CN105320206A - 并联电力变换控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联电力变换控制装置，包括：总电流指令生成器，权重系数确定单元，总电流指令分配器，反馈电流计算器，电流控制器，根据所述电力变换器的输出电流值计算对应电力变换器的环流的环流计算器，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

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；

权重系数确定单元：用于确定各电力变换器的电流在所述并联电力变换系统总输出电流中的占比，输出对应电力变换器的权重系数；

总电流指令分配器：根据所述权重系数确定单元输出的所述权重系数对所述总电流指令生成器生成的总电流指令值进行分配，生成所述电力变换器的电流指令值；

反馈电流计算器：根据所述并联电力变换系统的总输出电流值和所述权重系数确定单元输出的所述权重系数计算所述电力变换器的电流反馈值，并将其送给对应电力变换器的电流控制器，供后者执行对电流的控制。

电流控制器：根据所述总电流指令分配器输出的所述电力变换器电流指令值和所述反馈电流计算器输出的所述电流反馈值进行控制，使得所述电流反馈值跟踪所述电力变换器的电流指令值，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。

所述总电流指令分配器按照下述规律对所述总电流指令生成器生成的所述总电流指令值进行分配：

i_k ^*＝α_k×i_total ^*

其中，i_k ^*是第k个电力变换器的电流指令值，非负权重系数α_k满足：i_total ^*是所述总电流指令生成器生成的总电流指令值，n(n≥2)是构成并联电力变换系统的电力变换器的数量。

所述反馈电流计算器进一步包括：

总输出电流计算单元：对所述电力变换器的全部电流值进行代数求和运算，输出所述并联电力变换系统的总输出电流值；

反馈电流计算单元：根据将所述总输出电流计算单元输出的所述总输出电流值计算对应电力变换器的输出电流值。

所述总输出电流计算单元按照下述规律计算所述总输出电流值：

$i_{\mathrm{total}}=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{i}_k$

其中，i_k是第k个电力变换器的电流值，n(n≥2)是构成并联电力变换系统的电力变换器的数量。

所述反馈电流计算单元按照下述规律计算所述电力变换器的电流反馈值：

i_{fb_k}＝α_k×i_total

其中，i_{fb_k}是第k个电力变换器的电流反馈值，α_k即为第k个电力变换器的电流指令值的权重系数，i_total为所述总输出电流值。

所述环流计算器按照如下任一公式计算所述环流：

i_{corss_k}＝i_k-i_{fb_k}

i_{corss_k}＝i_k-(α_k/α_m)×i_m

其中，i_{corss_k}是第k个电力变换器的环流，i_k和i_m是分别第k和m个电力变换器的电流值，i_{fb_k}是第k个电力变换器的电流反馈值，α_k和α_m分别是第k和m个电力变换器的权重系数，m是基准电力变换器的序号。

本发明可以达到的有益效果为：

通过引入反馈电流计算器，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、权重系数确定单元、总电流指令分配器、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；权重系数确定单元用于确定各电力变换器的电流在所述并联电力变换系统总输出电流中的占比，输出对应电力变换器的权重系数；总电流指令分配器用于根据所述权重系数确定单元输出的所述权重系数对所述总电流指令生成器生成的总电流指令值进行分配，生成所述电力变换器的电流指令值；反馈电流计算器用于根据所述并联电力变换系统的总输出电流值和所述权重系数确定单元输出的所述权重系数计算所述电力变换器的电流反馈值，并将其送给对应电力变换器的电流控制器，供后者执行对电流的控制；电流控制器用于根据所述总电流指令分配器输出的所述电力变换器电流指令值和电流反馈值进行控制，使得所述电流反馈值跟踪所述电流指令值，输出控制电压信号；环流计算器用于根据所述电力变换器的输出电流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；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。所述反馈电流计算器进一步包括总输出电流计算单元和反馈电流计算单元，其中，总输出电流计算单元对所述电力变换器的所有电流值进行代数和运算，输出所述并联电力变换系统的总输出电流值；反馈电流计算单元根据将所述总输出电流计算单元输出的所述总输出电流值和所述权重系数确定单元输出的所述权重系数计算对应电力变换器的输出电流值。

本实施例中，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；所述权重系数确定单元根据所述并联电力变换系统的具体情况，如：作为其基本构成单元的电力变换器的物理参数、所述并联电力变换系统的使用场合等，确定并输出各个电力变换器所应承担的电流相对于所述并联电力变换系统的总电流的期望占比，即权重系数，该权重系数可以是恒定常数，也可以是根据所述并联电力变换系统的具体情况适时变化的变量；所述总电流指令分配器根据所述权重系数确定单元输出的各电力变换器的权重系数按照下式对所述总电流指令生成器输出的总电流指令值i_total ^*进行分配，输出对应电力变换器的电流指令值i_k ^*：

i_k ^*＝α_k×i_total ^*公式1

其中，i_k ^*是第k个电力变换器的电流指令值，非负权重系数α_k满足：i_total ^*是所述总电流指令生成器生成的总电流指令值，n(n≥2)是构成并联电力变换系统的电力变换器的数量。

总输出电流计算单元按照下式通过对所述电力变换器的所有电流值进行代数和运算来计算并输出所述并联电力变换系统的总输出电流值i_total：

$i_{\mathrm{total}}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{i}_1$ 公式2

其中，i_k是第k个电力变换器的电流值，n(n≥2)是构成并联电力变换系统的电力变换器的数量。

反馈电流计算单元根据将所述总输出电流计算单元输出的所述总输出电流值和所述权重系数确定单元输出的所述权重系数，按照下式计算对应电力变换器的输出电流值：

i_{fb_k}＝α_k×i_total公式3

其中，i_{fb_k}是第k个电力变换器的电流反馈值，α_k为第k个电力变换器的电流指令值的权重系数，i_total为所述总输出电流值。

所述环流计算器根据反馈电流计算单元输出的第k个电力变换器的电流反馈值和该电力变换器的电流值按照下式计算第k个电力变换器的环流：

i_{corss_k}＝i_k-i_{fb_k}公式4

即由第k个电力变换器的电流值减去第k个电力变换器的电流反馈值，将所得的差作为第k个电力变换器的环流。

第k个电力变换器的环流控制器根据环流i_{cross_k}和环流指令值(通常为0)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}。电流控制器根据总电流指令分配器输出的所述电力变换器的电流指令值i_k ^*和反馈电流计算单元输出的第k个电力变换器的所述电流反馈值i_{fb_k}对第k个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u_{k_pwm}，PWM单元则根据调制信号生成器输出的调制信号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。

需要指出的是：由上述电流反馈值的计算过程可以看出，该电流反馈值中不仅仅包括对应电力变换器的输出电流值，同时还包括了其它电力变换器的输出电流值，因此，电流控制器的控制目的在于保证所有电力变换器的总的输出电流值i_total对于所述总电流指令生成器生成的总电流指令值i_total ^*的跟踪，不会因电流控制器的反馈控制而抑制环流控制器对环流的控制。显然，这样的电流反馈值计算方式实现了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的解耦，使得电流控制器可以专注于所述并联电力变换系统的总输出电流值i_total对于所述总电流指令生成器生成的总电流指令值i_total ^*的跟踪，环流控制器专注于对所述并联电力变换系统中的环流的控制。

此外，需要补充说明的是：

1、上述说明中的所述电流值是由电流检测装置对所述电力变换器的电流进行检测得到的检测结果，或者是电流检测结果在经适当处理(如信号调理、坐标变换等)后得到的结果。对于图1中的电流i_k(k＝1,n),可以是电力变换器的电流检测值i_{k_j}(j＝a，b，c)，即三相逆变器和PWM整流器的交流侧三相电流检测值或是经信号调理后的电流检测值，也可以是i_{k_j}(j＝d，q)或i_{k_j}(j＝α，β)，即经dq坐标变换或αβ坐标变换后得到的电流值。

2、上述说明中的环流控制器、电压控制器和电流控制器，可以是相应坐标系中的简单的PI控制器、预测控制器等，也可以是较为复杂的控制器，如：电机调速系统的矢量控制器、直接转矩控制器等。显然，对于PMSM调速系统而言，电流控制器则可以是包括永磁磁链、dq轴电流解耦补偿项在内的PMSM矢量控制系统；对于PWM整流器而言，电流控制器可以是包括电网电压矢量e_d和e_q、dq轴电流解耦补偿项在内的PWM整流器矢量控制系统，参见PWM整流器及其控制(张崇巍，张兴，机械工业出版社，2003)的3.2.1电流内环控制系统设计以及图3-30。

3、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。

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m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≠m)的控制而言，与其对应的环流计算器按照下式计算第k个电力变换器的环流，i_{corss_k}：

i_{corss_k}＝i_k-(α_k/α_m)×i_m公式5

其中，i_{corss_k}是第k个电力变换器的环流，i_k和i_m是分别第k和m个电力变换器的电流值，i_{fb_k}是第k个电力变换器的电流反馈值，α_k和α_m分别是第k和m个电力变换器的权重系数，m是基准电力变换器的序号。

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u_{m_pwm}，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u_{m_pwm}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≠m)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u_{k_pwm}，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u_{k_pwm}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。

Claims (6)

1.一种并联电力变换控制装置，用于由n个电力变换器并联构成的并联电力变换系统，其中n≥2；其特征在于，所述控制装置包括：

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；

权重系数确定单元：用于确定各电力变换器的电流在所述并联电力变换系统总输出电流中的占比，输出对应电力变换器的权重系数；

总电流指令分配器：根据所述权重系数确定单元输出的所述权重系数对所述总电流指令生成器生成的总电流指令值进行分配，生成所述电力变换器的电流指令值；

反馈电流计算器：根据所述并联电力变换系统的总输出电流值和所述权重系数确定单元输出的所述权重系数计算所述电力变换器的电流反馈值，并将其送给对应电力变换器的电流控制器，供后者执行对电流的控制；

电流控制器：根据所述总电流指令分配器输出的所述电力变换器的电流指令值和所述反馈电流计算器输出的所述电流反馈值进行控制，使得所述电流反馈值跟踪所述电力变换器的电流指令值，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所述的并联电力变换控制装置，其特征在于：所述总电流指令分配器按照下述规律对所述总电流指令生成器生成的所述总电流指令值进行分配：

i_k ^*＝α_k×i_total ^*

其中，i_k ^*为第k个电力变换器的电流指令值，

非负权重系数α_k满足：

i_total ^*为所述总电流指令生成器生成的总电流指令值，

n为构成并联电力变换系统的电力变换器的数量，其中n≥2。

3.根据权利要求1所述的并联电力变换控制装置，其特征在于：所述反馈电流计算器进一步包括：

总输出电流计算单元：对所述电力变换器的所有电流值进行代数和运算，输出所述并联电力变换系统的总输出电流值；

反馈电流计算单元：根据将所述总输出电流计算单元输出的所述总输出电流值和所述权重系数确定单元输出的所述权重系数计算对应电力变换器的电流反馈值。

4.根据权利要求3所述的并联电力变换控制装置，其特征在于：所述总输出电流计算单元按照下述规律计算所述总输出电流值：

$i_{\mathrm{total}}=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{i}_k$

其中，i_k为第k个电力变换器的电流值，

n为构成并联电力变换系统的电力变换器的数量，其中n≥2。

5.根据权利要求3所述的并联电力变换控制装置，其特征在于：所述反馈电流计算单元按照下述公式计算所述电力变换器的电流反馈值：

i_{fb_k}＝α_k×i_total

其中，i_{fb_k}为第k个电力变换器的电流反馈值，

α_k为第k个电力变换器的电流指令值的权重系数，

i_total为所述总输出电流值。

6.根据权利要求1所述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公式计算所述环流：

i_{corss_k}＝i_k-i_{fb_k}

i_{corss_k}＝i_k-(α_k/α_m)×i_m

其中，i_{corss_k}是为第k个电力变换器的环流，

i_k和i_m分别为第k和m个电力变换器的电流值，

i_{fb_k}为第k个电力变换器的电流反馈值，

α_k和α_m分别为第k和m个电力变换器的权重系数，

m为基准电力变换器的序号。