CN103248257B - 一种并联逆变器电源中的单模块无缝热投切控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种逆变器并联系统中单个逆变器模块的热投切控制方法。本发明包括如下步骤：控制系统对逆变器模块施加电压单闭环控制；发出闭合并机开关指令；检测并机开关电流；控制逆变器模块输出电流达到系统负载电流的平均值；控制系统控制逆变器模块转入电压电流双闭环均流控制模式；将逆变器模块由电压电流双闭环均流控制模式转入电流单闭环控制模式；减小逆变器模块输出电流，到达门限值；发出断开并机开关指令；检测并机开关电流；控制逆变器模块转入电压电流双环控制模式。本发明可以减小浪涌电压冲击，提高多模块并联的电源系统的安全性和可靠性。

Description

一种并联逆变器电源中的单模块无缝热投切控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种逆变器并联系统中单个逆变器模块的热投切控制方法。
背景技术
高可靠性的交流电源系统多采用逆变器模块冗余并联的方式。在这样的多模块并联系统中，使单个模块具有安全可靠的热插拔功能是逆变器并联控制系统需要解决的一个重要技术问题，这项功能为并联电源系统在不间断供电情况下实现模块维护和容量改变，特别是为在紧急状态下的模块更换提供了强有力的保障。热插拔控制需要解决的关键问题是根据逆变器所采用的并联方式及其均流策略，在逆变器模块投入和切除的过程中，通过合理有效的控制措施来避免强烈的冲击电流和电气暂态过程，实现模块平滑的投入和退出，并保持良好的电能质量。
以“逆变器”+“热插拔”为关键词检索可检索到的与本专利所述相近的专利非常少见。
例如国内文献：杨岳丰，吕征宇.一种适用于热插拔的逆变器并联系统.电力电子技术，2006（08）是以“热插拔”为关键词可检索到的与本专利内容最接近的中文文献，该论文主要从逆变器系统的拓扑硬件结构和配置方面介绍了一种可以实现热插拔的设计方法，并没有涉及到从控制方法上阐明应如何对热投入和热退出两个最重要的暂态过程进行控制，从而在已有硬件结构和配置的基础上实现安全可靠的热插拔，并且对原系统无冲击，实现无缝的投切。
此外，如国外专利（HIGH-VOLTAGE SWITCHING HOT-SWAP CIRCUIT，申请号：US20100725122）也是侧重从电路结构上提出意义实现热插拔的方案，并未涉及到热插拔过程中的控制方案或步骤。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高多模块并联的电源系统的安全性和可靠性、改善电压控制性能的并联逆变器电源单模块无缝热投切控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明包括如下步骤：
（1）控制系统对逆变器模块施加电压单闭环控制，使逆变器模块输出电压与电源系统的电压同频、同相、同幅值；
（2）发出闭合并机开关指令；
（3）检测并机开关电流，若有电流则确认并机开关闭合；
（4）控制逆变器模块输出电流达到系统负载电流的平均值；
（5）控制系统控制逆变器模块转入电压电流双闭环均流控制模式；
（6）控制系统监测逆变器模块热退出时，将逆变器模块由电压电流双闭环均流控制模式转入电流单闭环控制模式；
（7）减小逆变器模块输出电流，到达门限值；
（8）发出断开并机开关指令；
（9）检测并机开关电流，若没有电流则确认并机开关断开；
（10）控制逆变器模块转入电压电流双环控制模式，控制其输出电压达到安全电压。
本发明的有益效果在于：
本发明提出一种用于分布式逆变器并联系统实现平稳热投切的控制方法，通过引入电感电流前馈的电压闭环控制先将待投入模块的空载电压控制到与逆变电源系统电压同频同相且幅值相等，以减小由于电压幅值或相位偏差导致的电流冲击及由于电流冲击或突变而引起的浪涌电压冲击。在确认并机开关闭合后，通过立刻将所投入逆变器模块由电压控制模式转为电流控制模式，控制电流按一定斜率增加来进一步保障在热投入过程中的电流控制能力，即通过控制电流变换速率来避免其快速变化而引起电源系统输出电压的显著变化，有助于实现无缝的热投入。通过先将待退出逆变器模块的输出电流控制到预设的门限安全值以下再断开并机的机械开关，有助于抑制开关断开瞬间的拉弧作用和由于并机开关两端电流瞬间消失而导致的瞬间高压和强电磁暂态过程，提高多模块并联的电源系统的安全性和可靠性。
附图说明
图1为两逆变器模块分布式并联控制的原理示意图。
图2为以电感电流前馈实现虚拟电阻得控制结构图。
图3为2号逆变器模块投入时两模块的电感电流波形图。
图4为2号逆变器模块退出时两模块的电感电流波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
以如附图1所示包含两个单相逆变器模块的采用分布式并联控制的电源系统为例进行说明。两个逆变器模块具有共同的直流侧电源Udc或者直流侧电源分离也是可行的；两个逆变器模块的主电路可以是H桥型或者半桥型结构，采用LC型滤波器作为输出级，如附图1中Lf1、Cf1和Lf2、Cf2分别构成各自逆变器模块的LC滤波器，Lp1和Lp2为并机电感；K1和K2为并机开关，如电力接触器等，其通断动作受各自逆变器模块控制系统指令信号的控制，在并机开关接通状态下，逆变器模块才能向负载供电；并联系统中单个逆变器模块具有电压电流双闭环控制结构，但是在热投入、热切除切过程中以及热投切过程结束后，这个双环控制结构是需要变化的，即控制结构是变化的。控制结构的变化通过检测流过并机开关的电流的大小，来判断并机开关的状态，进而确定热投入和热切除过程中电压控制模式和电流控制模式的切换及工作次序。
在热投切过程完成后，两个逆变器模块进入完整的双闭环控制，且具有相同的输出电压给定信号Vr，其各自的反馈信号分别来自于各自LC滤波器电容的端电压Vo1和Vo2；Gv1和Gv2分别为两个逆变器模块的电压控制器，分别对连个逆变器模块的电压偏差信号（Vr-Vo1）和（Vr-Vo2）进行调节，在电压单闭环；将两个电压控制器的输出信号ir1和ir2的平均值ir作为两个逆变器模块电环控制环共同的电流给定信号，以此使并联系统中的两个逆变器模块的输出电流实现均衡，该平均值可通过数字通信方式，如通过CAN总线上传并联系统其它逆变模块的电压调节器输出值用于计算平均指令电流值；电流控制环的反馈信号来自于LC滤波器的电感电流iL1和iL2；Gc1和Gc2分别为两个逆变器模块的电流控制器，分别对两个逆变器模块的电压偏差信号（Vr-iL1）和（Vr-iL2）进行调节；两逆变器模块各自电流控制器的输出分别用于各自的SPWM调制，所生成的脉冲信号分别给送至各自的主电路；R为两并联逆变器模块共同的负载。
1热投入过程的控制方法
以2号逆变器模块热投入为例。通过采用电压单闭环控制使其输出电压与电源系统（此处为带载工作的1号逆变器模块，工作在电压电流双闭环控制模式）电压同幅、同频、同相，以抑制接触器闭合时由电压偏差导致的冲击电流。2号逆变器模块的电压单闭环控制的给定为Vr，反馈为Vo2，电压控制器Gv2的输出直接用于SPWM调制。
热投入的具体控制过程如下：
（1）由于此时并机开关K2断开，2号逆变器模块空载运行状态，其控制系统的系统阻尼很小，可在控制量中引入电感电流的前馈信号，以构造虚拟电阻的方式来增加电压闭环控制的阻尼，达到稳定其输出电压波形并有效抑制谐波的目的。一种电压单闭环控制时的虚拟电阻构造方法如附图2所示，即将电感电流通过一个滤波环节α后，将αiL施加在电压控制器的输出端。
图2中，虚线框部分为逆变器本身的传函模型。KPWM为逆变桥增益，r为滤波电感等效串联电阻，αiL为电感电流前馈信号，在引入该信号之前，空载时（R=∞，io=0）。
（2）待2号逆变器模块的输出电压满足条件后，系统给出输出端并机开关K2闭合的控制信号，由于接触器类并机开关为机械机构，存在动作延时，所以需要2号逆变器模块的输出电压保持与电源系统电压同频同相同幅值，等待并机开关闭合。
（3）通过检测流过并机电抗器Lp2是否有电流流过，来确定并机开关是否闭合，在确定并机开关闭合之后，立刻将2号逆变器模块切换到电流单闭环工作模式，此时其控制系统通过数字或模拟均流母线获得负载电流的平均值，并控制2好逆变器模块的电感电流幅值按照一定的斜率（变化率）上升渐近平均电流值。较低的电感电流的变化率可以降低2号逆变器模块在并入电源系统过程对电压的冲击，提高系统的稳定性。
（4）在投入的2号逆变器模块的输出电流与电源系统电流平均值相等后，其工作方式切换到电压外环、电流内环的完整双环控制模式。对应图1中的电流指令平均运算，整个电源系统进入到正常的并联均流工作状态。
2热退出过程的控制方法
以2号逆变器模块热退出为例。一方面减少逆变模块突然退出对电源系统的影响（如电压降落），另一方面为了降低并机开关断开时由于线路电感和逆变器模块与电源系统之间存在电压差导致的拉弧作用，从而保证并机开关K2断开的安全性和电能质量。热退出的控制过程如下。
（1）在接收到退出指令后，待退出的2号逆变器模块停止正常的电压电流双闭环控制模式而转入电流单闭环控制模式，控制2号逆变器模块输出电流iL2按一定斜率下降。为断开并机开关K2做好准备。
（2）当2号逆变器模块输出电流iL2到达预先设定的门限值以下时（或为零），控制系统给出并机开关断开信号。通过检测流过并机电抗器Lp2是否有电流流过，来确定并机开关是否断开，在确定并机开关切实断开之前，控制待退出逆变模块输出电流iL2保持在门限值以下。
（3）在确认并机开关断开后，退出的2号逆变器模块切换换到电压电流双环控制模式。控制其输出电压Vo2渐近为零。
（4）当退出的2号逆变器模块的输出电压降低安全电压或预定的门限值以下时，2号逆变器模块停止工作。
3并机开关状态的检测和判断
在逆变器模块投入和退出的过程中，输出并机开关的状态是各控制模式是否切换的判断依据，因此其状态的准确判断与热插拔性能具有密切的关系。一种简便的方法是可以通过高速采样电流ip2是否为零（或达到某门限值）来判断接触器是处于分断或闭合状态。此外并机开关通断状态的判断还可以根据其辅助触点的状态是否发生变化来确认。
实验验证的结果
对所提热插拔过程的控制方法及所提出的控制流程进行了实验验证，以检验这些方法的正确性。单个逆变器模块的主要参数为容量3kVA，输出电压220V/50Hz，LC滤波器电感4mH，滤波电容28μF，并机电感2mH，开关频率5kHz。采用TI DSP TMS320F28335全数字化控制。以两模块系统为例，1号模块先处于带载运行状态，2号模块为待投入/退出的模块。图3为采用Agilent DL750记录的实验波形。
图3所示为2号逆变器模块热投入时其电感电流逐渐增大，1号逆变器模块电感电流逐渐减小的过程，可见两逆变器模块电流变化都非常连续且平稳。图4所示为2号逆变器模块热退出时1、2号逆变器模块电感电流平稳变化的过程。

Claims (1)

1.一种并联逆变器电源系统中的单模块无缝热投切控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)控制系统对逆变器模块施加电压单闭环控制，使逆变器模块输出电压与电源系统的电压同频、同相、同幅值；
(2)发出闭合并机开关指令；
(3)检测并机开关电流，若有电流则确认并机开关闭合；
(4)控制逆变器模块输出电流达到电源系统负载电流的平均值：在确定并机开关闭合之后，将逆变器模块切换到电流单闭环控制模式，控制系统通过数字或模拟均流母线获得负载电流的平均值，并控制逆变器模块的电感电流幅值按照一定斜率上升渐近负载电流的平均值；
(5)控制系统控制逆变器模块转入电压电流双闭环均流控制模式；
(6)控制系统监测逆变器模块热退出时，将逆变器模块由电压电流双闭环均流控制模式转入电流单闭环控制模式；
(7)减小逆变器模块输出电流，到达门限值；
(8)发出断开并机开关指令；
(9)检测并机开关电流，若没有电流则确认并机开关断开；
(10)控制逆变器模块转入电压电流双闭环均流控制模式，控制其输出电压达到安全电压；
(11)当退出的逆变器模块的输出电压降低至安全电压以下时，逆变器模块停止工作。
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