CN102035416A - 一种输入串联输出串联高频链逆变器功率均分控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种输入串联输出串联高频链逆变器功率均分控制方法，属于电力电子领域的高频逆变器方向，适用于输入和输出均为高压的场合。本发明主要是针对组成输入串联输出串联系统的各个逆变器模块，采用输出电压交叉反馈的控制方法，每个逆变器模块的控制器采用无差调节的控制方式，如比例谐振控制，使各个逆变器模块输出电压均等，从而实现了各个逆变器模块之间的功率均分。整个系统的输出电压vo为各个模块的输出电压之和，符合逆变器设计的要求。整个逆变器系统的控制方法设计合理，能在简单的控制方式下实现各个模块之间的功率均分，稳定性好且可靠性高，具有良好的应用前景。

Description

一种输入串联输出串联高频链逆变器功率均分控制方法
技术领域
本发明提供了一种输入串联输出串联高频链逆变器功率均分控制方法，属于电力电子领域的组合式高频逆变器方向。
背景技术
对于用在高压输入高压输出场合的逆变器，功率器件所承受的高压问题仍然是我们所面临的挑战，因为能够承受如此高电压的功率器件是十分有限的，而且成本非常高，因此，通过选择正确的拓扑结构来降低功率器件所承受的电压是十分必要的。在输入输出均为高压的场合，将n个逆变器模块输入端串联输出端串联(Input-Series Output-Series，ISOS)，可以有效的降低功率器件所承受的电压，那么就可以选择耐压较低、开关频率更高的功率器件，从而获得更高的功率密度和传递效率，且可以提高整个系统的性能。如果各个逆变器模块之间输入、输出电压不均分，会导致各个模块的功率器件承受的电压不一致，导致逆变器模块损坏，使整个系统可靠性降低甚至不能工作。因此，实现各个逆变器模块之间的功率均分是关键问题。对于一个逆变器系统来说，忽略储能环节及开关管的损耗等，各个模块的输出功率应该等于输入功率；由于各个模块的输入输出都是串联的，所以各个模块的输入电流和各个模块的输出电流分别相等，根据公式P＝U*I(功率＝电压*电流)，所以实现了输入或输出电压均分即可实现各个逆变器模块之间的功率均分。
IEEE Trans.on Power Electronics【电力电子期刊】于2010年第25期发表了Control Strategy to Achieve Input and Output Voltage Sharing for Input-Series-Output-Series-Connected Inverter Systems【输入串联输出串联型逆变器系统实现输入输出电压均分的控制策略】一文，提出了一种实现功率均分的方法。该方法针对具有直流母线高频链逆变器系统，采用三环控制的方式：给定电压与输出电压的反馈做PI运算，作为输出电压外环；输入电压的1/n作为每个模块输入电压的给定，与每个模块的输入电压作PI运算，每个调节器的输出作为每个模块的均压环；对于各个模块来说，输出电压外环的值与各个模块的均压环值的乘积，作为各个模块的电流环的给定；各个模块电流环进行滞环控制，输出的值去控制本模块开关管的导通关断。该方法通过实现各个模块输入电压均分，从而实现各个模块的功率均分。然而，这种方法还是有不足之处：
(1)系统的控制方法采用三环控制方式，控制方法比较复杂；
(2)系统需要大量的电压电流传感器，当模块数增加时，成本也相应的增加；如果输入或者输出电压过高，对电压采样传感器要求也增加了。
发明内容
为了克服上述的输入串联输出串联逆变器系统控制方法的不足之处，本发明提出的一种输入串联输出串联高频链逆变器功率均分控制方法，包括n个高频链逆变器模块输入串联输出串联的电路，其特征在于采用输出电压交叉反馈控制方式，使各个逆变器模块输出电压均分，从而实现各个模块之间功率均分，主要包括以下内容：n模块的输入串联输出串联型逆变器系统，输出电压vo的给定为vref，各个模块的输出电压采样为vof1…vofj…vofn；对于任一逆变器模块j，该模块的电压环给定为
Figure BSA00000383656700021
其他所有逆变器模块的输出电压采样之和即
Figure BSA00000383656700022
作为该模块的反馈，电压调节器采用无差调节的方式，如比例谐振控制，使反馈无差地跟踪电压环给定，电压调节器输出的值voutj作为调制波产生PWM信号，控制逆变器j；整个逆变器系统采用输出电压交叉反馈的控制方式，使各个逆变器模块输出电压相等，从而可以实现各个逆变器模块之间的功率均分；n个逆变器模块的输出电压之和为整个系统的输出电压vo，符合逆变器系统设计的要求。
所述的一种输入串联输出串联组合式高频链逆变器输出均压控制方法，其特征在于每个逆变器模块是高频隔离式逆变器，包括具有高频隔离式DC-DC(直流变直流)环节的逆变器和具有高频脉冲交流环节的逆变器：具有高频隔离式DC-DC环节的逆变器的前级可以是正激、反激、全桥、半桥等结构的DC-DC环节，后级可以是全桥、半桥等结构DC-AC(直流变交流)的逆变环节；具有高频脉冲交流环节的逆变器前级可以是全桥、半桥、推挽等结构DC-AC的高频逆变环节，中间插入高频变压器进行隔离变压，后级为周波变换器。
在输入串联输出串联型高频链逆变器系统中采用输出电压交叉反馈控制的方法，除了能实现各个模块之间的功率均分，还具有以下的优点：
(1)控制方式简单可靠、易于实现；
(2)只需要采样各个模块的输出电压，因此使用成本也大大降低，同时对传感器要求也比较低。
整个逆变器系统的控制方法设计合理，能在简单的控制方式下实现各个模块之间的功率均分，稳定性好且可靠性高，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是n模块输入串联输出串联高频链逆变器系统控制方法的实现装置示意图
图2是n模块输入串联输出串联型高频链逆变器的输出电压交叉反馈控制方法示意图
图3是n模块具有高频脉冲交流环节的输入串联输出串联型高频链逆变器主电路示意图
图4是n模块具有高频隔离式DC-DC环节的输入串联输出串联型逆变器主电路示意图
图5是三模块具有高频脉冲交流环节的全桥全桥型逆变器主电路示意图
图6是三模块前级双管正激后级全桥型的高频链逆变器主电路示意图
图7是三模块输入串联输出串联型高频链逆变器的交叉反馈控制方法示意图
上述图中的主要符号名称：vref为整个逆变器系统的输出电压给定；n为整个逆变器系统的模块数；vo1、vo2，…，von为各个逆变器模块的输出电压；vof1、vof2，…，vofn为各个逆变器模块的输出电压采样；GV1，…，GVj，…，GVn为各个模块的电压控制器，属于无差调节器，如比例谐振控制器；vout1，…，voutj，…，voutn为各个模块的电压控制器输出；PWM1，…，PWMj，…，PWMn为各个模块PWM调制部分；高压直流输入为vin；各个逆变器模块输入并接的电容为Cd1，Cd2，…，Cdn；各个逆变器模块的输入电压分别为vcd1，vcd2，…，vcdn；各个模块的输出滤波电感为Lf1、Lf2，…，Lfn；各个模块的输出滤波电容为Cf1，Cf2，…，Cfn；将各个模块滤波后的输出电压进行串联，得到系统的输出电压vO。
具体实施方式：
该控制方法的实现装置由控制器、主电路和采样电路组成。在图1中，所述控制器以PWM产生电路以及驱动电路为核心；所述的主电路，主要由高压输入、高频隔离式DC-AC逆变器、滤波电感、电容及负载组成；所述的采样电路由霍尔式电压传感器和调理电路组成。
为了实现各个模块的功率均分的目的，采用输出电压交叉反馈的控制方式。在图2中，对于输出电压给定为vref的n模块逆变器系统，各个模块的电压环给定为
Figure BSA00000383656700031
系统总的输出电压为vo，各个模块的输出电压为vo1、vo2，…，von。对于模块1来说，其他模块的输出电压采样之和即
Figure BSA00000383656700032
作为模块1的反馈量，与模块1的电压环给定
Figure BSA00000383656700033
进行无差运算，Gv1为模块1的控制器。对于模块1来说，为了实现
Figure BSA00000383656700034
控制器采用无差控制方式，如比例谐振控制，模块1的控制器输出vout1作为调制波，产生的PWM信号控制模块1；同理，对于任一模块j，其他模块的输出电压采样之和即
Figure BSA00000383656700035
作为模块j的反馈量，与模块j的电压环给定
Figure BSA00000383656700036
进行无差运算，Gvj为模块j的控制器，控制器采用如比例谐振控制的无差控制方式，实现
Figure BSA00000383656700037
模块j的控制器输出Voutj作为调制信号，得到的PWM信号控制模块j。
通过采用输出电压交叉反馈的方式，实现
Figure BSA00000383656700038
即可以得到
Figure BSA00000383656700039
从而实现了各个模块的输出电压均分。由于各个模块的输出是串联的，所以各个模块的输出电流相等，因此各个模块的输出功率均等，从而实现了各个模块的功率均分。由于各个逆变器模块的输出串联，整个系统的输出电压vo＝vo1+vo2+…+von，所以各个模块的输出电压采样之和可以认为是系统输出电压采样，由于各个模块的输出电压采样之和能无差地跟随输出电压给定，即vof1+vof2+…+vofn＝vref，可以认为整个逆变器的输出电压采样能跟踪输出电压给定，故整个逆变器系统的输出电压vo符合设计要求。
每个逆变器模块是高频隔离式逆变器，包括具有高频隔离式DC-DC环节的逆变器和具有高频脉冲交流环节的逆变器。在图3中，每个逆变器模块是具有高频脉冲交流环节的逆变器，输入的直流电压通过高频逆变器器后输出高频脉冲电压，通过变压器进行隔离变压，变压器输出的高频脉冲通过周波变换器进行调频，LC滤波电路滤除高次谐波。其中，高频逆变器可以是全桥、半桥、推挽等结构DC-AC的高频逆变环节，周波变换器可以采用全桥、全波等结构。在图4中，每个逆变器模块是具有高频隔离式DC-DC环节的逆变器，输入的直流电压通过高频隔离式DC-DC变换器输出隔离的直流电压，逆变器环节将隔离的直流电压逆变成交流电压，LC滤波电路滤除高次谐波。其中，高频隔离式DC-DC变换器部分可以是正激、反激、全桥、半桥等结构的变换器，逆变器环节可以是全桥、半桥等结构DC-AC的逆变环节。
采用图2所示的一种输入串联输出串联组合式高频链逆变器功率均分控制方法，具体应用于三模块的输入串联输出串联组合式高频链逆变器的典型控制电路及其控制方法如图5、图6和图7所示。其中，图5是三模块具有高频脉冲交流环节的全桥全桥型逆变器输入串联输出串联的主电路；图6是三模块具有高频隔离式DC-DC环节的逆变器输入串联输出串联的主电路，其中，前级是采用双管正激结构的高频隔离式DC-DC变换器部分，后级是采用全桥结构的逆变器。
三模块输入串联输出串联型高频链逆变器的交叉反馈控制方法如图7所示，系统的输出电压vo的给定为vref，vof1、vof2、vof3分别为各个模块的输出电压采样，Gv1、Gv2、Gv3为三个模块的电压控制器。各个模块的电压控制器均采用无差调节的方式，如比例谐振控制，控制器给定均为
Figure BSA00000383656700041
模块2和模块3的输出电压之即(vo2+vo3)作为模块1的电压控制器反馈，电压控制器1的输出vout1作为调制波，生成的PWM信号控制模块1的开关管导通关断。模块2和模块3也通过这种控制方式生成PWM信号，去控制各自模块开关管的导通关断。通过采用这种输出电压交叉反馈的方式，实现各个模块输出电压均分，实现了各个模块的功率均分；整个系统的输出电压vo＝vo1+vo2+vo3，所以各个模块的输出电压采样之和可以认为是系统输出电压采样，由于能跟随输出电压给定，即vof1+vof2+vof3＝vref，可以认为整个逆变器的输出电压采样能跟踪输出电压给定，故整个逆变器系统的输出电压vo符合设计要求。
以上对本发明所提供的输入串联输出串联组合式高频链逆变器输出均压控制方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明提供控制方法进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种输入串联输出串联高频链逆变器功率均分控制方法，包括n个逆变器模块输入串联输出串联的电路，其特征在采用输出电压交叉反馈控制方式，通过实现各个逆变器模块输出电压均分达到实现功率均分的目的，主要采取以下方式：n模块的输入串联输出串联型逆变器系统，输出电压给定为vref，各个模块的输出电压采样为vof1…vofj…vofn；对于任一逆变器模块j，该模块的电压环给定为
Figure FSA00000383656600011
其他所有逆变器模块的输出电压采样之和即
Figure FSA00000383656600012
作为该模块的反馈，控制器采用无差调节的方式，如比例谐振控制，使反馈无差地跟随电压环给定，电压调节器输出的值voutj作为调制波产生PWM信号，控制逆变器j；整个逆变器系统采用输出电压交叉反馈的控制方式，使各个逆变器模块输出电压相等，从而可以实现各个逆变器模块之间的功率均分；n个逆变器模块的输出电压之和为整个系统的输出电压vo，符合逆变器系统设计的要求。
2.根据权利要求书1所述的一种输入串联输出串联高频链逆变器的功率均分控制方法，其特征在于每个逆变器模块是高频隔离式逆变器，包括具有隔离式DC-DC(直流变直流)环节的高频链逆变器和具有高频脉冲交流环节的逆变器：具有隔离式DC-DC环节的高频链逆变器的前级可以是正激、反激、全桥、半桥等结构的高频隔离式DC-DC环节，后级可以是全桥、半桥等结构DC-AC(直流变交流)的逆变环节；具有高频脉冲交流环节的逆变器前级可以是全桥、半桥、推挽等结构DC-AC的高频逆变环节，中间插入高频变压器进行隔离变压，后级为周波变换器。
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