CN102368618B - 基于下垂特性控制的三相大功率中频电源并联方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于下垂特性控制的三相大功率中频电源并联方法，电源在单机运行时，利用数字化控制器模块对输出波形进行瞬时跟踪，保证波形输出质量；当确定切入并联系统时，电源的数字锁相环首先捕捉交流母线的公共信号，计算交流母线信号与自身输出信号的相位差，控制自身输出，使两者相位差保持在设定范围；同时采集有功无功数值，当相位差满足要求时立即切入下垂控制，将电源切入并联系统；本发明还公开了实现上述方法的系统，包括数字化控制器模块，逆变电路，LC滤波器模块，数字锁相环模块，有功无功采集模块，下垂控制模块。本发明基于下垂特性实现，有很好的电流均分效果，结构简单，能够有效提高并联系统的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明属于逆变器并联控制技术领域，特别涉及基于下垂特性控制的三相大功率中频电源并联方法及系统。
背景技术
并联供电与集中式供电技术相比具有很多优势：(1)易于组成更大容量的供电系统；(2)易于实现模块化设计，系统可以根据负载状态来确定启动电源的数量，利于降低供电系统的功耗，优化配置资源；(3)易于冗余设计，提高系统的可靠性；(4)维护便捷，其中一台出现故障时，可立即脱离系统，其余电源仍可照常使用。基于这些优点，近年来逆变器并联控制技术发展迅速，常见的并联控制技术分为两大类：有互联线并联技术和无互联线并联技术。有互联并联技术能够跟踪负载的平均电流，通过电压电流双环控制可以取得非常好的均流效果，但是这种并联控制技术依赖额外的通讯功能，因此反应速度、通信距离受到严格限制，可靠性低，冗余性差。而无互联并联技术不依赖通信功能，不需要增加额外电路，可以真正做到冗余设计，可靠性极大提高。
近年来，国内对工频50Hz领域尤其是UPS并联的研究非常多，但是中频领域(400Hz)的三相大功率电源并联研究较少，究其原因在于400Hz控制器设计相对困难，原因如下：(1)在相同开关频率下，400Hz电压脉冲个数是50Hz的1/8，而且受大功率电源功率器件开关速度的限制，开关频率不能设计的太高，这样就会导致400Hz输出电压的谐波含量增加，稳定速度变慢，控制器设计难度增加；(2)对于50Hz系统，三次五次谐波都在300Hz以下，距离LC滤波器截止频率都较远，因此可以将控制器的增益设计的非常高，波形质量很理想；而对于400Hz系统，三次谐波为1.2KHz，五次谐波为2KHz，与LC截止频率非常接近，因此控制器设计就相对复杂，如果要提高控制器增益，需要设计复杂的陷波器、FIR等，否则系统很容易振荡；而采样环节为纯滞后环节，它对400Hz系统的影响相对更大；(3)并联状况下，相同开关频率的间隔对应的相位，400Hz系统是50Hz系统的8倍，很容易出现短路，因此并联控制更加困难。
发明内容
本发明的目的在于设计基于下垂特性的并联方法及系统，实现大功率的中频电源的并联运行,该并联系统采用模块化设计，结构简单，稳定性高，能够减小并联瞬间的环流冲击，实现无互联并联系统的持续可靠运行。
本发明为实现上述目的，本发明提供了一种基于下垂特性控制的三相大功率中频电源并联方法，电源在单机运行时，利用数字化控制器模块101对输出波形进行瞬时跟踪，保证波形输出质量；当确定切入并联系统时，电源的数字锁相环首先捕捉交流母线的公共信号，计算交流母线信号与自身输出信号的相位差，控制自身输出，使两者相位差保持在设定范围；同时采集有功无功数值，当相位差满足要求时立即切入下垂控制，将电源切入并联系统。
所述数字化控制器模块对输出波形进行瞬时跟踪从而保证波形输出质量的实现方法为：电源在投入并联前，根据自身设置的电压值和频率值确定数字化控制器模块101的给定值Uref；随后电源自身输出的电压值Ua-c与给定值Uref比较到误差信号e(t)，误差信号送入数字化控制器模块101进行计算得到单极性SPWM脉冲驱动信号，此信号送入逆变模块102，其输出送入变压器的原边；
所述LC滤波器模块103的L由变压器的漏感实现，LC滤波器模块103一方面将SPWM信号隔离变压，另一方面将变压器原边的SPWM信号进行低通滤波得到纯净的正弦波形；此时，电源自身输出与交流母线是隔离的。
当确定切入并联系统时，电源的数字锁相环首先捕捉交流母线的公共信号，计算交流母线信号与自身输出信号的相位差，控制自身输出，使两者相位差保持在设定范围，其实现方法为：在并联前的电源自身输出的同时，利用数字锁相环模块104捕捉交流母线的电压信号及自身输出的电压信号，其中交流母线电压信号作为给定信号，电源自身输出作为反馈信号，计算两者之间的相位误差 
，送入数字锁相环模块104，得到与交流母线同频率的相位重合的控制信号
，送入数字化控制器模块101，经过控制作用使电源自身输出与交流母线信号频率和相位基本重合，误差控制在一定范围内。
当电源得到并联指令，并且电源自身输出与交流母线信号频率和相位误差满足规定要求时，电源自身输出与交流母线接合，同时立即切换到下垂控制模块，数字锁相环模块104失效；此时，电源切入并联系统瞬间造成的瞬时环流最小，从而使并联满足前提条件，同时下垂控制模块106一直起作用，下垂控制模块106利用一定的控制率输入到数字化控制器模块101，最终实现并联系统之间的均流；当并联系统中的电源得到退出指令时，电源首先断开电源自身输出与交流母线，随后停止自身的输出，电源成功退出并联系统。
所述下垂控制模块106的控制率采用
，
。
本发明还提供了一种实现上述方法的基于下垂特性控制的三相大功率中频电源并联系统，该系统包括：
数字化控制器模块101，用于对并联的电源电压电流等波形的控制；
逆变电路102，用于逆变环节；
LC滤波器模块103，用于低通滤波，滤除变压器原边SPWM信号中的高频成分，使输出波形纯净；
数字锁相环模块104，用于在并联前电源对交流母线信号的相位锁定，为电源在并联切入系统前跟踪交流母线信号，并使输出信号与交流母线相位重合，从而减少切换时的环流冲击
有功无功采集模块105，用于对基波的有功无功采集，将采样模块输出的电压电流信号经过运算得到当前电源输出的有功功率和无功功率
下垂控制模块106，用于为锁相成功并联后的电流均分控制，根据有功无功采集模块输出的有功功率和无功功率值进行下垂；
交流接触器107，用于将电源接入和脱离交流母线；
切换模块108，用于切换下垂控制模块106和数字锁相环模块104；
投入并联前的电源电压电流等信号输入数字化控制器模块（101）；数字化控制器模块101的输出接入逆变电路102；逆变电路102的输出接入LC滤波器模块103的输入即输出变压器的原边；LC滤波器模块103的输出通过交流接触器107连接到交流母线上；数字化锁相环模块104的输入一端接电源自身输出，另一端接交流母线，输出接入切换模块108；切换模块108的另一输入为有功下垂控制模块106的输出，用于改变自身输出的频率值；有功无功采集模块105采集LC滤波器模块103输出的电压电流信号进行有功功率和无功功率的计算；有功无功采集模块105的输出接入下垂控制模块106用于实时下垂控制；下垂控制模块106控制结果送入数字化控制器模块101；各个模块组合形成闭环系统。
所述数字化控制器模块101包括采样模块、控制模块、SPWM波形产生模块；采样模块用于采集投入并联前的电源电压电流等信号；控制模块用于将反馈信号与给定信号比较得到的误差信号进行PID运算； SPWM波形产生模块则将PID运算结果转换为SPWM信号。
逆变电路102包括驱动电路及IGBT逆变；驱动电路用于将数字化控制器模块产生的SPWM信号进行电平变换，从而驱动IGBT；IGBT逆变则产生三相SPWM波形，送到变压器的原边。
该系统还包括主从识别电路，用于使并联系统中的电源能够自动识别自身的标识，从而使并联系统正常有序启动或停止。
本发明具有一下优点：
(1) 适用于三相大功率中频及工频电源并联；
(2) 在并联切换前，进行数字锁相，极大减少并联前系统环流；
(3) 采用主从自动识别系统，能够根据上电顺序自动识别，不需要人工干预；
(4) 能够实现智能管理，系统根据负载状况自动启动或停止电源，节能环保。
附图说明
图1为本发明的工作原理框图。
图2为数字锁相环结构图。
图3为数字锁相环中捕捉环节的电路实现图。
图4为锁相原理图。
图5为电源并联瞬态电压电流波形。
图6为电源并联稳态电压电流波形。
其中：101、数字化控制器模块，102、全桥逆变电路，103、LC滤波器模块，104、数字锁相环模块，105、有功无功采集模块，106、下垂控制模块，107、交流接触器，108、切换模块。
具体实施方式
本发明提出的基于下垂特性的三相大功率中频电源并联系统的具体实现如下。
本发明的原理框图如图1所示。本发明包括数字化控制器模块101，逆变电路102，主从识别电路，LC滤波器模块103，数字锁相环模块104，有功无功采集模块105，下垂控制模块106。
本发明的整体结构为：数字化控制器模块101的输出接入逆变电路102；逆变电路102的输出接入LC滤波器模块103的输入即输出变压器的原边；LC滤波器模块103的输出通过交流接触器107连接到交流母线上；数字化锁相环模块104的输入一端接电源自身输出，另一端接交流母线，输出接入切换模块108；切换模块108的另一输入为有功下垂的输出，用于改变自身输出的频率值；有功无功采集模块105采集LC滤波器模块103输出的电压电流信号进行有功功率和无功功率的计算；有功无功采集模块105的输出接入下垂控制模块106用于实时下垂控制；下垂控制模块106控制结果接入数字化控制器模块101；各个模块组合形成闭环系统，保证系统稳定运行。
数字化控制器模块包括采样模块、控制模块、SPWM波形产生模块；采样模块用于采集投入并联前的电源电压电流等信号；控制模块用于将反馈信号与给定信号比较得到的误差信号进行PID运算； SPWM波形产生模块则将PID运算结果转换为SPWM信号。逆变电路包括驱动电路及IGBT逆变；驱动电路用于将数字化控制器模块产生的SPWM信号进行电平变换，从而驱动IGBT；IGBT逆变则产生三相SPWM波形，送到变压器的原边。LC滤波器模块中的L为变压器的漏感，与C组成低通滤波电路，用于滤除变压器原边SPWM信号中的高频成分，使输出波形纯净。主从识别电路使并联系统中的电源能够自动识别自身的标识，从而使并联系统正常有序启动停止。数字锁相环模块作用为电源在并联切入系统前跟踪交流母线信号，并使输出信号与交流母线相位重合，从而减少切换时的环流冲击。有功无功采集模块用于将采样模块输出的电压电流信号经过运算得到当前电源输出的有功功率和无功功率。下垂控制模块则根据有功无功采集模块输出的有功功率和无功功率值进行下垂，公式为
，
。
本发明的具体工作步骤为：电源在投入并联前，根据自身设置的电压值和频率值确定数字化控制器模块101的给定值Uref；随后电源自身输出的电压值Ua-c与给定值Uref比较到误差信号e(t)，误差信号送入数字化控制器模块101进行计算得到单极性SPWM脉冲驱动信号，此信号送入逆变模块102，其输出送入变压器的原边；由于L由变压器的漏感实现，因此LC滤波器模块103一方面将SPWM信号隔离变压，另一方面将变压器原边的SPWM信号进行低通滤波得到纯净的正弦波形。此时，电源的交流接触器107并不闭合，电源自身输出与交流母线是隔离的。
在并联前的电源自身输出的同时，利用数字锁相环模块104捕捉交流母线的电压信号及自身输出的电压信号，其中交流母线电压信号作为给定信号，电源自身输出作为反馈信号，计算两者之间的相位误差
，
送入数字锁相环模块104，得到与交流母线同频率的相位重合的控制信号，送入数字化控制器模块101，经过控制作用使电源自身输出与交流母线信号频率和相位基本重合，误差控制在一定范围内。
在电源自身输出的同时，数字锁相环模块104的相位捕捉模块捕捉交流母线的电压信号及自身输出的电压信号，其中交流母线电压信号作为给定信号，电源自身输出作为反馈信号，计算两者之间的相位误差
，送入数字锁相环模块（104），得到与交流母线同频率的相位重合的控制信号
，送入数字化控制器模块101，经过控制作用使电源自身输出与交流母线信号频率和相位基本重合，误差控制在一定范围内。数字化锁相环104的内部结构如图2所示，相位捕捉模块的电路实现如图3所示，锁相原理如图4所示。
另外，随着电源自身的输出，有功无功计算模块105实时计算电源自身输出的有功功率和无功功率值，随时准备切入下垂控制。
电源在单机运行时，利用数字化控制器模块对输出波形进行瞬时跟踪，保证波形输出质量。当确定切入并联系统时，电源的数字锁相环首先捕捉交流母线的公共信号，计算交流母线信号与自身输出信号的相位差，控制自身输出，使两者相位差保持在设定范围，同时采集有功无功数值，当相位差满足要求时立即将电源切入并联系统，同时有功无功下垂模块使能，进行下垂控制。
电源得到并联指令，并且电源自身输出与交流母线信号频率和相位误差满足规定要求时，输出交流接触器107立即闭合，同时切换模块108立即切换到有功下垂模块，数字锁相环模块104失效。此时，电源切入并联系统瞬间造成的瞬时环流最小，从而使并联满足前提条件，同时下垂控制模块106一直起作用，利用
，
控制率最终实现并联系统之间的均流，并联成功。
当并联系统中的电源得到退出指令时，电源首先断开交流接触器107，随后停止自身的输出，电源成功退出并联系统。如要再次切入并联系统，重复上述步骤。
本发明已经在两台180kVA(115V/400Hz)三相中频电源组成的并联系统中得到验证。该并联系统的CPU为ALTERA公司的CycloneIII系列FPGA，电流互感器为霍尔器件，响应时间小于3us，IGBT为西门康模块SKM400GA128D。两台180kVA电源并联瞬间的电压电流波形如图5所示，其中电源1首先启动带载，电源2随后启动切入，与电源1并联运行带载。图中u1为电源1输出电压，i1为电源1输出电流，u2为电源2输出电压，i2为电源2输出电流。从图中可以看出，在切换瞬间，系统仍然存在环流，但是环流的幅值很小，能够满足要求，切换后经过大约30ms调节，环流逐步减小，系统实现稳定。
图6所示为两台180kVA电源并联后稳态运行时的电压电流波形，图中u1为电源1输出电压， i1为电源1输出电流，u2为电源2输出电压，i2为电源2输出电流。从图中可以看出稳态时的环流很小，均流精度满足设计要求。
目前利用本发明组成的基于下垂特性控制的三相大功率中频电源并联系统已经实现4台(包含小于4台)电源并联的产品化，经过严格的测试证明利用该发明的并联系统具有良好的并联运行特性。
虽然本发明以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明， 在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于下垂特性控制的三相大功率中频电源并联方法，其特征在于：电源在单机运行时，利用数字化控制器模块（101）对输出波形进行瞬时跟踪，保证波形输出质量；当确定切入并联系统时，电源的数字锁相环首先捕捉交流母线的公共信号，计算交流母线信号与自身输出信号的相位差，控制自身输出，使两者相位差保持在设定范围；同时采集有功无功数值，当相位差满足要求时立即切入下垂控制，将电源切入并联系统。
2.根据权利要求1所述的基于下垂特性控制的三相大功率中频电源并联方法，其特征在于：所述数字化控制器模块对输出波形进行瞬时跟踪从而保证波形输出质量的实现方法为：电源在投入并联前，根据自身设置的电压值和频率值确定数字化控制器模块（101）的给定值Uref；随后电源自身输出的电压值Ua-c与给定值Uref比较到误差信号e(t)，误差信号送入数字化控制器模块(101)进行计算得到单极性SPWM脉冲驱动信号，此信号送入逆变模块（102），其输出送入变压器的原边。
3.根据权利要求2所述的基于下垂特性控制的三相大功率中频电源并联方法，其特征在于：所述变压器的原边，即LC滤波器模块（103）的输入端；LC滤波器模块（103）的L由变压器的漏感实现，LC滤波器模块（103）一方面将SPWM信号隔离变压，另一方面将变压器原边的SPWM信号进行低通滤波得到纯净的正弦波形；此时，电源自身输出与交流母线是隔离的。
4.根据权利要求1或2所述的基于下垂特性控制的三相大功率中频电源并联方法，其特征在于：当确定切入并联系统时，电源的数字锁相环首先捕捉交流母线的公共信号，计算交流母线信号与自身输出信号的相位差，控制自身输出，使两者相位差保持在设定范围，其实现方法为：在并联前的电源自身输出的同时，利用数字锁相环模块（104）捕捉交流母线的电压信号及自身输出的电压信号，其中交流母线电压信号作为给定信号，电源自身输出作为反馈信号，计算两者之间的相位误差 ，
送入数字锁相环模块（104），得到与交流母线同频率的相位重合的控制信号
，送入数字化控制器模块（101），经过控制作用使电源自身输出与交流母线信号频率和相位基本重合，误差控制在一定范围内。
5.根据权利要求4所述的基于下垂特性控制的三相大功率中频电源并联方法，其特征在于：当电源得到并联指令，并且电源自身输出与交流母线信号频率和相位误差满足规定要求时，电源自身输出与交流母线接合，同时立即切换到下垂控制模块，数字锁相环模块（104）失效；此时，电源切入并联系统瞬间造成的瞬时环流最小，从而使并联满足前提条件，同时下垂控制模块（106）一直起作用，下垂控制模块（106）利用一定的控制率输入到数字化控制器模块（101），最终实现并联系统之间的均流；当并联系统中的电源得到退出指令时，电源首先断开电源自身输出与交流母线，随后停止自身的输出，电源成功退出并联系统。
6.一种实现权利要求1所述方法的基于下垂特性控制的三相大功率中频电源并联系统，其特征在于：该系统包括：
数字化控制器模块（101），用于对并联的电源电压电流波形的控制；
逆变电路（102），用于逆变环节；
LC滤波器模块（103），用于低通滤波，滤除变压器原边SPWM信号中的高频成分，使输出波形纯净；
数字锁相环模块（104），用于在并联前电源对交流母线信号的相位锁定，为电源在并联切入系统前跟踪交流母线信号，并使输出信号与交流母线相位重合，从而减少切换时的环流冲击；
有功无功采集模块（105），用于对基波的有功无功采集，将采样模块输出的电压电流信号经过运算得到当前电源输出的有功功率和无功功率；
下垂控制模块（106），用于为锁相成功并联后的电流均分控制，根据有功无功采集模块输出的有功功率和无功功率值进行下垂控制；
交流接触器（107），用于将电源接入和脱离交流母线；
切换模块（108），用于切换下垂控制模块（106）和数字锁相环模块（104）；
投入并联前的电源电压电流信号输入数字化控制器模块（101）；数字化控制器模块（101）的输出接入逆变电路（102）；逆变电路（102）的输出接入LC滤波器模块（103）的输入即输出变压器的原边；LC滤波器模块（103）的输出通过交流接触器（107）连接到交流母线上；数字化锁相环模块（104）的输入一端接电源自身输出，另一端接交流母线，输出接入切换模块（108）；切换模块（108）的另一输入为有功下垂控制模块（106）的输出，用于改变自身输出的频率值；有功无功采集模块（105）采集LC滤波器模块（103）输出的电压电流信号进行有功功率和无功功率的计算；有功无功采集模块（105）的输出接入下垂控制模块（106）用于实时下垂控制；下垂控制模块（106）控制结果送入数字化控制器模块（101）；各个模块组合形成闭环系统。
7.根据权利要求6所述的基于下垂特性控制的三相大功率中频电源并联系统，其特征在于：所述数字化控制器模块（101）包括采样模块、控制模块、SPWM波形产生模块；采样模块用于采集投入并联前的电源电压电流信号；控制模块用于将反馈信号与给定信号比较得到的误差信号进行PID运算； SPWM波形产生模块则将PID运算结果转换为SPWM信号。
8.根据权利要求6或7所述的基于下垂特性控制的三相大功率中频电源并联系统，其特征在于：逆变电路（102）包括驱动电路及IGBT逆变；驱动电路用于将数字化控制器模块产生的SPWM信号进行电平变换，从而驱动IGBT；IGBT逆变则产生三相SPWM波形，送到变压器的原边。
9.根据权利要求6或7所述的基于下垂特性控制的三相大功率中频电源并联系统，其特征在于：该系统还包括主从识别电路，用于使并联系统中的电源能够自动识别自身的标识，从而使并联系统正常有序启动或停止。
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| Title |
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| 无互联线逆变器并联系统中数字锁相环的设计;阚加荣, 谢少军;《电力电子技术》;20070430;第41卷(第4期);第37-38页 * |
| 阚加荣, 谢少军.无互联线逆变器并联系统中数字锁相环的设计.《电力电子技术》.2007,第41卷(第4期),37-38页. |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102368618A (zh) | 2012-03-07 |
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