CN103457531B - 基于级联高压变频器负荷分配的并联控制实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于级联高压变频器负荷分配的并联控制实现方法，本发明所采用的并联控制系统中包含若干台并联的级联型高压变频器，其输入在同一电网上，输出分别经电抗器连接到电机，本发明采用负荷的分配方法实现负载电流控制，通过主从控制模式和CAN总线通讯实现多台级联型高压变频器同步输出，实现级联型高压变频器的输出功率成比例分配，从而实现级联型高压变频器的并联。采用本发明的并联控制方法，无需要求系统中并联的级联型高压变频器容量一致，因而可以灵活的提高并联系统的功率等级，开拓了高可靠大电流容量大功率高压变频系统应用领域。

Description

基于级联高压变频器负荷分配的并联控制实现方法

技术领域

本发明涉及一种基于级联高压变频器负荷分配的并联控制实现方法，属于电力电子自动控制技术领域。

背景技术

高压变频调速装置被广泛地应用于石油化工、市政供水、冶金钢铁、电力能源等行业的各种风机、水泵、压缩机、轧钢机等。国内高压变频器大多数采用功率单元级联方案，但由于受到电力电子器件价格、性能、工艺等的影响，级联型高压变频器的功率等级受到限制，另一方面高压大功率变频器本身造价也很高。如果能采用中低功率的级联型高压变频器并联运行，通过增加变频器个数来增加系统容量，从而实现大电流容量大功率高压变频调速系统，这样不仅一定程度上节省了功率器件成本，可靠性相对提高，而且高压变频系统的容量大大增加使得其应用前景更加广阔。可见，研究级联型高压变频器并联系统具有重要的现实意义。

然而目前对级联型高压变频器并联系统的研究基本处于探索和起步阶段，要实现级联型高压变频器的并联不仅应当考虑高压变频器输出电压并联前后的稳定性，而且需要解决如何实现并联系统的电流均分问题，尤其是不同容量的高压变频器并联的电流分配。为了能灵活可靠的进行高压变频器并联，实现容量分配是个关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于级联高压变频器负荷分配的并联控制实现方法，以解决级联型高压变频器并联系统的容量分配问题。

本发明是采用如下技术手段实现的：

基于级联高压变频器负荷分配的并联控制实现方法，包括以下步骤，

1）将若干台级联型高压变频器相互并联，输入跨接在电网上，输出经电抗器连接到电机；

2）对n台相互并联的级联型高压变频器进行编号，编号为1～n，1号级联型高压变频器按照各个级联型高压变频器的额定功率输出能力进行负荷的分配，分配方案可根据要求进行设置，但是在最大负载情况下，各个级联型高压变频器均不超过其额定负载；

3）电机侧电流i_a、i_b、i_c由1号级联型高压变频器进行采样，并通过abc-dq坐标变换得到转矩电流i_st和励磁电流i_sm；磁链观测器采样得到的电机转子角速度ω_r和转子磁链ψ_r，根据（1）式，得到转子磁链角度转子磁链角度通过CAN总线同步到第k号（k=2…n）级联型高压变频器；

其中，T_r为转子励磁时间常数，p为微分因子；

4）电机转子角速度ω_r和转子角速度给定经过PI调节器得到转子转矩给定转子磁链给定经过积分器得到励磁电流给定转子转矩给定和转子磁链ψ_r经过积分器得到转矩电流给定转矩电流i_st和励磁电流i_sm根据分配的负荷比例T₁得到比例转矩电流i_st1和比例励磁电流i_sm1，转矩电流给定和励磁电流给定根据分配的负荷比例T₁得到比例转矩电流给定和比例励磁电流给定将比例转矩电流i_st1和比例转矩电流给定比例励磁电流i_sm1和比例励磁电流给定分别进行比较，比较的误差通过PI调节产生正弦调制波，并与1号级联型高压变频器同步的转子磁链角度经dq-abc坐标变换后，通过三相PWM调制输出到1号级联型高压变频器，构成功率回路；

5）1号级联型高压变频器通过CAN总线实现系统内所有级联型高压变频器同步启动，具体为启动时，由1号级联型高压变频器发出启动指令，实现n台级联型高压变频器同步启动；

6）第k号（k=2...n）级联型高压变频器通过CAN总线接收转子磁链角度和负载分配的负荷比例T_k（k=2...n），并采样得到三相电抗器电流i_ak,i_bk,i_ck，三相电抗器电流进行abc-dq坐标变换后，再根据分配的负荷比例T_k（k=2...n）得到比例转矩电流i_stk和比例励磁电流i_smk；转矩电流给定和励磁电流给定根据分配的负荷比例T_k（k=2...n）得到比例转矩电流给定和比例励磁电流给定比例转矩电流给定和比例励磁电流给定分别与比例转矩电流i_stk和比例励磁电流i_smk相互比较，比较的误差通过PI调节产生正弦调制波，并与同步的转子磁链角度经dq-abc坐标变换后，通过三相PWM调制输出到第k号（k=2...n）级联型高压变频器，构成功率回路。

前述的负荷比例T_k（k=1...n）为容量比例，即每台级联型高压变频器的功率与并联系统总功率的比值，可用下式表示：

$T_k=\frac{P_k}{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_k},(k=\mathrm{1,2}...n)$

其中，P_k为第k台级联型高压变频器的功率。

前述的级联型高压变频器包含主控系统和与之相连的级联功率单元，所述主控系统与功率单元之间通过光纤进行通讯，所述若干个级联型高压变频器的主控系统之间通过CAN总线进行双向数据通讯。

前述的主控系统包括主控模件，IO模件，若干个转换模件，采样模件和CAN通讯模块。

本发明所达到的有益效果：

1）可以选用中小容量的级联型高压变频器进行并联，无需改变硬件电路结构，易于实现；

2）并联前后不影响系统中级联型高压变频器各自的输出特性，保证了并联系统的可靠稳定运行；

3）可以灵活的进行负荷分配，并联系统扩展性更强，使得高压大功率大电流容量变频系统的应用能够得到广泛推广。

附图说明

图1是本发明基于级联高压变频器负荷分配的并联控制方法示意图；

图2是本发明基于级联高压变频器负荷分配的并联系统结构示意图；

图3是本发明级联型高压变频器的主控系统的结构示意图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图2所示，n（n>1）台级联型高压变频器相互并联后，输入跨接在电网上，每台级联型高压变频器的三相输出经电抗器连接到电机。级联型高压变频器包含主控系统和与之相连的级联功率单元，主控系统与功率单元之间通过光纤进行通讯，每台级联型高压变频器主控系统的电路结构完全相同，由于需要进行一定量的数据交换，并考虑到可靠性和距离远近，主控系统之间采用CAN总线进行双向数据通讯，包括级联型高压变频器的额定功率、频率、相位以及分配的给定电流等等。本发明并联系统选用的各个级联型高压变频器容量无需相同，且并联前后级联型高压变频器的外特性保持不变。

如图3所示为级联型高压变频器主控系统结构示意图，主控系统包括主控模件，IO模件，若干个转换模件，采样模件和CAN通讯模块，其中IO模件用以完成开关量输入输出，模拟量输入输出，主控模件用以完成PWM控制信号的生成，转换模件用以完成控制信号的编码和解码，并通过光纤方式实现与级联功率单元之间传送和接收控制信号，采样模件用以采集三相电抗器的电流，CAN通讯模块用于主从设备管理，同步各个级联型高压变频器输出电压和频率，电机转速和角度信息，以及状态和故障信息，实现各级联型高压变频器之间的通讯。

如图1所示，本发明的并联控制方法为：系统中n台级联型高压变频器并联，#1级联型高压变频器按照各个级联型高压变频器的额定功率输出能力进行负荷的分配，分配方案可根据要求进行设置，原则上在最大负载情况下，各个级联型高压变频器均不超过其额定负载；电机侧电流i_a、i_b、i_c由1号级联型高压变频器进行采样，并通过abc-dq坐标变换得到转矩电流i_st和励磁电流i_sm；磁链观测器采样得到的电机转子角速度ω_r和转子磁链ψ_r，根据（1）式，得到转子磁链角度转子磁链角度通过CAN总线同步到第k号（k=2…n）级联型高压变频器；

其中，T_r为转子励磁时间常数，p为微分因子；；

启动时，由#1级联型高压变频器先启动，发出启动指令，实现n台级联型高压变频器同步启动；

电机转子角速度ω_r和转子角速度给定经过PI调节器得到转子转矩给定转子磁链给定经过积分器得到励磁电流给定转子转矩给定和转子磁链ψ_r经过积分器得到转矩电流给定转矩电流i_st和励磁电流i_sm根据分配的负荷比例T₁得到比例转矩电流i_st1和比例励磁电流i_sm1，转矩电流给定和励磁电流给定根据分配的负荷比例T₁得到比例转矩电流给定和比例励磁电流给定将比例转矩电流i_st1和比例转矩电流给定比例励磁电流i_sm1和比例励磁电流给定分别进行比较，比较的误差通过PI调节产生正弦调制波，并与#1级联型高压变频器同步的转子磁链角度经dq-abc坐标变换后，通过三相PWM调制输出到#1级联型高压变频器，构成功率回路；

#k（k=2…n）级联型高压变频器通过CAN总线接收转子磁链角度和负载分配的负荷比例T_k（k=2…n），并采样得到三相电抗器电流i_ak,i_bk,i_ck，三相电抗器电流进行abc-dq坐标变换后，再根据分配的负荷比例T_k（k=2…n）得到比例转矩电流i_stk和比例励磁电流i_smk；转矩电流给定和励磁电流给定根据分配的负荷比例T_k（k=2…n）得到比例转矩电流给定和比例励磁电流给定比例转矩电流给定和比例励磁电流给定分别与比例转矩电流i_stk和比例励磁电流i_smk相互比较，比较的误差通过PI调节产生正弦调制波，并与同步的转子磁链角度经dq-abc坐标变换后，通过三相PWM调制输出到#k（k=2...n）级联型高压变频器，构成功率回路。

上述技术方案中，负荷比例计算方法为:

设定T_k（k=1...n）为负荷比例，即每台级联型高压变频器的功率与并联系统总功率的比值，可用下式表示：

$T_k=\frac{P_k}{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_k},(k=\mathrm{1,2}...n)$

其中，P_k为第k台级联型高压变频器的功率,

根据负荷比例，得到比例电流分别为:

${i_{\mathrm{gmk}}}^{*}=T_k\×i_{\mathrm{gm}}^{*},(k=\mathrm{1,2}...n)$

${i_{\mathrm{gtk}}}^{*}=T_k\×i_{\mathrm{gt}}^{*},(k=\mathrm{1,2}...n)$

i_stk＝T_k×i_st，（k=1,2...n）

i_smk＝T_k×i_sm，（k=1,2...n）

其中，为转矩电流给定，为励磁电流给定，和分别为按负荷比例分配的比例转矩电流给定和比例励磁电流给定；i_st为转矩电流，i_sm为励磁电流，i_st1和i_sm1分别为根据分配的负荷比例得到比例转矩电流和比例励磁电流。

专业人员应该进一步意识到，本发明所公开的并联控制方法与常用的级联型高压变频器调速控制算法（比如开环恒压频比控制、矢量控制等）并不冲突，事实上二者是可以相互结合的，一方面可以实现系统容量的提高，另一方面又不影响调速性能。但各种结合方式的实现不应认为超出本发明范围。

以上所述具体实施方式对本发明的并联控制方法和并联控制系统进行了详细说明，所应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则范围内，所做的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.基于级联高压变频器负荷分配的并联控制实现方法，其特征在于，包括以下步骤，

1)将若干台级联型高压变频器相互并联，输入跨接在电网上，输出经电抗器连接到电机；

2)对n台相互并联的级联型高压变频器进行编号，编号为1～n，1号级联型高压变频器按照各个级联型高压变频器的额定功率输出能力进行负荷的分配，分配方案可根据要求进行设置，但是在最大负载情况下，各个级联型高压变频器均不超过其额定负载；

3)电机侧电流i_a、i_b、i_c由1号级联型高压变频器进行采样，并通过abc-dq坐标变换得到转矩电流i_st和励磁电流i_sm；磁链观测器采样得到的电机转子角速度ω_r和转子磁链ψ_r，根据(1)式，得到转子磁链角度转子磁链角度通过CAN总线同步到第k号，k＝2…n，级联型高压变频器；

其中，T_r为转子励磁时间常数，p为微分因子；

4)电机转子角速度ω_r和转子角速度给定经过PI调节器得到转子转矩给定转子磁链给定经过积分器得到励磁电流给定转子转矩给定和转子磁链ψ_r经过积分器得到转矩电流给定转矩电流i_st和励磁电流i_sm根据分配的负荷比例T₁得到比例转矩电流i_st1和比例励磁电流i_sm1，转矩电流给定和励磁电流给定根据分配的负荷比例T₁得到比例转矩电流给定和比例励磁电流给定将比例转矩电流i_st1和比例转矩电流给定比例励磁电流i_sm1和比例励磁电流给定分别进行比较，比较的误差通过PI调节产生正弦调制波，并与1号级联型高压变频器同步的转子磁链角度经dq-abc坐标变换后，通过三相PWM调制输出到1号级联型高压变频器，构成功率回路；

5)1号级联型高压变频器通过CAN总线实现系统内所有级联型高压变频器同步启动，具体为启动时，由1号级联型高压变频器发出启动指令，实现n台级联型高压变频器同步启动；

6)第k号，k＝2…n，级联型高压变频器通过CAN总线接收转子磁链角度和负载分配的负荷比例T_k，k＝2…n，并采样得到三相电抗器电流i_ak,i_bk,i_ck，三相电抗器电流进行abc-dq坐标变换后，再根据分配的负荷比例T_k，k＝2…n，得到比例转矩电流i_stk和比例励磁电流i_smk；转矩电流给定和励磁电流给定根据分配的负荷比例T_k，k＝2…n，得到比例转矩电流给定和比例励磁电流给定比例转矩电流给定和比例励磁电流给定分别与比例转矩电流i_stk和比例励磁电流i_smk相互比较，比较的误差通过PI调节产生正弦调制波，并与同步的转子磁链角度经dq-abc坐标变换后，通过三相PWM调制输出到第k号，k＝2…n，级联型高压变频器，构成功率回路；所述负荷比例T_k，k＝2…n，为每台级联型高压变频器的功率与并联系统总功率的比值，可用下式表示：

$T_k=\frac{P_k}{P_{\mathrm{zong}}},k=2...n,$

其中，P_k为第k台级联型高压变频器的功率，P_zong为并联系统总功率。

2.根据权利要求1所述的基于级联高压变频器负荷分配的并联控制实现方法，其特征在于：所述级联型高压变频器包含主控系统和与之相连的级联功率单元，所述主控系统与功率单元之间通过光纤进行通讯，所述若干个级联型高压变频器的主控系统之间通过CAN总线进行双向数据通讯。

3.根据权利要求2所述的基于级联高压变频器负荷分配的并联控制实现方法，其特征在于：所述主控系统包括主控模件，IO模件，若干个转换模件，采样模件和CAN通讯模块。