CN103236717B - 基于同步参考电压的多台pwm变流器并联运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同步参考电压的多台PWM变流器并联运行控制方法，多台PWM变流器并联运行系统包括主控制器和从控制器，主控制器根据并联运行的负载总功率计算出每台PWM变流器的同步输出参考电压，同时将士控制器输出的同步参考电压信号发送至各从控制器，各从控制器根据自身负载功率大小自动修正其虚拟输出阻抗值，从而使多台PWM变流器的输入总功率满足系统需求，并且满足各台PWM变流器自身的负载需求。各台PWM变流器的等效输出端电压具有完全一致的幅值和相位，从而避免各PWM变流器间环流的产生;由于每台PWM变流器拥有自己独立的从控制器，当其中一台PWM变流器出现故障后，其余PWM变流器仍可继续工作，提高了系统的可靠性。

Description

基于同步参考电压的多台PWM变流器并联运行控制方法

技术领域

本发明涉及一种适用于多台PWM变流器并联运行系统的控制方法，特别涉及一种用于抑制环流的多台PWM变流器并联运行的主从控制方法。

背景技术

传统的T业变频电源通常由功率二极管和晶闸管等构成，交流电源或直流电源经过传统工业变频电源变换后，会对电网注入大量谐波。随着工业发展，变频电源的应用越来越广泛，特别是应用于冶金行业中的基于功率开关器件的各种大功率整流电源和特种逆变电源等数量和容量都越来越庞大，各种工业变频电源对配电网电能质量的影响越来越严重，如何提高工业变频电源的电能变换效率和降低其谐波产生量已成为工业界的一个重要课题。

目前，为了提高各种变频电源的电能变换效率和电能质量，以及为了提高变频电源系统的总容量，有器件串联型工业变频电源和模块并联型工业变频电源两种解决方案。器件串联型工业变频电源方案能有效地解决大容量电源问题，并且能有效改善输出电能的质量，但是当其容量固定时，在实时负荷变小或者生产规模减小时就会出现电源容量闲置的问题，降低了电源设备的利用率和灵活性。模块并联型工业变频电源方案是由多组小容量的工业电源并联连接构成，其容量的大小可以灵活地增大和减小，可以方便地根据实际生产需要增减装置数量，提高设备利用率。除此之外，模块并联型工业变频电源方案具有冗余运行特点，能大幅降低电源设备发生故障时的风险。因此，采用PWM变频器作为变频电源的前级功率变换电路已成为当前和今后的发展趋势。

模块并联型工业变频电源方案中的变频电源模块通常是使用PWM变流器作为各种变频电源的前级功率变换电路，其工作原理是:PWM变流器将来自配电网的工频交流电整流成直流电，后级功率电路根据负载特性和需求分别采用DC/AC或DC/DC等拓扑结构将直流电能变换成满足负载要求的交流电或直流电。这种基于PWM变流器作为前级功率变换电路的模块化工业变频电源将PWM变流器的交流输入侧并联连接在配电网中，这样能在不影响工业现场生产运行的条件下灵活、有效的扩大电源系统的容量。但是，当各并联运行的电源模块中的PWM变流器的交流侧电压不一致时，就会在PWM变流器之间产生环流。这种变流器之间的环流会增加设备损耗，降低变频电源的电能变换效率，在环流较大时还会对PWM变流器中的功率开关器件产生烧毁性危害。因此，研究一种能抑制环流的多台PWM变流器并联运行控制方法对提高工业变频电源的电能变换效率和安全性具有重要的现实意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种具有良好的冗余运行性能的基于同步参考电压的多台pWM变流器并联运行控制方法，有效抑制多台PWM变流器之间的环流。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:一种基于同步参考电压的多台PWM变流器并联运行控制方法，适用于多台PWM变流器并联运行系统，所述多台pWM变流器并联运行系统包括多个并联运行模块，所述并联运行模块包括依次连接的PWM变流器、后级变换器和负载，所述PWM变流器连接一个从控制器，所述PWM变流器与所述后级变换器之间接有直流侧电容;所述各并联运行模块的pWM变流器均与配电网交流母线连接，所述各并联运行模块的从控制器、负载均与主控制器连接;该方法为:

1)主控制器采集各并联运行模块的负载总有功功率P_总负载、负载总无功功率Q_总负载、配电网交流母线电压E*和频率ω*，然后采用下垂系数控制方法得到各并联运行模块的PWM变流器的输出电压的同步参考电压u*;

2)每并联运行模块的从控制器采集各自负载的有功功率P_负载n、无功功率Q_负载n及直流侧电容电压U_dcn,然后经过PI控制器得到该模块中PWM变流器的输入电流参考值

3)根据上述步骤1)中的输出电压的同步参考电压u*、配电网交流母线电压u_s及PWM变流器的输入电流参考值

，各并联运行模块的从控制器计算得到PWM变流器的总输出阻抗目标值Z_n总输出，然后利用总输出阻抗目标值Z_n总输出计算得到用于控制备并联运行模块的PWM变流器的虚拟阻抗值Z_n虚拟;

4)各并联运行模块的从控制器根据步骤1)和步骤3)中计算得到的输出电压的同步参考电压u*和各台PWM变流器的虚拟阻抗值Z_n虚拟，采用虚拟阻抗控制方法实现各并联运行模块PWM变流器的零环流并联运行控制。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为:本发明实现了多台PWM变流器并联运行时的环流抑制和可靠控制。本发明采用主从控制方式，主控制器根据并联运行的负载总功率计算出每台PWM变流器的输出参考电压，各台PWM变流器拥有自己独立的从控制器，当其中一台PWM变流器出现故障后，其余PWM变流器仍可继续工作，提高了系统的可靠性。同时，由于多台变流器输出参考电压是同步的，通过调节各自虚拟阻抗大小来满足各自负载需求，即各台PWM变流器的等效输出端电压具有完全一致的幅值和相位，各台PWM变流器等效输出阻抗根据其负载的大小自动改变，从而可以避免多台PWM变流器间环流的产生，实现负载自动跟踪控制。

附图说明

图1为本发明一实施例多台PWM变流器并联运行系统结构示意图;

图2为本发明一实施例基于同步参考电压的多台PWM变流器并联运行控制方法原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一实施例按控制指令的流向分为主控制层和从控制层两个控制层。主控制层由一台上位机作为主控制器，从控制层包括每台PWM变流器的DSP控制器。主控制器根据负责采集负载总功率并计算得到各台从控制器的同步参考电压，从控制器接收主控制器输出的同步参考电压，然后采用自动调整虚拟阻抗值的控制方法实现每台PWM整流器自身输入电流的控制。

如图2所示，本发明的工作原理及其具体实现方法如下:

首先，作为主控制器的上位机通过电压和电流互感器采集多台工业电源的负载总有功功率P_总负载、负载总无功功率Q_总负载、配电网交流母线电压E*和频率ω*，然后采用下垂系数控制方法得到各台PWM变流器输出电压的同步参考电压u*。下垂系数控制方法为

其中，P_总负载和Q_总负载分别为n台PWM变流器后级负载的总有功功率和总无功功率，P_总输入和Q_总输入分别为n台PWM变流器输入的总有功功率和总无功功率，n为并列运行的PWM变流器台数，D_p和D_q分别为有功下垂系数和无功下垂系数(D_p的取值范围一般为500～20000，D_q的取值范围一般取10000～100000)，E和δ分别为同步参考电压u*的幅值和相位角。

其次，分布在每个并联运行模块中的从控制器根据各自后级负载的有功功率P_负载n、无功功率Q_负载n及直流侧电容电压U_dcn，计算出PWM变流器的输入电流参考值

。输入电流参考值

的计算公式为

其中， $C_{32}^{-1}=\sqrt{2/3}{\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]}^{-1},$ $C_{\mathrm{pq}}^{-1}=\left[\begin{array}{cc}{e}_{\mathrm{\α}}& e_{\mathrm{\β}}\\ e_{\mathrm{\β}}& {-e}_{\mathrm{\α}}\end{array}\right],$ e_α和e_β分别为交流侧母线电压在静止坐标系αβ坐标下的电压分量，K_p和K_i分别为PI控制器的比例系数和积分系数。

再次，各从控制器根据主控制器的输出指令u*、配电网交流母线u_s及PWM变流器的输入电流参考值

计算得到PWM变流器的总输出阻抗目标值Z_n总输出，再进一步计算得到用于控制各台PWM变流器的虚拟阻抗值Z_n虚拟。虚拟阻抗值z_n虚拟的计算公式为:

其中，Z_{n实际输出}为各并联运行模块的PWM变流器的实际输出阻抗。

最后，各从控制器根据u*和Z_n虚拟，采用虚拟阻抗控制方法得到各台PWM变流器的控制量u_nref。虚拟阻抗控制方法的数学表达式为

u_nref=u^*-i_n·z_n虚拟    (4)其中，u_nref为从控制器n输出的调制信号，i_n为PWM变流器输入电流。

各从控制器的输出u_nref经过PWM调制器得到第n台PWM变流器中功率开关器件的控制信号，从而实现多台PWM变流器的零环流并联运行控制。

Claims (2)

1.一种基于同步参考电压的多台PWM变流器并联运行控制方法，适用于多台PWM变流器并联运行系统，所述多台PWM变流器并联运行系统包括多个并联运行模块，所述并联运行模块包括依次连接的PWM变流器、后级变换器和负载，所述PWM变流器连接一个从控制器，所述PWM变流器与所述后级变换器之间接有直流侧电容；所述各并联运行模块的PWM变流器均与配电网交流母线连接，所述各并联运行模块的从控制器、负载均与主控制器连接；其特征在于，该方法为：

1）主控制器采集各并联运行模块的负载总有功功率P_总负载、负载总无功功率Q_总负载、配电网交流母线电压幅值E*和频率ω*，然后采用下垂系数控制方法得到各并联运行模块的PWM变流器的输出电压的同步参考电压u*；

2）每并联运行模块的从控制器采集各自负载的有功功率P_负载n、无功功率Q_负载n及直流侧电容电压U_dcn，然后经过PI控制器得到该模块中PWM变流器的输入电流参考值

3）根据上述步骤1）中的输出电压的同步参考电压u*、配电网交流母线电压u_s及PWM变流器的输入电流参考值各并联运行模块的从控制器计算得到PWM变流器的总输出阻抗目标值Z_n总输出，然后利用总输出阻抗目标值Z_n总输出计算得到用于控制各并联运行模块的PWM变流器的虚拟阻抗值Z_n虚拟；

4）各并联运行模块的从控制器根据步骤1）和步骤3）中计算得到的输出电压的同步参考电压u*和各台PWM变流器的虚拟阻抗值Z_n虚拟，采用虚拟阻抗控制方法实现各并联运行模块PWM变流器的零环流并联运行控制；

所述步骤1）中，下垂系数控制方法的表达式为：

其中，P_总输入和Q_总输入分别为n个并联运行模块的n台PWM变流器输入的总有功功率和总无功功率，n为并列运行的PWM变流器台数，D_p和D_q分别为有功下垂系数和无功下垂系数，E和δ分别为同步参考电压u*的幅值和相位角；

所述步骤2）中，PWM变流器的输入电流参考值的表达式为：

其中， $C_{32}^{-1}=\sqrt{2/3}{\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]}^{-1},C_{\mathrm{pq}}^{-1}=\left[\begin{array}{cc}{e}_{\mathrm{\α}}& e_{\mathrm{\β}}\\ e_{\mathrm{\β}}& -e_{\mathrm{\α}}\end{array}\right],$ K_p和K_i分别为PI控制器的比例系数和积分系数，e_α和e_β分别为配电网交流母线电压在静止坐标系αβ坐标下的电压分量；

所述步骤3）中，虚拟阻抗值Z_n虚拟的计算公式为：

其中，Z_{n实际输出}为各并联运行模块的PWM变流器的实际输出阻抗。

2.根据权利要求1所述的基于同步参考电压的多台PWM变流器并联运行控制方法，其特征在于，所述步骤4）中，虚拟阻抗控制方法的表达式为：

u_nref=u^*-i_n·Z_n虚拟，

其中，u_nref为第n个并联运行模块的从控制器输出的调制信号，i_n为第n个并联运行模块的PWM变流器的输入电流；从控制器输出的调制信号u_nref经过PWM调制器得到第n个并联运行模块的PWM变流器中功率开关器件的控制信号，从而实现多台PWM变流器的零环流并联运行控制。

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