程序、一级报警软件中断子程序；分级通讯管理模块嵌入通讯程序。它具有实时性、稳定性、通用性、简化了控制系统的复杂性，又保证了系统的性能。

Description

一种逆变系统的控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种逆变系统的控制方法。

背景技术

近年来，随着第二代能源系统的建设，以微型燃机发电机组组成的热、电、冷联产系统在国际上得到积极推广应用。逆变系统(将直流电转换为交流电)作为微型燃机发电系统和供电用逆变系统的最终输出电能质量的保证，得到广泛关注。

当前在提供三相四线制逆变供电系统中，普通采用的加入变压器方案，体积庞大、工艺复杂、效率较低，并且由于变压器漏电感的存在，输出电压的对称性无法得到保障；而三个半桥结构，在负载严重不平衡时，连接中心点的电容承受较大电流，增加了系统出现故障的可能性。

一种逆变系统及控制方法(专利申请号是200510048077.7)，已经提出了一种解决方案。

发明内容

本发明在一种逆变系统及控制方法(专利申请号是200510048077.7)的基础上，提供一种逆变系统的控制方法，它对逆变系统的控制方法进行了改进，改进的部分是在中央控制模块中采用基于第四桥臂解耦控制思想的独立调节控制方法进行控制(该项成果为国家高技术研究发展计划(“863”计划)课题成果)。

本发明的硬件装置包括电力变换电路和控制系统，电力变换电路包括功率逆变电路和功率滤波电路，控制系统包括中央控制模块、多路数据检测与采集模块、分级通讯模块、多路功率驱动模块和分级报警模块。其中功率逆变电路分别与功率滤波电路、多路功率驱动模块相连，多路功率驱动模块与中央控制模块相连，中央控制模块分别与分级通讯模块、多路数据检测与采集模块相连，如图1所示。

该控制系统中各模块都嵌入了控制软件，其中：

多路数据检测与采集模块中嵌入了测量处理子程序、数字滤波子程序、数值计算子程序；

中央控制模块中嵌入运行前检测和判断子程序、运行和停机控制子程序、逆变器单相控制子程序、逆变器第四桥臂控制子程序；

多路功率驱动模块嵌入窄脉冲限制子程序；

多级报警管理模块中嵌入危险报警中断处理子程序、一、二级报警子程序、电流报警子程序、电压报警子程序、直流母线电压报警子程序、一级报警软件中断子程序；

分级通讯管理模块嵌入通讯程序；

本发明中央控制模块中的逆变器第四桥臂控制方法是：

通过对三相四桥臂拓扑结构分析，可以得出结论：只要第四桥臂控制恰当，完全可以通过三相独立调节方案达到解耦控制的效果，第四桥臂的控制是实现解耦的关键。

目前国际上较流行的方法是应用著名的解耦变换矩阵，对控制矢量进行合成，并分解到已定义的开关状态矢量上，控制开关动作。这类方法引入三维空间矢量概念，无论在控制方法上，还是在实现手段上都比较复杂。针对四桥臂逆变器，其控制的本质并不在于通过复杂的坐标变换得到数学意义上的解耦，而在于将第四桥臂控制从与其他桥臂控制的耦合中分离出来。只要实现这一解耦，就实现了四桥臂逆变器的有效控制。

本发明针对上述问题提出了通过第四桥臂对不平衡或非线性负载的影响进行近似全补偿的思想，分离四桥臂控制功能，使第四桥臂充分发挥在不平衡或非线性负载条件下调节三相输出不平衡的作用。

图2给出的四桥臂逆变器拓扑结构。以直流母线电容中点为参考0电平，开关函数状态定义为

其中：i为{a，b，c，f}。则开关函数状态0和1对应桥臂输出端电压为-0.5U_DC和0.5U_DC。因此桥臂端输出电压u_a、u_b、u_c和u_af、u_bf、u_cf可以表示为

[u_af u_bf u_cf]^T＝[u_a-u_f u_b-u_f u_c-u_f]^T＝[(S_a-S_f)U_DC(S_b-S_f)U_DC(S_c-S_f)U_DC]  (2)

根据平均电流模型可以得到

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{af}}\\ u_{\mathrm{bf}}\\ u_{\mathrm{cf}}\end{array}\right]=L\begin{array}{}\end{array}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{di}}_a/\mathrm{dt}\\ {\mathrm{di}}_b/\mathrm{dt}\\ {\mathrm{di}}_c/\mathrm{dt}\end{array}\right]+L_f\left[\begin{array}{c}{\mathrm{di}}_n/\mathrm{dt}\\ {\mathrm{di}}_n/\mathrm{dt}\\ {\mathrm{di}}_n/\mathrm{dt}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{AG}}\\ u_{\mathrm{BG}}\\ u_{\mathrm{CG}}\end{array}\right]---\left(3\right)$

i_f＝i_a+i_b+i_c                                                            (4)

式中：i_a、i_b、i_c为三相桥臂端电流；i_f为第四桥臂端电流；L为三相滤波电感；L_f为中性线电感；u_AG、u_BG、u_CG为逆变器输出电压，表示为

${\left[\begin{array}{ccc}{u}_{\mathrm{AG}}& u_{\mathrm{BG}}& u_{\mathrm{CG}}\end{array}\right]}^T={\left[\begin{array}{ccc}{U}_1\sin \mathrm{\ωt}& U_2\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& U_3\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]}^T---\left(5\right)$

从式(2)、(3)可以得到最简单的解耦方案为u_f＝-L_fdi_f/dt，其控制目标的本质为u_G＝0。基于这一控制方案，系统可以描述为

$\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]=L\left[\begin{array}{c}{\mathrm{di}}_a/\mathrm{dt}\\ {\mathrm{di}}_b/\mathrm{dt}\\ {\mathrm{di}}_c/\mathrm{dt}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{AG}}\\ u_{\mathrm{BG}}\\ u_{\mathrm{CG}}\end{array}\right]---\left(6\right)$

可以看出这一控制方案，稳态时u_AG、u_BG、u_CG为三相对称正弦条件下：对于平衡阻性负载，控制命令u_a、u_b、u_c的轨迹为圆；对于不平衡负载，控制命令的轨迹为椭圆；对于非线性负载，控制命令的轨迹为不规则图形。综上所述：这一解耦方案中，第4桥臂并未完全补偿负载的不平衡或非线性的影响，没有充分发挥四桥臂结构的优势。

设三相桥臂端电压为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a=M_1\left(t\right)\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\θ})\\ u_b=M_2\left(t\right)\sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3-\mathrm{\θ})\\ u_c=M_3\left(t\right)\sin (\mathrm{\ωt}-4\mathrm{\π}/3-\mathrm{\θ})\end{array}\right.---\left(7\right)$

式中：M₁(t)、M₂(t)、M₃(t)为时间t的函数；θ为相角；ω为角速度。由式(7)可得

u_a+u_b+u_c＝[M₁(t)-M₃(t)]sin(ωt+θ)+[M₂(t)-M₃(t)]sin(ωt-2π/3+θ)    (8)

如果M₁(t)＝M₂(t)＝M₃(t)不成立，则u_a+u_b+u_c不恒为零。所以对于式(7)表示的控制命令，如果存在u_a+u_b+u_c恒为零，稳态时由电路结构决定了M₁(t)、M₂(t)、M₃(t)不会突变，所以必有M₁(t)＝M₂(t)＝M₃(t)成立，即控制命令轨迹为圆。等效的结论是：如果存在控制u_f、u_a、u_b、u_c使逆变器输出电压三相对称，并满足u_a+u_b+u_c＝0，则u_f控制可以近似完全消除负载不平衡或非线性的影响，充分发挥四桥臂结构的优势。

由式(2)、(3)可得

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a=L{\mathrm{di}}_a/\mathrm{dt}+u_{\mathrm{AG}}+u_G\\ u_b=L{\mathrm{di}}_b/\mathrm{dt}+u_{\mathrm{BG}}+u_G\\ u_c=L{\mathrm{di}}_c/\mathrm{dt}+u_{\mathrm{CG}}+u_G\\ u_f=u_G-L_f{\mathrm{di}}_f/\mathrm{dt}\end{array}\right.---\left(9\right)$

令L_f＝L，由式(9)可推出

$u_a+u_b+u_c=L\frac{{\mathrm{di}}_f}{\mathrm{dt}}+(u_{\mathrm{AG}}+u_{\mathrm{BG}}+u_{\mathrm{CG}})+3(u_f+L\frac{{\mathrm{di}}_f}{\mathrm{dt}})---\left(10\right)$

如果u_a+u_b+u_c＝0，则有

$4L\frac{{\mathrm{di}}_f}{\mathrm{dt}}+(u_{\mathrm{AG}}+u_{\mathrm{BG}}+u_{\mathrm{CG}})+3u_f=0---\left(11\right)$

若第四桥臂控制u_f设计为

$u_f=-\frac{4}{3}L\frac{{\mathrm{di}}_f}{\mathrm{dt}}---\left(12\right)$

则有

u_AG+u_BG+u_CG＝0                                                       (13)

将式(12)代入式(9)可得

$u_G=-\frac{1}{3}L\frac{{\mathrm{di}}_f}{\mathrm{dt}}---\left(14\right)$

与前面讨论相同，由式(13)可得输出电压三相对称。在实际控制u_f中加入k(u_AG+u_BG+u_CG)项对出现的三相不对称进行快速调节。

综上所述，第4桥臂采用这种控制方案具有以下特点：

(1)第四桥臂控制使负载不平衡或非线性影响得到近似完全补偿。

(2)第四桥臂不仅补偿中性线电感引起的电压损失，而且补偿部分相电感引起的电压损失，成为主调制；三相控制只需补偿相电感引起的部分电压损失，成为辅助调制。

(3)三相控制近似对称，在负载不平衡条件下，增加了调节范围，使母线电压得到充分利用。

(4)三相控制命令轨迹为圆，即采用这一方案形成3DSVM的控制轨迹在γ轴0平面投影为圆(U_G＝0时，不平衡线性负载条件下，控制轨迹投影为椭圆)。

根据这些特点可以得出结论：这一控制方案的实质是在稳态条件下对三相电感引起的电压降矢量求取对称中点作为G点电位，形成u_f控制。

三相控制命令采用三相对称基准正弦给定，其形式为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a=320\sin \mathrm{\ωt}\\ u_b=320\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ u_c=320\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})\\ u_f=-\frac{4}{3}L\frac{{\mathrm{di}}_f}{\mathrm{dt}}+k(u_{\mathrm{AG}}+u_{\mathrm{BG}}+u_{\mathrm{CG}})\end{array}\right.---\left(18\right)$

将式(18)代入到式(10)可得

(1+3k)(u_AG+u_BG+u_CG)＝0      (19)

可以看出：只要k≠-1/3，输出电压总是三相对称的。采用式(18)描述的控制器控制逆变器从初始状态进入到三相对称输出状态的过渡过程中，k的取值将影响过渡过程的动态特性。

注意到第四桥臂控制命令的获得需要计算i_f的微分，这在理论上可行，但在实际应用中并不可行，因为实际系统中由于开关动作引起的扰动将被微分计算放大，使调节出现混乱，出现系统不稳定。同时对反馈量的任何滤波处理将影响该物理量的相位使控制达不到预期效果，这使微分控制难以实现。

稳态条件下由式(4)可得

$i_f\≈\frac{u_{\mathrm{AG}}}{Z_A}+\frac{u_{\mathrm{BG}}}{Z_B}+\frac{u_{\mathrm{CG}}}{Z_C}---\left(20\right)$

其中Z_A、Z_B和Z_C为三相负载。在u_AG、u_BG、u_CG中基波占主要成份，当三相负载随时间变化保持常数时，di_f/dt与∫i_fdt相位近似互差180°，幅值比例关系近似为ω²。这样第4桥臂控制设计可采用4ω²L∫i_fdt/3替代-(4/3)Ldi_f/dt项，则实际控制器为

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a=320\sin \mathrm{\ωt}\\ u_b=320\sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)\\ u_c=320\sin (\mathrm{\ωt}-4\mathrm{\π}/3)\\ u_f=(3/4){\mathrm{\ω}}^{2}L\∫i_f\mathrm{dt}+k(u_{\mathrm{AG}}+u_{\mathrm{BG}}+u_{\mathrm{CG}})\end{array}\right.---\left(21\right)$

当负载随时间变化不保持常数，如图3所示负载形式，则(4/3)ω²L∫i_fdt与-(4/3)Ldi_f/dt存在差值，这一差值将造成三相输出的不平衡，而式(21)中k(u_AG+u_BG+u_CG)项将实时进行调节恢复输出的三相平衡。

图4给出了控制器结构，U_R为基准正弦幅值取为320V，输出正弦电压频率为50Hz，载频三角波频率为9600Hz，1/s为积分算法，载频三角波与控制命令比较，经过滞环处理形成开关状态。其中，

积分算法采用不定积分4ω²L∫₀ ^ti_fdτ/3减去其直流分量的方式实现，k取2。就控制本质而言，这种PWM与SVPWM并无多大区别，所以采用SVPWM方式也不失为一种好的实现

第四桥臂调节与三相调节有本质区别，是实现解耦控制的关键，图5给出了第四桥臂控制程序框图，其工作流程如下：

(1)读零线电流If(n)；

(2)将零线电流If(n)乘以系数4ω²L/3；

(3)对1/s进行离散化处理，使之在DSP中可以进行运算；

(4)读取上一时刻的中间量C(n-1)；

(5)应用离散化后的计算公式C(n)＝C(n-1)+4ω²L If(n)/3计算出当前中间量C(n)；

(6)保存当前中间量C(n)到寄存器中，以便下一时刻计算使用；

(7)计算出第四桥臂控制量Ufc＝C(n)+2(UAG+UBG+UCG)；

(8)把计算出的控制量Ufc保存到DSP的比较寄存器中；

(9)第四桥臂控制子程序结束返回。

本发明具有如下优点：(1)提高了系统的实时性；(2)保证了系统的稳定性；(3)所采用控制策略既简化了控制系统的复杂性，又保证了系统的性能；(4)提高了系统的通用性，既实现了系统独立运行，又可以进行远程监控；(5)解决了负载不平衡时的对称输出。

附图说明

图1本发明的系统体系示意图；

图2四桥臂逆变结构框图；

图3非线性负载形式；

图4控制器的结构框图；

图5逆变器第四桥臂控制程序框图；

具体实施方式

下面结合105kW级微型燃机逆变系统对本发明作进一步的说明和补充。

实施例：微型燃机发电机组逆变系统

微型燃机发出电能进行处理可形成直流电，直流电需要进行逆变形成三相四线制交流电提供给用户。

本发明是一种逆变控制系统及方法，可以针对这一要求，很好地完成这一功能。系统由电力变换电路和控制系统构成。图1给出本发明的系统体系示意图。电力变换电路由功率逆变电路和功率滤波电路构成；控制系统它包含有中央控制模块、多路数据检测与采集模块、分级通讯模块、多路功率驱动模块和分级报警模块。

该控制系统中各模块都嵌入了控制软件，其中：

多路数据检测与采集模块中嵌入了测量处理子程序、数字滤波子程序、数值计算子程序；

中央控制模块中嵌入运行前检测和判断子程序、运行和停机控制子程序、逆变器单相控制子程序、逆变器第四桥臂控制子程序多路功率驱动模块中的窄脉冲限制子程序；

多级报警管理模块中嵌入危险报警中断处理子程序、一、二级报警子程序、电流报警子程序、电压报警子程序、直流母线电压报警子程序、一级报警软件中断子程序；

分级通讯管理模块嵌入通讯程序。

图5给出了第四桥臂控制程序框图，其工作流程如下：

(1)读零线电流If(n)；

(2)将零线电流If(n)乘以系数4ω²L/3；

(3)对1/s进行离散化处理，使之在DSP中可以进行运算；

(4)读取上一时刻的中间量C(n-1)；

(5)应用离散化后的计算公式C(n)＝C(n-1)+4ω²L If(n)/3计算出当前中间量C(n)；

(6)保存当前中间量C(n)到寄存器中，以便下一时刻计算使用；

(7)计算出第四桥臂控制量Ufc＝C(n)+2(UAG+UBG+UCG)；

(8)把计算出的控制量Ufc保存到DSP的比较寄存器中；

(9)第四桥臂控制子程序结束返回。

Claims (1)

1、一种逆变系统的控制方法，该方法包括中央控制模块、多路数据检测与采集模块、分级通讯模块、多路功率驱动模块和分级报警模块；该控制系统中各模块都嵌入了控制软件，其中：多路数据检测与采集模块中嵌入了测量处理子程序、数字滤波子程序、数值计算子程序；中央控制模块中嵌入运行前检测和判断子程序、运行和停机控制子程序、逆变器单相控制子程序、逆变器第四桥臂控制子程序；多路功率驱动模块嵌入窄脉冲限制子程序；多级报警管理模块中嵌入危险报警中断处理子程序、一、二级报警子程序、电流报警子程序、电压报警子程序、直流母线电压报警子程序、一级报警软件中断子程序；分级通讯管理模块嵌入通讯程序；其特征在于逆变器第四桥臂控制子程序采用基于第四桥臂解耦控制思想的独立调节控制方法进行控制，是按以下步骤执行的：

(1)读零线电流If(n)；

(2)将零线电流If(n)乘以系数4ω²L/3；

(3)对l/s进行离散化处理，使之在dsp中可以进行运算；

(4)读取上一时刻的中间量C(n-1)；

(5)应用离散化后的计算公式C(n)＝C(n-1)+4ω²L If(n)/3计算出当前中间量C(n)；

(6)保存当前中间量C(n)到寄存器中，以便下一时刻计算使用；

(7)计算出第四桥臂控制量Ufc＝C(n)+2(UAG+UBG+UCG)；

(8)把计算出的控制量Ufc保存到DSP的比较寄存器中；

(9)第四桥臂控制子程序结束返回。

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