CN101789707A - 并联连接的逆变器模块的负载平衡 - Google Patents

Abstract

一种用于在并联连接逆变器模块间平衡负载的方法和设备，逆变器模块配置成向公共负载供电，方法包括：为并联连接逆变器模块提供相似开关指令，基于每个并联逆变器模块的相电流来为每个逆变器模块的每个输出相确定第一时间段，该第一时间段用于通过提前或延迟逆变器模块的开关元件的开启或关断时刻来校正电流不平衡，基于第一时间段来提前或延迟开关指令的开启或关断时刻。该方法还包括：确定每个逆变器模块的每个输出相的温度，进一步调整针对并联逆变器模块中的一个或更多个的开关指令，以对输出相温度进行控制，以及用针对一个或更多个并联模块提前或延迟了开启或关断时间且针对一个或更多个逆变器模块被进一步调整的开关指令来控制逆变器模块。

Description

并联连接的逆变器模块的负载平衡

技术领域

本发明涉及逆变器模块的负载的平衡，尤其涉及用于在向公共负载供电的两个或更多个并联连接的逆变器模块之间分担输出电流的方法和设备。

背景技术

逆变器是用于从直流电压源产生具有可变频率的交流电压的设备。逆变器通过从DC电压源向负载切换正电压或负电压来进行工作。根据用于向负载产生所期望的电压的控制方法来调节逆变器的输出开关。逆变器的典型应用是在变频器中。于是，变频器被普遍地用于以可控的方式来驱动马达。

在一些情形中，由并联连接的逆变器单元来产生高功率的逆变器。被并联连接的逆变器向同一负载供电并为输出开关接收相同的指令。并联连接的逆变器的输出通常配备有输出电抗器，并且，在电抗器以及每相的多个线缆或单个线缆被连接到负载之后，并联逆变器单元的相应相被连接在一起。可替选地，每个逆变器单元用其自身的线缆连接到负载，且首先在负载的端子中将输出并联连接。

虽然并联操作的逆变器单元接收同时并相似的控制信号，但被并联的单元的行为并不相似。由于并联支路中的不同的阻抗以及开关元件的参数差别，单元之间的电流在大小上并不相等。这种电流不平衡不均匀地施加于元件并使开关元件过早地承受较高的电流。开关元件中的较高电流意味着更高的耗散功率，以及进一步地，更高的元件温度。

通过调整开关控制脉冲从而对电流进行平衡，解决了电流不平衡的问题。可以通过针对具有最高电流的开关延迟开启时刻或者通过针对具有最小电流的开关延迟关断时刻来对控制脉冲进行调整。EP 0 524 398中公开了一个这样的方法。在这些解决方案中，基于所测量的逆变器单元的电流对并联元件的导通时间进行调整，以使得向开关元件施加的作用相等。

与上面的装置相关联的问题中的一个问题是：即使对电流进行了平衡，并联操作的开关元件可能仍然会不均匀地用损。这是因为以下事实：由于一些原因，开关元件的冷却会彼此不同。冷却不同的原因包括：冷却气体在壳中的不均匀流动，由于冷却气体中的杂质而使得一些逆变器模块的冷却劣化，散热片与开关元件之间的热连接弱，等。

因此，基于电流测量对用于平衡电流的控制脉冲进行调整会引起开关元件由于过量的温度而被损坏的情形。

发明内容

本发明的目的是：提供一种方法和用于实施该方法的装置，以解决上面的问题。通过其特征在于如独立权利要求中所述的内容的方法和装置，本发明的目的得以实现。从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。

本发明基于以下思想：通过基于模块之间的温差和电流不平衡对开启脉冲或关断脉冲进行调整，来在并联逆变器模块之间平衡负载。根据本发明，如果模块的温度彼此不同，则逆变器模块之间电流不被激励到同样的值。

本发明的方法和装置的优点在于：电流不平衡被保持在一定的限制内，以及，不同输出模块的温度也被保持在控制中。电流不完全平衡的事实较不重要，因为，如果不考虑电流不平衡的话，电流不平衡会由于元件的升温而引起元件的过早用损或突然毁坏。当在电流平衡中考虑元件的温度时，并联电流在大小上不必相等。

附图说明

下文中，将参照附图、通过优选实施例，对本发明进行更详细的描述，其中：

图1示出两个逆变器模块的并联连接；

图2是计算开启时刻的延迟的例子；以及

图3和图4示出与本发明的操作相关的仿真曲线。

具体实施方式

图1示出向公共负载1供电的两个并联连接的逆变器模块mod1、mod2。模块的相输出配备有扼流器2。图1示出并联的模块如何具有属于相同相U(Umod1，Umod2)、V(Vmod1，Vmod2)、W(Wmod1，Wmod2)的输出开关。

相电流(即，到负载的组合电流)由并联模块的输出电流形成。如上所述，电流不必在并联的模块之间相等地划分。如果在一个并联模块中电流较高，则知道要通过延迟具有最高电流的模块和相的开启时刻来平衡电流。通常，通过缩短具有最高电流的模块和相的导通时间来进行电流的平衡。还可以通过将开关的关断提前或通过将其它模块的关断时刻延迟来进行该缩短。

根据本发明，根据每个并联模块的相电流来确定第一时间段。从而为每个并联模块的每个相确定第一时间段，并且所确定的第一时间段是模块和相的导通期被减少的量。参照图1，确定第一时间段T1_Umod1、T1_Umod2、T1_Vmod1、T1_Vmod2、T1_Wmod1、T1_Wmod2。在这些附图标记中，T1表示第一时间段，U、V和W表示相，以及，mod1和mod2表示并联的逆变器模块。

例如，可以通过测量每个模块的相电流I_Umod1、I_Umod2、I_Vmod1、I_Vmod2、I_Wmod1、I_Wmod2以及根据所测量的电流对平均相电流进行计算，来确定各时间段。在并联模块的数量为2的图1的实例中，相U的平均电流被计算为I_Uave＝(I_Umod1+I_Umod2)/2。通过取I_Umod1/I_Uave以及I_Umod2/I_Uave的比率，将模块的输出电流与所计算的平均值相比较。从而，将模块的每个输出电流与相的平均电流相比较。

一旦如上所示计算了比率，每个比率(在有三相的两个并联模块的情况下是六个比率)就被反馈给控制电路，其对比率进行整合(integrate)并产生被用作用于延迟开启时刻的第一时间段的控制值。时间段的值被限制到零以及被限制到预定的上限。因为一些模块的相电流不可避免地低于计算出的平均值，所以第一时间段中的一些时间段获得零值。

在对第一时间段进行计算时，可以从获得的比率中减去限制值。限制值定义了限制，高于该限制则对电流进行控制。此外，相减的结果被乘以增益因子。用于延迟开启时刻的第一时间段的形成在图2中被示为框图。到系统的输入是框21中所计算的比率。如果比率大于一，即，被考虑的相电流高于相电流的平均值，则如框22中所示对第一时间段进行计算，其对第一时间段(即，延迟)的先前的值进行考虑，并将此先前的值加上使用比率计算的新的值。

如果比率等于或者小于一，则使得第一时间段更小(框23)。框23和框22具有不同的增益(增益升高，增益下降)。所发现的是：通过对增益使用不同的值，计算的输出更稳定并且不易振荡。来自系统的输出是第一时间段。如以上所提及的，第一时间段被限制到预先定义的较高的限制以及被限制到零。

由于在更小的电流的情况下电流平衡不是那么重要，第一时间段在电流的值低的情况下(例如，当电流为模块的标称电流的30％或者更低时)可以被设置到零。

在以上的实例中，通过对电流的比率进行整合来确定第一时间段。针对每个相和模块的第一时间段还可以通过对每个局部相电流与该相的平均电流之间的差进行整合来确定。以上以整合的使用作为例子，并且通过使用P-、PI-或PID-控制或者一些其它的合适的机制也可以获得相同的结果。给出用于确定第一时间段的以上例子作为用于获得期望的值的一种可能性。本领域技术人员清楚的是：也可以按照一些其它合适的方式来计算第一时间段。

根据本发明，方法包括用于确定每个逆变器模块的每个输出相的温度Temp_Umod1、Temp_Umod2、Temp_Vmod1、Temp_Vmod2、Temp_Wmod1、Temp_Wmod2的步骤。温度可以是测量的值或者使用温度模型估算的值。

一旦确定了温度，就对并联的逆变器模块中的一个或更多个逆变器模块的开关指令进行进一步的调整，以对输出相的温度进行控制。从而，根据所确定的温度对从控制电路获得的开关指令进行调整。可以针对电流将温度与平均相温度相比较。因此，针对每个相的平均温度被计算为：

Temp_Uave＝(Temp_Umod1+Temp_Umod2)/2

在计算了平均温度之后，接着对每个相温度与同一相的平均之间的比率进行计算。为每个相计算比率。如果模块的温度高于平均温度，则通过对开关指令进行调整来减小该模块和相的温度。这可以使用对差值进行整合并对开关指令进行调整以使温度差最小化的控制器来进行。

根据本发明的方法，用开关指令对逆变器模块进行控制，在开关指令中，针对一个或更多个并联模块提前或延迟了开启时间或关断时间并针对一个或更多个逆变器模块调整该开启时间或关断时间。在根据所选择的方案计算对输出开关进行操作的时刻的调制器中，以正常的方式来生成被提供给并联逆变器模块的开关指令。

基于温度所进行的对开关指令的调整可以按照多种方式来进行。根据本发明的一个实施例，一个模块的开关指令被重新生成，以产生减小的电流。从而，在模块之间对所有并联模块共有的开关指令进行划分，并且模块接收根据初始的指令生成的单独的开关指令。

在另一实施例中，基于温度来为每个模块和相生成第二时间段。这些第二时间段被加到各自的第一时间段，并且根据时间段的和延迟或提前开启时刻或关断时刻。可以按照与第一时间段的计算同样的方式来进行第二时间段的计算。可以在工作于比电流控制环路更慢的时间等级的控制环路中来实施温度控制。

优选地，当温度差和/或所计算的比率超出所设置的限制时，启用温度控制的操作。由于模块的冷却的差别，温度差会增长，且当这发生时，控制设法降低具有最高温度的模块和相的电流。于是，这增加其它模块中的电流。当其它模块中的电流增长时，电流控制器设法对这些电流进行限制。从而，温度控制器通过减小电流来对温度进行限制，并且温度控制器于是对其它相中的电流进行限制。这引起控制器彼此对抗地进行工作的情形。

在本发明的优选实施例中，温度控制通过对电流控制的最大值进行限制来影响电流控制的输出。根据以上的实施例，按照温度控制的输出来对第一时间段的持续时间进行限制。温度控制器的此输出为第二时间段。因此，当温度控制器通过调整开启延迟或关断延迟来对温度进行控制时，它还为属于同一相的电流控制器的输出设置上限。以此方式，温度控制器得到高于电流控制器的优先级。

除了对开关指令进行调整，温度控制器从而还对第一时间段(即，属于同一相的电流控制器的输出)的最大值进行限制。下文中参照图3对此过程进行进一步的解释。

图3示出两个逆变器模块被并联连接的系统的仿真结果。为逆变器模块提供不同的热阻抗，并且模块向负载提供DC电流。为简单起见，使用DC电流来进行仿真，而在实际情况下，电流是AC电流。

在过程的开始，电流31、32是均等的(500A)，且模块的温度33、34开始升高。如从图3中所见，由于更高的热阻抗，逆变器单元2(INU2)的温度33比另一模块(INU1)的温度34升高得更快。

在75s的时刻，温度差升高得超出所设置的限制，且对逆变器单元INU2的开关指令进行调整。例如，该对开关指令的调整由温度控制器通过延迟开启时刻来进行。温度控制器的输出在图3中用附图标记35示出。由于针对INU2对开关指令进行调整，电流31(INU1)开始增长并且电流32(INU2)开始减小。电流31、32中以及温度控制器35的输出中的突然的改变是由于PI控制器的P部分产生的。

在94s的时刻，电流31(INU1)增长到电流控制器开始通过延迟开启时刻来对电流进行控制的限制。电流控制器的输出以线36示出。同时，温度控制器对开关指令进行进一步的调整以降低电流32(INU 2)，并且，两个控制器彼此对抗地进行操作的结果是：稳定了电流，从而电流之间的差保持相同。如从图3中所见，电流间的差在时刻94s与203s之间保持相同。在该间隔期间，控制器的输出以同样的速率升高，且控制器的输出之间的差是恒定的。

如以上所提及的，因为温度控制器的输出升高，电流控制器的输出受到限制。电流控制器的输出的最大值以线37示出。在时刻203，电流控制器升高到由线37限制的最大值。在此时刻之后，温度控制器支配操作，并且电流开始偏离，并且温度曲线33、34开始向彼此汇聚。

虽然电流未被平衡，但温度被控制，使得最高温度在距温度的平均值的一定的限制之内。因为温度被控制，电流控制器的输出被限制。因此，温度需要被控制得越少，电流能够被控制得越平衡。

期望电流平衡地在元件中获得相似的温度，但是，由于温度与电流一起被控制，所以情形比电流被完全平衡的情况更理想。还应当注意的是，在图3的实例中，以这样的方式对负载进行平衡：具有较高电流的模块也是模块中较冷的模块。

图4示出了另外的仿真结果，其中，附图标记与图3中的相同。在图4的实例中，负载是周期性的，具有50秒1200A以及50秒800A。这些结果也示出了温度控制器和电流控制器如何以上述方式来协同操作。

在上面的实例中，模块的温度改变到对开关指令进行调整以对温度进行控制的程度。对于相温度较高的模块，导通期被缩短。这引起较暖的模块的电流被减小并且较冷的模块的电流增加的情形。当电流控制器开始对电流不平衡起作用时，控制器确定第一时间段并且相应地缩短具有较高相电流的模块的导通期。当电流偏离、首次引起温度不平衡时，负载平衡的操作是相似的。以上的实例是具有两个并联模块的简单结构。然而，本发明适用于不限数量的并联模块。

本发明对于液冷系统也是适用的。在这种液冷系统中，针对不同模块所获得的冷却基本相同。在本发明的负载平衡中，当被用于液冷系统时，主要基于相电流来进行平衡。

对于本领域技术人员明显的是：本发明的概念可以按照各种方式来进行实施。本发明及其实施例不限于上述实例，而是，可以在权利要求书的范围内进行变化。

Claims (7)

1.一种在并联连接的逆变器模块之间平衡负载的方法，所述逆变器模块被配置成向公共负载供电，所述方法包括：

为并联连接的逆变器模块提供相似的开关指令，

基于每个并联的逆变器模块的相电流来为每个逆变器模块的每个输出相确定第一时间段，所述第一时间段用于通过提前或延迟逆变器模块的开关元件的开启时刻或关断时刻来校正电流不平衡，以及

基于所述第一时间段来提前或延迟开关指令的开启时刻或关断时刻，其特征在于，所述方法还包括：

确定每个逆变器模块的每个输出相的温度，

进一步调整针对并联逆变器模块中的一个或更多个逆变器模块的所述开关指令，以对输出相的温度进行控制，以及

用针对一个或更多个并联模块提前或延迟了开启时间或关断时间且针对一个或更多个逆变器模块被进一步调整的开关指令来控制所述逆变器模块。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对开关指令进行进一步调整包括：

将所确定的相应输出相的温度相互比较，

基于所述比较为每个逆变器模块的每个输出相确定第二时间段，以及

基于第一时间段和第二时间段的和来提前或延迟开启时刻或关断时刻。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，将相应输出相的温度相互比较包括：

计算每个相的开关的温度的平均值，相的开关被置于并联模块中，以及

计算每个开关的温度与该开关所属的相的平均温度的比率。

4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，第一时间段具有每个输出相共有的预定最大值，且所述方法还包括：基于第二时间段的值来限制第一时间段的最大值。

5.如在前权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，使用控制器来确定第一时间段，控制器在对电流不平衡进行控制时输出用作第一时间段的值。

6.如在前权利要求2至5中任一项所述的方法，其特征在于，使用控制器来确定第二时间段，控制器在对电流不平衡进行控制时输出用作第一时间段的值。

7.一种用于在并联连接的逆变器模块之间平衡负载的设备，所述逆变器模块被配置成向公共负载供电，所述设备包括：

用于为并联连接的逆变器模块提供相似的开关指令的装置，

用于基于每个并联的逆变器模块的相电流来为每个逆变器模块的每个输出相确定第一时间段的装置，所述第一时间段用于通过提前或延迟逆变器模块的开关元件的开启时刻或关断时刻来校正电流不平衡，以及

基于第一时间段来提前或延迟开关指令的开启时刻或关断时刻的装置，其特征在于，所述设备进一步包括：

用于确定每个逆变器模块的每个输出相的温度的装置，

用于进一步调整针对并联逆变器模块中的一个或更多个逆变器模块的开关指令以对输出相的温度进行控制的装置，以及

用于用针对一个或更多个并联模块提前或延迟了开启时间或关断时间且针对一个或更多个逆变器模块被进一步调整的开关指令来控制逆变器模块的装置。

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