CN102801346A - 无信号互联线并联的三相逆变器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无信号互联线并联的三相逆变器及其控制方法，通过在三相逆变器的无信号互联线并联控制中采用了瞬时功率开关周期的PQ下垂控制法，从而提高了逆变器的动态特性，PQ下垂控制后得到的角频率信号直接作为PWM信号控制器的角频率参考量，对三相逆变器的输出电压角频率进行调节。此外对PQ下垂控制后得到的角频率信号，即PWM信号控制器的角频率参考量的变化范围进行限定，在实现系统并联运行的同时能够有效防止因PQ下垂控制可能造成的输出频率突变和变化范围过大的问题，提高系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种电网用逆变器，尤其是指一种分布式电网用无信号互联线并联的三相逆变器及其控制方法。
背景技术
随着分布式发电和智能电网的发展，逆变器并联技术已成为一个非常重要的研究领域。按照逆变模块间是否存在信号互联线和信息交互，逆变器并联控制技术可分为两大类：有信号互联线并联技术和无信号互联线并联技术。其中无信号互联线逆变器并联技术由于逆变模块间无需信息交互，较适合于大范围的分布式发电系统。
而现有无信号互联线并联的三相逆变器的方案基本都是基于传统的PQ下垂法以及在其基础上发展的一系列控制方法。PQ下垂法的基本原理为各逆变模块检测自身的输出电压和电感电流（或输出电流），计算出各自输出的有功功率P和无功功率Q，然后根据P、Q与输出电压幅值和相位的关系，对输出电压的幅值和频率进行下垂控制，从而实现各逆变模块间的功率均分。目前PQ下垂法较多应于与单相逆变器无信号互连线并联控制领域，而应用于三相逆变器并联的研究与应用较少。
中国公开号为CN101917022A的发明专利，名称为“一种已有的无互连线并联方案”即公开了一种可以无互联线并联工作的三相逆变器及其控制方法，采用PQ下垂控制法得到幅值下垂调节量ΔU和相位下垂调节量Δθ，幅值下垂调节量ΔU对电压基准信号Udqref进行微调，相位下垂调节量Δθ对同步控制单元的输出相位同步信号θsyn进行微调，以实现并联运行。但该方案需要对PQ下垂法得到的相位下垂调节量Δθ和相位同步信号作差，以此实现频率下垂调节。
发明内容
本发明的目的在于克服了上述缺陷，提供一种结构简单且可实现三相逆变器的并联模块化，提高系统工作稳定性和冗余性的无信号互联线并联的三相逆变器及其控制方法。
本发明的目的是这样实现的：一种无信号互联线并联的三相逆变器，它包括三相逆变电路及逆变及并联控制电路，
其中，所述三相逆变电路包括依次连接的输入侧直流电源模块，三相逆变桥模块，三相变压器模块及输出三相滤波电容模块；
所述逆变及并联控制电路包括门极驱动模块、电感电流采样模块、输出电压采样模块及控制模块，所述门极驱动模块、电感电流采样模块、输出电压采样模块均与控制模块相连；所述门极驱动模块输出连接三相逆变电路的三相逆变桥模块；所述电感电流采样模块与三相逆变电路的三相变压器模块相连，用于采样得到三相变压器模块的电感电流；所述输出电压采样模块与三相逆变电路的输出三相滤波电容模块相连，用于采样得到输出三相滤波电容模块的输出电压；
所述控制模块包括，
A/D转换单元，用于将电感电流及输出电压转化为数字信号；
abc/dq变换单元，用于将电感电流和输出电压的数字信号变换得到电感电流和输出电压的反馈量；
瞬时功率计算单元，用于根据电感电流反馈量和输出电压反馈量计算得到三相逆变器的瞬时输出有功功率P和无功功率Q；
d轴电压基准与电压反馈求和单元，用于将输出电压反馈量和d轴输出电压幅值基准信号作差得到d轴电压环误差信号；
q轴电压基准与电压反馈求和单元，用于将输出电压反馈量和q轴输出电压幅值基准信号作差得到q轴电压环误差信号；
电压环控制器单元，用于将d轴电压环误差信号和q轴电压环误差信号进行电压环控制得到电感电流幅值基准信号；
电流基准与电流反馈求和单元，用于将电感电流幅值基准信号与电感电流反馈量作差，得到电流环误差信号；
电流环控制器单元，用于对电流环误差信号进行电流环控制后得到调制比信号；
dq/abc变换单元，用于对调制比信号进行dq/abc变换得到三相调制波信号；
PQ下垂控制单元，用于根据输出有功功率P和无功功率Q计算得到d轴输出电压幅值基准信号和输出电压频率基准信号；
开关周期控制单元，用于对输出电压频率基准信号进行开关周期控制，从而转变成为角频率的开关周期控制信号；
PWM信号控制器，用于以三相调制波信号和角频率的开关周期控制信号为基础形成三相PWM信号输出；
所述A/D转换单元输入分别连接电感电流采样模块、输出电压采样模块，输出连接abc/dq变换单元；所述abc/dq变换单元分四路，第一路连接瞬时功率计算单元，第二路连接d轴电压基准与电压反馈求和单元，第三路连接q轴电压基准与电压反馈求和单元，第四路连接电流基准与电流反馈求和单元；所述瞬时功率计算单元输出连接PQ下垂控制单元，PQ下垂控制单元分三路输出，一路输出连接d轴电压基准与电压反馈求和单元，第二路输出连接q轴电压基准与电压反馈求和单元，第三路输出连接开关周期控制单元；所述d轴电压基准与电压反馈求和单元输出连接电压环控制器单元，所述q轴电压基准与电压反馈求和单元输出连接电压环控制器单元；所述电压环控制器输出连接电流基准与电流反馈求和单元，所述电流基准与电流反馈求和单元输出连接电流环控制器单元，电流环控制器单元输出连接dq/abc变换单元，dq/abc变换单元输出连接PWM信号控制器，PWM信号控制器还输入连接开关周期控制单元；
上述结构中，所述控制装置为DSP控制器或嵌入式AMR控制器。
本发明还涉及一种无信号互联线并联的三相逆变器控制方法，它包括步骤：
A）、采样并联运行的三相逆变器的电感电流和输出电压，并将采集的电感电流和输出电压转化为数字信号；
B）、将电感电流和输出电压的数字信号进行abc/dq变换得到电感电流和输出电压的反馈量；
C）、将电感电流反馈量和输出电压反馈量根据dq0坐标系下的瞬时功率公式计算得到三相逆变器的瞬时输出有功功率P和无功功率Q；
D）、将输出有功功率P和无功功率Q经过下垂方程Vdref=V0-n1×Q，fdref=f0-m1×P计算得到d轴输出电压幅值基准信号和输出电压频率基准信号，并对输出电压频率基准信号的范围进行限定，超过限定的最高频率则取最大值，低于限定的最低频率则取最小值；
E）、将输出电压反馈量和d轴输出电压幅值基准信号作差，得到d轴电压环误差信号；将输出电压反馈量和q轴输出电压幅值基准信号经q轴电压基准与电压反馈求和单元作差后得到q轴电压环误差信号；
F）、将d轴电压环误差信号和q轴电压环误差信号通过电压环比例积分调节器进行控制，得到电感电流幅值基准信号；
G）、将电感电流幅值基准信号与电感电流反馈量作差，得到电流环误差信号，对电流环误差信号通过电流环比例积分调节器进行控制，得到调制比信号；
H）、对调制比信号进行dq/abc变换得到三相调制波信号；
I）、对输出电压频率基准信号进行开关周期控制，乘以系统的频率比，从而转变成为角频率的开关周期控制信号；
J）、以三相调制波信号和角频率的开关周期控制信号为基础形成三相PWM信号输出；
K）、输出的三相PWM信号通过门极驱动控制三相逆变桥功率开关管的工作，实现三相逆变器的无信号互联线并联工作。
本发明的有益效果在于在三相逆变器的无信号互联线并联控制中采用了瞬时功率开关周期的PQ下垂控制法，相比傅里叶分解法和电压电流相移法，从动态精度和动态速度两个方面提高了逆变器的动态特性，PQ下垂控制后得到的角频率信号直接作为PWM信号控制器的角频率参考量，对三相逆变器的输出电压角频率进行调节。此外对PQ下垂控制后得到的角频率信号，即PWM信号控制器的角频率参考量的变化范围进行限定，在实现系统并联运行的同时能够有效防止因PQ下垂控制可能造成的输出频率突变和变化范围过大的问题，提高系统的可靠性。
附图说明
下面结合附图详述本发明的具体结构
图1为由多个本发明产品并联工作时的系统结构框图；
图2为本发明的产品构成框图；
图3为本发明的控制原理框图；
图4为本发明的实施例中两台三相逆变器并联运行时的稳态实验波形；
图5为本发明的实施例中一台三相逆变器运行时第二台逆变器切入的动态实验波形；
图6为本发明的实施例中两台三相逆变器并联运行时第二台逆变器切除的动态实验波形；
图7为本发明的实施例中两台三相逆变器并联运行时负载突变的动态实验波形。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
请参阅图1以及图2，本发明涉及一种无信号互联线并联的三相逆变器，它包括三相逆变电路及逆变及并联控制电路，
其中，所述三相逆变电路包括依次连接的输入侧直流电源模块，三相逆变桥模块，三相变压器模块及输出三相滤波电容模块；
所述逆变及并联控制电路包括门极驱动模块、电感电流采样模块、输出电压采样模块及控制模块，所述门极驱动模块、电感电流采样模块、输出电压采样模块均与控制模块相连；所述门极驱动模块输出连接三相逆变电路的三相逆变桥模块；所述电感电流采样模块与三相逆变电路的三相变压器模块相连，用于采样得到三相变压器模块的电感电流；所述输出电压采样模块与三相逆变电路的输出三相滤波电容模块相连，用于采样得到输出三相滤波电容模块的输出电压；
作为一实施例，上述电感电流采样模块直接与三相变压器模块的漏感相连，如此，三相变压器模块的漏感充当滤波电感，与输出三相滤波电容模块一起构成滤波电路，节省了滤波电路原本需要串入的滤波电感。
所述控制模块可采用DSP控制器或嵌入式ARM控制器来实现，它具体包括：
A/D转换单元，用于将电感电流及输出电压转化为数字信号iL和uo；
abc/dq变换单元，用于将电感电流和输出电压的数字信号变换得到电感电流反馈量idq和输出电压的反馈量udq；
瞬时功率计算单元，用于根据电感电流反馈量idq和输出电压反馈量udq计算得到三相逆变器的瞬时输出有功功率P和无功功率Q；
d轴电压基准与电压反馈求和单元，用于将d轴输出电压反馈量和d轴输出电压幅值基准信号Vdref作差得到d轴电压环误差信号；
q轴电压基准与电压反馈求和单元，用于将q轴输出电压反馈量uq和q轴输出电压幅值基准信号Vqref作差得到q轴电压环误差信号；
电压环控制器单元，用于将d轴电压环误差信号和q轴电压环误差信号进行电压环控制得到电感电流幅值基准信号Idqref；
电流基准与电流反馈求和单元，用于将电感电流幅值基准信号Idqref与电感电流反馈量idq作差，得到电流环误差信号；
电流环控制器单元，用于对电流环误差信号进行电流环控制后得到调制比信号kdq；
dq/abc变换单元，用于对调制比信号kdq进行dq/abc变换得到三相调制波信号；
PQ下垂控制单元，用于根据输出有功功率P和无功功率Q计算得到d轴输出电压幅值基准信号和输出电压频率基准信号ωn；
开关周期控制单元，用于对输出电压频率基准信号ωn进行开关周期控制，从而转变成为角频率的开关周期控制信号；
PWM信号控制器，用于以三相调制波信号和角频率的开关周期控制信号为基础形成三相PWM信号输出；
所述A/D转换单元输入分别连接电感电流采样模块、输出电压采样模块，输出连接abc/dq变换单元；所述abc/dq变换单元分四路，第一路连接瞬时功率计算单元，第二路连接d轴电压基准与电压反馈求和单元，第三路连接q轴电压基准与电压反馈求和单元，第四路连接电流基准与电流反馈求和单元；所述瞬时功率计算单元输出连接PQ下垂控制单元，PQ下垂控制单元分三路输出，一路输出连接d轴电压基准与电压反馈求和单元，第二路输出连接q轴电压基准与电压反馈求和单元，第三路输出连接开关周期控制单元；所述d轴电压基准与电压反馈求和单元输出连接电压环控制器单元，所述q轴电压基准与电压反馈求和单元输出连接电压环控制器单元；所述电压环控制器输出连接电流基准与电流反馈求和单元，所述电流基准与电流反馈求和单元输出连接电流环控制器单元，电流环控制器单元输出连接dq/abc变换单元，dq/abc变换单元输出连接PWM信号控制器，PWM信号控制器还输入连接开关周期控制单元。
本发明还涉及一种无信号互联线并联的三相逆变器控制方法，它包括步骤：
A）、采样并联运行的三相逆变器的电感电流和输出电压，并将采集的电感电流和输出电压转化为数字信号，得到对应的数字量iL和uo；
B）、将电感电流iL和输出电压uo的数字信号进行abc/dq变换得到电感电流反馈量idq和输出电压的反馈量udq；
C）、将电感电流反馈量idq和输出电压反馈量udq根据dq0坐标系下的瞬时功率公式计算得到三相逆变器的瞬时输出有功功率P和无功功率Q，计算公式如下：P=Vd×Id+Vq×Iq，Q=Vq×Id-Vd×Iq，公式中Id、Iq是三相电感电流经过abc/dq0变换后的直流分量，Vd、Vq是三相输出电压经过abc/dq0变换后的电压分量；
D）、将输出有功功率P和无功功率Q根据下垂方程Vdref=V0-n1×Q，ωref=ω0-m1×P计算得到d轴输出电压幅值基准信号Vdref和输出电压频率基准信号ωref，并对输出电压频率基准信号的范围进行限定，超过限定的最高频率则取最大值，低于限定的最低频率则取最小值；在下垂方程中，ω0和V0为逆变模块空载运行时的输出电压频率和幅值，m1和n1是系统的频率下垂系数和幅值下垂系数；
E）、将d轴输出电压反馈量ud和d轴输出电压幅值基准信号Vdref作差，得到d轴电压环误差信号；将q轴输出电压反馈量uq和q轴输出电压幅值基准信号Vqref经q轴电压基准与电压反馈求和单元作差后得到q轴电压环误差信号；
F）、将d轴电压环误差信号和q轴电压环误差信号通过电压环比例积分调节器进行控制，得到电感电流幅值基准信号Idqref；
G）、将电感电流幅值基准信号Idqref与电感电流反馈量idq作差，得到电流环误差信号，对电流环误差信号通过电流环比例积分调节器进行控制，得到调制比信号kdq；
H）、对调制比信号kdq进行dq/abc变换得到三相调制波信号；
I）、对输出电压频率基准信号ωn进行开关周期控制，乘以系统的频率比，从而转变成为角频率的开关周期控制信号；
J）、以三相调制波信号和角频率的开关周期控制信号为基础形成三相PWM信号输出；
K）、输出的三相PWM信号通过门极驱动控制三相逆变桥功率开关管的工作，实现三相逆变器的无信号互联线并联工作。
本发明的一个应用实例为可以无信号互联线并联工作的1kW三相逆变器，其额定输出相电压有效值为106V/50Hz，整个并联系统由两台上述三相逆变器组成。本实施例的并联均流控制与图3所示一致，通过PQ下垂控制法调节输出电压幅值基准和输出电压角频率基准，从而实现并联系统的均流输出。
图4至图7为两台采用本发明控制方法的三相逆变器并联工作时的输出电流波形。各图中，iU1和iU2分别为两台三相逆变器并联工作时的U相输出电流波形。图4为逆变器并联稳态工作电流波形；图5为第一台逆变器单独工作时第二台逆变器切入瞬间动态电流波形；图6为两台逆变器并联，第二台切除瞬间动态电流波形；图7为逆变器并联工作，负载突变时电流动态波形。实验结果表明，采用本发明的三相逆变器无信号互联线并联工作时的输出电流得到均分，并联系统具有良好的并联稳态运行特性；逆变器切入和切除的动态恢复时间较快，并联运行时负载突变电流波形很快稳定，并联系统同时具有良好的动态性能。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，包括三相电感替代三相变压器进行滤波、电感电流采样点的不同、输出滤波电容的接法不同以及由频率f下垂代替角频率ωn下垂控制的方法等，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (4)
1.一种无信号互联线并联的三相逆变器，其特征在于：它包括三相逆变电路及逆变及并联控制电路，
其中，所述三相逆变电路包括依次连接的输入侧直流电源模块，三相逆变桥模块，三相变压器模块及输出三相滤波电容模块；
所述逆变及并联控制电路包括门极驱动模块、电感电流采样模块、输出电压采样模块及控制模块，所述门极驱动模块、电感电流采样模块、输出电压采样模块均与控制模块相连；所述门极驱动模块输出连接三相逆变电路的三相逆变桥模块；所述电感电流采样模块与三相逆变电路的三相变压器模块相连，用于采样得到三相变压器模块的电感电流；所述输出电压采样模块与三相逆变电路的输出三相滤波电容模块相连，用于采样得到输出三相滤波电容模块的输出电压；
所述控制模块包括，
A/D转换单元，用于将电感电流及输出电压转化为数字信号；
abc/dq变换单元，用于将电感电流和输出电压的数字信号变换得到电感电流和输出电压的反馈量；
瞬时功率计算单元，用于根据电感电流反馈量和输出电压反馈量计算得到三相逆变器的瞬时输出有功功率P和无功功率Q；
d轴电压基准与电压反馈求和单元，用于将d轴输出电压反馈量和d轴输出电压幅值基准信号作差得到d轴电压环误差信号；
q轴电压基准与电压反馈求和单元，用于将q轴输出电压反馈量和q轴输出电压幅值基准信号作差得到q轴电压环误差信号；
电压环控制器单元，用于将d轴电压环误差信号和q轴电压环误差信号进行电压环控制得到电感电流幅值基准信号；
电流基准与电流反馈求和单元，用于将电感电流幅值基准信号与电感电流反馈量作差，得到电流环误差信号；
电流环控制器单元，用于对电流环误差信号进行电流环控制后得到调制比信号；
dq/abc变换单元，用于对调制比信号进行dq/abc变换得到三相调制波信号；
PQ下垂控制单元，用于根据输出有功功率P和无功功率Q计算得到d轴输出电压幅值基准信号和输出电压频率基准信号；
开关周期控制单元，用于对输出电压频率基准信号进行开关周期控制，从而转变成为角频率的开关周期控制信号；
PWM信号控制器，用于以三相调制波信号和角频率的开关周期控制信号为基础形成三相PWM信号输出；
所述A/D转换单元输入分别连接电感电流采样模块、输出电压采样模块，输出连接abc/dq变换单元；所述abc/dq变换单元分四路，第一路连接瞬时功率计算单元，第二路连接d轴电压基准与电压反馈求和单元，第三路连接q轴电压基准与电压反馈求和单元，第四路连接电流基准与电流反馈求和单元；所述瞬时功率计算单元输出连接PQ下垂控制单元，PQ下垂控制单元分三路输出，一路输出连接d轴电压基准与电压反馈求和单元，第二路输出连接q轴电压基准与电压反馈求和单元，第三路输出连接开关周期控制单元；所述d轴电压基准与电压反馈求和单元输出连接电压环控制器单元，所述q轴电压基准与电压反馈求和单元输出连接电压环控制器单元；所述电压环控制器输出连接电流基准与电流反馈求和单元，所述电流基准与电流反馈求和单元输出连接电流环控制器单元，电流环控制器单元输出连接dq/abc变换单元，dq/abc变换单元输出连接PWM信号控制器，PWM信号控制器还输入连接开关周期控制单元。
2.如权利要求1所述的无信号互联线并联的三相逆变器，其特征在于：所述控制装置为DSP控制器或嵌入式AMR控制器。
3.如权利要求1或2所述的无信号互联线并联的三相逆变器，其特征在于：所述电感电流采样模块通过其滤波电感与三相变压器模块的漏感相连。
4.一种无信号互联线并联的三相逆变器控制方法，其特征在于：它包括步骤，
A）、采样并联运行的三相逆变器的电感电流和输出电压，并将采集的电感电流和输出电压转化为数字信号；
B）、将电感电流和输出电压的数字信号进行abc/dq变换得到电感电流和输出电压的反馈量；
C）、根据电感电流反馈量和输出电压反馈量计算得到三相逆变器的瞬时输出有功功率P和无功功率Q；
D）、根据输出有功功率P和无功功率Q经过PQ下垂控制计算得到d轴输出电压幅值基准信号和输出电压频率基准信号，
E）、将输出电压反馈量和d轴输出电压幅值基准信号作差，得到d轴电压环误差信号；将输出电压反馈量和q轴输出电压幅值基准信号经q轴电压基准与电压反馈求和单元作差后得到q轴电压环误差信号；
F）、将d轴电压环误差信号和q轴电压环误差信号进行电压环控制得到电感电流幅值基准信号；
G）、将电感电流幅值基准信号与电感电流反馈量作差，得到电流环误差信号，对电流环误差信号进行电流环控制后得到调制比信号；
H）、对调制比信号进行dq/abc变换得到三相调制波信号；
I）、对输出电压频率基准信号进行开关周期控制，从而转变成为角频率的开关周期控制信号；
J）、以三相调制波信号和角频率的开关周期控制信号为基础形成三相PWM信号输出；
K）、输出的三相PWM信号通过门极驱动控制三相逆变桥功率开关管的工作，实现三相逆变器的无信号互联线并联工作。
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