CN103280999A

CN103280999A - 一种多模块逆变器有线并联数字控制方法

Info

Publication number: CN103280999A
Application number: CN2013101463241A
Authority: CN
Inventors: 石健将; 龙江涛; 王文杰
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-04-24
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-04-24
Also published as: CN103280999B

Abstract

本发明公开了一种多模块逆变器有线并联数字控制方法，该方法可以应用于单相逆变器并联或三相逆变器并联系统。各个逆变器模块间连线由通信总线，同步信号总线及输出侧交流总线构成，其控制部分主要由均一化稳压环路，虚拟阻抗计算，逆变器电压电流双环控制组成。通过同步信号总线保证各逆变器参考电压相位相同，主机保证输出交流母线上电压有效值恒定，从机跟踪主机保证各逆变器功率均分；本发明不仅能实现各模块输出频率、幅值、相位相同，均流效果良好，而且控制方法简单，容易实现，可靠性高。

Description

一种多模块逆变器有线并联数字控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术在逆变电源中的应用，尤其涉及一种多模块逆变器有线并联数字控制方法。

背景技术

逆变器是一种将直流电能转换为交流电能的功率变换装置，在各个领域都有得到广泛的应用。

随着现代工业的发展，用电设备的增加，对电源的功率等级与可靠性的要求也越来越高，单个电源供电由于受到开关管容量的限制不能满足大功率、超大功率的场合，需要多个逆变器模块的并联以扩展功率等级。采用多个逆变器的供电系统可以实现n+1或者n+m的冗余设计，即使几个逆变器模块同时发生故障时也能保证系统正常运行。因此，为了扩展供电容量、提高系统的可靠性，需要采用逆变器并联技术。

与直流电源不同，逆变电源输出的是正弦波，因而逆变器的并联需要同时控制输出电压的幅值和相角，即要求同频率、同相位、同幅值运行，如果各逆变模块输出电压幅值或相位不一致，各模块之间会产生有功环流和无功环流。另外，即使各模块同频率、同相位、同幅值运行，如果各自输出电压谐波含量较大，各模块之间会存在谐波环流。因此，逆变器安全并联运必须保证单个模块有良好的幅值和相位关系，同时输出交流母线电流要均流以保证每个模块输出功率相当。

传统逆变器的有线并联方法分为主从控制法和无主从控制法。主从控制法由于中央控制器（主机）的故障将会导致整个系统崩溃，控制器和模块的连线过多，其可靠性受到很大的限制。无主从控制法由于没有主从关系，就不用担心因主模块而系统崩溃的问题，模块间的控制变量更加多样化。传统的无主从控制方法有：1）平均电流控制，这种方法各个模块控制器间的参数偏差会导致各模块的输出电流误差存在较大范围内变化；2）平均功率控制法，这种控制方法计算复杂，需要大量的数据通信，可靠性受到制约。

发明内容

本发明的目的在于针对现有逆变器有线并联中存在的系统控制复杂、均流效果不好等不足，提供一种多模块逆变器有线并联数字控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种多模块逆变器有线并联数字控制方法，该方法应用于分布式逆变器并联系统；分布式逆变器并联系统为由若干逆变器模块并联组成的系统，各逆变器模块之间的连线由通信总线、同步信号总线及输出侧交流总线构成；每个逆变器模块主要由逆变器主电路、采样电路、控制器、PWM驱动构成；包括以下步骤：

（1）逆变器模块启动与互联，该步骤通过以下子步骤来实现：

（1.1）逆变器模块主从机选择：每个逆变器模块的控制系统均检测同步信号总线或通信总线上的信号，如果未能在规定时间内收到信号则认定自身为主机，同时向外发送通信信号与同步时钟信号，否则认定自身为从机；

（1.2）主机的输出端直接通过继电器连接到输出侧交流总线上，从机的输出端在输出电压过零点附近通过继电器连接到输出侧交流总线上；

（2）控制器与逆变器主电路间通过采样电路相连，采样电路采集逆变器主电路的输出端交流电压信号V_o和滤波电感电流信号I_L供控制器使用；主机控制器通过同步信号总线传递自身相位信息θ、通过通信总线传递自身功率信息

从机控制器通过同步信号总线输入主机相位信息θ、通过通信总线输入主机功率信息

（3）控制器对信号进行处理后输出PWM信号，控制器对信号进行处理的过程包括以下子步骤：

（3.1）计算归一化误差信号：主机根据自己的输出交流侧的电压信号V_o得到有效值

若所需输出的交流电压有效值为V_rms，则主机的稳压环误差信号

系统工作时从机从主机接收到主机功率信号

从机功率为则从机的稳压环误差信号为

其中K≈2|r|/V_rms，r=r_line+r_virtual，r_line为逆变器模块与输出侧交流总线之间的阻抗值，r_virtual为控制环入加入的虚拟阻抗值；通过调节各逆变器模块的r_virtual可以使各模块阻抗值r相等；特别的当R＞＞X时从机有E_err=K(P_ref-P)，当R<<X时从机有E_err=K(Q_ref-Q)；根据归一化误差信号得到参考电压幅值量为

G_rms(s)为一个反馈网络补偿器；

（3.2）虚拟阻抗计算：同步时钟信号的参考相位角为θ，此时逆变器输出电流为I_o，则电压电流双环控制的参考电压为

（3.3）电压电流双环控制：以输出电压与电感电流作为外环和内环的反馈控制量对系统进行控制，使输出电压跟踪

控制输出占空比信号D；

（3.4）脉宽调制输出：通过双极性SPWM调制方法将占空比信号D转换成PWM信号；

（4）控制器输出的PWM信号通过PWM驱动器控制逆变器主电路的开关管工作，从而输出所需的正弦波。

本发明的有益效果是，本发明提出一种运用于分布式逆变器并联系统的有线并联数字控制方法，本发明不仅能实现各模块输出频率、幅值、相位相同，均流效果良好，而且控制方法简单，容易实现，可靠性高。

附图说明

图1是本发明均压外环控制图；

图2是引入虚拟阻抗控制图；

图3是典型单相逆变器电压电流双环控制图；

图4是本发明逆变器模块基本连线与控制框图；

图5是两个逆变器并联等效基本模型图；

图6是推导使用的两个逆变器并联分解模型图。

具体实施方式

本发明多模块逆变器有线并联数字控制方法应用于分布式逆变器并联系统。分布式逆变器并联系统为由逆变器模块并联组成的系统。如图4所示，各逆变器模块之间的连线由通信总线、同步信号总线及输出侧交流总线构成；每个逆变器模块主要由逆变器主电路、采样电路、控制器、PWM驱动构成。通过同步信号总线保证各逆变器参考电压相位相同，通过主机反馈环路来保证输出交流母线上电压有效值恒定，从机反馈环路保证各逆变器模块功率均分。下面以单相逆变器并联系统为例说明其特征。

本发明多模块逆变器有线并联数字控制方法包括以下步骤：

1、逆变器模块启动与互联，该步骤通过以下子步骤来实现：

1.1、逆变器模块主从机选择，可以通过如下典型方法进行主从机选择：每个逆变器模块的控制系统均检测同步信号总线或通信总线上的信号。如果未能在规定时间内收到信号则认定自身为主机同时向外发送通信信号与同步时钟信号，否则认定自身为从机。

1.2、主机的输出端直接通过继电器连接到输出侧交流总线上，从机的输出端在输出电压过零点附近通过继电器连接到输出侧交流总线上；

2、控制器与逆变器主电路间通过采样电路相连，采样电路采集逆变器主电路的输出端交流电压信号V_o和滤波电感电流信号I_L供控制器使用；主机控制器通过同步信号总线传递自身相位信息θ、通过通信总线传递自身功率信息从机控制器通过同步信号总线输入主机相位信息θ、通过通信总线输入主机功率信息

3、采样电路采集逆变器主电路输出电压和电压电流信号传输给控制器，通信总线与同步信号总线直接连接在控制器上，控制器对信号进行处理后输出PWM信号；控制器对信号进行处理的过程包括以下子步骤：

3.1归一化误差信号计算

3.1.1主机根据自己的输出交流侧的电压信号V_o得到有效值

对于一个图5所示的两个逆变器并联系统，可等效为图6的(a)、(b)两部分叠加而成，两个逆变器输出电流不一致上由(b)决定。

由图6(a)得

{\overset{*}{I}}_{la} = {\overset{*}{I}}_{2 a} = \frac{{\overset{\cdot}{U}}_{1} + {\overset{\cdot}{U}}_{2}}{2 (r + 2 R_{load})}

由图6(b)得

{\overset{*}{I}}_{1 b} = - {\overset{*}{I}}_{2 b} = \frac{{\overset{\cdot}{U}}_{1} - {\overset{\cdot}{U}}_{2}}{2 r}

两个逆变器输出功率差为

{\overset{*}{S}}_{1} - {\overset{*}{S}}_{2} = {\overset{\cdot}{U}}_{1} \overset{&OverBar;}{({\overset{*}{I}}_{1 a} + {\overset{*}{I}}_{1 b})} - {\overset{\cdot}{U}}_{2} \overset{&OverBar;}{({\overset{*}{I}}_{2 a} + {\overset{*}{I}}_{2 b})} = \frac{({\overset{\cdot}{U}}_{1} - {\overset{\cdot}{U}}_{2}) ({\overset{\cdot}{U}}_{1} + {\overset{\cdot}{U}}_{2})}{2} \cdot \frac{\overset{&OverBar;}{r + R_{load}}}{r (r + 2 R_{load})}

由于

有相同的相位，为方便计算取

令

\frac{\overset{&OverBar;}{r + R_{load}}}{r (r + 2 R_{load})} = \frac{1}{M} &angle; α,

\frac{({\overset{\cdot}{U}}_{1} - {\overset{\cdot}{U}}_{2}) ({\overset{\cdot}{U}}_{1} + {\overset{\cdot}{U}}_{2})}{2} = \frac{(U_{1} - U_{2}) (U_{1} + U_{2})}{2} &angle; 0,

代入上式计算得在稳态附近时U₁+U₂=2V_rms，而主机的均压环误差信号为

从机应有的均压环路误差信号为ΔV₂=V_rms-U₂，的故上式可近似为

即从机的误差信号为

Δ V_{2} = Δ V_{1} + \frac{| {\overset{*}{S}}_{1} - {\overset{*}{S}}_{2} |}{V_{rms}} .

由于式子前项相对后项较小，为方便计算将前项忽略；由于通常情况下r＜＜R_load，有M≈2|r|，即有

{\overset{*}{S}}_{1} - {\overset{*}{S}}_{2} \approx \frac{Δ V_{2} V_{rms}}{2 | r |} &angle; α,

若r=R+jX满足R>>X，则有α≈0°，

若r=R+jX满足R＜＜X，则有α≈90°，

系统工作时从机从主机接收到主机功率信号

从机功率为

则从机的稳压环误差信号为

其中K≈2|r|/V_rms，r=r_line+r_virtual，r_line为逆变器模块与输出侧交流总线之间的阻抗值，r_virtual为控制环入加入的虚拟阻抗值。通过调节各逆变器模块的r_virtual可以使各模块阻抗值r相等。特别的当R＞＞X时从机有E_err=K(P_ref-P)，当R<<X时从机有E_err=K(Q_ref-Q)。

3.1.2如图1所示，根据上式计算的归一化误差信号得到参考电压幅值量为G_rms(s)为一个反馈网络补偿器，典型结构为PI调节器。通过叠加参考电压使系统更容易达到稳态。

通过归一化误差信号使逆变器的主机和从机控制环路尽量一致，从而保证较好的控制性能一致性，使逆变器模块的并联更容易。

3.2虚拟阻抗计算。如图2所示，同步时钟信号的参考相位角为θ，此时逆变器输出电流为I_o，则电压电流双环控制的参考电压为虚拟阻抗的引入可以大大降低逆变器模块并联瞬态的环路电流，提高系统稳定性。

3.3电压电流双环控制。如图3所示，以输出电压与电感电流作为外环和内环的反馈控制量对系统进行控制，使输出电压跟踪

控制输出占空比信号D。电压电流双环控制是逆变器控制最见的控制方法，其补偿器G_v(s)、G_i(s)选择的种类很多，控制坐标系可以选择常规坐标系下或DQ旋转坐标系下。在这里我们选择在常规坐标系下进行补偿，并选取G_v(s)为准谐振补偿环节，G_i(s)为比例环节可以使控制环节简单同时获得好的控制效果。

3.4脉宽调制输出。通过双极性SPWM调制方法将占空比信号D转换成PWM信号。SPWM控制方法以正弦波作为调制波，与三角载波比较产生开关管驱动信号,这样保证输出电压为正弦波。SPWM控制方法可分为单极性和双极性SPWM两种，这两种方法各有优缺点，可以按需求选择其中一种使用。针对单相逆变器这里选用双极性SPWM调制方法，它可以获得等效双倍开关频率的输出效果，从而使输出波形更THD更小。

4、控制器输出的PWM信号通过PWM驱动器控制逆变器主电路的开关管工作，从而输出所需的正弦波。

以上分析可以推广到三相逆变器并联系统，只需要对系数K值和引入虚拟阻抗环节进行更改。

Claims

1.一种多模块逆变器有线并联数字控制方法，其特征在于，该方法应用于分布式逆变器并联系统；分布式逆变器并联系统为由若干逆变器模块并联组成的系统，各逆变器模块之间的连线由通信总线、同步信号总线及输出侧交流总线构成；每个逆变器模块主要由逆变器主电路、采样电路、控制器、PWM驱动构成；包括以下步骤：

（2）控制器与逆变器主电路间通过采样电路相连，采样电路采集逆变器主电路的输出端交流电压信号V_o和滤波电感电流信号I_L供控制器使用；主机控制器通过同步信号总线传递自身相位信息θ、通过通信总线传递自身功率信息从机控制器通过同步信号总线输入主机相位信息θ、通过通信总线输入主机功率信息

系统工作时从机从主机接收到主机功率信号

从机功率为

则从机的稳压环误差信号为

V_{ref} = E_{err} G_{rms} (s) + \sqrt{2 V_{rms}},

G_rms(s)为一个反馈网络补偿器；

（3.3）电压电流双环控制：以输出电压与电感电流作为外环和内环的反馈控制量对系统进行控制，使输出电压跟踪控制输出占空比信号D；