CN102638045A - 具有负载自适应功能的模块式并联逆变系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有负载自适应功能的模块式并联逆变系统及其控制方法，直流电由配电模块输入，再输出至各逆变功率模块的直流输入端，各逆变功率模块将输入的直流电逆变为交流电后，送入逆变监控模块，再由配电模块向用户输出交流电；方法为如果允许使用负载自适应功能，则向第1逆变功率模块发出允许并机输出信号；当总负载电流增大且大于第2逆变功率模块的切入电流I20时，向第2逆变功率模块发出允许并机输出信号；针对所有逆变功率模块计算出允许并机输出的逆变功率模块数量m；向各逆变功率模块发出均流指令I/m。本发明自动控制逆变功率模块的投入数量，保证各逆变功率模块工作在高效工况下，提高逆变系统的整体工作效率，带载能力强。

Description

具有负载自适应功能的模块式并联逆变系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种电力电子领域中的逆变技术，具体的说是一种具有负载自适应功能的模块式并联逆变系统及控制方法。
背景技术
目前模块式并联逆变设备多针对固定用电负载设计，运行时所有逆变功率模块全部处于工作状态并均分负载，无法进行合理调节，并且逆变功率模块内的变压器前置设置，其产生的谐波较大，电磁干扰大，带载能力和隔离性能也较差，因此模块式并联逆变设备的使用受到限制。又由于逆变设备在轻载时效率较低，因而使用这类并联逆变设备供给随机性和时变性很强的生活用电负载时，逆变系统的整体工作效率较低。
发明内容
针对现有技术中逆变系统存在的整体工作效率较低等不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种能够根据负载情况自动控制逆变功率模块的投入数量、提高逆变系统整体工作效率的具有负载自适应功能的模块式并联逆变系统及控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明具有负载自适应功能的模块式并联逆变系统包括配电模块、逆变监控模块和多个逆变功率模块，直流电由配电模块输入，再输出至各逆变功率模块的直流输入端，各逆变功率模块将输入的直流电逆变为标准交流电后，送入逆变监控模块，再由配电模块向用户输出交流电。
所述逆变监控模块包括第1断路器和设于第1断路器进线端的电流互感器、第2断路器以及控制单元，其中控制单元通过第2断路器连接工作电源，控制单元接收电流监测电路中电流互感器的检测信号，控制单元的输出端接有显示屏，控制单元通过串口与逆变功率模块进行通讯连接。
所述逆变功率模块包括单相全桥逆变电路、升压滤波电路、主控电路和驱动电路，其中单相全桥逆变电路接收经过配电模块配置的直流电进行逆变后经升压滤波电路输出交流电；主控电路通过滤波电容接收由配电模块配置的直流电，通过电流互感器接收电流信号，输出驱动控制信号至驱动电路，驱动电路的输出端接至单相全桥逆变电路的驱动信号输入端。
所述单相全桥逆变电路具有两个并行设置的IGBT开关器件。
所述升压滤波电路包括由第1电感和并联连接的第1、2电容构成的滤波电路以及由变压器构成的升压电路；变压器原边与第1、2电容连接，副边经第2电感通过继电器和断路器输出交流电。
所述主控电路以数字信号控制器作为控制核心，外围电路包含电源电路、信号检测电路、IGBT驱动电路、晶振电路以及串口通信电路，其中数字信号控制器接收信号检测电路反馈的电压、电流信号和由逆变监控模块通过串口通信电路送入的同步、均流指令，通过IGBT驱动电路输出开关器件IGBT的占空比。
本发明具有负载自适应功能的模块式并联逆变系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
逆变监控模块判断用户是否禁止使用负载自适应功能；
如果允许使用负载自适应功能，则向第1逆变功率模块发出允许并机输出信号；
判断总负载电流是否增大；
当总负载电流增大且大于第2逆变功率模块的切入电流I20时，向第2逆变功率模块发出允许并机输出信号；
上述步骤针对所有逆变功率模块执行，计算出允许并机输出的逆变功率模块数量m；
向各逆变功率模块发出均流指令I/m；
返回判断总负载电流是否增大步骤。
当总负载电流增大且不大于第2逆变功率模块的切入电流I20时，转至计算出允许并机输出的逆变功率模块数量m步骤。
当总负载电流没有增大且小于第n逆变功率模块的切出电流In1时，向第n逆变功率模块发出禁止并机输出信号；
上述步骤针对所有逆变功率模块执行；
接续计算出允许并机输出的逆变功率模块数量m步骤。
当总负载电流没有增大且不小于第n逆变功率模块的切出电流In1时，转至计算出允许并机输出的逆变功率模块数量m步骤。
如果禁止使用负载自适应功能，则逆变监控模块向所有工作的逆变功率模块发送允许并机指令和均流指令；
接续计算出允许并机输出的逆变功率模块数量m步骤。
所述逆变功率模块的工作流程为：
根据测量得到的逆变功率模块输出电压Vo，按照快速PID算法调节IGBT的驱动信号；
判断逆变功率模块输出电压Vo与标准输出电压差值的绝对值是否大于第1阈值电压；
当逆变功率模块输出电压Vo与标准输出电压差值的绝对值不大于第1阈值电压时，根据精细PID算法调节IGBT的驱动信号；
判断逆变功率模块输出电压Vo与标准输出电压差值是否小于第2阈值电压；
如果小于第2阈值电压，则判断各逆变功率模块的输出是否同步；
如果同步，则判断是否允许并机；
如果允许并机，则给出并机指令吸合继电器；
测量逆变功率模块的输出电流Io，按照快速PID算法调节IGBT的驱动信号；
判断输出电流Io与均流指令I/m的绝对值差值是否大于第1阈值电流；
当输出电流Io与均流指令I/m的绝对值差值不大于第1阈值电流时，根据精细PID算法调节IGBT的驱动信号；
判断输出电流Io与均流指令I/m的绝对值差值是否小于第2阈值电流；
如果输出电流Io与均流指令I/m的绝对值差值小于，则重新返回测量输出电压步骤，循环往复执行上述过程。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明相对于现有技术，其优点在于逆变监控模块根据用户每天不同时段用电量的峰谷特性，自动控制逆变功率模块的投入数量，保证各逆变功率模块工作在高效工况下，提高逆变系统的整体工作效率。
2.本发明相对于现有技术，其优点还在于带载能力强、隔离性能好、谐波失真小、电磁干扰弱。
附图说明
图1为本发明系统电气结构框图；
图2为本发明系统中逆变功率模块电路原理图；
图3为本发明系统中逆变功率模块主控电路及驱动电路部分原理框图；
图4为本发明系统中逆变监控模块电路原理图；
图5为本发明方法中逆变监控模块控制算法流程图；
图6为本发明方法中逆变功率模块的控制算法流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明具有负载自适应功能的模块式并联逆变系统包括配电模块、逆变监控模块和多个逆变功率模块，直流电由配电模块输入，再输出至各逆变功率模块的直流输入端，各逆变功率模块将输入的直流电逆变为230V、50Hz的交流电后，送入逆变监控模块，再由配电模块向用户输出交流电。
本实施例中，配电模块和逆变监控模块为3U标准电气模块，逆变功率模块为4U标准电气模块，容量为5kVA。直流电由配电模块输入后，由直流母线送入各逆变功率模块的直流输入端；各逆变功率模块将输入的直流电逆变为230V、50Hz的交流电后，由交流母线并联送入逆变监控模块，最后再由配电模块向用户输出。本发明并联逆变的均流、同步等控制信号由逆变监控模块与各逆变功率模块间的485通信总线传递。
如图2所示，逆变功率模块包括单相全桥逆变电路、升压滤波电路、主控电路和驱动电路，其中单相全桥逆变电路接收经过配电模块配置的直流电进行逆变后经升压滤波电路输出交流电；主控电路通过滤波电容接收由配电模块配置的直流电，通过电流互感器接收电流信号，输出驱动控制信号至驱动电路，驱动电路的输出端接至单相全桥逆变电路的驱动信号输入端。
本实施例中，直流电由直流输入航插输入后，经电流互感器和第1、2电容C1、C2后，通过第2断路器与主控电路连接，为主控电路提供驱动电源，同时与第1、2开关器件IGBT1和IGBT2的第2脚、第3脚并联连接。第1、2开关器件IGBT1和IGBT2的第1脚分别与由第1电感L1、第3、4电容C3和C4构成的滤波电路两端连接，再与环形变压器原边连接。环形变压器副边与第2电感L2、继电器和第1断路器连接后，最后由交流输出航插输出交流电。电流互感器检测到的输入电流信号送入主控电路，主控电路通过驱动电路提供开关器件IGBT1和IGBT2的驱动信号SPWM1和SPWM2。电路运行异常时，主控电路发出保护信号断开继电器，切断对外输出。
如图3所示，逆变功率模块控制电路的主控电路及驱动电路以dsPIC30F数字信号控制器作为控制核心，外围电路包含电源及辅助电路、信号(电压、电流和温度等)检测电路、IGBT驱动电路、晶振电路、风扇与航空接触器驱动电路、人机接口电路和串口通信电路等。数字信号控制器根据信号检测电路反馈的电压、电流信号和由逆变监控模块通过串口通信电路送入的同步、均流指令，按照内置的控制程序，由IGBT驱动电路控制开关器件IGBT的占空比，完成对输出电压和输出电流的控制。
如图4所示，交流母线与逆变监控模块的交流输入航插连接，输入的交流电经电流互感器和第1断路器后，通过交流输出航插输出。直流电由逆变监控模块的电源航插输入，通过第2断路器驱动主控电路，液晶显示屏、串口与主控电路连接。
如图5所示(注：用户通过逆变功率模块设置负载自适应参数，包括各逆变功率模块的切入电流In0和切出电流In1，n为大于等于1的整数，是逆变模块编号)，本发明具有负载自适应功能的模块式并联逆变系统的控制方法包括以下步骤：
逆变监控模块判断用户是否禁止使用负载自适应功能；
如果允许使用负载自适应功能，则向第1逆变功率模块发出允许并机输出信号；
判断总负载电流是否增大；
当总负载电流增大且大于第2逆变功率模块的切入电流I20时，向第2逆变功率模块发出允许并机输出信号；
上述步骤针对所有逆变功率模块执行，计算出允许并机输出的逆变功率模块数量m；
向各逆变功率模块发出均流指令I/m；
返回判断总负载电流是否增大步骤。
当总负载电流增大且不大于第2逆变功率模块的切入电流I20时，转至计算出允许并机输出的逆变功率模块数量m步骤。
当总负载电流没有增大且小于第n逆变功率模块的切出电流In1时，向第n逆变功率模块发出禁止并机输出信号；
上述步骤针对所有逆变功率模块执行；
接续计算出允许并机输出的逆变功率模块数量m步骤。
当总负载电流没有增大且不小于第n逆变功率模块的切出电流In1时，转至计算出允许并机输出的逆变功率模块数量m步骤。
如果禁止使用负载自适应功能，则逆变监控模块向所有工作的逆变功率模块发送允许并机指令和均流指令；
接续计算出允许并机输出的逆变功率模块数量m步骤。
本实施例中，用户通过逆变监控模块的人机界面设定负载自适应功能是否被禁止，如果该功能被禁止，则开机后逆变监控模块向各逆变功率模块发出允许并机信号，并根据正常工作的逆变功率某块个数n发出均流指令，通知各逆变功率模块并机后调节输出电流至I/n(I为总负载电流)；如果负载自适应功能被允许，逆变监控模块读取用户由人机界面设定的各个逆变功率模块的切入电流In0和切出电流In1(In0＞In1，n＝1，2，---)，当总负载电流I发生变化时，分别判断I和In0与In1的大小关系，并以此判断应该投入工作的逆变功率模块的数量，并根据正常工作的逆变功率某块个数n发出均流指令，通知各逆变功率模块并机后调节输出电流至I/n(I为总负载电流)，不断循环重复上述过程。
如图6所示，所述逆变功率模块的工作流程为：
根据测量得到的逆变功率模块输出电压Vo，按照快速PID算法调节IGBT的驱动信号；
判断变器输出电压Vo与标准输出电压(230V)差值的绝对值是否大于第1阈值电压(10V)；
当逆变功率模块输出电压Vo与标准输出电压(230V)差值的绝对值不大于第1阈值电压(10V)时，根据精细PID算法调节IGBT的驱动信号；
判断逆变功率模块输出电压Vo与标准输出电压(230V)差值是否小于第2阈值电压(1V)；
如果小于第2阈值电压(1V)，则判断各逆变功率模块的输出是否同步；
如果同步，则判断是否允许并机；
如果允许并机，则给出并机指令吸合继电器；
测量逆变功率模块输出电流Io，按照快速PID算法调节IGBT的驱动信号；
判断输出电流Io与均流指令I/m的绝对值差值是否大于第1阈值电流(1A)；
当输出电流Io与均流指令I/m的绝对值差值不大于第1阈值电流(1A)时，根据精细PID算法调节IGBT的驱动信号；
判断输出电流Io与均流指令I/m的绝对值差值是否小于第2阈值电流(0.1A)；
如果输出电流Io与均流指令I/m的绝对值差值小于(0.1A)，则重新返回测量输出电压步骤，循环往复执行上述过程。
各逆变功率模块开机后，主控电路首先测量输出电压，并按照快速PID算法调节IGBT的驱动信号SPWM1和SPWM2，直至输出电压Vo与230V差值的绝对值＜10V；此后主控电路按照精细PID算法调节IGBT的驱动信号SPWM1和SPWM2，直至输出电压Vo与230V差值的绝对值＜1V。此后，逆变功率模块的主控电路根据逆变监控模块发送的同步信号和允许并机信号判断是否给出并机指令并吸合继电器。如果该逆变功率模块并机输出成功，则首先按照快速PID算法调节IGBT的驱动信号SPWM1和SPWM2，直至输出电流Io与均流指令I/n差值的绝对值＜1A；此后主控电路按照精细PID算法调节IGBT的驱动信号SPWM1和SPWM2，直至输出电压Vo与230V差值的绝对值＜0.1A。

Claims (12)

1.一种具有负载自适应功能的模块式并联逆变系统，其特征在于：包括配电模块、逆变监控模块和多个逆变功率模块，直流电由配电模块输入，再输出至各逆变功率模块的直流输入端，各逆变功率模块将输入的直流电逆变为标准交流电后，送入逆变监控模块，再由配电模块向用户输出交流电。
2.按权利要求1所述的具有负载自适应功能的模块式并联逆变系统，其特征在于：所述逆变监控模块包括第1断路器和设于第1断路器进线端的电流互感器、第2断路器以及控制单元，其中控制单元通过第2断路器连接工作电源，控制单元接收电流监测电路中电流互感器的检测信号，控制单元的输出端接有显示屏，控制单元通过串口与逆变功率模块进行通讯连接。
3.按权利要求1所述的具有负载自适应功能的模块式并联逆变系统，其特征在于：所述逆变功率模块包括单相全桥逆变电路、升压滤波电路、主控电路和驱动电路，其中单相全桥逆变电路接收经过配电模块配置的直流电进行逆变后经升压滤波电路输出交流电；主控电路通过滤波电容接收由配电模块配置的直流电，通过电流互感器接收电流信号，输出驱动控制信号至驱动电路，驱动电路的输出端接至单相全桥逆变电路的驱动信号输入端。
4.按权利要求3所述的具有负载自适应功能的模块式并联逆变系统，其特征在于：所述单相全桥逆变电路具有两个并行设置的IGBT开关器件。
5.按权利要求3所述的具有负载自适应功能的模块式并联逆变系统，其特征在于：所述升压滤波电路包括由第1电感(L1)和并联连接的第1、2电容(C3、C4)构成的滤波电路以及由环形变压器构成的升压电路；变压器原边与第1、2电容(C3、C4)连接，副边经第2电感(L2)通过继电器和断路器输出交流电。
6.按权利要求3所述的具有负载自适应功能的模块式并联逆变系统，其特征在于：所述主控电路以数字信号控制器作为控制核心，外围电路包含电源电路、信号检测电路、IGBT驱动电路、晶振电路以及串口通信电路，其中数字信号控制器接收信号检测电路反馈的电压、电流信号和由逆变监控模块通过串口通信电路送入的同步、均流指令，通过IGBT驱动电路输出开关器件IGBT的占空比。
7.一种具有负载自适应功能的模块式并联逆变系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
逆变监控模块判断用户是否禁止使用负载自适应功能；
如果允许使用负载自适应功能，则向第1逆变功率模块发出允许并机输出信号；
判断总负载电流是否增大；
当总负载电流增大且大于第2逆变功率模块的切入电流I20时，向第2逆变功率模块发出允许并机输出信号；
上述步骤针对所有逆变功率模块执行，计算出允许并机输出的逆变功率模块数量m；
向各逆变功率模块发出均流指令I/m；
返回判断总负载电流是否增大步骤。
8.按权利要求7所述的具有负载自适应功能的模块式并联逆变系统的控制方法，其特征在于：
当总负载电流增大且不大于第2逆变功率模块的切入电流I20时，转至计算出允许并机输出的逆变功率模块数量m步骤。
9.按权利要求7所述的具有负载自适应功能的模块式并联逆变系统的控制方法，其特征在于：当总负载电流没有增大且小于第n逆变功率模块的切出电流In1时，向第n逆变功率模块发出禁止并机输出信号；
上述步骤针对所有逆变功率模块执行；
接续计算出允许并机输出的逆变功率模块数量m步骤。
10.按权利要求9所述的具有负载自适应功能的模块式并联逆变系统的控制方法，其特征在于：当总负载电流没有增大且不小于第n逆变功率模块的切出电流In1时，转至计算出允许并机输出的逆变功率模块数量m步骤。
11.按权利要求7所述的具有负载自适应功能的模块式并联逆变系统的控制方法，其特征在于：如果禁止使用负载自适应功能，则逆变监控模块向所有工作的逆变功率模块发送允许并机指令和均流指令；
接续计算出允许并机输出的逆变功率模块数量m步骤。
12.按权利要求7所述的具有负载自适应功能的模块式并联逆变系统的控制方法，其特征在于所述逆变功率模块的工作流程为：
根据测量得到的逆变功率模块输出电压Vo，按照快速PID算法调节IGBT的驱动信号；
判断逆变功率模块输出电压Vo与标准输出电压差值的绝对值是否大于第1阈值电压；
当逆变功率模块输出电压Vo与标准输出电压差值的绝对值不大于第1阈值电压时，根据精细PID算法调节IGBT的驱动信号；
判断逆变功率模块输出电压Vo与标准输出电压差值是否小于第2阈值电压；
如果小于第2阈值电压，则判断各逆变功率模块的输出是否同步；
如果同步，则判断是否允许并机；
如果允许并机，则给出并机指令吸合继电器；
测量逆变功率模块的输出电流Io，按照快速PID算法调节IGBT的驱动信号；
判断输出电流Io与均流指令I/m的绝对值差值是否大于第1阈值电流；
当输出电流Io与均流指令I/m的绝对值差值不大于第1阈值电流时，根据精细PID算法调节IGBT的驱动信号；
判断输出电流Io与均流指令I/m的绝对值差值是否小于第2阈值电流；
如果输出电流Io与均流指令I/m的绝对值差值小于，则重新返回测量输出电压步骤，循环往复执行上述过程。
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