CN104901333B - 一种无信号互联线并联的三相逆变器及其载波信号同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无信号互联线并联的三相逆变器，包括三相逆变器、控制单元和信号采集单元；所述的控制单元包括求和模块，电流预处理模块，虚拟振荡器模块，载波产生模块，PWM调制模块。本发明三相逆变器中没有任何形式的通信，实现了逆变器并联和开关换流抑制，节省了成本，同时提高了整个系统的稳定性与灵活性，整个系统只采集了电感电流参与控制实现逆变器的无信号互联线的载波同步。本发明还公开了上述三相逆变器的载波信号同步方法，其采用非线性虚拟振荡算法，控制稳定性更强，同时减少了控制环路的复杂度，具有较大的使用价值。

Description

一种无信号互联线并联的三相逆变器及其载波信号同步方法

技术领域

本发明属于电网逆变技术领域，具体涉及一种无信号互联线并联的三相逆变器及其载波信号同步方法。

背景技术

随着电力电子装置应用场合的不断增多，对于装置容量要求的不断加大，逆变器并联技术越来越受到重视。

公开号为103078348A的中国专利公开了一种无信号互联线并联的三相逆变器，包括三相逆变器、控制单元和信号采集单元；控制单元包括：dq变换模块、功率计算模块、功率下垂控制模块、减法模块、电压环控制模块、dq反变换模块、开关周期控制模块和PWM调制模块。该发明三相逆变器中没有任何形式对输出电流的采集，节省了电流采样元件的数量，整个系统只采集了输入电压、输入电流和输出电压参与控制实现逆变器的无信号互联线并联控制。该发明的三相逆变器的控制方法，采用功率下垂算法，计算更为简便，单机采用输出电压单环控制，减少了控制环路的复杂度，从而大幅度提高了逆变器切入的动态响应。

而目前逆变器并联的所有研究主要集中在逆变器基波环流的抑制方面，而对于逆变器开关环流方面研究不足。而逆变器并联一般用于大功率场合，此时逆变器开关频率一般较低，逆变器之间开关环流的现象将会非常严重，而一般建立在基波控制算法条件下的逆变器并联方案无法消除此类环流，只能通过加大逆变器电感来抑制。

公开号为CN104486059A的中国专利公开了一种通过CPLD通信方式实现不同逆变器之间载波同步的方法。该方法通过环形通信的方式实现载波同步，由于系统中采用通信，该方法可靠性不强，而且布置较为复杂，当通信线故障时，无法实现载波同步功能。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种无信号互联线并联的三相逆变器，可以在无通信线的前提下实现并联逆变器载波同步，显著减少逆变器开关环流。

一种无信号互联线并联的三相逆变器，包括三相逆变器、控制单元和信号采集单元，所述的信号采集单元用于采集三相逆变器的输出电流；所述的控制单元包括：

求和模块，对于三相输出电流进行求和，得到零序电流；

电流预处理模块，为带通滤波器，用于对零序电流进行预处理，得到零序电流的开关频率分量，作为虚拟振荡器的输入；

虚拟振荡器模块，用于根据电流预处理模块输出的电流而对应产生出开关频率的振荡信号，从而控制载波相位；

载波产生模块，根据虚拟振荡器输出的振荡信号，输出对应频率与相位的三角载波信号，PWM模块载波信号输入，从而控制逆变器载波相位；

PWM调制模块，用于根据所述的开关周期控制信号和三相调制波信号通过SPWM技术，得到PWM信号以对三相逆变器进行控制。

所述的控制单元采用DSP；所述的信号采集单元包括电流传感器。

本发明还提供了上述三相逆变器的载波信号同步方法，采用非线性虚拟振荡算法，控制稳定性更强，同时减少了控制环路的复杂度，具有较大的使用价值，

三相逆变器的载波信号同步方法，包括如下步骤：

(1)采集三相逆变器的三相输出电流。

(2)对于该三相电流进行求和运算，算出零序电流。

(3)将该零序电流输入虚拟振荡器中，经过虚拟振荡器处理，输出开关频率的正弦波信号。

(4)通过该正弦波信号，由载波产生模块产生对应频率与相位的三角载波信号，用于PWM模块的调制载波。

(5)使用步骤(4)产生的三角载波信号根据调制波采用SPWM方法产生PWM波形。

其中，虚拟振荡器基于以下公式：

其中：u_o为虚拟振荡器的输出，i₀为输入的零序电流，R，L，C虚拟电阻，电感，电容值，s为拉普拉斯算子，a和d为振荡参数。

所述的载波产生器的输入正弦信号与输出三角载波基于以下公式：

u_tri＝f_sw∫sgn(u_in)

其中：u_tri为输出三角载波，u_in为模块输入，f_sw为开关频率，sgn表示符号函数，输入为正时输出为1，输入为负时，输出为-1。

本发明三相逆变器中没有任何形式的通信，同时也没有在原有逆变器控制基础上增加任何传感器，实现了无硬件成本增加三相逆变器并联载波同步。

本发明的有益效果在于：

1)没有任何通信环节，载波同步方法只通过逆变器本机测量的电压电流信号，因此可靠性强，而且布置灵活，任何逆变器的投切都不会对其他逆变器产生影响，也不需要额外接线；

2)没有在原有常规逆变器控制的条件下增加任何传感器，不额外增加硬件成本，有利于减少系统成本；

3)由于采用非线性控制，系统有全局稳定性，载波信号出现任何较大扰动后系统都可以回到原有同步状态，抗干扰性能很强。

附图说明

图1为本发明三相逆变器的结构示意图。

图2为本发明虚拟振荡器结构。

图3为本发明载波产生器结构。

图4为本发明两台三相逆变器并联的系统结构示意图。

图5为本发明两台三相逆变器并联工作时的U相桥臂稳态电压输出波形和电流输出波形及电流环流。

图6为采用现有技术两台三相逆变器并联工作时的U相桥臂稳态电压输出波形和电流输出波形及电流环流。

图7为本发明两台三相逆变器并联工作时一台逆变器切入的U相桥臂电压输出波形和电流输出波形。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的控制器及其控制方法进行详细说明。

如图1所示，一种无信号互联线并联实现载波同步的三相逆变器，包括三相逆变器、控制单元和信号采集单元；其中：

三相逆变器包括三相逆变桥、电感滤波组件和电容滤波组件；三相逆变桥的直流输入侧接直流源E和直流母线电容C，电感滤波组件一边与三相桥交流输出相连，另一端通过电容滤波组件接入交流母线。

信号采集单元用于采集三相逆变器电感电流i_l，信号采集单元包括若干电流传感器。

控制单元采用DSP，其包括A/D转换模块、求和模块、电流预处理模块、虚拟振荡器模块、载波产生模块、PWM调制模块；A/D转换模块输入连接电流传感器，输出连接求和模块；求和模块输出连接电流预处理模块，电流预处理模块输出连接虚拟振荡器模块；载波产生模块的输入由虚拟振荡器产生，输出接入PWM调制模块；PWM调制模块载波有载波产生模块产生，参考信号可以来自基波控制环节或者上位机；其中：

A/D转换模块用于电感电流i_l进行模数转换后，提供给DSP中的其他模块。

求和模块用于对于三相电感电流进行求和，得到零序电流。

电流预处理模块，实际上为带通滤波器，用于对零序电流进行预处理，得到零序电流的开关频率分量，滤除其他分量对于控制的干扰，作为虚拟振荡器的输入。

虚拟振荡器模块，是控制的核心部分，具体逻辑结构如图2所示，输入为经过处理的零序电流开关频率分量，输出为一个正弦电压信号，用于根据电流预处理模块输出的电流而对应产生出开关频率的振荡信号，从而控制载波相位。特别需要说明的是，虚拟振荡器并非物理存在，而是使用DSP编程算法实现，图2只是表示该振荡器逻辑结构，振荡器核心公式如下：

其中：u_o为虚拟振荡器的输出，i₀为输入的零序电流，R，L，C虚拟电阻，电感，电容值，s为拉普拉斯算子，a和d振荡参数。

在本应用中，R＝10Ω，L＝25mH，C＝1μF，a＝0.2，d＝0.4649。

载波产生器的作用是将虚拟振荡模块输出的正弦波转换为三角载波，用于PWM产生模块，结构如图3所示，其控制基于以下公式：

u_tri＝f_sw∫sgn(u_in)

其中：u_tri为输出三角载波，u_in为模块输入，f_sw为开关频率，sgn表示符号函数，输入为正时输出为1，输入为负时，输出为-1。

PWM调制模块用于根据载波模块产生的三角载波u_tri和三相参考信号u_ref(由上位机或者基波控制环节产生)通过SPWM技术，得到PWM信号经驱动电路功率放大后对三相逆变桥中的功率开关器件进行开关控制。

以下对由两台本实施方式三相逆变器组成的并联系统(如图4所示，开关频率1kHz)进行实验验证。

图5为两台本实施方式的三相逆变器并联工作时的U相桥臂稳态电压输出波形和电流输出波形。图中，u_a和u_b分别为两台三相逆变器并联工作时的U相桥臂电压输出波形，i_a和i_b分别为两台三相逆变器并联工作时的U相电流输出波形，i_a-i_b表示两个逆变器之间的电流环流。图6为采用现有技术并联方法逆变器U相桥臂稳态电压输出波形和电流输出波形，波形定义与图5相同。图7为采用本方法实施并联逆变器的动态电流波形，u_a和u_b分别为两台三相逆变器并联工作时的U相桥臂电压输出波形，i_a和i_b分别为两台三相逆变器并联工作时的U相电流输出波形。

实验结果表明，采用本实施方式的三相逆变器无信号互联线并联工作时逆变器开关环流得到较好的抑制，如图5所示，由于载波同步，不同逆变器桥臂输出是完全相同的，电流环流的值几乎维持在0附近，而图6现有技术逆变器并联技术由于载波不同步产生的开关环流较大，电流环流峰值高达10A。图7说明了该方法的动态响应，在一台逆变器切入时，能够在半个周波内完成开关同步动作，证明了该方法的动态响应较好。

Claims (5)

1.一种无信号互联线并联的三相逆变器，包括三相逆变器、控制单元和信号采集单元；所述的信号采集单元用于采集三相逆变器的输出电流，其特征在于：所述的控制单元包括：

求和模块，对于三相电感电流进行求和，得到零序电流；

电流预处理模块，为带通滤波器，用于对零序电流进行预处理，得到零序电流的开关频率分量，作为虚拟振荡器的输入；

虚拟振荡器模块，用于根据电流预处理模块输出的电流而对应产生出开关频率的振荡信号，从而控制载波相位；所述虚拟振荡器基于以下公式：

$u_o=\frac{sRL}{s^{2}RLC+sL+R}{i}_{temp}$

$i_{temp}=\left\{\begin{array}{cc}-2ad-{\mathrm{au}}_o-i_0& (u_o<-d)\\ {\mathrm{au}}_o-i_0& (-d<u_o<d)\\ 2ad-{\mathrm{au}}_o-i_0& (u_o>d)\end{array}\right.$

其中：u_o为虚拟振荡器的输出，i₀为输入的零序电流，i_temp为虚拟振荡器的输出电流，R，L，C分别为虚拟电阻，电感，电容值，s为拉普拉斯算子，a和d为振荡参数；

载波产生模块，根据虚拟振荡器输出的振荡信号，输出对应频率与相位的三角载波信号，PWM模块载波信号输入，从而控制逆变器载波相位；

PWM调制模块，用于根据开关周期控制信号和三相调制波信号，通过SPWM技术，得到PWM信号以对三相逆变器进行控制。

2.根据权利要求1所述的三相逆变器，其特征在于：所述的控制单元采用DSP。

3.根据权利要求1所述的三相逆变器，其特征在于：所述的信号采集单元包括电流传感器。

4.根据权利要求1所述的三相逆变器的载波信号同步方法，包括如下步骤：

(1)采集三相逆变器的三相输出电流；

(2)对于该三相电流进行求和运算，算出零序电流；

(3)将该零序电流输入虚拟振荡器中，经过虚拟振荡器处理，输出开关频率的正弦波信号；

(4)通过该正弦波信号，由载波产生模块产生对应频率与相位的三角载波信号，用于PWM模块的调制载波；

(5)使用步骤(4)产生的三角载波信号根据调制波产生PWM波形。

5.根据权利要求4所述的三相逆变器的载波信号同步方法，其特征在于：输入正弦信号与输出三角载波基于以下公式

u_tri＝f_sw∫sgn(u_in)

其中：u_tri为输出三角载波，u_in为模块输入，f_sw为开关频率，sgn表示符号函数，输入为正时输出为1，输入为负时，输出为-1。