CN105952543A - 可并机的数码发电机组控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种种可并机的数码发电机组控制器，包括依次连接的整流单元、逆变单元、交流并联的相位同步与功率均衡控制单元，所述整流单元三相半控桥式整流电路，由一个三相半波不控整流电路与一个三相半波可控整流电路串联而成；所述逆变单元为IGBT功率管构成的H桥逆变电路；所述交流并联的相位同步与功率均衡控制单元采用锁相环技术互相跟踪相位，并通过控制汽油发动机节气门进气量，调节汽油机转速，继而调节发电的频率和相位。本发明支持机组配置多种极数的发电机，支持不同功率汽油数码发电机组间并联，不同功率柴油数码发电机组间并联，以及汽油数码发电机组与柴油发电机组间并联，并采用锁相环技术互相跟踪相位，输出相位控制越精确，电能输出品质越高。

Description

可并机的数码发电机组控制器

技术领域

本发明涉及数码发电机组控制技术领域，特别是涉及一种可并机的数码发电机组控制器。

背景技术

数码发电机组是未来发电机行业发展的重要方向，目前单台数码发电机组已得到了广泛的应用，与传统发电机无法比拟的，其产生的原始交流电经过“净化”，电流经过“交-直-交”二级转换，使电压输出与发动机转速无关，同时将电压波形畸变降至最低限度，最终再次转化成洁净、平稳的交流电输出，电能质量高。因此，足以运行一些对电压波动非常敏感的电气设备、仪器，如：电脑等。然而目前，数码发电机组特别是不同动力源的数码发电机组间并机运行的控制技术仍处于起步阶段，缺少完整控制器设计方案。

这严重限制了因应用功率不够或其他因素，多台数码发电机组并机运行的使用情况，影响了用户的使用体验。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的技术问题，提供一种可用于不同动力源的数码发电机组并机的控制器。

技术方案：本发明的一种可并机的数码发电机组控制器，包括依次连接的整流单元、逆变单元、交流并联的相位同步与功率均衡控制单元，所述整流单元三相半控桥式整流电路，由一个三相半波不控整流电路与一个三相半波可控整流电路串联而成；所述逆变单元为IGBT功率管构成的H桥逆变电路；所述交流并联的相位同步与功率均衡控制单元采用锁相环技术互相跟踪相位，并通过控制汽油发动机节气门进气量，调节汽油机转速，继而调节发电的频率和相位。

有益效果：本发明支持机组配置多种极数的发电机，支持不同功率汽油数码发电机组间并联，不同功率柴油数码发电机组间并联，以及汽油数码发电机组与柴油发电机组间并联。机组并联后，可实现各机组输出的相位同步和功率按比例均衡分配。控制器采用锁相环技术互相跟踪相位，输出相位控制越精确，电能输出品质越高。

本发明能够支持多种永磁发电机，不同极数的发电机在产生的多种频率和电压的电能均可生成用户指定的频率、电压电能。

本发明采用锁相环技术互相跟踪相位，并通过控制汽油发动机节气门进气量，调节汽油机转速，继而调节发电的频率和相位。

本发明采用锁相环技术互相跟踪相位，并通过控制柴油发动机油泵喷油量，调节柴油机转速，继而调节发电的频率和相位。

附图说明

图1为本发明结构图；

图2为本发明中三相半控整流桥；

图3为本发明中整流驱动电路；

图4为本发明中H桥逆变原理图；

图5为本发明中H桥逆变驱动原理图；

图6为本发明中用于汽油数码发电机组原理图；

图7为本发明中用于柴油数码发电机组；

图8为本发明中广义二阶积分器；

图9为本发明中锁相环同步相位原理图；

图10为本发明中双发电机并联供电示意图；

图11为本发明中下垂控制方程原理图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，本发明的一种可并机的数码发电机组控制器，包括依次连接的整流单元、逆变单元、交流并联的相位同步与功率均衡控制单元，所述整流单元三相半控桥式整流电路，由一个三相半波不控整流电路与一个三相半波可控整流电路串联而成；所述逆变单元为IGBT功率管构成的H桥逆变电路；所述交流并联的相位同步与功率均衡控制单元采用锁相环技术互相跟踪相位，并通过控制汽油发动机节气门进气量，调节汽油机转速，继而调节发电的频率和相位。

以下分别做介绍：

1、整流单元设计

本控制器整流单元为三相半控桥式整流电路，由一个三相半波不控整流电路与一个三相半波可控整流电路串联而成，因此该电路具有半控和不控两种电路的特点。发电机在运行过程中，可能出现转速过高，导致输出电压过高的问题。晶闸管一般过流过压能力较差，如果晶闸管上的正向电压上升率过大，可能使晶闸管正向阻断能力下降，严重时会引起误导通。所以控制器中设计RC阻容吸收回路进行保护，具体如图2所示。该回路利用电容两端电压不能突变的特点，来吸收回路的电压，把它限制在允许的范围内。电容串接电阻的作用是限制晶闸管开通损耗与电流上升率。

设计整流电路的关键是设计好晶闸管触发电路，向晶闸管提供合适的触发电流使其导通。本控制器在晶闸管驱动电路的设计上采用单片机控制光耦开关，然后驱动三极管去控制晶闸管的导通与关断，具体如图3所示。该方案因为加入了单片机实时采样信号，并进行相应控制，可达到输出电压稳定的效果。从晶闸管导通条件可知，可将三个晶闸管的门极用一路信号去控制。因为导通还需要阳极与阴极之间有正向电压，因此用这一个高低电平的信号就能实现三个晶闸管的控制，不仅电路简单，而且控制方便。该触发电路的原理是当控制信号是高电平时，光耦关断，三极管Q基极为高电平，三极管Q截止，此时晶闸管门极电位为隔离地，所以晶闸管截止。反之，当控制信号为低电平时，三极管Q导通，晶闸管门极相对于阴极为高电平，所以晶闸管导通。

2、逆变单元设计

本控制器的逆变单元为IGBT功率管构成的H桥逆变电路，具体如图4所示。项目采用如图5所示的专用驱动芯片IR2113来驱动H桥。IR2113驱动芯片具有可调的错误清零时间、内置高级输入滤波器、软关断功能、欠压保护功能、硬件过流保护，且能在功率管上下导通时自动加入死区，避免了同时导通而损坏元器件。

为了要输出AC正弦波，驱动信号需要经过脉宽调制，即通常说的SPWM信号。从调制脉冲的极性来看，PWM可分为单极性和双极性控制两种模式。单极性调制方式兼顾到了四个IGBT功率管工作状态的均衡，不仅能保证输出较理想的正弦波，而且能从很大程度上减小开关损耗，增加IGBT使用寿命，提高电路的可靠性。双极性调制方式则会产生了较大的开关损耗，降低IGBT使用寿命。输出电压波形上看，单极性调制通断频率是双极性的两倍，而电压跳动则为双极性的一半。若用傅里叶级数展开，可知单极性调制不包含偶次谐波；在频率谱上看，最低次谐波是开关频率的两倍，这一特性使得它的谐波含量比双极性要小；从控制器电路上来讲，谐波频率高，就可以使输出滤波的电容、电感值降低，从而减小控制器体积与成本.所以本控制器选择单极性控制方式产生SPWM。

在常规单极性和双极性模式下，脉冲频率等于开关频率。要想得到较好的电压波形，就要提高PWM的开关频率(便于细分SPWM电压阶梯)。但在大功率情况下，开关频率不宜过高，因为开关频率过高导致开关损耗增大，且开关管发热严重，长时间工作会损坏器件，大容量器件高速通断，会产生很高的电压尖峰，可能造成开关管或其他器件击穿，开关频率过高出现擎住效应增大。

单极性倍频主要特点：脉冲频率是开关频率的2倍。整个系统更有优势，通过10KHz的倍频与10KHz的单极性及10KHz的双极性模式进行比较发现：极性模式的开关损耗小，正弦波精度高。单片机属于8位机，由于使用10KHz可达到20KHz的效果，所以其PWM中断的频率降低了，也就是说中断的时间延长了，这就为更好的电流实时性提供了保障。单极性倍频调制方式在不提高脉冲频率的前提下，提高了SPWM谐波分量频率，便于滤波，LC滤波可做的更小，同时电压波形谐波小，对称性好。

3、交流并联的相位同步与功率均衡控制单元设计

针对汽油数码发电机组流并联的相位同步与功率均衡控制，控制器采用锁相环技术互相跟踪相位，并通过控制汽油发动机节气门进气量，调节汽油机转速，继而调节发电的频率和相位，如图6所示。针对数码发电机组流并联的相位同步与功率均衡控制，控制器采用锁相环技术互相跟踪相位，并通过控制柴油发动机油泵喷油量，调节柴油机转速，继而调节发电的频率和相位，如图7所示。

锁相环设计如下：

将采用广义二阶积分器构造锁相环进行并联相位同步。二阶带通滤波器构造结构如图8所示，图中增益影响积分器的带宽，可以实现滤波和构造正弦与余弦波形的目的。

锁相环的输出相位θ计算得到PWM调制波,叠加上载波生成PWM信号,对控制器进行控制，如图9所示。AD采集控制器的输出电压信号，再进行二阶广义积分滤波，d-q变换就可以实现锁相功能。在跟踪参考电机相位时，电压闭环控制可以使控制器输出电压的幅值与参考电压幅值相等，设定为Uamp。

参考和控制器输出的瞬时相位分别设定为α和β。d-p变换公式修改为：

$\left[\begin{array}{c}{U}_d\\ U_q\end{array}\right]={U_{amp}}^2.\left[\begin{array}{cc}sin\mathrm{\α}& -cos\mathrm{\α}\\ cos\mathrm{\α}& -sin\mathrm{\α}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}cos\mathrm{\β}\\ sin\mathrm{\β}\end{array}\right]={U_{amp}}^2.\left[\begin{array}{c}cos(\mathrm{\β}-\mathrm{\α})\\ sin(\mathrm{\β}-\mathrm{\α})\end{array}\right]$

当锁相环稳定时，Uq等于零，即输出电压与参考相位相等，实现同步功能。此外，采用AD多路同时采样的方法，同时采集参考信号与输出信号，最大程度的减小软件时延。并联后的d-q变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{U}_d\\ U_q\end{array}\right]=U_{amp}{I}_{amp}=\left[\begin{array}{c}cos(\mathrm{\β}-\mathrm{\α})\\ sin(\mathrm{\β}-\mathrm{\α})\end{array}\right]$

本项目锁相环不仅保留了二阶广义积分锁相的优点，尽量减小了软件时延，最大程度上保证了控制器输出相位与参考相位同步。

针对交流并联的功率均衡，本控制器并联模型进行系统功率分析。把发电机等效为一个有内阻的电压源，U_A、U_B、U₀、分别为发电机A控制器输出电压、发电机B控制器输出电压、交流并联母线电压；发电机A、B的输出阻抗和连线阻抗之和等效表示为其中分别为发电机A、B的输出电压相位，为输出等效输出阻抗的相位。

如图10所示图并联发电机输出功率的表达式为：

本控制器下垂控制方程如图11所示结构实现，首先测量发电机输出的电压和电流，计算输出的平均功率(通常包括低通滤波环节)，输出平均功率与功率设定参考值比较后通过下垂控制器得到发电机输出的角频率和电压幅值，下垂系数可根据电力系统约束的频率电压波动范围选择。这样的控制方式可实现发电机间功率分配并保证系统电压和频率稳定。

对应下垂方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_n={\mathrm{\ω}}^{*}-m_n{P}_n\\ U_n=U^{*}-n_n{Q}_n\end{array}\right.$

此外，本控制器还设计电压电流环用于改善电压。输出性能，并且设计电压电流环增益可方便的控制等效输出阻抗呈感性、阻性或感性阻性混合性。

Claims (1)

1.一种可并机的数码发电机组控制器，其特征在于：包括依次连接的整流单元、逆变单元、交流并联的相位同步与功率均衡控制单元，所述整流单元三相半控桥式整流电路，由一个三相半波不控整流电路与一个三相半波可控整流电路串联而成；所述逆变单元为IGBT功率管构成的H桥逆变电路；所述交流并联的相位同步与功率均衡控制单元采用锁相环技术互相跟踪相位，并通过控制汽油发动机节气门进气量，调节汽油机转速，继而调节发电的频率和相位。