CN101795006A - 400Hz大功率逆变电源的无线并联控制方法及其控制系统 - Google Patents

Abstract

一种400Hz大功率逆变电源的无线并联控制方法，利用有功功率P的积分值和无功功率Q来调节多个逆变电源并联系统中各个逆变器的输出电压的相位和幅值，以对负载进行均分。应用所述的控制方法的控制系统，至少包括一个400Hz的逆变电源模块，所述的400Hz的逆变电源模块包括逆变器(11)，用以驱动所述逆变器(11)的PWM驱动电路(21)，位于逆变器(11)输出侧的串联电感(201)、位于公共母线端的输出相位检测电路(301)、位于所述的逆变器的输出端上输出电压检测器(12)、串联于所述的逆变器的输出端上的负载电流检测器(13)和控制单元(22)。逆变器的输出端串联一个并联电感，通过并联开关连接到公共母线上；控制单元通过运行控制算法实现对逆变器的控制。

Description

400Hz大功率逆变电源的无线并联控制方法及其控制系统

技术领域

本发明涉及一种以三相400Hz逆变器为核心的电源控制方法，特别涉及采用三相逆变电源无线并联运行的方法及其控制系统。

背景技术

随着电力电子技术和开关器件的发展，电源逆变技术得到广泛的应用。逆变器的功能是将直流电转换成交流电，交流电机调速用变频器、不间断电源等电力电子装置的核心部分都是逆变器。随着用电设备的增加，很多场合都要求将多台逆变器并联运行，构成一个并联系统。400Hz大功率逆变电源作为机场地面静变电源的核心，担负着为机场和维修站的飞机供电的任务，经常需要并联运行。为了提高400Hz逆变电源的输出电压质量、增加系统容量和可靠性，采用数字控制和并联运行成为400Hz逆变电源发展的趋势。数字控制对400Hz逆变电源的高性能控制和并联运行有着严重的影响。采用电力电子器件的400Hz逆变电源一般采用脉宽调制(PWM)对逆变器的输出电压进行控制，采用数字化的PWM时，无论采用对称规则采样(Symmetrical Regular Sampled)PWM还是不对称规则采样(Asymmetrical RegularSampled)PWM都存在采样周期一半时间的延时。另外，为了防止AD转换和程序计算所造成的延时对PWM的调制信号产生影响，实际运行当中一般会采用延迟一拍采样时间更新数字化PWM的调制信号。方便起见，这两种延时姑且称之为数字化延时，数字化延时的时长为1.5倍采样时间。数字化延时在50Hz或60Hz逆变器中一般可以忽略，但对400Hz逆变器却有严重的影响。例如，假设400Hz逆变器的开关频率为6kHz，采用非对称规则采样PWM则采样频率为12kHz。此时，数字化延时相对于50Hz逆变器来说，造成的延时相当于2.25°电角度，基本可以忽略；而相对于400Hz逆变器来说，造成的延时却相当于18°电角度，如此长的延时是绝对不能忽略的。对于400Hz逆变器的输出电压控制，采用谐振控制器是一个很好的控制策略，它的优点是能大大减小输出电压中的总谐波含量，输出电压的幅值、相位和频率均能很好地跟踪各自的给定值，这也给无线并联方案中对输出电压的幅值、相位和频率的调节带来方便。然而，采用谐振控制器时，由于逆变器的输出阻抗几乎为零，一旦并联的逆变电源输出电压有误差就会产生很大的环流。同时，由于数字化延时对400Hz逆变器来说时间很长，如果每台逆变器的数字化延时不同则可能造成逆变器输出电压产生很大的相位差。这对于并联运行的逆变电源来说将会产生显著影响，尤其是在无线并联运行时也会造成很大的环流。

为了消除逆变器并联运行系统中产生的环流，提高并联系统的可靠性和冗余性，使用基于外特性下垂方法的无线下垂控制策略是目前最普遍的选择。例如Josep M.Guerrero，JoséMatas，Luis 

de 

Miguel Castilla和Jaume Miret在IEEE工业电子学报(IEEETRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS)，2006年第53卷第5期所著的“分布式逆变器的无线并联策略(Wireless-Control Strategy for Parallel Operation ofDistributed-Generation Inverters)”。该方法源于电力系统中同步电机并联的模式，为了运用这一理论，首先要求并联的逆变器有一个阻值较大且呈电感特性的内阻，一般的50Hz或60Hz的不间断电源通常采用电压外环电流内环的双闭环比例积分控制，内阻与控制环的参数有关，通常在逆变器输出端同时串联一个较大的电感，如图1所示：

其中逆变器用一个理想电压源E_oi＝E_oi∠δ_i和一个等效内阻Z_oi来模拟。Z_i＝jωL_i为第i个逆变器的串联的输出电感，Z_i＞＞Z_o。若忽略逆变器的内阻，且δ_i较小的情况下有：

$P_{\mathrm{oi}}=\frac{E_{\mathrm{oi}}\·E_o}{\mathrm{\ω}{L}_i}\·\sin {\mathrm{\δ}}_i---\left(1\right)$

$Q_{\mathrm{oi}}=\frac{E_{\mathrm{oi}}\·E_o\·\cos {\mathrm{\δ}}_i-E_o^2}{\mathrm{\ωLi}}---\left(2\right)$

式中，P_oi和Q_oi为第i台逆变器输出的有功功率和无功功率。

由以上表达式可以得到，有功功率和E_oi与E_o的相位夹角δ_i成正比，即有功功率反映了相位差的大小，无功功率反映了输出电压的幅值差。由于逆变器本身并不知道参与并联的其他逆变器的初始相位夹角δ_i，因此，通常采用调节频率来间接调节相位差。传统的无线并联控制策略采用P-ω和Q-E的下垂控制：

ω_i＝ω_r-m·P_oi              (3)

E_oi＝E_r-n·Q_oi               (4)

式中，ω_i和E_oi是第i台逆变器参考电压的频率和幅值，ω_r和E_r是逆变器的额定输出频率和额定输出电压幅值，m，n是频率和幅值的下垂系数。

对于400Hz大功率逆变器而言，为了保证高质量的输出电压，对其采用单电压环的谐振控制器，它会导致逆变器的内阻几乎为零，而大功率应用场合，增加输出端串联电感的阻值会导致输出电压质量变差，而且使得逆变器的体积变大，重量增加。因此，在400Hz大功率应用场合，逆变器输出串联电感的电感值要小。又由于400Hz逆变器的开关频率较低，无线并联带来的更多影响在于相位同步的困难，因此相位差是往往功率不均分的主导因素，而传统方式的调节频率的方法，会容易引起输出频率的波动，而且在逆变器串联输出电感和内阻均比较小的情况下，调节频率往往不能完全均分由于初始相位的差异引起的功率偏差，也就是说传统下垂算法运用在400Hz大功率逆变器的并联上不能获得很好的动态性能和静态性能，同时，在负载均分效果和输出电压质量之间取折中。

逆变电源的并联运行使得整个系统的可靠性、冗余性大大提高，同时带来模块化运用的便利，因此，对并联运行的方法和系统的研究也很多，为了克服传统的下垂控制方法的一些不足，国内外做了很多相关研究，也有很多专利成果。如美国专利6356471“并联电力系统和不间断电源的动态反馈自适应控制系统和方法(Dynamic feedback adaptive control systemand method for paralleling electric power sources and an uninterruptible power supply includingsame)”，中国专利200710020964.2的“一种可并联工作的正弦波逆变器”，200720047980.6的“正弦波逆变器的并联控制装置”，200810074029.9的“一种逆变器并联控制方法及逆变器”。美国专利6356471中提出的方法只能限制输出电压幅值，不能很好解决并联中的相位同步问题，200710020964.2号专利是一种无线并联的方法，然而它的相位调节误差有50μs，适用于50Hz逆变器的并联，在400Hz逆变器的并联运行上会造成较大的环流，200720047980.6是一种依赖平均电流检测的有线并联的方法，会降低并联系统的可靠性和冗余性，200810074029.9的方法也是基于下垂理论的无线并联方法，然而它只能有限度地减小环流，并不能均分负载电流，适用于小功率场合。

发明内容

为了克服现有的下垂控制不适用于输出串联电感值和逆变器输出内阻较小的条件的不足，同时为了避免在大功率场合较好的负载均分效果造成的输出电压较大的畸变，本发明提出一种改进的无线并联的方法。该方法能够实现大功率400Hz逆变电源的并联运行时的负载均分。本发明不依赖外部通讯，每台逆变器均独立控制，可以在逆变电源输出端串联很小的电感的条件下也能获得负载均分过程的良好的动静态性能，同时，也不需要牺牲过多的输出电压质量。

本发明无线并联方法所应用的无线并联控制系统由至少一个400Hz的逆变电源模块组成，该400Hz的逆变电源模块包括有：

—逆变器；

—PWM驱动电路，用于驱动所述的逆变器；

—输出电压检测器，位于所述的逆变器的输出端上；

—负载电流检测器，位于所述的逆变器的输出端上；

—输出相位检测电路，位于公共母线端，检测公共母线上的电压输出；

—控制单元，连接前述PWM驱动电路、输出电压检测器、负载电流检测器和输出相位检测电路组成。

逆变器是整个逆变电源模块的主要部分，逆变器的输出端串联了一个并联电感，并通过一个并联开关连接到公共母线上。当并联开关合上时，逆变电源加入并联系统。控制单元是由基于数字信号处理器DSP为核心的控制电路构成的，通过运行控制算法实现控制目的。控制单元包括功率计算单元、低通滤波单元、幅值调节单元、相位调节单元、F弦值计算单元和谐振控制器单元、软件开关。上述单元模块的功能是通过数字信号处理器DSP中的软件和外围电路实现的。输出电压检测器由电压传感器、滤波电路和模/数转换电路组成，电压传感器接在逆变器的输出端，检测的信号通过滤波电路和模数转换电路之后，将检测的电压信号输送到控制单元中。负载电流检测器由电流传感器、滤波电路和模/数转换电路组成，电流传感器接在逆变器的输出端，并将检测到的负载电流输送到控制单元中。输出相位检测电路连接在公共母线端，并将检测的电压相位传送到控制单元。

本发明控制系统的结构的特点在于，各逆变电源之间没有通讯连线，通过输出端公共母线的相位检测提供并联之前的参考相位，当逆变电源加入并联系统之后，参考相位不再由公共母线检测相位提供，而是由控制单元提供相位。该结构实现了无线并联，支持热拔插，具有冗余性可靠性高的特点。

本发明提供一种对所述逆变器的无线并联控制方法，利用有功功率P的积分值对输出电压的相位调节包含多个逆变电源的并联系统中的各个逆变器的输出电压的幅值、相位，以对负载进行均分。本发明控制方法包括以下步骤：

1.采集每一台逆变电源的输出电压和负载电流，并根据输出电压和负载电流计算出逆变器输出的瞬时有功功率P和无功功率Q；

2.对每台逆变电源的有功功率P和无功功率Q值均进行数字低通滤波运算，得到滤波后的有功功率P_lpf和无功功率Q_lpf；

3.对P_lpf进行积分运算，将积分后的结果乘以系数-n，作为逆变电源输出电压的相位调节量Δδ；对Q_lpf直接乘以系数-m，得到逆变电源输出电压的幅值调节量ΔE；

4.在每台逆变电源中利用输出额定电压的相位设定值δ₀和幅值设定值E₀，分别加上上一步计算所得的相位调节值Δδ和幅值调节值ΔE，得到该逆变电源输出电压的实际相位给定值δ_ref和实际幅值给定值E_ref；

5.根据步骤d中计算的E_ref和δ_ref，在控制单元中生成参考电压信号v_ref；

6.将参考电压信号v_ref与输出电压比较，通过控制单元中的谐振控制器单元的运算之后，进行正弦脉宽调制(SPWM)，得到的电压控制量通过PWM驱动电路来控制逆变器的开关器件的开关动作。

本发明的有益效果是，可以在低开关频率、输出阻抗较小的情况下构建一个无线并联系统，动态均流性能好，可靠性高。

附图说明

图1为两台单相逆变电源并联运行的示意图；

图2为本发明在无线控制下的并联系统接线示意图；

图3为本发明无线控制并联系统中的逆变电源模块的控制方块图；

图中：

101～10N逆变电源模块，11逆变器，12输出电流检测，13输出电压检测器，14功率计算模块，15数字低通滤波器，17幅值调节单元，18相位调节单元，19正弦值计算单元，20谐振控制器，21PWM驱动电路，22控制单元，201～20N串联在逆变器输出侧的电感，301～30N输出相位检测电路。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图2所示的是并联运行的N个逆变电源101～10N的连接示意图。逆变电源之间没有通讯线，每台逆变电源的输出均通过串联电感201～20N连接到公共母线上，同时有相位检测电路301～30N连接公共母线与逆变电源。

图3为各逆变电源的功能示意图，仅以其中的逆变电源101为例进行说明，逆变电源101主要包括一逆变器11、驱动逆变器11的PWM驱动电路21、负载电流检测器12、输出电压检测器13、输出相位检测电路301和控制单元22。逆变器11的输出串联一个并联电感201并经过开关S_w1连接到公共交流母线输出上，负载电流检测器12和输出电压检测器13在逆变器输出端分别检测负载电流和输出电压，并送到控制单元22中。输出相位检测电路301在公共交流母线上，当公共交流母线上已经有其它逆变电源在工作时，它能检测母线交流电压的相位，作为逆变电源加入并联系统之间的相位参考值，送到控制单元22中的软件开关S_w2。

控制单元22为一数字信号处理器DSP，由此数字信号处理器DSP实现对逆变器的控制。数字信号处理器DSP中的功率计算模块14获取输出电流检测器12和输出电压检测器13检测的电流和电压信号，计算出三相系统的瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q。数字信号处理器DSP中，低通滤波器15对有功功率P和无功功率Q进行低通滤波计算，得到P_lpf和Q_lpf。幅值调节单元17获取Q_lpf，并根据无线并联算法计算出输出电压参考幅值E_ref。相位调节单元18获取P_lpf，并根据无线并联算法计算出输出电压参考相位δ_ref；正弦值计算单元19根据E_ref和δ_ref计算出参考电压v_ref；参考电压v_ref和输出电压检测器13检测的输出电压经过比较后，经过谐振控制器的计算，得到调节逆变器输出电压的控制信号，并送到PWM驱动电路21来驱动逆变器11。

下面结合逆变器10N为例，说明控制单元22中执行的无线并联算法：

所述的的无线并联算法，是利用有功功率P和无功功率Q对输出电压相位和幅值进行下垂调节，以得到参考电压的相位和幅值，算法如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ref}}=-m\·\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{P}_{\mathrm{lpf}}\mathrm{dt}\\ E_{\mathrm{ref}}=E_r-n\·Q_{\mathrm{lpf}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中，m为相位下垂系数，n为幅值下垂系数，δ_ref和E_ref分别为参考电压的相位和幅值，E_r是输出电压额定幅值，P_lpf和Q_lpf分别为经过低通滤波计算后的有功功率和无功功率。

实现步骤如下：

逆变器10N加入并联系统之前，开关Sw1是断开的，加入并联时，控制单元22中的软件开关Sw2连接到1的位置上，此时参考电压的相位给定时由相位检测电路30N得到，相位检测电路30N检测的是公共母线上的电压相位θ_cp，此时参考电压为E_r·cos(θ_cp)，经过数个基波周期后，逆变器10N的输出已经稳定，此时该逆变电源的输出电压的相位与公共母线电压上的相位相近，并联初始条件已经满足。将逆变电源的开关Sw1闭合使该逆变电源加入并联系统，同时，软件开关Sw2切换到2的位置上启动无线并联算法，将低通滤波器15计算出来的Q_lpf按照(5)，乘以幅值调节系数n，作为幅值调节量来修改额定输出电压幅值E_r，得到参考电压的幅值E_ref。同时将P_ref按照(5)进行积分运算后，乘以调节系数m，得到相位调节量δ_ref，实际参考电压v_ref的值在数字信号处理器DSP中计算出来，为E_refcos(ω·t+δ_ref)。

本发明控制方法的优点是每个逆变电源的控制都是独立的，不需要依赖外部通讯，大大提高了并联系统的冗余性和可靠性。相位调节的积分器的使用使得无线并联的均分效果大大提高，较小的下垂系数也能实现功率的良好均分效果，从而保证了输出电压的质量。而且并联系统的运行具有热拔插的特点。

Claims (4)

1.一种400Hz大功率逆变电源的无线并联控制方法，其特征在于：所述的控制方法利用有功功率P的积分值以及无功功率Q来调节多个逆变电源并联系统中各个逆变器的输出电压的相位和幅值，以对负载进行均分。

2.如权利要求1所述的400Hz大功率逆变电源的无线并联控制方法，其特征在于，所述的控制方法包括下列步骤：

(1)采集所述的并联系统中每一台逆变电源的输出电压和负载电流，并根据输出电压和负载电流计算出该逆变电源输出的瞬时有功功率P和无功功率Q；

(2)对每台逆变电源的有功功率P和无功功率Q值进行数字低通滤波运算，得到滤波后的有功功率P_lpf和无功功率Q_lpf；

(3)对滤波后的有功功率P_lpf进行积分运算，将积分后的结果乘以系数-n，作为逆变电源输出电压的相位调节量Δδ；对滤波后的无功功率Q_lpf乘以系数-m，得到逆变电源输出电压的幅值调节量ΔE；

(4)在每台逆变电源中利用输出额定电压的相位设定值δ₀和幅值设定值E₀，分别加上上一步计算所得的相位调节值Δδ和幅值调节值ΔE，根据无线并联计算得到该逆变电源输出电压的实际相位给定值δ_ref和实际幅值给定值E_ref；

(5)根据步骤(4)中计算的实际幅值给定值E_ref和实际相位给定值δ_ref，在控制单元中生成参考电压信号v_ref；

(6)将参考电压信号v_ref与输出电压比较，经控制单元中的谐振控制器单元的运算后，进行正弦脉宽调制(SPWM)，得到的电压控制量通过PWM驱动电路来控制逆变器的开关器件的开关动作。

3.一种应用权利要求1所述的逆变电源的无线并联控制方法的控制系统，其特征在于，所述的控制系统至少包括一个400Hz的逆变电源模块，所述的400Hz的逆变电源模块包括一逆变器(11)、一用以驱动所述逆变器的PWM驱动电路(21)、位于逆变器输出侧的串联电感(201)、位于公共母线端的输出相位检测电路(301)、位于所述的逆变器的输出端上输出电压检测器(12)、串联于所述的逆变器的输出端上的负载电流检测器(13)和控制单元(22)；逆变器(11)的输出端串联一个并联电感，并通过并联开关连接到公共母线上；控制单元由基于数字信号处理器(DSP)为核心的控制电路构成，通过运行控制算法实现控制；输出电压检测器(12)由电压传感器、滤波电路和模/数转换电路组成，电压传感器接在逆变器(11)的输出端，电压传感器检测的信号通过滤波电路和模数转换电路，将检测的电压信号输送到控制单元(22)中；负载电流检测器(13)由电流传感器、滤波电路和模/数转换电路组成，电流传感器接在逆变器的输出端，将检测到的负载电流输送到控制单元(22)中；输出相位检测电路(301)连接在公共母线端，将检测的电压相位传送到控制单元(22)。

4.按照权利要求3所述的的控制系统，其特征在于，所述的控制单元(22)中，数字信号处理器DSP中的功率计算模块(14)获取输出电流检测器(12)和输出电压检测器(13)检测的电流和电压信号，计算出三相系统的瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q；数字信号处理器DSP中，低通滤波器(15)对有功功率P和无功功率Q进行低通滤波计算，得到滤波后的有功功率P_lpf和无功功率Q_lpf；数字信号处理器DSP中的幅值调节单元(17)获取滤波后的无功功率Q_lpf，计算出输出电压参考幅值E_ref；相位调节单元(18)获取滤波后的有功功率P_lpf后，计算出输出电压参考相位δ_ref；正弦值计算单元19根据实际幅值给定值E_ref和实际相位给定值δ_ref计算出参考电压v_ref；参考电压v_ref和输出电压检测器(13)检测的输出电压经过比较后，经过谐振控制器的计算，得到调节逆变器输出电压的控制信号，并送到PWM驱动电路(21)来驱动逆变器(11)。

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