CN103560746B - 一种多并联逆变器电机调速系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多并联逆变器电机调速系统及其控制方法，该系统由多个逆变器模块并联而成，多个逆变器子模块在直流侧直接和一个具有直流母线电容的直流电源并联，在交流侧分别串联多组平波电抗器后直接并联来驱动交流电机。这种结构使得电机调速系统易于模块化拓展，并且增强了其容错性能。本发明基于载波移相的随机空间矢量脉宽调制方法等效提高了并联逆变器的开关频率，平均化了窄频带内开关次谐波能量，改善了并联逆变器输出电流的谐波性能，增强了电机调速系统电磁抗干扰能力。本发明采用动态分配SVPWM零矢量的空间矢量合成技术，有效消除了各并联逆变器模块之间的零序环流，保证了系统正常工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种交流电机调速系统及其控制方法，广泛应用于大功率交流电机调速和电能变换，属于电力系统、电力电子、电机控制领域。
背景技术
目前，对交流电机调速系统的研究，主要是在变换电路的拓扑结构和电力电子控制策略上面，目标是实现系统调速性能优越、可靠性高、大功率化、高效率化以及对电网污染小。
为满足电机驱动系统容量不断增大的要求，并联三相逆变器用来提高电机调速系统容量。并联方式包括：(一)直流侧采用多个电源独立供电，交流侧经平波电抗器直接并联；(二)直流侧直接并联于一个电源，交流侧通过隔离变压器经平波电抗器并联；(三)直流侧直接并联于一个电源，交流侧经平波电抗器直接并联。前两者需要独立直流电源或隔离变压器，带来了系统体积、成本等问题，并且不易于模块化拓展。第三种即为本发明所涉及的结构方案，易于模块化拓展，但第三种结构如采用传统控制策略会在并联逆变器模块之间引入环流。一些新型电机变频调速系统采用多电平技术来提高调速系统的容量和改善调速性能，主要有级联H桥型、二极管钳位型、飞跨电容型和模块化多电平变换器(MMC)。这些多电平技术都在一定程度上改善了变频调速系统的谐波性能，但是这些多电平变换器都是针对将系统电压等级升高，并不涉及通过多个变换器并联来实现电机调速系统电流的增大。
载波移相PWM技术和随机PWM技术被提出来改善并联逆变器输出电流谐波特性。移相PWM技术可等效提高并联逆变器开关频率，改善并联逆变系统输出电流谐波性能，提升动态性能。同时移相PWM技术允许各逆变器模块开关器件工作在较低开关频率，减小了开关损耗。另一方面，随机PWM技术通过随机改变开关频率，实现开关频率的随机化，平均化窄频带内开关次谐波能量，可提高电机调速系统的电磁兼容性，减小电机噪声，但随机PWM技术目前仅局限于单台逆变器系统中。如何将随机PWM技术应用于并联逆变器馈电电机调速系统中，将其与载波移相PWM技术有机结合，并有效抑制并联逆变器模块间由于开关动作不一致或参数不一致造成的环流，目前仍处于空白。
发明内容
针对目前并联逆变器电机调速系统不易模块化拓展的缺点和并联逆变器传统调制技术和控制策略有待改善的需求，本发明提出一种基于移相随机脉宽调制的多并联逆变器电机调速系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明首先提供一种多并联逆变器电机调速系统，其特征是：所述系统包含多个逆变器模块，所述多个逆变器模块的直流侧和一个并联有直流母线电容的直流电源直接并联，所述多个逆变器模块的交流侧分别串联一组平波电抗器后直接并联以驱动交流电机。
其中，逆变器模块的拓扑结构是由6个反并联二极管的IGBT构成的三相全桥电路。
本发明还提供上述多并联逆变器电机调速系统的控制方法，其特征在于采用转速、电流双闭环控制，采用经载波移相的随机SVPWM调制技术改善电机电流谐波特性，通过实时采集各逆变器模块输出的三相电流并与参考电流进行比较，来控制产生相应的PWM驱动信号，使电机调速系统达到调速和抑制环流的要求。通过在各逆变器模块的载波信号间加入移相角θ，θ为2π/N，其中N为并联逆变器模块个数，并采用随机数序列ui+1＝Aui(1-ui)来随机化各逆变器模块的载波信号频率，其中ui为第i个迭代数，ui+1为第i+1个迭代数，A为迭代函数增益，载波信号经调制信号调制后产生移相随机PWM驱动信号，等效增加系统的开关频率，改善电机电流的谐波特性。
进一步地，上述控制方法特征还在于实时采样单个逆变器模块的零序电流，通过比较器与参考零序电流进行比较，并通过PI调节器得到零矢量作用时间比例系数k，通过动态调节系数k动态调节SVPWM脉冲发生单元中不同空间零矢量的作用时间，抑制并联逆变器之间的环流。
本发明的有益效果是：
1、本发明并联逆变器馈电电机调速系统通过多个模块化逆变器并联实现，增大了电机调速系统的容量，同时使系统更易于模块化设计和生产。
2、多个逆变器模块的直流侧和交流侧均直接并联在一起，直流侧共用了直流母线，交流侧并联后接交流电机，减小了整个电机调速系统的成本和体积。
3、本发明并联逆变器馈电电机调速系统在某一个或几个逆变器模块故障的情况下仍可正常运行，增加了调速系统的容错性能，提升了可靠性。
4、本发明的控制方法提出基于载波移相的随机SVPWM调制技术，一方面等效提高了并联逆变器的开关频率，改善了并联逆变器输出电流的谐波性能，减小了单台逆变器模块的开关损耗，增强了电机调速系统的电磁抗干扰能力。另一方面拓宽了窄频带内开关次谐波频谱，平均了其能量，增强了电机调速系统电磁抗干扰能力，同时减小了由于开关次谐波造成的电机高频噪声。
5、本发明控制方法采用了动态分配SVPWM零矢量的空间矢量调制技术，有效地消除了各并联逆变器模块之间的零序环流，保证了电机调速系统的正常工作。
附图说明
图1是本发明的并联逆变器电机调速系统结构图。
图2是本发明的并联逆变器电机调速系统的控制框图。
图3是本发明的移相随机脉宽调制策略原理图。
图4是本发明的基于动态调节SVPWM零矢量的并联逆变器环流抑制原理图。
图中各标号定义如下：
1.1为直流电源，1.2为直流母线电容，1.3、1.4、1.5为逆变器模块，1.6、1.7、1.8为平波电抗器，1.9交流电机；2.1、4.1为减法器，2.2、4.2为PI调节器，2.3除法器，2.4、2.5、2.7为dq轴电流控制单元，2.6、2.8为环流控制单元，2.9、2.10、2.11、4.3为SVPWM脉冲发生单元，2.12、2.13、2.14为逆变器控制模块；3.1、3.2、3.3为三角载波信号，3.4为调制波信号，3.5、3.6、3.7为开关驱动脉冲信号。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案和工作原理做进一步说明。
如图1所示，以3个逆变器模块并联为例，并联逆变器馈电电机调速系统由逆变器模块1.3、逆变器模块1.4、逆变器模块1.5并联组成，3个逆变器模块1.3、1.4、1.5的直流侧和并联有直流母线电容1.2的直流电源1.1直接并联，交流侧分别串联平波电抗器1.6、1.7、1.8后直接并联以驱动电机负载1.9。单个逆变器模块的拓扑结构是由6个反并联二极管的IGBT构成的三相全桥电路。本发明正是通过这种并联多个逆变器模块的方式来增大交流侧的输出电流，从而增大电机调速系统的容量。增大的系统容量与并联逆变器模块的个数成比例。这种模块化的逆变器并联方式使得电机调速系统易于模块化拓展，在电机调速系统结构不变的情况下，只要在原基础上直接多并联若干个逆变器模块就可以增大调速系统的容量。同时这种并联结构使系统的容错性能大大增加，在某个或某几个逆变器模块发生故障时，通过切除故障模块，可减小负载功率，剩余的逆变器模块使得整个电机调速系统仍可正常运行。根据电机调速系统的要求，每个逆变器模块在对应的逆变器控制模块输出的6路PWM驱动信号的驱动下，将直流电源逆变成特定频率和幅值的三相交流电。逆变器模块的输出电流经与之串联的平波电抗器滤波后在交流侧并联处叠加，从而增大了总的输出电流，增大了电机调速系统的容量。
如图2所示，三台并联逆变器分别由三台逆变器控制模块2.12、2.13、2.14控制，逆变器控制模块包含dq轴电流控制单元、SVPWM脉冲发生单元和环流抑制单元。本发明所采用的调速控制方法是dq0坐标系下转速、电流双闭环PI调节控制。3组逆变器控制模块2.12、2.13、2.14共用一个转速环，将电机给定转速参考值ω*与实际转速ω通过减法器2.1进行比较，并通过PI调节器2.2得到电机转矩电流参考值，再通过除法器2.3得到各个逆变器模块的q轴电流参考值iq *。这种逆变器模块q轴电流参考值的获取方式也间接引入了负载均分控制。给定3组逆变器控制模块的d轴参考电流id1 *、id2 *、id3 *均为0，3组逆变器控制模块中的dq轴电流控制单元2.4、2.5、2.7和2个环流控制单元2.6、2.8实时采集各个并联逆变器模块输出的三相电流，并与各个逆变器模块参考电流进行比较，控制与之相对应的3组SVPWM脉冲发生单元2.9、2.10、2.11输出相应的驱动信号，使得各个逆变器的输出电流跟踪参考电流，以达到电机调速和抑制环流的目的。
SVPWM驱动信号可以看作是由三角载波信号与含有一定三次谐波分量的正弦基波调制而成。本发明中3组逆变器控制模块2.12、2.13、2.14中的SVPWM脉冲发生单元采用移相随机脉宽调制技术。采用随机数序列ui+1＝Aui(1-ui)，其中ui为第i个迭代数，ui+1为第i+1个迭代数，A为迭代函数增益。本具体实施例将A取4，可获得在[0,1]之间分布的随机数u，从而产生随机载波频率。随机开关频率可以表述为：f＝fs+(u-0.5)Δf，其中fs为固定中心开关频率，Δf为频带常数，f为随机开关频率，这样开关频率随机分布在[fs-0.5Δf,fs+0.5Δf,]之间，但其数学期望值仍为fs。本发明中3个逆变器模块开关周期的初始相位相互交错2π/3(即各逆变器模块的载波信号间加入移相角2π/3)，也就是时间上相互交错Ts/3(Ts为随机开关周期的数学期望)。若逆变器模块并联数为N，则各个逆变器模块开关周期初始相位交错2π/N，也就是时间上相互交错Ts/N。
图3中信号3.1、3.2、3.3就是3个时间上相互交错Ts/3，随机频率分别为fc1、fc2、fc3载波信号。载波信号和调制信号3.4相调制生成3个逆变器模块的移相随机PWM驱动信号。图3中信号3.5、3.6、3.7为3个逆变器模块某个相同桥臂上开关器件的驱动脉冲波形。这种载波移相的随机空间矢量脉宽调制(SVPWM)策略等效提高了逆变系统的开关频率，改善了并联逆变器输出电流的谐波性能，平均化了窄频带内开关次谐波能量，增强了电机调速系统电磁抗干扰能力。
本发明采用动态分配SVPWM零矢量来有抑制各并联逆变器模块之间的零序环流，保证了系统正常工作。动态分配SVPWM零矢量策略是在七段式SVPWM的基础上，通过引入零矢量作用时间比例系数k，使得两个空间零矢量000、111作用时间分别为(1-k)T0、k0T0，其中T0为零矢量作用时间，即一个开关周期内零矢量总的作用时间不变，而动态调节不同零矢量000、111的作用时间。由于一个开关周期内总的零矢量作用时间不变，因此逆变器合成的输出电压不变，但是000和111两种零矢量作用于逆变器时，会使该逆变器中的环流方向发生变化，因此动态调节不同零矢量的作用时间能够改变环流的大小。零序环流是在各个逆变器模块之间相互流动，对于3组逆变器模块并联电机调速系统而言，只要给两组逆变器控制模块2.13、2.14进行环流控制就能实现3组逆变器的环流抑制。若并联逆变器模块数为N，只要给其中任意N-1个逆变器模块进行环流控制就能实现N组逆变器的环流控制。
如图4所示，环流控制单元包括比较器4.1和PI调节器4.2，为避免各个逆变器模块开关动作不一致或参数不相同，通过环流控制单元实时采样单个逆变器模块的零序电流iz，与参考零序电流iz*＝0通过比较器4.1进行比较，并通过PI调节器4.2得到零矢量作用时间比例系数k。动态调节系数k即动态调节了SVPWM脉冲发生单元中不同空间零矢量的作用时间，从而达到抑制环流的目的，以保证调速系统正常工作。
最后，本发明采用DSP+FPGA混合硬件结构作为SVPWM脉冲发生单元产生PWM驱动信号，其中DSP进行各种信号的采集和电机控制算法实现，并根据各台逆变器电压参考值生成各台逆变器对应的两个有效电压向量作用时间T1、T2，以及零电压向量作用时间T0。DSP通过数据线将各台逆变器对应的T1、T2、T0传给FPGA，FPGA根据各台T1、T2、T0输出各台逆变器所对应6路PWM驱动信号，三台逆变器共计18路PWM驱动信号。
Claims (4)
1.一种多并联逆变器电机调速系统的控制方法，所述系统包含多个逆变器模块，所述多个逆变器模块的直流侧和一个并联有直流母线电容的直流电源直接并联，所述多个逆变器模块的交流侧分别串联一组平波电抗器后直接并联以驱动交流电机；
其特征在于采用转速、电流双闭环控制，采用经载波移相的随机SVPWM调制技术改善电机电流谐波特性，通过实时采集各逆变器模块输出的三相电流并与参考电流进行比较，来控制产生相应的PWM驱动信号，使电机调速系统达到调速和抑制环流的要求，通过在各逆变器模块的载波信号间加入移相角θ，θ为2π/N，其中N为并联逆变器模块个数，并采用随机数序列ui+1＝Aui(1-ui)来随机化各逆变器模块的载波信号频率，其中ui为第i个迭代数，ui+1为第i+1个迭代数，A为迭代函数增益，载波信号经调制信号调制后产生移相随机PWM驱动信号，等效增加系统的开关频率，改善电机电流的谐波特性。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于每个逆变器模块对应一个逆变器控制模块，多个逆变器控制模块共用一个转速环，将电机给定转速参考值与实际转速通过减法器进行比较，并通过PI调节器得到电机转矩电流参考值，再通过除法器得到各个逆变器模块的q轴电流参考值，给定逆变器控制模块的d轴参考电流值均为0，通过逆变器控制模块中的dq轴电流控制单元比较相应逆变器模块d、q轴参考电流和实际电流，控制逆变器控制模块中的SVPWM脉冲发生单元输出相应的驱动信号。
3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于实时采样单个逆变器模块的零序电流，通过比较器与参考零序电流进行比较，并通过PI调节器得到零矢量作用时间比例系数k，通过动态调节系数k动态调节SVPWM脉冲发生单元中不同空间零矢量的作用时间，抑制并联逆变器之间的环流。
4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于采用DSP+FPGA混合硬件结构作为SVPWM脉冲发生单元产生PWM驱动信号，DSP进行各种信号的采集和运算，FPGA输出N×6路PWM驱动信号，N为并联逆变器模块个数。
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