CN104539183B - 基于脉宽调制波重构的逆变器并联系统的控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉宽调制波重构的逆变器并联系统的控制方法，步骤如下：1）根据逆变器需要，计算脉宽调制波频率，将此频率设置为主控制器控制周期频率和从控制器的调制波频率；2）通过信号采集单元采集逆变器电压、电流等信号并对其进行滤波；3）主控制单元在一个脉宽调制波周期内计算得到空间矢量调制波比较器参数；4）信号编程单元对比较器参数和同步信号进行编码，并通过串行方式广播发送给所有从控制器；5)从控制器接收比较器参数和同步信号，并进行解码，根据解码后的信号重构脉宽调制波信号作为功率器件的驱动信号。本发明确保了每个功率器件驱动信号的同步性和一致性，基本消除了逆变器并联时的零序环流，提高了系统的可靠性。

Description

基于脉宽调制波重构的逆变器并联系统的控制装置及方法

技术领域

本发明涉及三相逆变器控制领域，特别涉及一种基于脉宽调制波重构的逆变器并联系统的控制装置及方法，

背景技术

目前风能、太阳能等可再生能源发电成本过高，整个行业依托国家补贴生存。受国际金融危机影响，欧洲多个国家已经减少或取消了国家补贴，这使得相关行业受到重创，不少相关公司因此破产倒闭。降低每千瓦时发电成本，提高发电效率，使其真正具有市场竞争力是可再生能源行业面临的巨大挑战。发展低成本、大容量可再生能源发电系统是实现上述目标的有效途径之一，而逆变器作为发电系统关键设备，不可避免需要满足上述要求。同时，受IGBT功率器件的容量和成本限制，在轨道交通、高压变频器、电解行业等多个领域仍采用传统的不控或相控整流技术，造成功率因数低、电网污染严重、能量无法回馈等诸多问题，使用低成本、大容量逆变器是解决上述问题的出路。采用模块化和标准化的功率模块进行叠加、灵活的组成任意所需容量的冗余系统被公认为是扩大整流器容量的有效途径。

目前，逆变器并联控制技术主要有主从控制、分布控制和下垂控制等三种控制方法，特别是动态时各功率模块电压幅值、波形和相位难以保持一致，使得现有控制策略无法有效减少并联系统均流电感，严重制约了逆变器并联技术的推广和应用。专利申请号201310123180.8公开了一种由逆变器的控制系统向信号输出仲裁器发出同步使能信号的方法，但方法只能保证三角载波的同步性，无法解决各逆变器脉宽调制波不同导致的引起的零序环流。专利申请号200810074029.9公开了一种逆变器并联控制方法，该方法通过控制各个逆变器的输出电压幅值、相位和输出电压直流分量，并对负载进行均分，脉宽调制波仍由各逆变器控制单元计算产生，但由于计算误差和采样误差的存在，不能实现各控制单元功率器件开关驱动信号的一致性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种成本低、运行可靠、能保证逆变器并联时功率器件驱动信号的同步性和一致性的基于脉宽调制波重构的逆变器并联系统的控制装置，并提供一种利用控制装置控制逆变器并联系统的方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于脉宽调制波重构的逆变器并联系统的控制装置，包括逆变器并联系统和控制系统，所述逆变器并联系统包括多个并联的逆变器，控制系统包括主控制器和多个从控制器；所述逆变器并联系统中，逆变器交流母线侧都加了个均流电感，然后同一相再都并联在一起；逆变器直流母线侧，同一极性的都并联在一起；所述主控制器包括：用于交流母线电压采样和信号调理的信号采集单元；用于算法计算的控制单元；用于信号编解码的第一信号编解码单元；用于光纤发送、接收和数据并串转换的第一光纤发送接收信号单元，信号采集单元、控制单元、第一信号编解码单元和第一光纤发送接收信号单元依次连接；每个从控制器均包括：用于信号编解码的第二信号编解码单元；用于光纤发送、接收和数据并串转换的第二光纤发送接收信号单元；用于PWM波重构的三角对称载波计数和比较的脉宽调制波重构单元，第二光纤发送接收信号单元、第二信号编解码单元、脉宽调制波重构单元依次连接，每个从控制器的脉宽调制波重构单元输出端均与逆变器并联系统的一个逆变器相连，从控制器的第二光纤发送接收信号单元与主控制器的第一光纤发送接收信号单元之间通过双工通信传输数据。

一种基于脉宽调制波重构的逆变器并联系统的控制方法，包括以下步骤：

1)根据逆变器实际需要，计算脉宽调制波频率，将此频率设置为主控制器的外部中断信号频率和从控制器的三角载波频率；

2)信号采集单元采集逆变器输出的三相电压和电流信号，以及电机的转速信号；

3)控制单元根据采集的电压、电流、转速信号计算得到主控制器的比较器参数CP_az、CP_bz和CP_cz；

4)第一信号编解码单元对得到的比较器参数CP_az、CP_bz、CP_cz和设定的同步信号P_sync进行编码，并通过串行方式广播发送给所有从控制器；

5)从控制器接收比较器参数和同步信号并进行解码，根据解码后的信号重构脉宽调制波信号作为功率器件的驱动信号。

上述控制方法，所述步骤1)中，计算出主控制器和从控制脉宽调制波频率后，按下式求得主控制器的分频系数和从控制器的分频系数：

式中：f_PWM为PWM波的频率，T_PWM为PWM波的周期，f_z为主控器系统时钟频率，f_c为从控制器系统时钟频率，T_pz为主控制器的分频系数即分频计数器的最大值，T_pc为从控制器的分频系数即分频计数器的最大值。

上述控制方法，所述步骤2)中，信号采集单元的采样频率大于脉宽调制波频率。

上述控制方法，所述步骤3)中，在每个PWM波周期内都根据采样得到的电压、电流信号计算得到空间矢量调制波A相比较器参数CP_az、B相比较器参数CP_bz和C相比较器参数CP_cz：

式中：T_a、T_b、T_c分别是A相、B相和C相上桥臂开关管的驱动信号的占空比，T_pz为主控制器的分频系数。

上述控制方法，所述步骤4)中，编码方式为先定义比较器数据及启动、停止、同步信号的功能码，再将比较器参数、启动信号、停止信号、同步信号的数值作为各自的数据码。

上述控制方法，所述步骤4)中，信号传送时，先传送信号的功能码，再传送其相应的数据码，然后传送下一个信号的功能码及其数据码，依次类推；发送完同步信号后又重头开始发送，循环进行发送。

上述控制方法，所述步骤5)包括：

①从控制器将接收到的信号进行解码，同时向主控制器回馈相应信号；

②从控制器将信号解码后得到从控制器的比较器参数CP_ac、CP_bc和CP_cc，当解码后的信号存在同步信号P_sync时，立刻重启三角载波信号，载波计数器清零并重新计数，同时加载CP_ac、CP_bc和CP_cc到脉宽调制波重构单元，重构出脉宽调制波信号。

本发明的有益效果在于：本发明的控制装置包括主控制器和多个从控制器，主控制器负责系统的控制算法，并计算出所需的脉宽调制波参数，将脉宽调制波参数和同步信号进行编码后，通过串行方式同时发送给所有从控制器；从控制器接收主控制器发送过来的通信信号，并进行解码，解码后得到脉宽调制波信号参数和同步信号，再根据解码后的信号重构脉宽调制波作为功率器件驱动信号，由于主控制器的载波频率和从控制器载波频率一致，这样从控制器重构的PWM波与利用单独的主控板自己产生的PWM波一致，此时，各从控制器都是同步接收主控制器发送的信号，从而确保了每个功率器件驱动信号的同步性和一致性，基本消除了逆变器并联时的零序环流，从而减小了均流电感，降低了系统的成本和体积，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明控制装置的结构框图。

图2为本发明的多逆变器并联系统电路图。

图3为本发明控制方法的流程图。

图4是本发明实施例中脉宽调制波原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明提供一种基于脉宽调制波重构的逆变器并联系统的控制装置，其包括逆变器并联系统1和控制系统，所述逆变器并联系统1包括多个并联的逆变器，控制系统包括主控制器2和多个从控制器3；所述主控制器2包括：用于交流母线电压采样和信号调理的信号采集单元4；用于算法计算的控制单元5；用于信号编解码的第一信号编解码单元6；用于光纤发送、接收和数据并串转换的第一光纤发送接收信号单元7，信号采集单元4、控制单元5、第一信号编解码单元6和第一光纤发送接收信号单元7依次连接；所述的每个从控制器3均包括：用于信号编解码的第二信号编解码单元；用于光纤发送、接收和数据并串转换的第二光纤发送接收信号单元；用于PWM波重构的三角对称载波计数和比较的脉宽调制波重构单元，第二光纤发送接收信号单元、第二信号编解码单元、脉宽调制波重构单元依次连接，每个从控制器3的脉宽调制波重构单元输出端均与逆变器并联系统1的一个逆变器相连，每个从控制器3的第二光纤发送接收信号单元与主控制器2的第一光纤发送接收信号单元之间通过双工通信传输数据。

如图2所示，本发明的逆变器并联系统中，逆变器交流母线侧都加了个均流电感，然后同一相再都并联在一起；逆变器直流母线侧，同一极性的都并联在一起。

如图3所示，一种控制逆变器并联系统的方法，包括以下步骤：

1)根据逆变器实际需要，计算脉宽调制波频率，将此频率设置为主控制器2的外部中断信号频率和从控制器3的调制波频率；计算出主控制器2和从控制器3脉宽调制波频率后，按(1)式求得主控制器2的分频系数和从控制器3的分频系数：

式中：f_PWM为PWM波的频率，T_PWM为PWM波的周期，f_z为主控器系统时钟频率，f_c为从控制器3系统时钟频率，T_pz为主控制器2的分频系数即分频计数器的最大值，T_pc为从控制器3的分频系数即分频计数器的最大值。

2)通过信号采集单元4采集逆变器电压、电流信号，以及转速信号；信号采集单元的采样频率大于脉宽调制波频率，

3)控制单元5根据采集的电压、电流、转速信号，在每个PWM波周期内，按照逆变器控制算法计算出每相上桥臂的占空比，再由(2)式求得主控制器2的A相比较器参数CP_az、B相比较器参数CP_bz和C相比较器参数CP_cz：

式中：T_a、T_b、T_c分别是A相、B相和C相上桥臂开关管的驱动信号的占空比，T_pz为主控制器2的分频系数。

4)第一信号编解码单元6对得到的比较器参数CP_az、CP_bz、CP_cz和设定的同步信号P_sync进行编码，并通过串行方式广播发送给所有从控制器3。

具体步骤为：

编码方式为先定义比较器CP_az、CP_bz和CP_cz及启动、停止、同步信号的功能码，再将比较器参数数值作为数据码；编码后并通过串行方式发送给所有从控制器3；信号传送时，先传送信号的功能码，再传送其相应的数据码，然后传送下一个信号的功能码及其数据码，依次类推。

1:首先制定通信协议，先定义比较器参数(CP_az、CP_bz、CP_cz)、故障报警信号(Alarm)及启动、停止、同步信号的功能码，再定义比较器参数数据、各种故障报警(过流、过压、驱动保护等)对应的数据及启动、停止、同步信号数据作为各自的数据码。

2:主控制器2和从控制器3开始实现数据通信前，主控制器2首先要询问所有从控制器3是否准备就绪，只有当主控制器2接收到所有从控制器3返回的准备就绪信号，再发送启动信号。发完启动信号后，再将比较器数据、同步信号按照所制定的通信协议进行编码，并采用串行方式将编码信号广播发送给所有从控制器3。

3:主控制器2将功能码和相应数据按固定顺序循环发送，信号传送时，先传送信号的功能码，再传送其相应的数据码，然后传送下一个信号的功能码及其数据码，比如：CP_az的功能码、CP_az的数据、CP_bz的功能码、CP_bz的数据、CP_cz的功能码、CP_cz的数据、Alarm的功能码、Alarm的数据、P_sync的功能码和P_sync的数据,依次类推；发送完同步信号后又重头开始发送，循环进行发送。

这里发送接收的数据(Data)都是由起始位D₀、有效数据D₁～D₈、标志码D₉、奇校验位D₁₀和停止位D₁₁组成的。其中有效数据为8位，标志码D₉用来区分是发送或接收的是功能码还是数据。奇校验位通过(3)式求得(⊕是异或运算)：

D₁₀＝D₁⊕D₂⊕D₃⊕D₄⊕D₅⊕D₆⊕D₇⊕D₈ (3)

5)具体步骤为：

①从控制器3将接收到主控制器2发动的启动信号后，对主控制器2传过来的信号进行解码，同时向主控制器2回馈相应信号；

②从控制器3将信号解码后得到的功能码将接收到的十六位数据存入相应的寄存器中，再由(4)式计算得到从控制器3的比较器参数：

其中：CP_ac、CP_bc和CP_cc分别为从控制器3的A相、B相、C相比较器参数。

待接收到同步信号后，立即将三角载波计数器TRI清零重新开始计数,TRI的峰值为1/2T_pc，同时加载更新的CP_ac、CP_bc和CP_cc数据，通过比较器模块重构出PWM波，比较器模块的工作方法如下：

1)如果CP_ac<TRI，则输出高电平，否则输出低电平；

2)如果CP_bc<TRI，则输出高电平，否则输出低电平；

3)如果CP_cc<TRI，则输出高电平，否则输出低电平。

这里所有从控制器3都是在接收到主控制器2的同步信号数据后清零载波计数器，同时比较模块加载更新的CP_ac、CP_b和CP_c寄存器上的数据。没有接收到同步信号数据之前沿用上次更新的数据进行比较产生PWM波。

如图3所示，由于主控制器2的外部中断信号和从控制器3的载波频率设置为同一频率，因此能够在从控制器3重构与主控制器2一致的脉宽调制波。此时，各从控制器3接收的信号都是相同的，从而确保了每个功率器件驱动信号的同步性和一致性。

Claims (7)

1.一种基于脉宽调制波重构的逆变器并联系统的控制方法，包括以下步骤：

1)计算脉宽调制波频率，将此频率设置为主控制器的外部中断信号频率和从控制器的三角载波频率；

2)信号采集单元采集逆变器输出的三相电压和电流信号，以及电机的转速信号；

3)主控制器中的控制单元根据采集的电压、电流、转速信号计算得到主控制器的A相比较器参数CP_az、B相比较器参数CP_bz和C相比较器参数CP_cz；

4)第一信号编解码单元对得到的比较器参数CP_az、CP_bz、CP_cz和设定的同步信号P_sync进行编码，并通过串行方式广播发送给所有从控制器；

5)从控制器接收比较器参数和同步信号并进行解码，根据解码后的信号重构脉宽调制波信号作为功率器件的驱动信号。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤1)中，计算出主控制器和从控制脉宽调制波频率后，按下式求得主控制器的分频系数和从控制器的分频系数：

式中：f_PWM为PWM波的频率，T_PWM为PWM波的周期，f_z为主控器系统时钟频率，f_c为从控制器系统时钟频率，T_pz为主控制器的分频系数即分频计数器的最大值，T_pc为从控制器的分频系数即分频计数器的最大值。

3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，信号采集单元的采样频率大于脉宽调制波频率。

4.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，在每个PWM波周期内都根据采样得到的电压、电流信号计算得到空间矢量调制波A相比较器参数CP_az、B相比较器参数CP_bz和C相比较器参数CP_cz：

式中：T_a、T_b、T_c分别是A相、B相和C相上桥臂开关管的驱动信号的占空比，T_pz为主控制器的分频系数。

5.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤4)中，编码方式为先定义比较器参数及启动、停止、同步信号的功能码，再将比较器参数、启动信号、停止信号、同步信号的数值作为各自的数据码。

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于：所述步骤4)中，信号传送时，先传送信号的功能码，再传送其相应的数据码，然后传送下一个信号的功能码及其数据码，依次类推；发送完同步信号后又重头开始发送，循环进行发送。

7.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述步骤5)包括：

①从控制器将接收到的信号进行解码，同时向主控制器回馈相应信号；

②从控制器将信号解码后得到从控制器的A相、B相、C相比较器参数CP_ac、CP_bc和CP_cc，当解码后的信号存在同步信号P_sync时，重启三角载波信号，载波计数器清零并重新计数，同时加载CP_ac、CP_bc和CP_cc到脉宽调制波重构单元，重构出脉宽调制波信号。