CN105320104A - 用于并联电力变换系统的并联电力变换控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于并联电力变换系统的并联电力变换控制装置，包括：总电流指令生成器，平均电流指令生成器，平均反馈电流计算器，电流控制器，环流计算器，根据所述环流计算器的计算结果对所述电力变换器的环流进行控制并输出环流补偿电压信号的环流控制器，根据所述电流控制器输出的所述控制电压信号和所述环流控制器输出的所述环流补偿电压信号生成用于PWM单元进行脉宽调制所需的调制信号的调制信号生成器。本发明可以有效提高总输出电流对总电流指令值的跟踪性能和环流抑制效果，有效降低微处理器的计算负荷。

Description

用于并联电力变换系统的并联电力变换控制装置

技术领域

本发明涉及电力变换装置控制领域，特别是涉及一种用于由至少2个电力变换器并联构成的并联电力变换系统的并联电力变换控制装置。

背景技术

电力变换装置的并联是扩大电力变换装置功率、提高可靠性、实现电力变换装置功率灵活调整的重要技术手段。文献1(用于电机传动系统的多逆变器并联控制技术，电机与控制学报，2010，14(2)：36-40,46)提出对各逆变器进行独立控制使其电流跟踪其期望值，从而实现各逆变器总电流对其指令值的跟踪(后续称之为独立电流跟踪法)。尽管它通过将各逆变器电流指令值设定为总期望电流的n(n为逆变器数量)等分、通过控制使各逆变器的实际电流跟踪其电流指令值，使得该控制方法具备了一定的环流抑制作用，但该控制方法没有用于抑制环流的环流控制器，当各逆变器因模块特性等原因出现环流时，该控制方法并未利用环流信息进行及时补偿，因此该控制方法的环流抑制效果(如：环流抑制程度和快速性)有待改善，而且由于需要设置与并联逆变器数量相同数量的电流控制器，因此当并联逆变器数量较大时，会导致用于执行控制的微处理器的计算负荷过大。文献2(Modeling,Analysis,andImplementationofParallelMulti-InverterSystemsWithInstantaneousAverage-Current-SharingScheme,IEEETrans.PowerElectronics,2003,18(3):844-856)提出了利用环流控制器(即Outercurrent-sharingloop,H₁……H_n)对调制电压信号进行补偿从而实现各电力变换器间的均流(即环流抑制)的方法(后续称之为基于环流控制器的环流抑制方法)。

显然，对文献1和文献2的控制方法进行综合，即将文献2的环流控制器添加至文献1的独立电流跟踪法中，则可有效克服独立电流跟踪法的不足之处。但是，独立电流跟踪法是通过将各逆变器电流指令值设定为总期望电流的n(n≥2，为逆变器数量)等分、通过控制使各逆变器的实际电流跟踪其电流指令值来同时实现并联电力变换系统的两个控制目标——所有逆变器的总输出电流对总期望电流的跟踪和环流抑制，若是简单地增加环流控制器，则会因环流控制器的输出对调制电压信号的补偿而对单个逆变器的输出电流对该逆变器电流指令值的跟踪产生不利影响，并最终影响到所有逆变器的总输出电流对总电流指令值的跟踪效果。

因此，如何在不影响总输出电流对总期望电流的跟踪效果的前提下将基于环流控制器的环流抑制方法融合进独立电流跟踪法，且融合后得到的新方法能够有效提高总输出电流对总电流指令值的跟踪性能和环流抑制效果、有效降低微处理器计算负荷就成为并联电力变换系统领域的一个有待解决的重要技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种用于并联电力变换系统的并联电力变换控制装置，该控制装置可以在不影响总输出电流对总期望电流的跟踪效果的前提下，通过对独立电流跟踪法与基于环流控制器的环流抑制方法进行有机融合，最终使得总输出电流对总电流指令值的跟踪性能和环流抑制效果能够都能得到有效提高，且能有效降低微处理器计算负荷。

为解决上述技术问题，本发明的用于由至少2个电力变换器并联构成的并联电力变换系统的并联电力变换控制装置包括：

总电流指令生成器：生成所述并联电力变换系统应输出的总电流指令值；

平均电流指令生成器：根据所述总电流指令生成器生成的总电流指令值生成所述电力变换器的平均电流指令值；

平均反馈电流计算器：根据所述各个电力变换器的输出电流检测值计算所有电力变换器的总输出电流的平均值，并将其作为平均反馈电流值送给所述电流控制器，供后者执行对电流的控制；

电流控制器：根据所述平均电流指令生成器输出的所述平均电流指令值和所述平均反馈电流计算器输出的所述平均反馈电流值进行控制，使得所述平均反馈电流值跟踪所述平均电流指令值，输出控制电压信号；

环流计算器：根据所述电力变换器的输出电流检测值计算对应电力变换器的环流；

环流控制器：根据所述环流计算器的计算结果对所述电力变换器的环流进行控制，并输出环流补偿电压信号；

调制信号生成器：根据所述电流控制器输出的所述控制电压信号和所述环流控制器输出的所述环流补偿电压信号生成用于PWM单元进行脉宽调制所需的调制信号。

所述平均反馈电流计算器进一步包括：

总输出电流计算单元：对所有电力变换器的输出电流检测值进行代数求和运算；

平均电流计算单元：将所述总输出电流计算单元的计算结果除以构成所述并联电力变换系统的所述电力变换器的数量，得到的商即为所述平均反馈电流值。

所述环流计算器按照如下任一方式计算所述环流：

方式1：计算电力变换器的各相电流与所有电力变换器对应相的电流平均值间的差值；

方式2：选定某一电力变换器为基准电力变换器，基准电力变换器无环流；其余电力变换器的环流计算方式为该电力变换器的各相电流与基准电力变换器对应相的电流值间的差值。

当所述环流计算器按照方式1计算所述环流时，是通过计算相应电力变换器的输出电流检测值与所述平均反馈电流计算器输出的所述平均反馈电流值之间的差值来计算所述环流。

本发明可以达到的有益效果为：

通过引入平均反馈电流计算器，电流控制器利用平均反馈电流对电力变换器的电流进行控制，实现了电流控制器的控制作用与环流控制器的补偿作用的解耦和独立电流跟踪法与基于环流控制器的环流抑制方法的有机融合，使得融合后得到的新控制系统中的电流控制器专注于所有逆变器的总输出电流对总期望电流的跟踪控制、环流控制器专注于各电力变换器的环流的抑制，克服了独立电流跟踪法因没有独立的环流控制器的控制而导致的环流抑制效果不佳、微处理器计算负荷大的缺点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的并联电力变换控制装置作进一步的详细说明：

图1为本发明用于并联电力变换系统的并联电力变换控制装置的第一种结构示意图；

图2为本发明用于并联电力变换系统的并联电力变换控制装置的第二种结构示意图。

具体实施方式

应用本发明并联电力变换控制装置的被控对象——并联电力变换系统由至少两个并联连接的电力变换器组成，这里的电力变换器可以为两相、三相甚至是更多相的逆变器或PWM整流器，电力变换器的交流侧的对应相相连后再连接至负载或电源(电网或发电装置)，直流侧的所有正端与所有负端分别相连后再与共同的直流电源(或等效直流电源，如二极管整流器的直流侧)相连，或者直流侧分别与各自独立的直流电源(或等效直流电源)相连，或者是部分电力变换器的直流侧的正端与负端分别相连后再与共同的直流电源(或等效直流电源，如二极管整流器的直流侧)相连、其余部分电力变换器的直流侧分别与各自独立的直流电源(或等效直流电源)相连。

实施例1

本发明用于由至少2个电力变换器并联构成的并联电力变换系统的并联电力变换控制装置的结构如图1所示，主要由总电流指令生成器、平均电流指令生成器、电流控制器、环流计算器、环流控制器、调制信号生成器以及平均反馈电流计算器等构成。总电流指令生成器用于生成所述并联电力变换系统应输出的总电流指令值；平均电流指令生成器用于根据所述总电流指令生成器生成的总电流指令值生成所述电力变换器的平均电流指令值；环流计算器用于根据所述电力变换器的输出电流检测值计算对应电力变换器的环流；环流控制器用于根据所述环流计算器的计算结果对所述电力变换器的环流进行控制，输出环流补偿电压信号；电流控制器用于根据所述平均电流指令生成器输出的所述平均电流指令值和平均反馈电流值进行控制，使得所述平均反馈电流值跟踪所述平均电流指令值，输出控制电压信号；调制信号生成器用于根据所述电流控制器输出的所述控制电压信号和所述环流控制器输出的所述环流补偿电压信号生成用于PWM单元进行脉宽调制所需的调制信号；平均反馈电流计算器用于根据所述各个电力变换器的输出电流检测值计算所有电力变换器的总输出电流的平均值，并将其作为平均反馈电流值送给所述电流控制器，供后者执行对电流的控制。所述平均反馈电流计算器进一步包括总输出电流计算单元和平均电流计算单元，其中，总输出电流计算单元对所有电力变换器的输出电流检测值进行代数求和运算；平均电流计算单元将所述总输出电流计算单元的计算结果除以构成所述并联电力变换系统的所述电力变换器的数量n(n≥2)，得到的商即为所述平均反馈电流值。用于生成所述并联电力变换系统应输出的总电流指令值的总电流指令生成器可以有多种具体表现形式，如：对于电机调速系统而言，总电流指令生成器就是其双闭环控制系统中的速度控制器，其输出即为电机跟踪其速度指令所需的电流指令，对于PWM整流器而言，总电流指令生成器就是其双闭环控制系统中的电压控制器，其输出即为直流母线电压跟踪电压指令所需的电流指令。用于根据所述总电流指令生成器生成的总电流指令值生成所述电力变换器的平均电流指令值的平均电流指令生成器，对于由具有相同电气容量的并联电力变换器的并联电力变换系统而言，由于希望电流在各个电力变换器进行平均分配，此时，平均电流指令生成器可以是将所述总电流指令生成器生成的总电流指令值除以构成所述并联电力变换系统的所述电力变换器的数量n，得到的商即为所述平均电流指令值。

本实施例中，所述环流计算器是根据第k个电力变换器的电流检测值与所述平均电流计算单元的计算结果——平均反馈电流值来计算第k个电力变换器的环流，即由第k个电力变换器的电流检测值减去平均反馈电流值，将所得的差作为第k个电力变换器的环流。

本发明的并联电力变换控制装置的工作原理如下：

总电流指令生成器根据并联电力变换系统的被控对象的需要生成所述并联电力变换系统应输出的总电流指令值i_total ^*，并将总电流指令值i_total ^*作为输入送至平均电流指令生成器。平均电流指令生成器将总电流指令值i_total ^*除以构成所述并联电力变换系统的所述电力变换器的数量n，并将得到的商作为所述平均电流指令值i_avr ^*，该平均电流指令值i_avr ^*被作为电流控制器的控制指令值而送至电流控制器。

平均反馈电流计算器中的总输出电流计算单元将构成并联电力变换系统的所有n个电力变换器的输出电流进行代数求和，得到总输出电流i_total，并将总输出电流i_total作为平均电流计算单元的输入送给平均电流计算单元。平均电流计算单元将总输出电流i_total除以构成所述并联电力变换系统的所述电力变换器的数量n，并将得到的商作为所述平均反馈电流值i_avr，并将平均反馈电流值i_avr分别送给环流计算器和电流控制器。第k个电力变换器的环流控制器将第k个电力变换器的电流检测值减去平均电流计算单元输出的平均反馈电流值i_avr，所得到的差即为第k个电力变换器的环流i_{k_cross}，并将环流i_{k_cross}送给第k个电力变换器的环流控制器。第k个电力变换器的环流控制器根据环流i_{k_cross}和环流指令值(通常为零)对第k个电力变换器的环流进行控制，输出环流补偿电压信号u_{k_cmp}。电流控制器根据平均电流指令生成器输出的平均电流指令值i_avr ^*和平均电流计算单元输出的平均反馈电流值i_avr对电力变换器的电流进行控制，输出控制电压信号u_ctrl。调制信号生成器根据所述电流控制器输出的控制电压信号u_ctrl和所述环流控制器输出的环流补偿电压信号u_{k_cmp}生成用于PWM单元进行脉宽调制所需的调制信号，例如，调制信号生成器可以对所述控制电压信号u_ctrl和所述环流补偿电压信号u_{k_cmp}进行求和运算，并将得到的和或将进一步对得到的和作适当的规格化后得到的结果作为用于PWM单元进行脉宽调制所需的调制信号。PWM单元则根据调制信号生成器输出的调制信号通过生成用于对构成并联电力变换系统的n个电力变换器的开关模块进行开通与关断控制的开关信号，利用该开关信号即可实现对构成并联电力变换系统的n个电力变换器的开关模块的开通与关断控制。这样就实现了并联电力变换系统的两个控制目标——所有逆变器的总输出电流对总期望电流的跟踪和环流抑制。

由图1可知，由于电流控制器的反馈电流采用的是平均反馈电流计算器输出的构成并联电力变换系统的n个电力变换器的所有电流检测值的平均值，即平均反馈电流值i_avr，电流控制器的指令值是由平均电流指令生成器输出的平均电流指令值i_avr ^*，而且平均电流指令值i_avr ^*和平均反馈电流值i_avr都不随构成并联电力变换系统的n个电力变换器而变化，即对应于n个电力变换器的所有平均电流指令值i_avr ^*和平均反馈电流值i_avr全部相同，因此，不论构成并联电力变换系统的电力变换器的数量n为何值，并联电力变换控制装置中只需设置1个平均反馈电流计算器、1个平均电流指令生成器和1个电流控制器即可。环流控制器和调制信号生成器的数量与成并联电力变换系统的电力变换器的数量相同，均为n个。

本实施例中的环流计算器和环流控制器的执行持续进行，或是连续执行直至环流不超过预先设定的阈值后再停止。当然，当环流超过预先设定的阈值时，环流计算器和环流控制器应再次启动。

实施例2

如图2所示，本实施例与实施例1相似，下面仅就与实施例1的不同处做出说明。

本实施例中，并联电力变换控制装置首先选定第j个电力变换器作为基准电力变换器。对于其余的任一非基准电力变换器(如编号为k的电力变换器，k≠j)的控制而言，与其对应的环流计算器是根据第k个电力变换器的电流检测值与基准电力变换器的电流检测值计算第k个电力变换器的环流，即由第k个电力变换器的电流检测值减去基准电力变换器的电流检测值，将所得的差作为第k个电力变换器的环流。对应于基准电力变换器的调制信号生成器仅根据电流控制器输出的控制电压信号u_ctrl生成用于与基准电力变换器对应的PWM单元进行脉宽调制所需的调制信号，与基准电力变换器对应的PWM单元则根据与基准电力变换器对应的调制信号生成器输出的调制信号对构成基准电力变换器的开关模块进行开通与关断控制；对应于非基准电力变换器(如编号为k的电力变换器，k≠j)的调制信号生成器则根据所述电流控制器输出的控制电压信号u_ctrl和与编号为k的电力变换器对应的环流控制器输出的环流补偿电压信号u_{k_cmp}生成用于与编号为k的电力变换器对应的PWM单元进行脉宽调制所需的调制信号，与编号为k的电力变换器对应的PWM单元则根据与编号为k的电力变换器对应的调制信号生成器输出的调制信号对构成编号为k的电力变换器的开关模块进行开通与关断控制。

与实施例1相似，本实施例中，并联电力变换控制装置中只需设置1个平均反馈电流计算器、1个平均电流指令生成器和1个电流控制器即可。调制信号生成器的数量与成并联电力变换系统的电力变换器的数量相同，均为n个，但对应于基准电力变换器的调制信号生成器和与其余非基准电力变换器的n-1个调制信号生成器是不同的，是直接将所述电流控制器输出的控制电压信号u_ctrl和或将进一步对控制电压信号u_ctrl作适当的规格化后得到的结果作为用于PWM单元进行脉宽调制所需的调制信号。环流计算器和环流控制器的数量为n-1。

同样，本实施例中的环流计算器和环流控制器的执行持续进行，或是连续执行直至环流不超过预先设定的阈值后再停止。当然，当环流超过预先设定的阈值时，环流计算器和环流控制器应再次启动。

需要指出的是，在本发明的并联电力变换控制装置中，由于在控制参数相同的情况下所有环流控制器的输出的代数和必然等于零，因此尽管环流控制器输出的环流补偿电压信号u_{k_cmp}对电流控制器输出的控制电压信号u_ctrl进行了补偿，但由于电流控制器是利用平均电流指令值和平均反馈电流值进行电流控制，因此，在确保所有逆变器的总输出电流对总期望电流的跟踪性能的前提下为环流控制器的环流控制预留了作用空间，不会如独立电流跟踪法那样对环流控制器的环流控制产生弱化作用，进而影响到环流控制器对环流的抑制。显然，本发明的并联电力变换控制装置中的电流控制器专注于所有逆变器的总输出电流对总期望电流的跟踪控制，环流控制器专注于对并联电力变换系统中的环流抑制，实现了电流控制器的总输出电流跟踪控制和环流控制器的环流抑制的解耦，使得二者互不影响。此外，由于控制装置中可仅设置1个电流控制器即可，因此相对于独立电流跟踪法，可以大大减小微处理器的计算负荷。

Claims (4)

1.一种用于并联电力变换系统的并联电力变换控制装置，所述并联电力变换系统由n个电力变换器并联构成，其中n≥2；其特征在于，所述并联电力变换控制装置包括：

总电流指令生成器：生成所述并联电力变换系统应输出的总电流指令值；

平均电流指令生成器：根据所述总电流指令生成器生成的总电流指令值生成所述电力变换器的平均电流指令值；

平均反馈电流计算器：根据所述各个电力变换器的输出电流检测值计算所有电力变换器的总输出电流的平均值，并将其作为平均反馈电流值送给所述电流控制器，供后者执行对电流的控制；

电流控制器：根据所述平均电流指令生成器输出的所述平均电流指令值和所述平均反馈电流计算器输出的所述平均反馈电流值进行控制，使得所述平均反馈电流值跟踪所述平均电流指令值，输出控制电压信号；

环流计算器：根据所述电力变换器的输出电流检测值计算对应电力变换器的环流；

环流控制器：根据所述环流计算器的计算结果对所述电力变换器的环流进行控制，并输出环流补偿电压信号；

调制信号生成器：根据所述电流控制器输出的所述控制电压信号和所述环流控制器输出的所述环流补偿电压信号生成用于PWM单元进行脉宽调制所需的调制信号。

2.根据权利要求1所述的用于并联电力变换系统的并联电力变换控制装置，其特征在于：所述平均反馈电流计算器进一步包括：

总输出电流计算单元：对所有电力变换器的输出电流检测值进行代数求和运算；

平均电流计算单元：将所述总输出电流计算单元的计算结果除以构成所述并联电力变换系统的所述电力变换器的数量，得到的商即为所述平均反馈电流值。

3.根据权利要求1所述的用于并联电力变换系统的并联电力变换控制装置，其特征在于：所述环流计算器按照如下任一方式计算所述环流：

方式1：计算电力变换器的各相电流与所有电力变换器对应相的电流平均值间的差值；

方式2：选定某一电力变换器为基准电力变换器，基准电力变换器无环流；其余电力变换器的环流计算方式为该电力变换器的各相电流与基准电力变换器对应相的电流值间的差值。

4.根据权利要求3所述的用于并联电力变换系统的并联电力变换控制装置，其特征在于：当所述环流计算器按照方式1计算所述环流时，是通过计算相应电力变换器的输出电流检测值与所述平均反馈电流计算器输出的所述平均反馈电流值之间的差值来计算所述环流。