CN103095165B - 无输出隔离变压器的三相逆变器并联控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无输出隔离变压器的三相逆变器并联控制方法，该方法包括：在每个三相逆变器的输出端连接LCL滤波器，且在所述LCL滤波器的滤波电容上串联阻尼电阻，以增加稳定性和抑制谐振点谐波、增大控制参数的稳定域；采用并联前预同步和并联运行时载波同步的方法，使得三相逆变器与并联交流母线间的相位同步和各并联逆变器间的载波同步，保证了并联的稳定性；采用极点配置电容电压控制和虚拟阻抗匹配控制相结合的算法，加快逆变器的响应速度，提高控制性能，减弱线路阻抗对并联均流的影响；以及采用无缝模式切换和基于三环控制的交流过流和短路故障保护方法，在无输出隔离变压器条件下用于独立解决并联微电网短路故障。

Description

无输出隔离变压器的三相逆变器并联控制方法

技术领域

本发明涉及一种变流设备的控制方法，具体地涉及一种无输出隔离变压器的三相逆变器并联控制方法，属于特种电源及分布式供电控制技术应用领域。

背景技术

逆变器并联运行能够有效地扩大电源系统容量，提高系统的可靠性，是实现电源模块化和分布式电源系统的基础，在大型船舶变配电和陆地微电网系统中得到了广泛应用。在以上变、配电系统中，大功率三相逆变器为其主要接口模块，但出于对系统体积、重量及成本限制的考虑，通常要求在逆变器输出侧取消隔离变压器，但这对三相逆变器独立和并联运行带来了一些新的问题和挑战，具体如下：

(1)当逆变器负载侧发生短路时，若逆变器输出侧没有隔离，会对逆变器的冲击较大，需要采取有效、可靠的短路保护方法以保证逆变器自身安全，防止故障扩大。

(2)由于输出侧没有隔离，并联逆变器间不可避免出现通过开关功率器件和输出滤波电抗器而直接将各逆变器直流输入动力电源短接的路径，从而产生较大开关频率特征电流谐波，导致并联投入不可靠和不稳定，需要加以解决。

(3)由于输出侧没有隔离，并联时会出现独立运行时没有的LCL谐振频率点较大电流谐波，导致系统不稳定，需要加以解决。

(4)由于输出侧没有隔离，当逆变器直流侧也并联时，在并联时产生的环流会导致直流母线电压升高，影响逆变器的安全运行，因而更需要好的环流控制算法。

(5)即使对于相同硬件架构的逆变器，由于器件参数和控制系统参数的差异及各逆变器输出电缆长度的不同，也会导致各逆变器输出阻抗大小和阻感特性的差异，使得传统经典无互联线下垂并联算法难以保证并联功率均分的效果。

因此，在无输出隔离变压器的条件下，如何同时保证各逆变器并联运行的安全稳定及负载电流和功率的均分成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种无输出隔离变压器的三相逆变器并联控制方法。

实现本发明目的采用的技术方案是：一种无输出隔离变压器的三相逆变器并联控制方法，包括，

在每个三相逆变器的输出端连接LCL滤波器，且在所述LCL滤波器的滤波电容上串联阻尼电阻；

使每台三相逆变器控制器之间的载波同步；

控制相位预同步以锁定频率和相位，并根据预同步和载波同步实时计算相角；

将所述计算的相角进行dq坐标变换，得到三相并联母线电压、LCL滤波电容电压、三相逆变器桥臂电感电流和输出电流的d、q轴分量U_sd、U_sq、U_fd、U_fq、I_md、I_mq、I_sd、I_sq；

将每台三项逆变器的输出阻抗调整为纯感性，然后采用无互联线下垂控制算法，得到修正的电压控制指令值；

当每台三相逆变器独立运行或并联时，采用极点配置电压控制算法控制LCL滤波电容电压；而当负载侧发生异常工况时，则采用PI电流控制算法控制逆变器桥臂电感电流以实现限流和可靠保护；

在旋转坐标系下，采用无互联线下垂控制算法、极点配置电压控制算法、PI电流控制算法对逆变器LCL滤波电容电压的d、q轴分量U_fd、U_fq和三相逆变器桥臂电感电流的d、q轴分量I_md、I_mq分别进行解耦控制，获得三相逆变器参考输出电压矢量；

将解耦控制所得的参考电压矢量通过脉宽调制器，生成控制脉冲信号，再将所述控制脉冲信号经驱动电路，进而控制三相逆变器中功率开关器件，产生相应的电压。

本发明方法在实现逆变器与并联交流母线间的相位同步和各逆变器间的PWM载波同步的基础上，采用了极点配置电容电压控制和虚拟阻抗匹配控制相结合的算法，不但加快了逆变器响应速度、提高了控制性能，而且将其输出阻抗调整为纯感性，减弱了线路阻抗对并联均流的影响。此外，还采用了无缝模式切换和基于三环控制的交流过流和输出短路故障保护方法，在无输出变压器隔离条件下用于独立解决并联微电网短路故障，反应速度快、可靠性高，对于不同大小冲击负载或短路，均能够有效地限制输出电流。

附图说明

图1为无输出变压器多个三相逆变器并联系统的结构示意图；

图2为本发明无输出隔离变压器的三相逆变器并联控制方法的流程图；

图3为各逆变器控制器间载波同步的示意图；

图4为逆变器虚拟阻抗匹配控制方法示意图；

图1中，1-直流动力源，2-三相逆变器，3-LCL滤波器，4-并联交流母线，5-公共负载。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图2所示，本发明无输出隔离变压器的三相逆变器并联控制方法包括以下步骤：

步骤S101：如图1所示的无输出变压器多个三相逆变器的并联系统，直流动力源1连接在三相逆变器2的输入端，三相逆变器2的输出端连接LCL滤波器3，LCL滤波器3输出连接在并联交流母线4上，并联交流母线4上连接有公共负载5。

本发明在三相逆变器2的输出端连接LCL滤波器3，以便在较小的滤波电感量下输出电压、电流的品质得到保证。并且，在所述LCL滤波器3的滤波电容上串联阻尼电阻，以增加稳定性和抑制谐振点谐波、增大控制参数的稳定域。该并联系统采用多台相同硬件架构的三相逆变器作为模块进行并联以方便有效地扩大系统容量，提高系统的可靠性，实现分布式供电。

步骤S102：为防止出现各三相逆变器2间通过开关功率器件和输出滤波电抗器而直接将直流动力输入源短接的路径，从而产生较大开关频率特征电流谐波，影响并联稳定性，各三相逆变器2开关频率必须相同且采用了如图3所示的各三相逆变器控制器间载波同步的方法。

本实施例中，各三相逆变器2的控制器均采用相同的基于数字信号处理器(DSP)的数字控制器，用脉宽调制方法(PWM)最终控制逆变器功率开关器件的导通和关断，并且各三相逆变器开关频率fS相同。采用如图3所示的各三相逆变器控制器间载波(三角波)同步的方法，同时选择倍频数N是3的奇数倍，在无输出隔离变压器的情况下基本消除了3次及其倍频谐波。

如图3所示，固定以其中一台三相逆变器的控制器或一台专用控制器（嵌入式控制MCU）作为载波同步源，在每个控制器开关周期计数过零点发出载波同步脉冲，经光纤发送到其它各三相逆变器控制器而引发其外部中断，其它各三相逆变器的控制器在外部中断响应程序中根据同步脉冲传输延时修正各自开关周期计数值，从而达到载波(三角波)同步的目的。

三相逆变器并联时，使每台三相逆变器控制器之间载波同步，并根据预同步和载波同步实时计算相角。

本发明采用并联前预同步和并联运行时载波同步的方法，确保了三相逆变器与并联交流母线间的相位同步和各逆变器间的PWM载波同步。

步骤S103：在上述各三相逆变器并联之前，为减小并联开关合闸瞬时的电压和电流冲击，本实施例通过采样得到并联交流母线4的三相电压U_a，U_b，U_c，再由数字信号处理器采用数字延迟信号对消算法得到并联母线电压的正、负序d、q轴分量，然后将并联母线电压的正序q轴分量作为软件锁相环PI调节器的反馈输入，通过PI算法控制并联母线电压正序q轴分量为0来输出逆变器跟踪并联母线频率f的调整量，从而预先锁定并联母线的频率f和正序相角θ，达到相位预同步。

步骤S104：根据步骤S102和S103计算的相角进行dq坐标变换，得到三相并联母线电压、LCL滤波电容电压、三相逆变器桥臂电感电流和输出电流的d、q轴分量U_sd、U_sq、U_fd、U_fq、I_md、I_mq、I_sd、I_sq。

步骤S105：将每台三项逆变器的输出阻抗调整为纯感性，然后采用无互联线下垂控制算法，得到修正的电压控制指令值；实现了在各逆变器等效输出阻抗不均衡时，多台电压源逆变器快速、稳定并联，抑制环流，均分有功和无功功率；

本实施例采用的虚拟阻抗控制算法和改进的无互联线下垂控制算法具体为：

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_V\left(s\right)=k_z\mathrm{Ls}\\ V_i=V^{*}-k_{\mathrm{QV}}^{\′}(1+k_Q{Q}_i)Q_i-k_{\mathrm{PV}}^{\′}(1+k_P{P}_i)P_i-K_{\mathrm{QD}}\frac{{\mathrm{dQ}}_i}{\mathrm{dt}}\\ {\mathrm{\ω}}_i={\mathrm{\ω}}^{*}-k_{\mathrm{P\ω}}{P}_i+k_{\mathrm{Q\ω}}{Q}_i-K_{\mathrm{PD}}\frac{{\mathrm{dP}}_i}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.$

其中，Z_V(s)为逆变器加入的虚拟阻抗，k_z为虚拟阻抗系数，L为加入的虚拟电感，s为微分算子；V_i、ω_i分别为第i台逆变器并联带载时的输出电压幅值指令和角频率指令，V^*、ω^*分别为空载时各逆变器输出电压幅值指令和角频率指令，P_i、Q_i分别为第i台逆变器输出的有功和无功功率,k_Pω、k_Qω、K′_PV、k′_QV为下垂控制系数，k_PD、k_QD分别为有功微分和无功微分的下垂系数，K_P、k_Q分别为关于有功和无功的电压线性下垂系数。

步骤S106：当每台三相逆变器独立运行或并联时，采用极点配置电压控制算法或者双环PI控制算法控制LCL滤波电容电压以提高控制性能、加快响应速度；当发生短路等异常工况时，采用PI电流控制算法控制逆变器桥臂电感电流以实现限流和可靠保护，防止故障扩大。三相逆变器控制器采用了电压控制和电流控制间无缝模式切换的方法，在检测到逆变器过流或短路时自动由极点配置电压控制算法切换到传统PI电流控制算法。

采用极点配置电压控制算法通过控制输出滤波电容电压来跟踪交流输出电压指令，由于端口输出电感(并机电感)不可避免存在压降而造成电压跟踪误差。

因此，作为本实施例的一种优选实施方案，在步骤S105中，对P_i、Q_i、V^*、ω^*经过改进的无互联线下垂控制算法后，采用电压指令补偿算法进行电压补偿，然后再采用极点配置电压控制算法控制LCL滤波电容电压，如图4所示。其中电压指令补偿算法具体为：

U_fdref=U_sdref+ω·Lg·I_sq

U_fqref=U_sqref－ω·Lg·I_sd

其中U_fdref、U_fqref分别为LCL滤波器滤波电容电压d、q轴指令值，ω为输出交流电压角频率，Lg为LCL滤波器的端口输出电感值，U_sdref、Us_qref分别为逆变器输出电压d、q轴指令值，I_sd、I_sq分别为逆变器输出d、q轴电流。

本发明采用极点配置电容电压控制和虚拟阻抗匹配控制相结合的算法，不但加快了逆变器响应速度、提高了控制性能，而且将其输出阻抗调整为纯感性，减弱了线路阻抗对并联均流的影响。在各三相逆变器等效输出阻抗不均衡时，采用改进下垂控制算法也能使各电压源逆变器快速、稳定并联，抑制环流，均分有功和无功功率。

此外，本发明采用无缝模式切换和基于三环控制的交流过流和输出短路故障保护方法，在无输出变压器隔离条件下用于独立解决并联微电网短路故障，反应速度快、可靠性高，对于不同大小冲击负载或短路，均能够有效地限制输出电流。

步骤S107：在旋转坐标系下，采用步骤S105和S106所述控制算法对逆变器LCL滤波电容电压的d、q轴分量U_fd、U_fq或桥臂电感电流的d、q轴分量I_md、I_mq分别进行解耦控制，获得三相逆变器参考输出电压矢量；

步骤S108：将解耦控制所得的参考电压矢量通过脉宽调制器，生成控制脉冲信号，再将所述控制脉冲信号经驱动电路，进而控制三相逆变器中功率开关器件，产生相应的电压。

作为本实施例的一种优选实施方式，所用脉宽调制器为电压空间矢量脉宽调制器，调制方式为电压空间矢量脉宽调制方式，即通过DSP程序中的SVPWM（电压空间矢量）计算子模块根据求得的Ucdref,和Ucqref值来计算每相桥臂IGBT的相应导通时间，并将其写入DSP中相应的比较寄存器，由DSP生成六路相关PWM信号。最后经IGBT驱动电路转换为相应隔离的电平信号驱动IGBT工作，完成能量变换过程。

采用电压空间矢量脉宽调制方式适合于数字化控制系统，且能够根据输入信号计算出三相逆变器有效开关矢量的占空比，从而有效地对逆变器功率开关器件进行控制。

为了在无输出变压器隔离条件下用于独立解决并联微电网短路故障，本发明还进一步提供基于三环控制的交流过流和短路故障保护方法，它具体包括以下步骤：首先在电流环中对桥臂电感的参考电流I_mdref、I_mqref的大小进行限幅；然后采用电流瞬时值硬件滞环限流控制，当输出电流的峰值达到预先设定好的限流值I_H1后，立即封锁PWM信号，强迫电流进入续流状态，使输出电流减小；当输出电流减小到低于限流值的某一设定值I_HL后，撤销封锁信号，让电路中的原有的控制信号正常发挥作用；而当输出电流的峰值达到预先设定好的限流值I_H2后，立即永久封锁PWM信号，同时使逆变器进入故障保护停机状态，其中，I_H2>I_H1>I_HL。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以根据设备的大小不同做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种无输出隔离变压器的三相逆变器并联控制方法，其特征在于，包括：

在每个三相逆变器的输出端连接LCL滤波器，且在所述LCL滤波器的滤波电容上串联阻尼电阻；

使每台三相逆变器控制器之间的载波同步；

控制相位预同步以锁定频率和相位，并根据预同步和载波同步实时计算相角；控制相位预同步包括：通过采样得到并联交流母线的三相电压Ua，Ub，Uc，再由数字信号处理器采用数字延迟信号对消算法得到并联母线电压的正、负序d、q轴分量，然后将并联母线电压的正序q轴分量作为软件锁相环PI调节器的反馈输入，通过PI算法控制并联母线电压正序q轴分量为0来输出逆变器跟踪并联母线频率f的调整量，从而预先锁定并联母线的频率f和正序相角θ，从而达到相位预同步；

将所述计算的相角进行dq坐标变换，得到三相并联母线电压、LCL滤波电容电压、三相逆变器桥臂电感电流和输出电流的d、q轴分量U_sd、U_sq、U_fd、U_fq、I_md、I_mq、I_sd、I_sq；

将每台三项逆变器的输出阻抗调整为纯感性，然后采用无互联线下垂控制算法，得到修正的电压控制指令值；具体采用如下公式进行虚拟阻抗控制算法和无互联线下垂控制算法：

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_V\left(s\right)=k_z\mathrm{Ls}\\ V_i=V^{*}-k_{\mathrm{QV}}^{\′}(1+k_Q{Q}_i)Q_i-k_{\mathrm{PV}}^{\′}(1+k_P{P}_i)P_i-K_{\mathrm{QD}}\frac{{\mathrm{dQ}}_i}{\mathrm{dt}}\\ {\mathrm{\ω}}_i={\mathrm{\ω}}^{*}-k_{\mathrm{P\ω}}{P}_i+k_{\mathrm{Q\ω}}{Q}_i-K_{\mathrm{PD}}\frac{{\mathrm{dP}}_i}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.$

其中Z_V(s)为逆变器加入的虚拟阻抗，k_z为虚拟阻抗系数，L为加入的虚拟电感，s为微分算子；V_i、ω_i分别为第i台逆变器并联带载时的输出电压幅值指令和角频率指令，V^*、ω^*分别为空载时各逆变器输出电压幅值指令和角频率指令，P_i、Q_i分别为第i台逆变器输出的有功和无功功率,k_Pω、k_Qω、k'_PV、k'_QV为下垂控制系数，k_PD、k_QD分别为有功微分和无功微分的下垂系数，k_P、k_Q分别为关于有功和无功的电压线性下垂系数；

当每台三相逆变器独立运行或并联时，采用极点配置电压控制算法控制LCL滤波电容电压；而当负载侧发生异常工况时，则采用PI电流控制算法控制逆变器桥臂电感电流以实现限流和可靠保护；

在旋转坐标系下，采用无互联线下垂控制算法、极点配置电压控制算法、PI电流控制算法对逆变器LCL滤波电容电压的d、q轴分量U_fd、U_fq和三相逆变器桥臂电感电流的d、q轴分量I_md、I_mq分别进行解耦控制，获得三相逆变器参考输出电压矢量；

将解耦控制所得的参考电压矢量通过脉宽调制器，生成控制脉冲信号，再将所述控制脉冲信号经驱动电路，进而控制三相逆变器中功率开关器件，产生相应的电压。

2.根据权利要求1所述的无输出隔离变压器的三相逆变器并联控制方法，其特征在于：各三相逆变器的控制器均采用相同的基于数字信号处理器的数字控制器，用脉宽调制方法控制三相逆变器功率开关器件的导通和关断，并且各三相逆变器开关频率fs相同；固定以其中一台三相逆变器控制器或一台专用控制器作为载波同步源，在每个控制器开关周期计数过零点发出载波同步脉冲，经光纤发送到各三相逆变器控制器而引发其外部中断，各逆变器控制器在外部中断响应程序中根据同步脉冲传输延时修正各自开关周期计数值，从而达到载波同步。

3.根据权利要求1所述的无输出隔离变压器的三相逆变器并联控制方法，其特征在于：对极点配置电压控制算法采用以下电压指令补偿算法：

Ufdref＝U_sdref+ω·Lg·I_sq

Ufqref＝U_sqref－ω·Lg·I_sd

其中U_fdref、U_fqref分别为LCL滤波器滤波电容电压d、q轴指令值，ω为输出交流电压角频率，Lg为LCL滤波器的端口输出电感值，U_sdref、U_sqref分别为逆变器输出电压d、q轴指令值，I_sd、I_sq分别为三相逆变器输出d、q轴电流。

4.根据权利要求1所述的无输出隔离变压器的三相逆变器并联控制方法，其特征在于：它还包括基于三环控制的交流过流和短路故障保护方法，包括以下步骤：首先在电流环中对桥臂电感的参考电流I_mdref、I_mqref的大小进行限幅；然后采用电流瞬时值硬件滞环限流控制，当输出电流的峰值达到预先设定好的限流值I_H1后，立即封锁PWM信号，强迫电流进入续流状态，使输出电流减小；当输出电流减小到低于限流值的某一设定值I_HL后，撤销封锁信号，让电路中的原有的控制信号正常发挥作用；而当输出电流的峰值达到预先设定好的限流值I_H2后，立即永久封锁PWM信号，同时使逆变器进入故障保护停机状态，其中，I_H2>I_H1>I_HL。

5.根据权利要求1～4任一项所述的无输出隔离变压器的三相逆变器并联控制方法，其特征在于：所述脉宽调制器为电压空间矢量脉宽调制器，其调制方式为电压空间矢量脉宽调制方式。