CN103117644A

CN103117644A - 一种逆变器并联控制系统及控制方法

Info

Publication number: CN103117644A
Application number: CN2013100333255A
Authority: CN
Inventors: 李辉; 杨洪军
Original assignee: SHANDONG AINUO INSTRUMENT CO Ltd
Current assignee: SHANDONG AINUO INSTRUMENT CO Ltd
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2033-01-29
Also published as: CN103117644B

Abstract

本发明属于逆变器并联控制技术领域，具体涉及的是一种基于瞬时平均电流前馈与功率调节相结合的逆变器并联控制系统及控制方法。本发明将瞬时平均电流前馈控制与功率调节相结合，利用瞬时平均电流前馈增加逆变器间的等效输出阻抗，抑制谐波环流，同时减小了并联系统负载端的等效输出阻抗，提高了负载适应性，保证了谐波均流响应速度。功率调节采用有功调压、无功调频的方式实现并联系统的基波电流均分，对基波环流进行了有效抑制，保障了并联系统的可靠运行。本发明所述系统结构简单，采用冗余设计，可靠性高，能实现超大功率逆变器设计，系统稳态及瞬态性能指标优良。

Description

一种逆变器并联控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于逆变器并联控制技术领域，具体涉及的是一种基于瞬时平均电流前馈与功率调节相结合的逆变器并联控制系统及控制方法。

背景技术

随着社会的发展，电源系统(本质即逆变器)的应用越来越广泛，人们对其要求也越来越高，单台的缺点日益明显，于是逆变器并联系统的研究及应用就显得愈发重要。

目前所采用的逆变器并联控制技术主要有以下几种：集中控制、主从控制、分散逻辑控制、无互联线控制，其中前三种并联技术采用互联通讯方式，利用电流自动均流法或有功无功调节法，可以取得较好的均流效果和稳态指标，但是由于互联线的存在，可靠性低，系统复杂，冗余性差。无互联线控制方式由于取消了互联线，因此可靠性高，系统简洁，但是由于该方式采用功率调节方式，因此调节滞后一个周期，动态性能差；另外，该方式基于基波的有功无功调节，在带非线性负载尤其是整流性负载时，谐波电流均流效果不理想，并且受并联阻抗的影响非常大，甚至关系能否成功并联运行。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于瞬时平均电流前馈与功率调节相结合的逆变器并联控制方法和控制系统，实现大功率的逆变器的并联运行，该并联系统采用无互联线控制，既能够实现基波电流的均分，又能够抑制谐波环流，提高均流响应速度，结构简单，可靠性高。

本发明所述的逆变器并联控制系统，包括一数字化控制模块、一模拟控制模块、一前桥逆变模块和一LC滤波模块，上述模块依次连接，所述的数字化控制模块包括一幅值控制器和一均流控制器模块，均流控制器模块包括瞬时平均电流前馈控制器和功率调节器，瞬时平均电流前馈控制器用于以瞬时平均电流作为参考信号、以逆变器输出电流作为反馈实现均流控制，功率调节器包括PQ计算模块、有功调节模块和无功调节模块，有功调节模块采用电压幅值调节，无功调节模块采用频率调节，用于实现并联系统的基波电流均分。瞬时平均电流前馈控制器中设有瞬时均流调节器G（s），瞬时均流调节器G（s）采用P调节。所述的模拟控制模块采用瞬时电压波形控制。

在逆变器并联系统的每台逆变器输出端设置如上控制系统，并联系统中的单台逆变器波形控制采用电压双环控制，数字化控制模块实时计算逆变器输出的电压有效值，并将其反馈到电压有效值外环，通过PI控制后，实现稳态电压的幅值控制，保证逆变器的输出电压幅值稳定且满足要求。同时逆变器实时采集输出的电压瞬时值，并将其反馈到瞬时电压内环，通过P控制后，实现瞬时电压波形控制，降低电压失真度，保证输出电压波形的质量和瞬态性能。逆变器并联系统运行时，在电压闭环控制的基础上，引入瞬时平均电流前馈控制，使并联系统中的各逆变器的瞬时平均电流与自身输出的瞬时电流相比较，其误差经过瞬时均流调节器G(s)调节后，加到瞬时电压给定。当逆变器自身输出电流小于并联系统瞬时平均电流时，经过G(s)调节，会增大瞬时电压给定，从而使自身的输出电流能够快速跟踪并联系统的平均电流，实现对环流的抑制。

瞬时平均电流前馈将瞬时平均电流作为参考信号，以自身输出电流作为反馈，实现均流控制，系统均流响应快，但是存在一定缺陷，瞬时平均电流前馈采用瞬时均流调节器G(s)调节，G(s)一般采用P调节，其值不能设置的太大，否则会引起系统振荡，因此P值必须控制在一定范围内，在实际应用中受到一定限制。针对这一问题，本发明在瞬时平均电流前馈的基础上引入了功率调节，从而把瞬时平均电流前馈与功率调节相结合。而功率调节则基于有功无功调节，在并联逆变器间特性呈现阻性时，采用有功调压、无功调频可以实现并联系统的基波电流均分。

在逆变器并联系统中的每一个逆变器输出端均设置一上述控制系统，所述控制系统所采用的控制方法为首先实时采集相应逆变器的瞬时输出电压Uo和瞬时输出电流io并送入该系统的数字化控制模块，由数字化控制模块计算得出瞬时电压给定值Uins_ref，然后将瞬时电压给定值Uins_ref送入模拟控制模块，经过控制后得到电压控制量Ug，再经前桥逆变模块调节、LC滤波模块滤波后输出，本发明的特点在于在数字化控制模块内部信号的处理步骤如下：

1）、瞬时输出电压Uo经离散化傅里叶分解DFT计算出电压有效值Urms_feed，与电压幅值给定值Urms_ref相比较，得到误差信号e(t)_u；同时，PQ计算模块根据瞬时输出电压Uo和瞬时输出电流io计算得出有功功率P和无功功率Q；

2）、有功功率P送入有功调节模块，经有功调压调节后获得的信号值与步骤1）产生的误差信号e(t)_u相减后得到幅值误差信号e(t)_up，此信号送入幅值控制器计算得出幅值调节值Urms_c；

3）、无功功率Q送入无功调节模块，采用无功调频方式得出频率控制量f, 正弦信号发生器根据频率控制量f及步骤2）产生的幅值调节值Urms_c，计算出瞬时电压参考值Uins_c；

4）、瞬时平均电流前馈控制器根据瞬时平均电流ioav及瞬时电流io计算出电流误差信号e(t)_i,此信号送入瞬时均流调节器G(S)，计算后得到瞬时均流调节值iav_c；

5）、瞬时电压参考值Uins_c与瞬时均流调节值iav_c相加后得出瞬时电压给定值Uins_ref。

步骤2）中有功调节模块的传递函数为v=v ₀-K _P *P。

步骤3)中无功调节模块的传递函数为f=f ₀ -K _Q *Q。

逆变器并联系统在运行时，每台逆变器采集负载端的瞬时平均电流ioav，将其送入均流控制器模块，在均流控制器模块内部，瞬时平均电流ioav与其输出电流io相比较，其差值e(t)_i经过瞬时均流调节器G(S)调节后，加到瞬时电压参考值Uins_c上，实现谐波环流抑制。同时单台逆变器每个周期内计算输出的有功功率P和无功功率Q，通过功率调节器实现基波电流控制，该功率调节器采用有功调节电压幅值、无功调节频率实现基波电流的均分。

本发明利用瞬时平均电流前馈增加逆变器间的等效输出阻抗，抑制谐波环流，同时减小了并联系统负载端的等效输出阻抗，提高了负载适应性，保证了谐波均流响应速度，同时利用功率调节对基波环流进行了有效抑制，保障了并联系统的可靠运行。本发明所述系统结构简单，采用冗余设计，可靠性高，能实现超大功率逆变器设计，系统稳态及瞬态性能指标优良。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述：

图1是本发明的系统构成框图；

图2是本发明实施例的工作原理框图；

图3是本发明实施例瞬时平均电流前馈控制原理框图；

图4是实施例逆变器间等效输出阻抗bode图；

图5是实施例带载60kW(150V/50Hz)时启动瞬间的电压电流波形图；

图6是实施例带载60kW(150V/50Hz)时的环流波形图；

图中，100、数字化控制模块，101、均流控制器模块，102、瞬时平均电流前馈控制器，103、功率调节器，104、幅值控制器，105、PQ计算模块，106、有功调节模块，107、无功调节模块，200、模拟控制模块，300、前桥逆变模块，400、LC滤波模块。

具体实施方式

基于瞬时平均电流前馈与功率调节相结合的逆变器并联控制系统的具体构成如图1所示，包括一数字化控制模块100、一模拟控制模块200、一前桥逆变模块300和一LC滤波模块400，上述模块依次连接，所述的数字化控制模块100包括一幅值控制器104和一均流控制器模块101，均流控制器模块101包括瞬时平均电流前馈控制器102和功率调节器103，瞬时平均电流前馈控制器102用于以瞬时平均电流作为参考信号、以逆变器输出电流作为反馈实现均流控制，功率调节器103包括PQ计算模块105、有功调节模块106和无功调节模块107，有功调节模块106采用电压幅值调节，其调节函数为v=v ₀-K _P *P，无功调节模块107采用频率调节，其调节函数为f=f ₀ -K _Q *Q，用于实现并联系统的基波电流均分。瞬时平均电流前馈控制器102中设有瞬时均流调节器G（s），瞬时均流调节器G（s）采用P调节。所述的模拟控制模块200采用瞬时电压波形控制。

在逆变器并联系统的每一台逆变器输出端均设置一上述控制系统，该控制系统具体控制方法按下述步骤进行：

1）、实时采集相应逆变器的瞬时输出电压Uo和瞬时输出电流io并送入该系统的数字化控制模块100；

2）、在数字化控制模块100内部，瞬时输出电压Uo经离散化傅里叶分解DFT计算出电压有效值Urms_feed，与电压幅值给定值Urms_ref相比较，得到误差信号e(t)_u；同时，PQ计算模块105根据瞬时输出电压Uo和瞬时输出电流io计算得出有功功率P和无功功率Q；

3）、有功功率P送入有功调节模块106，根据v=v ₀-K _P *P计算得出的数值与误差信号e(t)_u相减后得到幅值误差信号e(t)_up，此信号送入幅值控制器104计算得出幅值调节值Urms_c；

4）、无功功率Q送入无功调节模块107，根据f=f ₀ -K _Q *Q得出频率控制量f，正弦信号发生器根据频率控制量f及幅值调节值Urms_c，计算出瞬时电压参考值Uins_c；

5）、瞬时平均电流前馈控制器102根据瞬时平均电流ioav及瞬时电流io计算出电流误差信号e(t)_i,此信号送入瞬时均流调节器G(S)，计算后得到瞬时均流调节值iav_c；

6）、瞬时电压参考值Uins_c与瞬时均流调节值iav_c相加后得出瞬时电压给定值Uins_ref；

7）、将瞬时电压给定值Uins_ref送入模拟控制模块200，经控制后得到电压控制量Ug；

8）、电压控制量Ug经前桥逆变模块300调节后送入LC滤波模块400，经LC滤波后输出平滑的正弦波形，其中L为输出隔离变压器的漏感。

下面以两台90kVA(150V/50Hz)三相交流电源组成的并联系统为例，提供控制系统原理框图（图2）和瞬时平均电流前馈控制原理框图（图3），说明该控制系统的优越性。

两台逆变器并联时，按图2所示，经推导可得出并联逆变器负载端的等效输出阻抗为：

，

而并联逆变器间的等效输出阻抗为：

，

可见，并联逆变器对于负载端的等效输出阻抗与瞬时均流调节器G(s)无关，两台逆变器并联情况下，其值是单台的一半，负载抗扰动能力提高。另外，并联逆变器间的等效输出阻抗与瞬时均流调节器G(s)相关， G(s)值越大，Zp越大，这样抑制逆变器间环流的能力越强。因此加入瞬时平均电流前馈后，一方面通过瞬时均流调节器G(s)增加逆变器间的等效输出阻抗，抑制环流，另一方面减小了系统的输出阻抗，提高了抗负载扰动能力，提高了波形质量。

针对瞬时平均电流前馈控制在均流控制时存在的缺陷，本发明在瞬时平均电流前馈的基础上引入了功率调节，从而把瞬时平均电流前馈与功率调节相结合。由上文可知并联逆变器间的输出等效阻抗为：

。

当G(s)=2时，其bode图如图4所示，其特性基本属于阻性。而功率调节则基于有功无功调节，在并联逆变器间特性呈现阻性时，采用有功调压、无功调频可以实现并联系统的基波电流均分。在本发明中，数字化控制器根据实时采集的瞬时电压Uo和瞬时电流io，周期性计算逆变器输出的有功功率P和无功功率Q，将功率调节控制率作用到逆变器。由于功率调节主要基于基波的有功无功调节，因而可以实现基波电流的均分，其功率调节控制率为：V ₀ =V _ref -K _P *P，f ₀ =f _re f -K _Q *Q。

该并联控制系统带载60kW(150V/50Hz)启动瞬间的电压电流波形如图5所示，其中电压波形在启动瞬间略有过冲，但是迅速稳定，稳态精度较高。该并联控制系统带载60kW(150V/50Hz)的环流波形如图6所示，环流在启动后迅速减小并稳定，由于带载后并联感抗的作用，环流比空载环流有所减小。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种逆变器并联控制系统，包括一数字化控制模块（100）、一模拟控制模块（200）、一前桥逆变模块（300）和一LC滤波模块（400），上述模块依次连接，其特征在于：所述的数字化控制模块（100）包括一幅值控制器（104）和一均流控制器模块（101），均流控制器模块（101）包括瞬时平均电流前馈控制器（102）和功率调节器（103），瞬时平均电流前馈控制器（102）用于以瞬时平均电流作为参考信号、以逆变器输出电流作为反馈实现均流控制，功率调节器（103）包括PQ计算模块（105）、有功调节模块（106）和无功调节模块（107），有功调节模块（106）采用电压幅值调节，无功调节模块（107）采用频率调节，用于实现并联系统的基波电流均分。

2.根据权利要求1所述的逆变器并联控制系统，其特征在于：瞬时平均电流前馈控制器（102）中设有瞬时均流调节器G（s），瞬时均流调节器G（s）采用P调节。

3.根据权利要求1所述的逆变器并联控制系统，其特征在于：所述的模拟控制模块（200）采用瞬时电压波形控制。

4.一种逆变器并联控制方法，在逆变器并联系统中的每一个逆变器输出端均设置一上述控制系统，所采用的控制方法为首先实时采集相应逆变器的瞬时输出电压Uo和瞬时输出电流io并送入该系统的数字化控制模块（100），由数字化控制模块（100）计算得出瞬时电压给定值Uins_ref，然后将瞬时电压给定值Uins_ref送入模拟控制模块（200），经过控制后得到电压控制量Ug，再经前桥逆变模块（300）调节、LC滤波模块（400）滤波后输出，其特征在于在数字化控制模块（100）内部信号的处理步骤如下：

1）、瞬时输出电压Uo经离散化傅里叶分解DFT计算出电压有效值Urms_feed，与电压幅值给定值Urms_ref相比较，得到误差信号e(t)_u；同时，PQ计算模块（105）根据瞬时输出电压Uo和瞬时输出电流io计算得出有功功率P和无功功率Q；

2）、有功功率P送入有功调节模块（106），经有功调压调节后获得的信号值与步骤1）产生的误差信号e(t)_u相减后得到幅值误差信号e(t)_up，此信号送入幅值控制器（104）计算得出幅值调节值Urms_c；

3）、无功功率Q送入无功调节模块（107），采用无功调频方式得出频率控制量f, 正弦信号发生器根据频率控制量f及步骤3）产生的幅值调节值Urms_c，计算出瞬时电压参考值Uins_c；

4）、瞬时平均电流前馈控制器（102）根据瞬时平均电流ioav及瞬时电流io计算出电流误差信号e(t)_i,此信号送入瞬时均流调节器G(S)，计算后得到瞬时均流调节值iav_c；

5.根据权利要求4所述的逆变器并联控制方法，其特征在于：步骤2）中有功调节模块（106）的传递函数为v=v ₀-K _P *P。

6.根据权利要求4所述的逆变器并联控制方法，其特征在于：步骤3)中无功调节模块（107）的传递函数为f=f ₀ -K _Q *Q。