CN103888007A - 基于pr控制和双载波调制的逆变器并联环流抑制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PR控制和双载波调制的逆变器并联环流抑制系统，通过逆变器并联的方式，使逆变系统的功率容量增大。同时，逆变器内部采用比例谐振控制装置，能够有效的抑制低频零序环流，同时改用双载波调制方法，以非零矢量来替换零矢量来抑制高频零序环流，具有直流电压利用率高、零序环流小的优点。

Description

基于PR控制和双载波调制的逆变器并联环流抑制系统

技术领域

本发明属于逆变器技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于PR控制和双载波调制的逆变器并联环流抑制系统。

背景技术

随着系统功率容量的增大，单台逆变器已经不能满足实际需求，目前一种有效解决方法是将逆变器并联运行。但是，由于逆变器输出电压的差异，在并联逆变器之间引入零序环流问题，它会导致逆变器输出电流失真，负载电流分配不平衡，严重时会导致逆变器出现过流故障，甚至损坏功率器件。

为了抑制并联逆变器之间的零序环流，国内外学者在这方面已经进行了大量的研究工作，提出了很多方法。

隔离法，并联逆变器采用交流侧和直流侧分别供电或者交流侧变压器隔离的方式来截断零序电流通路，零序环流能够得到有效的抑制。但是，因为要增加额外的功率供电电路或者工频变压器，使用这种方法的并联逆变器通常体积庞大而且成本增加，而且使用变压器进行隔离会降低系统的效率。

阻抗法，通过增加并联逆变器的相间电抗器来提供零序环流通路的阻抗。但是，由于电抗器只是在中频或者高频才能产生一个较高的阻抗，而通常低频零序环流对逆变器的影响最大，因而一直效果有限。该方法会相应的增加系统的成本，同时电抗器上面的压降也会增加，降低系统的效率。

单一变流器控制方法，该方法是将N台并联逆变器当作一台具有3N相的逆变器来控制。但是，单一变流器控制方法的建模和控制器设计用于两台逆变器并联已经比较复杂，如果用于多台逆变器并联，这种方法的实现会变得非常困难，在实际工程应用时往往不可行。

滞环电流控制方法，滞环控制用于抑制零序环流，它的控制响应速度较快，精度较高。但是用于零序电流控制时其滞环带宽不好确定，控制器设计不方便。而且当载波频率较低时，系统的零序电流纹波较大。

基于PWM调制算法的零序环流控制，通常有两种类型：一是采用SPWM调制算法，其原理本身不产生零序电压，这是一种开环控制方法，但是其直流电压利用率低；二是采用PI控制的SVPWM单载波调制算法，通过传感器检测并联系统零序环流，利用PI控制器来来抑制零序环流，是一种闭环控制方法，该方法可以有效地抑制零序环流，但是由于零序环流的主要成分是3次及9次基频频率成分，PI控制无法做到无静差跟踪。2002年Z.Ye,D.Boroyevich,J.Choi,F.C.Lee.三人在IEEE Transactions on Power Electronics上发表的论文Control ofcirculating current in two parallel three-phase boost rectifiers即使用的该算法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于PR控制和双载波调制的逆变器并联环流抑制系统，通过PR控制的零序电流闭环控制方法抑制低频零序环流，同时通过双载波调制方法以非零矢量来替换零矢量来抑制高频零序环流，具有直流电压利用率高、零序环流小的优点。

为实现上述发明目的，本发明一种基于PR控制和双载波调制的逆变器并联环流抑制系统，包括连接电网和负载的N台逆变器，N台逆变器采用并联结构，其特征在于，还包括：前N-1台逆变器分别包括：一坐标变换模块1、一电流控制模块、一SVPWM调制算法模块、一双载波比较模块、一PR控制模块、一组功率开关管、一减法器和三个加法器；第N台逆变器包括：一坐标变换模块2、一电流控制模块、一SVPWM调制算法模块、一双载波比较模块、一组功率开关管；

将并联的N台逆变器并网启动后，得到交流侧的三相电流i_a、i_b、i_c；前N-1台逆变器分别通过电流传感器采集三相电流，将采集的三相电流经过坐标变换模块1处理得到有功电流i_d、无功电流i_q以及零序环流i₀；将有功电流i_d、无功电流i_q和有功电流给定值i_d ^*、无功电流给定值i_q ^*输入到电流控制模块通过电流控制模块处理得到指令电压v_d和v_q；再将指令电压v_d和v_q输入到SVPWM调制算法模块，得到调制信号v_i；同时将生产的零序环流i₀与零序环流的目标给定值0作差，得到跟踪零序环流i₀的误差电流i_err，将误差电流i_err反馈给PR控制模块，得到零序环流的控制量v₀；将零序环流的控制量v₀和调制信号v_i分别送入3个求和模块，经过求和叠加后输送给双载波比较模块，得到带有零序环流抑制效果的驱动信号v_s；最后用驱动信号v_s驱动功率开关管工作产生三相电流i_a(N-1)、i_b(N-1)、i_c(N-1)，三相电流i_a(N-1)、i_b(N-1)、i_c(N-1)经过电感L_N-1滤波后由传感器采集再反馈给坐标变换模块1；

第N台逆变器则通过电流传感器采集两相电流i_a、i_b，电流i_c则由公式i_c＝0-i_a-i_b计算得到，将三相电流经过坐标变换模块2处理后得到有功电流i_d、无功电流i_q；有功电流i_d、无功电流i_q和有功电流给定值i_d ^*、无功电流给定值i_q ^*输入到电流控制模块，通过电流控制模块处理得到指令电压v_d和v_q；再将指令电压v_d和v_q输入给SVPWM调制算法模块得到调制信号v_i；将调制信号v_i送给双载波比较模块后得到开关工作组的驱动信号v_s；最后用驱动信号v_s驱动功率开关管工作产生三相电流i_aN、i_bN、i_cN，三相电流i_aN、i_bN、i_cN经过电感L_N滤波后由传感器采集再反馈给坐标变换模块2。

其中，所述的PR控制模块由一个比例控制器和多个谐振控制器并联，PR控制模块的传导函数为：

$G_{\mathrm{PR}}\left(s\right)=G_P\left(s\right)+\underset{n=3k,k=\mathrm{1,2,3}...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{\mathrm{nR}}\left(s\right)=K_P+\underset{n=3k,k=\mathrm{1,2,3}...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{2K}_i{\mathrm{\ω}}_{c}s}{s^2+{2\mathrm{\ω}}_{c}s+{\left(\mathrm{n\ω}\right)}^2}$

其中，G_PR(s)为比例控制器，G_nR(s)为谐振控制器，K_p和K_i为比例谐振控制模块参数，K_p为比例系数，K_i为积分系数，ω为基波角频率，ω_c为截止频率，k为自然数1、2、3……，n为3k，其含义是基波的3倍次谐波。

所述的SVPWM调制算法模块和双载波比较模块共同构成双载波调制，双载波调制时SVPWM调制算法模块的载波选择方法为：

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明基于PR控制和双载波调制的逆变器并联环流抑制系统，通过逆变器并联的方式，使逆变系统的功率容量增大。同时，逆变器内部采用比例谐振控制装置，能够有效的抑制低频零序环流，同时改用双载波调制方法，以非零矢量来替换零矢量来抑制高频零序环流，具有直流电压利用率高、零序环流小的优点。

同时，本发明基于PR控制和双载波调制的逆变器并联环流抑制系统还具有以下有益效果：

由于并联逆变器输出电压存在差异，在并联逆变器之间会引入零序环流问题，本发明能够有效的减小了逆变器间的环流，使得逆变器输出电流失真减小，负载电流分配趋于平衡，并增强了系统的稳定性，同时具有直流电压利用率高的优点。

附图说明

图1是本发明基于PR控制和双载波调制的逆变器并联环流抑制系统的一种具体实施方式架构图；

图2是图1所示的PR控制模块的原理图；

图3是基于PI控制和单载波调制的并网电流和模块间环流波形；

图4是基于PI控制和双载波调制的并网电流和模块间环流波形；

图5是基于PR控制和双载波调制的并网电流和模块间环流波形；

表1是SVPWM调制算法模块的载波选择方式表。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

为了方便描述，先对具体实施方式中出现的相关专业术语进行说明：

PR（Proportion Resonant）：比例谐振；

PI（Proportion Integration）：比例积分；

SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation）：空间矢量脉宽调制。

图1是本发明基于PR控制和双载波调制的逆变器并联环流抑制系统的一种具体实施方式架构图。

在本实施例中，本发明基于PR控制和双载波调制的逆变器并联环流抑制系统包括连接电网和负载的N台逆变器，N台逆变器采用并联结构，本实施例中以2台逆变器并联为例，如图1所示，其中，第1台逆变器包括：一坐标变换模块1、一电流控制模块、一SVPWM调制算法模块、一双载波比较模块、一PR控制模块、一组功率开关管、一减法器和三个加法器；第2台逆变器包括：一坐标变换模块2、一电流控制模块、一SVPWM调制算法模块、一双载波比较模块、一组功率开关管；

当2台并联的逆变器并网启动后，得到交流侧的三相电流i_a、i_b、i_c；第1台逆变器分别通过电流传感器采集三相电流，将采集的三相电流经过坐标变换模块1处理得到有功电流i_d、无功电流i_q以及零序环流i₀；将有功电流i_d、无功电流i_q和有功电流给定值i_d ^*、无功电流给定值i_q ^*输入到电流控制模块通过电流控制模块处理得到指令电压v_d和v_q；再将指令电压v_d和v_q输入到SVPWM调制算法模块，得到调制信号v_i；同时将生产的零序环流i₀与零序环流的目标给定值0作差，得到跟踪零序环流i₀的误差电流i_err，将误差电流i_err反馈给PR控制模块，得到零序环流的控制量v₀；将零序环流的控制量v₀和调制信号v_i分别送入3个求和模块，经过求和叠加后输送给双载波比较模块，得到带有零序环流抑制效果的驱动信号v_s；最后用驱动信号v_s驱动功率开关管工作产生三相电流i_a1、i_b1、i_c1，三相电流i_a1、i_b1、i_c1经过电感L₁滤波后由传感器采集再反馈给坐标变换模块1；

其中，SVPWM调制算法模块和双载波比较模块共同构成双载波调制，双载波调制时SVPWM调制算法模块的载波选择方法为：

表1

第2台逆变器则通过电流传感器采集两相电流i_a、i_b，电流i_c则由公式i_c＝0-i_a-i_b计算得到，将三相电流经过坐标变换模块2处理后得到有功电流i_d、无功电流i_q；有功电流i_d、无功电流i_q和有功电流给定值i_d ^*、无功电流给定值i_q ^*输入到电流控制模块，通过电流控制模块处理得到指令电压v_d和v_q；再将指令电压v_d和v_q输入给SVPWM调制算法模块得到调制信号v_i；将调制信号v_i送给双载波比较模块后得到开关工作组的驱动信号v_s；最后用驱动信号v_s驱动功率开关管工作产生三相电流i_a2、i_b2、i_c2，三相电流i_a2、i_b2、i_c2经过电感L₂滤波后由传感器采集再反馈给坐标变换模块2。

图2是图1所示的PR控制模块的原理图。

如图2所示，在本实施例中，PR模块由一个比例控制器和多个谐振控制器并联构成，零序环流i₀与零序环流的目标给定值0作差后得到的误差电流i_err，误差电流i_err分别送入到比例控制器和谐振控制器，再将比例控制器和谐振控制器的输出求和作为PR模块的输出。

其中，比例谐振控制模块的传导函数为：

$G_{\mathrm{PR}}\left(s\right)=G_P\left(s\right)+\underset{n=3k,k=\mathrm{1,2,3}...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{\mathrm{nR}}\left(s\right)=K_P+\underset{n=3k,k=\mathrm{1,2,3}...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{2K}_i{\mathrm{\ω}}_{c}s}{s^2+{2\mathrm{\ω}}_{c}s+{\left(\mathrm{n\ω}\right)}^2}$

其中，G_PR(s)为比例控制器，G_nR(s)为谐振控制器，K_p和K_i为比例谐振控制模块参数，K_p为比例系数，K_i为积分系数，ω为基波角频率，ω_c为截止频率，k为自然数1、2、3……，n为3k，其含义是基波的3倍次谐波。控制器中比例系数K_p主要用来抑制直流分量和非谐振频率扰动分量，如PWM引起的零序电压漂移和扰动电流反馈零漂和扰动数据运算产生的计算误差元器件非线性产生的扰动等，K_p越大零序环流越小，但是越容易不稳定，设计时需要综合考虑，建议其取值范围为1～20。

图3是基于PI控制和单载波调制的并网电流和模块间环流波形。

图4是基于PI控制和双载波调制的并网电流和模块间环流波形。

图5是基于PR控制和双载波调制的并网电流和模块间环流波形。

本实施例中，如图5所示波形为引入本发明PR控制和双载波调制对零序环流的抑制后的仿真波形图，对比图3中使用PI控制和单载波调制及图4中使用PI控制和双载波调制的电流及环流波形，对比图3与图5，可见零序环流幅值从±5A减小到±3A，且零序环流的低频分量得到了很好的抑制。对比图4与图5，可见在零序环流幅值从±6A减小到±3A，且零序环流的高频分量得到了很好的抑制。

其次，图5所示波形的方法在进行双载波调制时不使用零矢量，减小了逆变器的零序电压，有效的抑制了高频零序环流。而多个谐振控制器并联的结构，其分别对零序环流中n（n=3,6,9等）次的基波频率的周期信号做到无静差控制，且谐振控制器在谐振点的增益无穷大消除了与谐振频率相同频率的扰动分量，由图5可见逆变器的低频零序分量得到了有效的抑制。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种基于PR控制和双载波调制的逆变器并联环流抑制系统，包括连接电网和负载的N台逆变器，N台逆变器采用并联结构，其特征在于，还包括：前N-1台逆变器分别包括：一坐标变换模块1、一电流控制模块、一SVPWM调制算法模块、一双载波比较模块、一PR控制模块、一组功率开关管、一减法器和三个加法器；第N台逆变器包括：一坐标变换模块2、一电流控制模块、一SVPWM调制算法模块、一双载波比较模块、一组功率开关管；

将并联的N台逆变器并网启动后，得到交流侧的三相电流i_a、i_b、i_c；前N-1台逆变器分别通过电流传感器采集三相电流，将采集的三相电流经过坐标变换模块1处理得到有功电流i_d、无功电流i_q以及零序环流i₀；将有功电流i_d、无功电流i_q和有功电流给定值i_d ^*、无功电流给定值i_q ^*输入到电流控制模块通过电流控制模块处理得到指令电压v_d和v_q；再将指令电压v_d和v_q输入到SVPWM调制算法模块，得到调制信号v_i；同时将生产的零序环流i₀与零序环流的目标给定值0作差，得到跟踪零序环流i₀的误差电流i_err，将误差电流i_err反馈给PR控制模块，得到零序环流的控制量v₀；将零序环流的控制量v₀和调制信号v_i分别送入3个求和模块，经过求和叠加后输送给双载波比较模块，得到带有零序环流抑制效果的驱动信号v_s；最后用驱动信号v_s驱动功率开关管工作产生三相电流i_a(N-1)、i_b(N-1)、i_c(N-1)，三相电流i_a(N-1)、i_b(N-1)、i_c(N-1)经过电感L_N-1滤波后由传感器采集再反馈给坐标变换模块1；

第N台逆变器则通过电流传感器采集两相电流i_a、i_b，电流i_c则由公式i_c＝0-i_a-i_b计算得到，将三相电流经过坐标变换模块2处理后得到有功电流i_d、无功电流i_q；有功电流i_d、无功电流i_q和有功电流给定值i_d ^*、无功电流给定值i_q ^*输入到电流控制模块，通过电流控制模块处理得到指令电压v_d和v_q；再将指令电压v_d和v_q输入给SVPWM调制算法模块得到调制信号v_i；将调制信号v_i送给双载波比较模块后得到开关工作组的驱动信号v_s；最后用驱动信号v_s驱动功率开关管工作产生三相电流i_aN、i_bN、i_cN，三相电流i_aN、i_bN、i_cN经过电感L_N滤波后由传感器采集再反馈给坐标变换模块2。

2.根据权利要求1所述的基于PR控制和双载波调制的逆变器并联环流抑制系统，其特征在于，所述的PR控制模块由一个比例控制器和多个谐振控制器并联，PR控制模块的传导函数为：

$G_{\mathrm{PR}}\left(s\right)=G_P\left(s\right)+\underset{n=3k,k=\mathrm{1,2,3}...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{G}_{\mathrm{nR}}\left(s\right)=K_P+\underset{n=3k,k=\mathrm{1,2,3}...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{2K}_i{\mathrm{\ω}}_{c}s}{s^2+{2\mathrm{\ω}}_{c}s+{\left(\mathrm{n\ω}\right)}^2}$

其中，G_PR(s)为比例控制器，G_nR(s)为谐振控制器，K_p和K_i为比例谐振控制模块参数，K_p为比例系数，K_i为积分系数，ω为基波角频率，ω_c为截止频率，k为自然数1、2、3……，n为3k，其含义是基波的3倍次谐波。

3.根据权利要求1所述的基于PR控制和双载波调制的逆变器并联环流抑制系统，其特征在于，所述的SVPWM调制算法模块和双载波比较模块共同构成双载波调制，双载波调制时SVPWM调制算法模块的载波选择方法为：

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