CN105337313B - 一种通讯故障状态下的全局同步脉宽调制自同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通讯故障状态下的全局同步脉宽调制自同步方法，能让并网逆变器在通讯故障的情况下依然保持全局同步运行状态，各并网逆变器的状态也无需改变，充分发挥全局同步脉宽调制方法的优势。全局同步单元向并网逆变器M发送同步信号，并将同步信号发送频率f_syn发送给并网逆变器M，并网逆变器M根据同步信号计算出与并网逆变器1之间的晶振误差。并网逆变器M根据计算结果制定自同步参数。并网逆变器M根据所收到的ΔT_syn预测下一次同步信号出现的时刻，若同步信号出现，则通信系统工作正常，无需进行自同步，若同步信号不出现，则通讯系统故障，并网逆变器M进行自同步。

Description

一种通讯故障状态下的全局同步脉宽调制自同步方法

技术领域

本发明涉及一种通讯故障状态下的全局同步脉宽调制自同步方法。

背景技术

近年来，随着环境的不断恶化，可再生能源发电技术、分布式发电技术引起了各方关注。并网逆变器能将分布式电源接入交流电网，是将分布式电源接入交流电网的关键设备。由于电力电子器件的存在，并网逆变器的输出电流中含有大量的高次谐波。现有专利和文献中提到了多种降低高次谐波的方法，包括增加开关频率、滤波器参数、滤波器阶数、采用交错并联结构、多电平结构等，但这些方法都会增加逆变器的控制难度和逆变器的成本，而且这些方法大多是针对单个逆变器。

在电网中，多个分布式并网逆变器一般以并联的形式接入电网，其结构如图1所示。多个并网逆变器接入公共并网点(PCC)，逆变器的总数定义为N，逆变器编号定义为M(M＝1,…,N)，逆变器M的输出电流表示为i_M，其总谐波失真表示为THD_M，总并网电流表示为i_sum，总谐波失真表示为THD_sum。通常，i_M中含有大量的高次谐波，这些高次谐波会在PCC处随机叠加，最终导致i_sum的谐波含量在最小值和最大值之间变化。

专利《分布式并网逆变系统全局同步脉宽调制系统及方法》公开了一种分布式并网逆变系统全局同步脉宽调制系统，确定了全局脉宽调制系统的基本结构，包括主控单元(全局同步单元)和位于不同地理位置的若干个并网逆变器，每个所述并网逆变器均与分布式电源连接，每个并网逆变器均通过公共并网点与电网连接，所述主控单元与所有的并网逆变器通信，如图1所示，所述主控单元接收各个并网逆变器的信息，确定全局同步策略后，将包含全局同步策略的全局同步信号分别发送给各个并网逆变器，各个并网逆变器利用全局同步信号调整自己的脉宽调制波相位，以达到各个并网逆变器脉宽调制波之间能够满足谐波抵消的相位差，从而抵消各个并网逆变器注入电网的谐波电流。该方法能够有效降低i_sum的谐波含量。但该方法的主要缺陷是，当通讯系统出现短时间故障或长时间故障时，全局同步脉宽调制方法无法正常工作，全局同步脉宽调制系统的可靠性无法得到保障。

专利《分布式并网逆变系统全局同步脉宽相位、频率动态调整方法》在上述专利基础上，公开了一种分布式并网逆变系统全局同步脉宽相位、频率动态调整方法，逆变器正常运行过程中，在满足并网电流谐波要求的前提下降低每个逆变器开关频率，能够提高整个系统的运行效率。在某个逆变器退出全局同步脉宽调制或某个逆变器加入全局同步脉宽调制的过程中动态调整全局同步脉宽的相位，使并网电流谐波降到最低，而且在这一动态调整过程中并网电流谐波始终满足要求。在通讯设施故障时提高开关频率，避免了全局同步脉冲宽度调制方法突然失效造成的并网电流谐波增大的问题。在电网故障或逆变器输出功率突变等暂态过程中提高开关频率，增加动态过程的稳定性。此专利虽然提到了通讯设施故障下的应对措施，但此时全局同步脉宽调制方法依然无法正常工作，逆变器的开关频率上升，损耗增大，无法发挥全局同步脉宽调制方法的优势。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出一种通讯故障状态下的全局同步脉宽调制自同步方法。能让逆变器在通讯故障的情况下依然保持全局同步运行状态，各逆变器的状态也无需改变，充分发挥全局同步脉宽调制方法的优势。全局同步单元向逆变器M发送同步信号，并将同步信号发送频率f_syn发送给逆变器M，逆变器M根据同步信号计算出与逆变器1之间的晶振误差。逆变器M根据计算结果制定自同步参数。逆变器M根据所收到的f_syn预测下一次同步信号出现的时刻，若同步信号出现，则通信系统工作正常，无需进行自同步，若同步信号不出现，则通讯系统故障，逆变器M进行自同步。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种通讯故障状态下的全局同步脉宽调制自同步系统，包括：

主控单元和位于不同地理位置的若干个并网逆变器，每个所述并网逆变器均与分布式电源连接，每个并网逆变器均通过公共并网点与电网连接，所述主控单元与所有的并网逆变器通信，所述主控单元允许为单独的控制器，也允许是某个并网逆变器中的控制器；主控单元与各并网逆变器的控制器中都加入了自同步算法。

一种通讯故障状态下的全局同步脉宽调制自同步方法，包括以下步骤：

步骤(1)：从并网逆变器中选择任何一个作为并网逆变器1，并网逆变器1中的控制器作为主控单元，主控单元将计算出的同步信号发送频率f_syn发送给各个并网逆变器；同时主控单元以频率f_syn发送同步信号，同步信号为脉冲信号；

步骤(2)：主控单元将并网逆变器1的开关频率f_c1发送给每个并网逆变器，主控单元将并网逆变器1中两次同步信号时间间隔中的载波Carrier1的数量W₁发送给每个并网逆变器；Carrier1为主控单元中的载波；

步骤(3)：并网逆变器M根据收到的同步信号发送频率f_syn计算并网逆变器M与并网逆变器1之间的晶振频率差和自同步的参数；M＝1,…,N，M表示并网逆变器的编号，N表示并网逆变器的总数；

步骤(4)：并网逆变器M根据自同步参数预测下次出现同步信号的时间范围，若在此范围内出现同步信号，则无需启用自同步算法，若在此范围内中没有收到同步信号，则启用自同步算法，参考载波CarrierM’根据自同步参数进行自同步；

步骤(5)：并网逆变器M中的载波CarrierM根据参考载波CarrierM’进行相位调整。

所述步骤(1)f_syn的计算方法为专利《分布式并网逆变系统全局同步脉宽相位、频率动态调整方法》的公开内容。所述步骤(1)f_syn的计算方法为：

(1-1)主控单元根据所收到的参数信号，利用傅里叶变换方法，建立输出电流谐波有效值和之间的函数关系：

(1-2)根据晶振的最大误差范围e_cry和并网逆变器的开关频率f_cM，计算出1秒内相对所能变化的最大范围，计算公式为：

(1-3)根据通讯通道的速率预先设定同步信号发送频率f_syn，计算出同步信号发送频率下相对所偏移的最大范围计算公式为：

(1-4)利用(1-1)计算出的函数关系且令利用粒子群算法，计算I_hsum的最大值，如果此最大值大于电网要求，则增加f_syn，并重复步骤(1-2)、(1-3)如果此最大值小于电网要求，则f_syn为同步信号的发送频率。

所述步骤(1-1)的参数信号包括逆变器直流电压、逆变器开关频率、输出滤波器参数或逆变器输出功率参数。

所述步骤(2)中获得W₁的方法为：

获得W₁的计算公式为：

其中f_DSP1为主控单元的晶振频率，主控单元的晶振频率为设定值，C_peak为三角载波计数的峰值。

所述步骤(3)中计算晶振频率差的方法为：

步骤(3-1)：并网逆变器M根据收到同步信号，计算出与上一个同步信号的间隔内，经过的完整三角载波的个数，记为W₂，并记录收到同步信号瞬间的三角载波是处于上升阶段还是下降阶段，用Dir＝1表示上升阶段，用Dir＝0表示下降阶段，并记录收到同步信号瞬间的三角载波计数器中的值为ΔC。

步骤(3-2)：根据W₂与W₁的关系，以及Dir的值，共分为4种情况计算并网逆变器M中的晶振频率为：

情况1:W₂＝W₁；Dir＝0

f_DSPM＝(2C_peakW_M-ΔC)f_syn

情况2:W₂＝W₁-1；Dir＝1

f_DSPM＝[2C_peakW_M+ΔC]f_syn

情况3:W₂＝W₁+1；Dir＝0

f_DSPM＝[2C_peakW_M-ΔC]f_syn

情况4:W₂＝W₁；Dir＝1

f_DSPM＝[2C_peakW_M+ΔC]f_syn；

其中，f_DSPM为逆变器M的晶振频率。

步骤(3-3)：计算晶振频率差Δf：

Δf＝f_DSPM-f_DSP1

步骤(3-4)：计算自同步参数ΔD：

ΔD＝ΔC。

所述步骤(4)中预测下一次出现同步信号的算法为：

在接受到同步信号后，对三角载波的个数进行计数，在第W₂个三角波峰值和第W₂+1个三角波峰值间位置接受同步信号，如果接收到同步信号，则说明通讯正常，如果接收不到同步信号，则说明通讯故障。

所述步骤(4)中参考载波CarrierM’根据自同步参数进行自同步过程为：

并网逆变器M判断出通讯系统故障。

如果Dir＝0，则在第W₂+1个三角波的下降部分，当三角载波计数为ΔD时，将三角波计数置0；

如果Dir＝1，则在第W₂+2个三角波的上升部分，当三角载波计数为ΔD时，将三角波计数置0。

所述步骤(5)并网逆变器M，与调制波进行比较的载波CarrierM根据参考载波CarrierM'进行相位调整的过程如下：

步骤(5-1)：计算调整参数：

其中，[x]表示x的整数部分；

步骤(5-2)：

对于步骤(3-2)中的情况1或情况2，调整载波CarrierM"在每隔D个三角载波周期将CarrierM"的三角载波峰值改变为C_peak-1；

对于步骤(3-2)中情况3或情况4，CarrierM"在每隔D个三角载波周期将CarrierM"的三角载波峰值改变为C_peak+1。

步骤(5-3)：

当收到同步信号时，CarrierM"与CarrierM'同时将三角载波计数置为0；

当收不到同步信号时，利用上述步骤(4)中自同步方法，CarrierM"与CarrierM'同时将三角载波计数置为0，在三角波计数置为0的时刻，CarrierM"与CarrierM'的相位是突变的。

步骤(5-4)：CarrierM以CarrierM"为参考进行调整。在CarrierM"相位突变的位置，CarrierM不会跟随CarrierM"突变，而是通过改变CarrierM三角载波计数的峰值来让CarrierM的相位和CarrierM"的相位之间相差为能让总并网电流最小的脉宽调制波相位差，其数值范围为0°至360°。

的具体计算方法见专利《分布式并网逆变系统全局同步脉宽调制系统及方法》，其具体数值的计算方法不属于本专利保护内容。

本发明的有益效果为：

(1)在通讯系统故障的情况下，传统全局同步脉宽调制技术无法正常运行，本专利所提自同步方法可以在通讯故障的情况下依然让系统保持在全局同步运行状态。

(2)在通讯线路中存在干扰的情况下，本专利所提自同步方法能够不受干扰的影响。

(3)本专利所提方法可以减少实际的脉宽调制波相位CarrierM与最佳相位差之间的相位差。

附图说明

图1为带有全局同步单元、通讯通道的分布式并网逆变器结构；

图2为逆变器M中计算晶振频率差方法示意图；

图3接受同步信号使能示意图；

图4载波CarrierM'根据自同步参数进行自同步过程示意图；

图5 CarrierM"调整过程示意图；

图6 CarrierM以CarrierM"为参考进行调整过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种通讯故障状态下的全局同步脉宽调制自同步方法，包括以下步骤：

全局同步单元将计算出的同步信号发送频率f_syn发送给各个并网逆变器，全局同步单元可以为单独的控制器，也可以是某个并网逆变器中的控制器，任意指定一个并网逆变器作为并网逆变器1，本专利以并网逆变器1中的控制器作为全局同步单元为例进行说明。

并网逆变器M接收并存储同步信号发送频率f_syn，并依据收到的存储信号计算出逆变器M的晶振和逆变器1的晶振间的频率差，并根据频率差计算出自同步参数；

并网逆变器M根据存储的同步信号发送频率f_syn预测下次同步信号到达时间范围，若接收到同步信号，则说明通讯系统正常工作，无需进行自同步，若没有接收到同步信号，则说明通讯系统故障，根据自同步参数进行同步。

以两个逆变器并联运行为例进行说明，两个逆变器分别表示为逆变器1和逆变器2，两个逆变器分别由DSP1和DSP2进行控制。设DSP2的运行频率以DSP1的运行频率为基准进行计算。

一种通讯故障状态下的全局同步脉宽调制自同步方法，包括以下步骤：

(1)主控单元将计算出的f_syn通过通讯通道发送给各个逆变器。通过通讯通道发送信息的方法为公知常识。f_syn的计算方法为专利《分布式并网逆变系统全局同步脉宽相位、频率动态调整方法》的公开内容，此实例中f_syn＝2Hz。

(2)主控单元将主控单元所在逆变器的开关频率f_c1＝150MHz发送给逆变器2，f_c1的获取方法为公知常识。主控单元中的载波定义为Carrier1，将两次同步信号时间间隔中Carrier1的数量W₁＝5000发送给每个逆变器。

(3)逆变器M根据收到的f_syn计算逆变器M与逆变器1之间的晶振频率差和自同步的参数。

(4)逆变器M根据自同步参数预测下次出现同步信号的时间范围，若在此范围内出现同步信号，则无需启用自同步算法，若在此范围内中没有收到同步信号，则启用自同步算法，参考载波Carrier2’根据自同步参数进行自同步。

(5)逆变器M中的载波Carrier2根据参考载波Carrier2’进行相位调整。

所述步骤(2)中获得W₁的方法为：

获得W₁的计算公式为：

其中f_DSP1为主控单元的晶振频率，认为其等于设定值，C_peak为三角载波的峰值。

所述步骤(3)中计算晶振频率差的方法为：

(3-1)逆变器M根据收到同步信号后，计算出与上一个同步信号的间隔内，一共经过几个完整的三角载波，记为W₂＝5000，并记录此时三角载波是处于下降阶段，Dir＝0，并记录此时三角载波计数器中的值为ΔC＝1900。

(3-2)此例中，根据W₂与W₁的关系，以及Dir的值，符合情况1，,逆变器2中的晶振频率为：如图2所示，

情况1:W₂＝W₁；Dir＝0

f_DSP2＝(2C_peakW₂-ΔC)f_syn＝(2×7500×5000-1900)×2＝149.9962MHz

(3-3)计算频率差：

Δf＝f_DSP2-f_DSP1＝149.9962MHz-150MHz＝0.0038MHz

(3-4)计算出的自同步参数

ΔD＝ΔC＝1900

所述步骤(4)中预测下一次出现同步信号的算法为：

在接受到同步信号后，对三角载波的个数进行计数，在第W₂个三角波峰值和第W₂+1个三角波峰值间位置打开接受同步信号使能，如图3所示，如果在使能阶段接受到同步信号，则说明通讯正常，如果收不到同步信号，则说明通讯故障。

所述步骤(4)中参考载波Carrier2'根据自同步参数进行自同步过程为：

逆变器M判断出通讯系统故障。Dir＝0，在第W₂+1个三角波的下降部分，当三角载波计数器的值为ΔD时，将三角波计数器的值置位0。如图4所示。

所述步骤(5)中逆变器M中的载波Carrier2根据参考载波Carrier2'进行相位调整的过程如下：

(5-1)计算调整参数：

其中，[x]表示x的整数部分，例如[3.8]＝3。

(5-2)由于是情况一，Carrier2"会在每隔D个三角载波周期将Carrier2"的三角载波峰值改变为C_peak-1。如图5所示。

(5-3)当收到同步信号时，Carrier2"与Carrier2'同时将三角载波计数器值置为0。当收不到同步信号时，利用上述自同步方法Carrier2"与Carrier2'同时将三角载波计数器值置为0。此时Carrier2"与Carrier2'的相位是突变的。

(5-4)Carrier2以Carrier2"为参考进行调整。在Carrier2"相位突变的位置，Carrier2不会跟随Carrier2"突变，而是通过改变Carrier2三角载波的幅值来让Carrier2的相位和Carrier2"的相位之间相差该过程如图6所示。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种通讯故障状态下的全局同步脉宽调制自同步方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤(1)：从并网逆变器中选择任何一个作为并网逆变器1，并网逆变器1中的控制器作为主控单元，主控单元将计算出的同步信号发送频率f_syn发送给各个并网逆变器；同时主控单元以频率f_syn发送同步信号，同步信号为脉冲信号；

步骤(2)：主控单元将并网逆变器1的开关频率f_c1发送给每个并网逆变器，主控单元将并网逆变器1中两次同步信号时间间隔中的载波Carrier1的数量W₁发送给每个并网逆变器；Carrier1为主控单元中的载波；

步骤(3)：并网逆变器M根据收到的同步信号发送频率f_syn计算并网逆变器M与并网逆变器1之间的晶振频率差和自同步的参数；M＝1,…,N，M表示并网逆变器的编号，N表示并网逆变器的总数；

所述步骤(3)中计算自同步参数的方法为：

步骤(3-1)：并网逆变器M根据收到同步信号，计算出与上一个同步信号的间隔内，经过的完整三角载波的个数，记为W₂，并记录收到同步信号瞬间的三角载波是处于上升阶段还是下降阶段，用Dir＝1表示上升阶段，用Dir＝0表示下降阶段，并记录收到同步信号瞬间的三角载波计数器中的值为ΔC；

步骤(3-2)：根据W₂与W₁的关系，以及Dir的值，共分为4种情况计算并网逆变器M中的晶振频率为：

情况1:W₂＝W₁；Dir＝0

f_DSPM＝(2C_peakW_M-ΔC)f_syn

情况2:W₂＝W₁-1；Dir＝1

f_DSPM＝[2C_peakW_M+ΔC]f_syn

情况3:W₂＝W₁+1；Dir＝0

f_DSPM＝[2C_peakW_M-ΔC]f_syn

情况4:W₂＝W₁；Dir＝1

f_DSPM＝[2C_peakW_M+ΔC]f_syn；

其中，f_DSPM为逆变器M的晶振频率；C_peak为三角载波计数的峰值；

步骤(3-3)：计算自同步参数ΔD：

ΔD＝ΔC；

步骤(4)：并网逆变器M根据自同步参数预测下次出现同步信号的时间范围，若在此范围内出现同步信号，则无需启用自同步算法，若在此范围内中没有收到同步信号，则启用自同步算法，参考载波CarrierM’根据自同步参数进行自同步；

步骤(5)：并网逆变器M中的载波CarrierM根据参考载波CarrierM’进行相位调整。

2.如权利要求1所述的一种通讯故障状态下的全局同步脉宽调制自同步方法，其特征是，所述步骤(5)并网逆变器M，与调制波进行比较的载波CarrierM根据参考载波CarrierM'进行相位调整的过程如下：

步骤(5-1)：计算调整参数：

<mrow> <mi>D</mi> <mo>=</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mrow> <mo>|</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mi>e</mi> <mi>a</mi> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>S</mi> <mi>P</mi> <mi>M</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mi>e</mi> <mi>a</mi> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>/</mo> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>S</mi> <mi>P</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>|</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> 1

其中，[x]表示x的整数部分；

步骤(5-2)：

对于步骤(3-2)中的情况1或情况2，调整载波CarrierM"在每隔D个三角载波周期将CarrierM"的三角载波峰值改变为C_peak-1；

对于步骤(3-2)中情况3或情况4，CarrierM"在每隔D个三角载波周期将CarrierM"的三角载波峰值改变为C_peak+1；

步骤(5-3)：

当收到同步信号时，CarrierM"与CarrierM'同时将三角载波计数置为0；

当收不到同步信号时，利用上述步骤(4)中自同步方法，CarrierM"与CarrierM'同时将三角载波计数置为0，在三角波计数置为0的时刻，CarrierM"与CarrierM'的相位是突变的；

步骤(5-4)：CarrierM以CarrierM"为参考进行调整：在CarrierM"相位突变的位置，CarrierM不会跟随CarrierM"突变，而是通过改变CarrierM三角载波计数的峰值来让CarrierM的相位和CarrierM"的相位之间相差为能让总并网电流最小的脉宽调制波相位差，其数值范围为0°至360°。

3.如权利要求2所述的一种通讯故障状态下的全局同步脉宽调制自同步方法，其特征是，所述步骤(1)f_syn的计算方法为：

(1-1)主控单元根据所收到的参数信号，利用傅里叶变换方法，建立输出电流谐波有效值和之间的函数关系：

(1-2)根据晶振的最大误差范围e_cry和并网逆变器的开关频率f_cM，计算出1秒内相对所能变化的最大范围，计算公式为：

(1-3)根据通讯通道的速率预先设定同步信号发送频率f_syn，计算出同步信号发送频率下相对所偏移的最大范围计算公式为：

(1-4)利用(1-1)计算出的函数关系且令利用粒子群算法，计算I_hsum的最大值，如果此最大值大于电网要求，则增加f_syn，并重复步骤(1-2)、(1-3)如果此最大值小于电网要求，则f_syn为同步信号的发送频率。

4.如权利要求1所述的一种通讯故障状态下的全局同步脉宽调制自同步方法，其特征是，所述步骤(2)中获得W₁的方法为：

获得W₁的计算公式为：

<mrow> <msub> <mi>W</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>S</mi> <mi>P</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mrow> <mn>2</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mi>e</mi> <mi>a</mi> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>y</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中f_DSP1为主控单元的晶振频率，主控单元的晶振频率为设定值。

5.如权利要求1所述的一种通讯故障状态下的全局同步脉宽调制自同步方法，其特征是，所述步骤(4)中预测下一次出现同步信号的算法为：

在接受到同步信号后，对三角载波的个数进行计数，在第W₂个三角波峰值和第W₂+1个三角波峰值间位置接受同步信号，如果接收到同步信号，则说明通讯正常，如果接收不到同步信号，则说明通讯故障。

6.如权利要求5所述的一种通讯故障状态下的全局同步脉宽调制自同步方法，其特征是，所述步骤(4)中参考载波CarrierM’根据自同步参数进行自同步过程为：

并网逆变器M判断出通讯系统故障；

如果Dir＝0，则在第W₂+1个三角波的下降部分，当三角载波计数为ΔD时，将三角波计数置0；

如果Dir＝1，则在第W₂+2个三角波的上升部分，当三角载波计数为ΔD时，将三角波计数置0。