CN103078348A - 一种无信号互联线并联的三相逆变器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无信号互联线并联的三相逆变器，包括三相逆变器、控制单元和信号采集单元；控制单元包括：dq变换模块、功率计算模块、功率下垂控制模块、减法模块、电压环控制模块、dq反变换模块、开关周期控制模块和PWM调制模块。本发明三相逆变器中没有任何形式对输出电流的采集，节省了电流采样元件的数量，整个系统只采集了输入电压、输入电流和输出电压参与控制实现逆变器的无信号互联线并联控制。本发明还公开了上述三相逆变器的控制方法，其采用功率下垂算法，计算更为简便，单机采用输出电压单环控制，减少了控制环路的复杂度，从而大幅度提高了逆变器切入的动态响应。

Description

一种无信号互联线并联的三相逆变器及其控制方法

技术领域

本发明属于电网逆变技术领域，具体涉及一种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功率下垂法以及在其基础上发展的一系列控制方法。功率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。目前功率下垂法中功率计算一般使用输出电压与输出电流运算得出，单机控制方案一般采用输出电压电流双闭环控制，在不采集输出电流的情况下的功率计算、功率下垂法及输出电压单环控制用于逆变器并联的研究和应用较少。

公开号为CN101917022A的中国专利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，其采用功率下垂控制法得到幅值下垂调节量和相位下垂调节量，利用幅值下垂调节量对电压基准信号进行微调，利用相位下垂调节量对同步控制单元的输出相位同步信号进行微调，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和相位同步信号作差，以此实现频率下垂调节。

公开号为CN102801346A的中国专利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，其采用功率下垂控制法得到幅值下垂调节量和相位下垂调节量，利用幅值下垂调节量对电压基准信号进行微调，利用相位下垂调节量对频率基准信号进行微调，以实现并联运行。但该方案仍然需要采集变压器原边三相电流进行电流环控制和输出功率计算，增加了逆变器切入的响应时间，导致逆变器切入动态过程需要时间较长，逆变器切入性能不佳。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，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，可以在不采集输出电流的前提下实现无信号互联线并联输出电压的单环控制，显著提高逆变器切入情况下的动态相应。

一种无信号互联线并联的三相逆变器，包括三相逆变器、控制单元和信号采集单元；其中：所述的信号采集单元用于采集三相逆变器的输入电压、输入电流和输出相电压；所述的控制单元包括：

dq变换模块，用于对所述的输出相电压进行dq变换，得到输出相电压的d轴分量和q轴分量；

功率计算模块，用于根据所述的输入电压和输入电流计算出三相逆变器的输入功率；

功率下垂控制模块，用于根据所述的输入功率通过功率下垂控制算法计算得到输出电压幅值的d轴基准信号和q轴基准信号以及输出电压频率基准信号；

减法模块，用于使所述的d轴基准信号与d轴分量作差得到d轴电压误差信号，使所述的q轴基准信号与q轴分量作差得到q轴电压误差信号；

电压环控制模块，用于分别对所述的d轴电压误差信号和q轴电压误差信号进行电压环控制得到d轴调制比信号和q轴调制比信号；

dq反变换模块，用于对所述的d轴调制比信号和q轴调制比信号进行dq反变换，得到三相调制波信号；

开关周期控制模块，用于将所述的输出电压频率基准信号转换为角频率的开关周期控制信号；

PWM调制模块，用于根据所述的开关周期控制信号和三相调制波信号通过SPWM技术，得到PWM信号以对三相逆变器进行控制。

所述的控制单元采用DSP；所述的信号采集单元包括电压电流传感器。

上述三相逆变器的控制方法，包括如下步骤：

(1)采集三相逆变器的输入电压、输入电流和输出相电压；

(2)对所述的输出相电压进行dq变换，得到输出相电压的d轴分量和q轴分量；并根据所述的输入电压和输入电流计算出三相逆变器的输入功率；

(3)根据所述的输入功率通过功率下垂控制算法，计算得到输出电压幅值的d轴基准信号和q轴基准信号以及输出电压频率基准信号；

(4)使所述的d轴基准信号与d轴分量作差得到d轴电压误差信号，使所述的q轴基准信号与q轴分量作差得到q轴电压误差信号；

(5)分别对所述的d轴电压误差信号和q轴电压误差信号进行电压环控制得到d轴调制比信号和q轴调制比信号；对所述的d轴调制比信号和q轴调制比信号进行dq反变换，得到三相调制波信号；

(6)将所述的输出电压频率基准信号转换为角频率的开关周期控制信号；根据所述的开关周期控制信号和三相调制波信号通过SPWM(正弦脉宽调制)技术，得到PWM信号以对三相逆变器进行控制。

所述的功率下垂控制算法基于以下公式：

V_dref＝V₀-n×P_in    V_qref＝0   ω_ref＝ω₀-m×P_in

其中：V_dref和V_qref分别为输出电压幅值的d轴基准信号和q轴基准信号，P_in为输入功率，ω_ref为输出电压频率基准信号，n和m均为给定的下垂系数，V₀和ω₀分别为设定的空载时输出电压的幅值和频率。

所述的电压环控制基于以下传递函数：

$G\left(s\right)=\frac{s{K}_p+K_i}{s}$

其中：G(s)为传递函数，K_p为比例系数，K_i为积分系数，s为拉普拉斯算子。

所述的步骤(6)中，将输出电压频率基准信号转换为角频率的开关周期控制信号的方法为：使输出电压频率基准信号与三相逆变器的频率比相乘后即得到角频率的开关周期控制信号；所述的频率比为三相逆变器的开关频率与工频之比。

本发明三相逆变器中没有任何形式对输出电流的采集，节省了电流采样元件的数量，整个系统只采集了输入电压、输入电流和输出电压参与控制实现逆变器的无信号互联线并联控制。

本发明的有益效果在于：1)在三相逆变器的使用输入功率用于功率下垂法，计算更为简便，单机采用输出电压单环控制，减少了控制环路的复杂度，从而大幅度提高了逆变器切入的动态响应；2)无信号互联线并联控制中采用瞬时功率开关周期的功率下垂控制法，相比有输出电流采集情况下的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；3)功率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。

此外对功率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功率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

图1为本发明三相逆变器的结构示意图。

图2为本发明两台三相逆变器并联的系统结构示意图。

图3为本发明两台三相逆变器并联运行时U相输出电流的稳态实验波形图。

图4为本发明一台三相逆变器运行另一台逆变器切入时U相输出电流的动态实验波形图。

图5为本发明两台三相逆变器并联运行第二台逆变器切除时U相输出电流的动态实验波形图。

图6为本发明两台三相逆变器并联运行负载突变时U相输出电流的动态实验波形图。

图7为现有技术一台三相逆变器运行另一台逆变器切入时U相输出电流的动态实验波形图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的控制器及其控制方法进行详细说明。

如图1所示，一种无信号互联线并联的三相逆变器，包括三相逆变器、控制单元和信号采集单元；其中：

三相逆变器包括三相逆变桥、三相变压器和电容滤波组件；三相逆变桥的直流输入侧接直流源E和直流母线电容C，交流输出侧与三相变压器原边输入端对应连接，三相变压器副边输出端通过电容滤波组件接入交流母线。

信号采集单元用于采集三相逆变器的输入电压U_in、输入电流I_in和输出相电压U_a～U_c；信号采集单元包括若干电压传感器和电流传感器。

控制单元采用DSP，其包括A/D转换模块、dq变换模块、功率计算模块、功率下垂控制模块、减法模块、电压环控制模块、dq反变换模块、开关周期控制模块和PWM调制模块；A/D转换模块输入分别连接电压、电流传感器，输出连接功率计算模块输入和dq变换模块输入；dq变换模块输出分两路，两路均连接减法模块输入；功率计算模块输出连接功率下垂控制模块输入；功率下垂控制模块分三路输出，两路输出连接减法模块输入，另一路输出连接开关周期控制模块输入；减法模块分两路输出，均与电压环控制模块输入相连，电压环控制模块输出连接dq反变换模块输入；dq反变换模块输出和开关周期控制模块输出均连接PWM调制模块输入，PWM调制模块输出通过驱动电路与三相逆变桥中各功率开关器件的控制极相连；其中：

A/D转换模块用于对输入电压U_in、输入电流I_in和输出相电压U_a～U_c进行模数转换后，提供给DSP中的其他模块。

dq变换模块用于对输出相电压U_a～U_c进行dq变换，得到输出相电压的d轴分量V_d和q轴分量V_q。

功率计算模块用于根据输入电压U_in和输入电流I_in计算出三相逆变器的输入功率P_in。

功率下垂控制模块用于根据输入功率P_in通过功率下垂控制算法计算得到输出电压幅值的d轴基准信号V_dref和q轴基准信号V_qref以及输出电压频率基准信号ω_ref；功率下垂控制算法基于以下公式：

V_dref＝V₀-n×P_in    V_qref＝0    ω_ref＝ω₀-m×P_in

其中：n和m均为给定的下垂系数，V₀和ω₀分别为设定的空载时输出电压的幅值和频率；本实施方式中，ω₀＝315rad/s，m＝0.001rad/(W.s)，V₀＝153V，n＝0.006V/(W.s)。

减法模块用于使d轴基准信号V_dref与d轴分量V_d作差得到d轴电压误差信号，使q轴基准信号V_qref与q轴分量V_q作差得到q轴电压误差信号；其由两个减法器构建。

电压环控制模块用于分别对d轴电压误差信号和q轴电压误差信号进行电压环控制得到d轴调制比信号k_d和q轴调制比信号k_q；电压环控制基于以下传递函数：

$G\left(s\right)=\frac{s{K}_p+K_i}{s}$

其中：G(s)为传递函数，K_p为比例系数，K_i为积分系数，s为拉普拉斯算子；本实施方式中，K_p＝0.002，K_i＝1。

dq反变换模块用于对d轴调制比信号k_d和q轴调制比信号k_q进行dq反变换，得到三相调制波信号V_a～V_c；

开关周期控制模块用于将输出电压频率基准信号ω_ref转换为角频率的开关周期控制信号ω₀；其使输出电压频率基准信号ω_ref与三相逆变器的频率比λ相乘后即得到角频率的开关周期控制信号ω₀；频率比λ为三相逆变器的开关频率与工频之比；本实施方式中，λ＝400。

PWM调制模块用于根据开关周期控制信号ω₀和三相调制波信号V_a～V_c通过SPWM技术，得到PWM信号经驱动电路功率放大后对三相逆变桥中的功率开关器件进行开关控制。

以下对由两台本实施方式三相逆变器组成的并联系统(如图2所示)进行仿真验证，三相逆变器的额定功率为1KW，其额定输出相电压有效值为106V/50Hz，通过功率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3至图6为两台本实施方式的三相逆变器并联工作时的输出电流波形。图中，i_U1和i_U2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3为逆变器并联稳态工作电流波形；图4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5为两台逆变器并联工作第二台切除瞬间动态电流波形；图6为两台逆变器并联工作负载突变时电流动态波形。图7给出了采用现有技术的三相逆变器构建的并联系统，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；

实验结果表明，采用本实施方式的三相逆变器无信号互联线并联工作时逆变器切入动态性能得到了大幅度改善；此外，逆变器并联工作时的输出电流也得到均分，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很快，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。

Claims (6)

1.一种无信号互联线并联的三相逆变器，包括三相逆变器、控制单元和信号采集单元；所述的信号采集单元用于采集三相逆变器的输入电压、输入电流和输出相电压；其特征在于：所述的控制单元包括：

dq变换模块，用于对所述的输出相电压进行dq变换，得到输出相电压的d轴分量和q轴分量；

功率计算模块，用于根据所述的输入电压和输入电流计算出三相逆变器的输入功率；

功率下垂控制模块，用于根据所述的输入功率通过功率下垂控制算法计算得到输出电压幅值的d轴基准信号和q轴基准信号以及输出电压频率基准信号；

减法模块，用于使所述的d轴基准信号与d轴分量作差得到d轴电压误差信号，使所述的q轴基准信号与q轴分量作差得到q轴电压误差信号；

电压环控制模块，用于分别对所述的d轴电压误差信号和q轴电压误差信号进行电压环控制得到d轴调制比信号和q轴调制比信号；

dq反变换模块，用于对所述的d轴调制比信号和q轴调制比信号进行dq反变换，得到三相调制波信号；

开关周期控制模块，用于将所述的输出电压频率基准信号转换为角频率的开关周期控制信号；

PWM调制模块，用于根据所述的开关周期控制信号和三相调制波信号通过SPWM技术，得到PWM信号以对三相逆变器进行控制。

2.根据权利要求1所述的三相逆变器，其特征在于：所述的控制单元采用DSP。

3.一种三相逆变器的控制方法，包括如下步骤：

(1)采集三相逆变器的输入电压、输入电流和输出相电压；

(2)对所述的输出相电压进行dq变换，得到输出相电压的d轴分量和q轴分量；并根据所述的输入电压和输入电流计算出三相逆变器的输入功率；

(3)根据所述的输入功率通过功率下垂控制算法，计算得到输出电压幅值的d轴基准信号和q轴基准信号以及输出电压频率基准信号；

(4)使所述的d轴基准信号与d轴分量作差得到d轴电压误差信号，使所述的q轴基准信号与q轴分量作差得到q轴电压误差信号；

(5)分别对所述的d轴电压误差信号和q轴电压误差信号进行电压环控制得到d轴调制比信号和q轴调制比信号；对所述的d轴调制比信号和q轴调制比信号进行dq反变换，得到三相调制波信号；

(6)将所述的输出电压频率基准信号转换为角频率的开关周期控制信号；根据所述的开关周期控制信号和三相调制波信号通过SPWM技术，得到PWM信号以对三相逆变器进行控制。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述的功率下垂控制算法基于以下公式：

V_dref＝V₀-n×P_in    V_qref＝0    ω_ref＝ω₀-m×P_in

其中：V_dref和V_qref分别为输出电压幅值的d轴基准信号和q轴基准信号，P_in为输入功率，ω_ref为输出电压频率基准信号，n和m均为给定的下垂系数，V₀和ω₀分别为设定的空载时输出电压的幅值和频率。

5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述的电压环控制基于以下传递函数：

$G\left(s\right)=\frac{s{K}_p+K_i}{s}$

其中：G(s)为传递函数，K_p为比例系数，K_i为积分系数，s为拉普拉斯算子。

6.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述的步骤(6)中，将输出电压频率基准信号转换为角频率的开关周期控制信号的方法为：使输出电压频率基准信号与三相逆变器的频率比相乘后即得到角频率的开关周期控制信号。

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