CN103078485A - 一种逆变器输出限流保护方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种逆变器输出限流保护方法，利用滤波电感电流采样值判断滤波电感电流是否大于电流阈值，并在滤波电感电流大于电流阈值时，减小前馈参考电压值，进而减小滤波电感电流值。本发明可以在逆变器突加大负载时抑制输出电流过大，降低母线电压上冲，有效保护开关器件和母线电容。

Description

一种逆变器输出限流保护方法及装置

技术领域

本发明涉及逆变器领域，具体涉及一种逆变器输出限流保护方法及装置。

背景技术

逆变器是一种把直流电转换为交流电的直流到交流（DC/AC）转换电路，逆变器一般由逆变器主电路（逆变桥）、输出滤波电路、控制器等组成。当逆变器突加大的负载，输出电流瞬间加大，流过逆变桥桥臂的电流大于额定电流值时，如果不采取限流保护措施就会造成桥臂上的开关器件承受的电流持续过大，造成开关器件的损坏。

目前常见的限流保护措施一般为硬件限流保护，即当检测电路检测到电流过大时，保护电路关断桥臂上的开关器件，从而达到保护开关器件的目的。由于输出滤波电路上存在滤波电感，开关器件关断后，输出回路上的电流不会马上变为零，回路上的电流会通过开关器件上反并联的体二极管给母线电容充电，从而造成母线电压升高。母线电压升高后会造成母线电容及开关器件承受的电压应力超过许可值，从而损坏母线电容或开关器件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种逆变器输出限流保护方法及装置，能够在逆变器突加大负载时抑制输出电流过大，降低母线电压上冲值，保护开关器件。

本申请第一方面提供一种逆变器输出限流保护方法，包括：逆变器输出电压采样值与参考电压值作误差计算得到电压误差值，逆变器的电压控制器利用第一控制算法对所述电压误差值进行运算得到参考电流值，所述参考电流值与逆变器的滤波电感电流采样值作误差计算得到电流误差值，逆变器的电流控制器利用第二控制算法对所述电流误差值进行运算得到第一电压给定值，所述第一电压给定值与前馈参考电压值相加得到第二电压给定值，所述第二电压给定值依次经过逆变器主电路和逆变器输出滤波电路后得到逆变器输出电压，所述方法还包括：

利用所述滤波电感电流采样值判断滤波电感电流是否大于电流阈值；

若所述滤波电感电流大于所述电流阈值，则减小所述前馈参考电压值。

在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述减小所述前馈参考电压值具体包括：

将所述前馈参考电压值乘以一个小于1的系数。

结合第一方面或者第一方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述方法还包括：

将减小后的前馈参考电压值恢复到所述减小所述前馈参考电压值之前的值。

结合第一方面的第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述将减小后的前馈参考电压值恢复到所述减小所述前馈参考电压值之前的值具体包括：

以设定的速率将减小后的前馈参考电压值恢复到所述减小所述前馈参考电压值之前的值。

本申请第二方面提供一种逆变器输出限流保护装置，包括电压误差计算模块、电压控制模块、电流误差计算模块、电流控制模块、给定电压计算模块、判断模块和前馈电压设定模块，其中，

所述电压误差计算模块，用于将逆变器输出电压采样值与参考电压值作误差计算得到电压误差值，并且将所述电压误差值发送到所述电压控制模块；

所述电压控制模块，用于利用第一控制算法对所述电压误差值进行运算得到参考电流值，并且将所述参考电流值发送到所述电流误差计算模块；

所述电流误差计算模块，用于将所述参考电流值与逆变器输出滤波电路的滤波电感电流采样值作误差计算得到电流误差值，并且将所述电流误差值发送所述电流控制模块；

所述电流控制模块，用于利用第二控制算法对所述电流误差值进行运算得到第一电压给定值，并且将所述第一电压给定值发送到所述给定电压计算模块；

所述给定电压计算模块，用于将所述第一电压给定值与前馈参考电压值相加得到第二电压给定值，并且将所述第二电压给定值发送到逆变器主电路，使得所述第二电压给定值依次经过逆变器主电路和逆变器输出滤波电路后得到逆变器输出电压；

所述判断模块，用于利用所述逆变器输出滤波电路中的滤波电感电流采样值判断滤波电感电流是否大于电流阈值，并且在所述滤波电感电流大于电流阈值时使能所述前馈电压设定模块；

所述前馈电压设定模块，用于在所述滤波电感电流大于所述电流阈值时，减小所述前馈参考电压值。

在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述前馈电压设定模块具体用于：

将所述前馈参考电压值乘以一个小于1的系数。

结合第二方面或者第一方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述前馈电压设定模块还用于：

将减小后的前馈参考电压值恢复到所述减小所述前馈参考电压值之前的值。

结合第二方面的第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述前馈电压设定模块将减小后的前馈参考电压值恢复到所述减小所述前馈参考电压值之前的值的具体方式为：

以设定的速率将减小后的前馈参考电压值恢复到所述减小所述前馈参考电压值之前的值。

本申请第三方面提供一种逆变器输出限流保护装置，其特征在于，包括控制器，用于将逆变器输出电压采样值与参考电压值作误差计算得到电压误差值，利用第一控制算法对所述电压误差值进行运算得到参考电流值，将所述参考电流值与逆变器的滤波电感电流采样值作误差计算得到电流误差值，利用第二控制算法对所述电流误差值进行运算得到第一电压给定值，将所述第一电压给定值与前馈参考电压值相加得到第二电压给定值，将所述第二电压给定值经过逆变器主电路和逆变器滤波电路后得到逆变器输出电压，所述控制器还用于：

利用所述滤波电感电流采样值判断滤波电感电流是否大于电流阈值；

在所述滤波电感电流大于所述电流阈值时，减小所述前馈参考电压值。

在第三方面的第一种可能的实现方式中，所述控制器减小所述前馈参考电压值的具体方式为：

将所述前馈参考电压值乘以一个小于1的系数。

结合第三方面或者第三方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述控制器还用于：

将减小后的前馈参考电压值恢复到所述减小所述前馈参考电压值之前的值。

结合第三方面的第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述控制器将减小后的前馈参考电压值恢复到所述减小所述前馈参考电压值之前的值的具体方式为：

以设定的速率将减小后的前馈参考电压值恢复到所述减小所述前馈参考电压值之前的值。

本发明通过间接电流控制的方法，在判断电感电流超过电流阈值时，通过减小前馈参考电压值从而减小输出电压，进而减小输出电流。本发明可以在逆变器突加大负载时抑制输出电流过大，同时可以降低母线电压上冲值，有效保护开关器件和母线电容。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是三电平逆变器电路图；

图2是本发明实施例提供的一种逆变器输出限流保护方法的流程图；

图3是图2实施例的逆变器控制框图；

图4是本发明实施例提供的一种逆变器输出限流保护装置的结构图；

图5是本发明实施例提供的一种逆变器输出限流保护装置的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是三电平逆变器电路图，包括母线电容C1、C2，逆变器主电路101，逆变器输出滤波电路102和负载103。逆变器主电路101包括开关管Q1、Q2组成的上桥臂，开关管Q3、Q4组成的下桥臂和二极管D1、D2。逆变器输出滤波电路102包括滤波电感L，电阻R和滤波电容C。假设在逆变器输出电压的负半周负载突然加大，输出电流变大，发生硬件限流保护，先关外管Q1Q4，由于输出电压处于负半周，此时滤波电感电流I_L为负，电感电流走第一通路Q3-D2-GND续流，关外管后2us，内管Q2Q3关断，此时如果还有电流，则电流走第二条通路VD1-VD2-BUS+，通过Q1、Q2上反并联的体二极管VD1、VD2给母线电容C1充电，致使正母线电压升高。同样的道理，在逆变器输出电压的正半周负载突然加大后，电流通过Q3、Q4上反并联的体二极管VD3、VD4给母线电容C2充电，会使负母线电压升高。

请参考图2，图2是本发明实施例提供的一种逆变器输出限流保护方法的流程图，其中，逆变器输出电压采样值与参考电压值作误差计算得到电压误差值，逆变器的电压控制器利用第一控制算法对该电压误差值进行运算得到参考电流值，参考电流值与逆变器的滤波电感电流采样值作误差计算得到电流误差值，逆变器的电流控制器利用第二控制算法对该电流误差值进行运算得到第一电压给定值，第一电压给定值与前馈参考电压值相加得到第二电压给定值，第二电压给定值依次经过逆变器主电路和逆变器输出滤波电路后得到逆变器输出电压，如图2所示实施例提供的逆变器输出限流保护方法还包括：

201、利用滤波电感电流采样值判断滤波电感电流是否大于电流阈值。

其中，利用滤波电感电流采样值判断滤波电感电流是否大于电流阈值的具体方式可以为，将滤波电感电流采样值按采样缩小倍率还原到实际滤波电感电流值，判断该实际滤波电压电流值是否大于电流阈值。

202、若滤波电感电流大于电流阈值，则减小前馈参考电压值。

其中，上述方法的执行主体可以为逆变器的控制器，如单片机、数字信号处理器（Digital Single Processor，DSP）或逻辑电路等。上述第一控制算法和第二控制算法可以为比例积分（Proportion Integration，PI）控制算法、比例积分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制算法等，这里不做限定。

减小前馈参考电压值的方式可以为将所述前馈参考电压值乘以一个小于1的系数K，如图3控制框图所示。图3中控制方法为电压外环电流内环的双环控制方案，包括：输出电压采样值V_O与参考电压值V_ref作误差计算得到电压误差值V_err，电压误差值V_err经过电压控制器得到参考电流值I_ref，参考电流值I_ref与滤波电感电流的采样值I_L作误差计算得到电流误差值I_err，电流误差值I_err经过电流控制器得到逆变桥电路的第一电压给定值V_ref1，第一电压给定值V_ref1与前馈参考电压值V_ref相加得到第二电压给定值V_ref2。在通常情况下前馈参考电压的系统K为1，前馈环节可以加快响应速度，提高逆变器性能，当逆变器突加大的负载时将K设定为一个小于1的值，由于输出电压跟踪参考电压值因此可以使输出电压减小。使用双环控制逆变器的输出电压能快速跟踪参考电压，动态响应快，输出电压谐波含量小。

系数的选取应当能够保证输出电压有效的减小，从而减小输出电流。

其中，上述电压控制器可以是执行主体运行电压算法程序，完成电压环控制算法并输出算法结果的软件执行过程，也可以是由集成运放、电容、电阻等电子元件搭建成各种类型的电压环控制器来实现，如PI控制器、PID控制器等。上述电流控制器可以是执行主体运行电流算法程序，完成电流环控制算法并输出算法结果的软件执行过程，也可以是由集成运放、电容、电阻等电子元件搭建成各种类型的电流环控制器来实现，如比PI控制器、PID控制器等。

减小输出电流后，在负载稳定时，本实施例的方法还需要将减小后的前馈参考电压值恢复到上述减小前馈参考电压值之前的值。

可选地，可以以设定的速率将减小后的前馈参考电压值恢复到减小前馈参考电压值之前的值，该设定的速率应该能够满足逆变器在负载突加时的动态性能要求。

本实施例的方法可以应用于二电平逆变器，三电平逆变器，多电平逆变器等。

本实施例通过间接电流控制的方法，在判断电压电流超过电流阈值时，通过减小前馈参考电压值从而减小输出电压，进而减小输出电流。本实施例可以在逆变器突加大负载时抑制输出电流过大，同时可以降低母线电压上冲值，有效保护开关器件和母线电容。本实施例的方案由逆变器现有的控制器运行软件程序实现，不增加硬件成本，且不改变控制环路的结构，不会降低控制环路的可靠性。

请参考图4，图4是本发明实施例提供的一种逆变器输出限流保护装置的结构图，包括：

电压误差计算模块301，用于将逆变器输出电压采样值与参考电压值作误差计算得到电压误差值，并且将所述电压误差值发送到电压控制模块302；

电压控制模块302，用于利用第一控制算法对电压误差值进行运算得到参考电流值，并且将参考电流值发送到电流误差计算模块303；

电流误差计算模块303，用于将参考电流值与逆变器输出滤波电路的滤波电感电流采样值作误差计算得到电流误差值，并且将电流误差值发送电流控制模块304；

电流控制模块304，用于利用第二控制算法对电流误差值进行运算得到第一电压给定值，并且将第一电压给定值发送到给定电压计算模块305；

给定电压计算模块305，用于将第一电压给定值与前馈参考电压值相加得到第二电压给定值，并且将第二电压给定值发送到逆变器主电路，使得第二电压给定值依次经过逆变器主电路和逆变器输出滤波电路后得到逆变器输出电压，并且使能判断模块306；

判断模块306，用于利用逆变器输出滤波电路中的滤波电感电流采样值判断滤波电感电流是否大于电流阈值，并且在滤波电感电流大于电流阈值时使能前馈电压设定模块307；

其中，逆变器主电路和逆变器输出滤波电路的电路参考图1电路图，这里不再赘述。第一控制算法和第二控制算法参考图2实施例，这里不再赘述。判断模块306利用逆变器输出滤波电路中的滤波电感电流采样值判断滤波电感电流是否大于电流阈值的具体方式参考图2实施例，这里不再赘述。

前馈电压设定模块307，用于在滤波电感电流大于电流阈值时，减小前馈参考电压值。

可选地，前馈电压设定模块307具体用于：

将所述前馈参考电压值乘以一个小于1的系数。

可选地，所述前馈电压设定模块307还用于：

将减小后的前馈参考电压值恢复到减小前馈参考电压值之前的值。

可选地，前馈电压设定模块307将减小后的前馈参考电压值恢复到减小所述前馈参考电压值之前的值的具体方式可以为：

以设定的速率将减小后的前馈参考电压值恢复到减小所述前馈参考电压值之前的值。

本实施例可以应用于二电平逆变器，三电平逆变器，多电平逆变器等。

本实施例通过间接电流控制的方法，在判断电压电流超过电流阈值时，通过减小前馈参考电压值从而减小输出电压，进而减小输出电流。本实施例可以在逆变器突加大负载时抑制输出电流过大，同时可以降低母线电压上冲值，有效保护开关器件和母线电容。本实施例的方案由逆变器现有的控制器运行软件程序实现，不增加硬件成本，且不改变控制环路的结构，不会降低控制环路的可靠性。

请参考图5，图5是本发明实施例提供的一种逆变器输出限流保护装置的结构图，包括控制器401，其中，控制器401用于，将逆变器输出电压采样值与参考电压值作误差计算得到电压误差值，利用第一控制算法对电压误差值进行运算得到参考电流值，将参考电流值与逆变器的滤波电感电流采样值作误差计算得到电流误差值，利用第二控制算法对所述电流误差值进行运算得到第一电压给定值，将第一电压给定值与前馈参考电压值相加得到第二电压给定值，将第二电压给定值经过逆变器主电路和逆变器滤波电路后得到逆变器输出电压，其中，控制器401还用于：

利用滤波电感电流采样值判断滤波电感电流是否大于电流阈值；

在滤波电感电流大于电流阈值时，减小前馈参考电压值。

其中，上述控制器可以为单片机、数字信号处理器（Digital Single Processor，DSP）等。

其中，上述电压控制器为控制器运行电压算法程序，完成电压环控制算法并输出算法结果的软件执行过程。上述电流控制器为控制器运行电流算法程序，完成电流环控制算法并输出算法结果的软件执行过程。

其中，控制器减小前馈参考电压值的具体方式可以为：

将前馈参考电压值乘以一个小于1的系数。

可选地，控制器还用于：

将减小后的前馈参考电压值恢复到减小前馈参考电压值之前的值。

控制器将减小后的前馈参考电压值恢复到减小前馈参考电压值之前的值的具体方式可以为：

以设定的速率将减小后的前馈参考电压值恢复到减小前馈参考电压值之前的值。该设定的速率应该能够满足逆变器在负载突加时的动态性能要求。

本实施例可以应用于二电平逆变器，三电平逆变器，多电平逆变器等。

本实施例通过间接电流控制的方法，在判断电压电流超过电流阈值时，通过减小前馈参考电压值从而减小输出电压，进而减小输出电流。本实施例可以在逆变器突加大负载时抑制输出电流过大，同时可以降低母线电压上冲值，有效保护开关器件和母线电容。本实施例的方案由逆变器现有的控制器运行软件程序实现，不增加硬件成本，且不改变控制环路的结构，不会降低控制环路的可靠性。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）或随机存取存储器（RandomAccess Memory，简称RAM）等。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (12)

1.一种逆变器输出限流保护方法，其特征在于，包括：逆变器输出电压采样值与参考电压值作误差计算得到电压误差值，逆变器的电压控制器利用第一控制算法对所述电压误差值进行运算得到参考电流值，所述参考电流值与逆变器的滤波电感电流采样值作误差计算得到电流误差值，逆变器的电流控制器利用第二控制算法对所述电流误差值进行运算得到第一电压给定值，所述第一电压给定值与前馈参考电压值相加得到第二电压给定值，所述第二电压给定值依次经过逆变器主电路和逆变器输出滤波电路后得到逆变器输出电压，所述方法还包括：

利用所述滤波电感电流采样值判断滤波电感电流是否大于电流阈值；

若所述滤波电感电流大于所述电流阈值，则减小所述前馈参考电压值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述减小所述前馈参考电压值具体包括：

将所述前馈参考电压值乘以一个小于1的系数。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将减小后的前馈参考电压值恢复到所述减小所述前馈参考电压值之前的值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将减小后的前馈参考电压值恢复到所述减小所述前馈参考电压值之前的值具体包括：

以设定的速率将减小后的前馈参考电压值恢复到所述减小所述前馈参考电压值之前的值。

5.一种逆变器输出限流保护装置，其特征在于，包括电压误差计算模块、电压控制模块、电流误差计算模块、电流控制模块、给定电压计算模块、判断模块和前馈电压设定模块，其中，

所述电压误差计算模块，用于将逆变器输出电压采样值与参考电压值作误差计算得到电压误差值，并且将所述电压误差值发送到所述电压控制模块；

所述电压控制模块，用于利用第一控制算法对所述电压误差值进行运算得到参考电流值，并且将所述参考电流值发送到所述电流误差计算模块；

所述电流误差计算模块，用于将所述参考电流值与逆变器输出滤波电路的滤波电感电流采样值作误差计算得到电流误差值，并且将所述电流误差值发送所述电流控制模块；

所述电流控制模块，用于利用第二控制算法对所述电流误差值进行运算得到第一电压给定值，并且将所述第一电压给定值发送到所述给定电压计算模块；

所述给定电压计算模块，用于将所述第一电压给定值与前馈参考电压值相加得到第二电压给定值，并且将所述第二电压给定值发送到逆变器主电路，使得所述第二电压给定值依次经过逆变器主电路和逆变器输出滤波电路后得到逆变器输出电压，并且使能所述判断模块；

所述判断模块，用于利用所述逆变器输出滤波电路中的滤波电感电流采样值判断滤波电感电流是否大于电流阈值，并且在所述滤波电感电流大于电流阈值时使能所述前馈电压设定模块；

所述前馈电压设定模块，用于在所述滤波电感电流大于所述电流阈值时，减小所述前馈参考电压值。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述前馈电压设定模块具体用于：

将所述前馈参考电压值乘以一个小于1的系数。

7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述前馈电压设定模块还用于：

将减小后的前馈参考电压值恢复到所述减小所述前馈参考电压值之前的值。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述前馈电压设定模块将减小后的前馈参考电压值恢复到所述减小所述前馈参考电压值之前的值的具体方式为：

以设定的速率将减小后的前馈参考电压值恢复到所述减小所述前馈参考电压值之前的值。

9.一种逆变器输出限流保护装置，其特征在于，包括控制器，用于将逆变器输出电压采样值与参考电压值作误差计算得到电压误差值，利用第一控制算法对所述电压误差值进行运算得到参考电流值，将所述参考电流值与逆变器的滤波电感电流采样值作误差计算得到电流误差值，利用第二控制算法对所述电流误差值进行运算得到第一电压给定值，将所述第一电压给定值与前馈参考电压值相加得到第二电压给定值，将所述第二电压给定值经过逆变器主电路和逆变器滤波电路后得到逆变器输出电压，所述控制器还用于：

利用所述滤波电感电流采样值判断滤波电感电流是否大于电流阈值；

在所述滤波电感电流大于所述电流阈值时，减小所述前馈参考电压值。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述控制器减小所述前馈参考电压值的具体方式为：

将所述前馈参考电压值乘以一个小于1的系数。

11.根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于，所述控制器还用于：

将减小后的前馈参考电压值恢复到所述减小所述前馈参考电压值之前的值。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述控制器将减小后的前馈参考电压值恢复到所述减小所述前馈参考电压值之前的值的具体方式为：

以设定的速率将减小后的前馈参考电压值恢复到所述减小所述前馈参考电压值之前的值。

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