CN105978378A - 逆变电源并联的一种环流检测和控制方法 - Google Patents

Abstract

逆变电源并联的一种环流检测和控制方法，由环流检测电路子模块和瞬时环流抑制子模块组成的逆变器并联系统环流检测和抑制模块实现；所述环流检测电路子模块使各台逆变器在本地实时地获取环流信号；瞬时环流抑制子模块利用实时环流调节单台逆变器控制器的输出，使所有逆变器的输出电压相同，从而达到有效抑制环流的目的；本发明使各逆变器单元能够在本地实时获取环流信息，并通过控制实现对瞬时环流的抑制，以提高逆变器的均流能力，保证并联系统的稳定、可靠运行。

Description

逆变电源并联的一种环流检测和控制方法

技术领域

本发明涉及逆变器并联控制技术领域，具体涉及逆变电源并联的一种环流检测和控制方法。

背景技术

随着对供电系统的可靠性及系统冗余的要求越来越高，逆变器并联技术成为了一种重要的技术发展方向。

采用逆变器并联技术能够降低供电系统对单台逆变器容量及可靠性的要求，同时提高供电系统的可扩展性和冗余度。但是由于逆变器输出的是时变的正弦波，使得各逆变器输出电压的频率、幅值和相位等的差异均会引入环流，增加系统的损耗，严重时甚至会导致系统崩溃。因此，检测并抑制不同单元之间的环流成为逆变器并联技术的关键。于是设计一种新型的环流检测和控制方法，使各逆变器单元能够在本地实时获取环流信息，并通过控制实现对瞬时环流的抑制。

发明内容

为抑制并联逆变器单元之间的环流，本发明的目的在于提出逆变电源并联的一种环流检测和控制方法，使各逆变器单元能够在本地实时获取环流信息，并通过控制实现对瞬时环流的抑制，以提高逆变器的均流能力，保证并联系统的稳定、可靠运行。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

逆变电源并联的一种环流检测和控制方法，由环流检测电路子模块和瞬时环流抑制子模块组成的逆变器并联系统环流检测和抑制模块实现；所述环流检测电路子模块使各台逆变器在本地实时地获取环流信号；瞬时环流抑制子模块利用实时环流调节单台逆变器控制器的输出，使所有逆变器的输出电压相同，从而达到有效抑制环流的目的；具体方法包括如下步骤：

步骤一：通过环流检测电路子模块在本地实时获取环流信号

所述环流检测电路子模块由电流传感器和精密等值电阻组成；将检测各台逆变器输出电流的电流传感器输出端在本地与一个精密等值电阻并联后再通过电缆全部并联；这样，当各逆变器输出电流相等，即不存在环流时，各电流传感器输出电流在本地电阻上产生的压降相等，并联电缆上也就不会有电流流过；而当各逆变器输出电流不相等，即存在环流时，各电流传感器输出电流在本地电阻上产生的压降不相等，并联电缆上就会有电流流过；因此，通过检测各电流传感器并联电缆上的电流，就能够实现对环流的检测；

步骤二：通过瞬时环流抑制子模块抑制各台逆变器之间的环流

根据步骤一环流检测电路子模块推得忽略LC滤波器参数差异时，N台并联系统中第n台逆变器的瞬时环流i_hn的表达式为：

$i_{hn}=\frac{v_{Nn}-{\stackrel{\‾}{v}}_N}{{\mathrm{sL}}_f}---\left(1\right)$

式中，v_Nn为第n台逆变器的逆变桥输出瞬时电压，为N台逆变器的逆变桥输出瞬时电压平均值，L_f为LC滤波器电感值，s为复频域变量；

将式(1)左右两侧与如式(2)所示的旋转变换矩阵T相乘变换到dq旋转坐标系下，得到如式(3)所示的第n台逆变器的环流i_hdqn的表达式。

$T=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\θ}& cos(\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& cos(\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ -sin\mathrm{\θ}& -sin(\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -sin(\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]---\left(2\right)$

${\stackrel{\‾}{v}}_{Ndq}=v_{Ndqn}-i_{hdqn}\·{\mathrm{sL}}_f---\left(3\right)$

式(2)中，θ为交流母线电压相位；式(3)中，v_Ndqn和i_hdqn分别为同步旋转坐标系下的N台逆变器的逆变桥输出瞬时电压平均值、第n台逆变器的逆变桥输出瞬时电压和第n台逆变器的环流；

在单台逆变器控制器的基础上，根据式(3)设计瞬时环流抑制环；输入向量为检测环流i′_hdqn，调节对象为传统电压电流双闭环的输出向量v_dqn，设计得如式(4)所示的环流抑制环；

${\stackrel{\‾}{v}}_{dq}=v_{dqn}+(0-i_{hdqn}^{\′})\·M\·{\mathrm{sL}}_f\·(K_{ph}+\frac{K_{ih}}{s})---\left(4\right)$

式中M为电流传感器变比，K_ph和K_ih分别为环流抑制环的比例系数和积分系数，为得到的逆变桥输出电压给定值；

将式(4)的输出与一个和直流母线电压V_dc成反比的系数K相乘即引入直流母线电压前馈后得到调制比，再经过限幅，转换到三相静止坐标系下，输入给PWM波发生器，就生成控制三相逆变桥所需的PWM波，从而使所有逆变器的输出电压相同，达到有效抑制环流的目的。

和现有方法相比较，本发明具有如下优点：

1)通过环流检测电路子模块在本地就可以获取瞬时环流信号，既不需要通讯线路，也不存在传输延迟。

2)利用瞬时环流抑制子模块，逆变器并联系统能够有效抑制环流，使各台逆变器达到很好的均流效果，使并联可靠、稳定；并能够对并联插入瞬间产生的较大环流进行快速有效的抑制，具有快速的动态响应性能。

附图说明

图1为N台逆变器并联供电系统框图。

图2为所设计的环流检测电路。

图3为增加瞬时环流抑制子模块后的并联系统控制原理框图。

图4为2台逆变器并联仿真模型。

图5为2台逆变器并联在电角度存在相位差时的仿真结果，其中图5a为不加瞬时环流抑制环时的逆变器1环流波形及其局部放大波形，图5b为加瞬时环流抑制环后的逆变器1环流波形及其局部放大波形，图5c为不加瞬时环流抑制环时2台逆变器U相输出电流有效值波形及其局部放大波形，图5d为加瞬时环流抑制环后2台逆变器U相输出电流有效值波形及其局部放大波形。

图6为2台逆变器并联在载波存在相位差时的仿真结果，其中图6a为不加瞬时环流抑制环时的逆变器1环流波形及其局部放大波形，图6b为加瞬时环流抑制环后的逆变器1环流波形及其局部放大波形，图6c为不加瞬时环流抑制环时2台逆变器U相输出电流有效值波形及其局部放大波形，图6d为加瞬时环流抑制环后2台逆变器U相输出电流有效值波形及其局部放大波形。

图7为2台逆变器并联在LC滤波器电感参数存在较大差异时的仿真结果，其中图7a为不加瞬时环流抑制环时的逆变器1环流波形及其局部放大波形，图7b为加瞬时环流抑制环后的逆变器1环流波形及其局部放大波形，图7c为不加瞬时环流抑制环时2台逆变器U相输出电流有效值波形及其局部放大波形，图7d为加瞬时环流抑制环后2台逆变器U相输出电流有效值波形及其局部放大波形。

图8为2台逆变器并联在LC滤波器电容参数存在较大差异时的仿真结果，其中图8a为不加瞬时环流抑制环时的逆变器1环流波形及其局部放大波形，图8b为加瞬时环流抑制环后的逆变器1环流波形及其局部放大波形，图8c为不加瞬时环流抑制环时2台逆变器U相输出电流有效值波形及其局部放大波形，图8d为加瞬时环流抑制环后2台逆变器U相输出电流有效值波形及其局部放大波形。

图9为1台逆变器先启动，1s时并联插入另一台的仿真结果其中图9a为先启动逆变器U相输出电压波形及其局部放大波形，图9b为并联插入的逆变器U相输出电压波形及其局部放大波形，图9c为逆变器1的环流波形及其局部放大波形，图9d为2台逆变器U相输出电流有效值波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

根据以上对逆变电源并联的一种环流检测和控制方法的详细介绍，以下以2台115KVA逆变器并联为例，设计其控制系统，并给出了仿真模型和仿真结果。

按照本发明步骤一得到的环流检测电路如图2所示。

按照本发明步骤二得到的增加瞬时环流抑制子模块后的并联系统控制原理框图如图3所示。

按照图1中的系统框图和图3中的原理框图在MATLAB/SIMULINK仿真软件上搭建的2台逆变器并联仿真模型如图4所示，模型中逆变器的具体参数按照表1设置。仿真模型控制系统具有启动时序，0-0.2s是滤波电容器预充电过程，0.2s-0.5s是输出电压斜坡启动过程。

表1逆变器并联仿真模型的参数

2台逆变器不同参数存在差异时的仿真结果如图5至图8所示。对比不加瞬时环流抑制环与加瞬时环流抑制环的环流波形和输出电流有效值波形可知，在电角度存在相位差、载波存在相位差、LC滤波器参数存在较大差异的情况下，瞬时环流抑制环都能有效抑制环流的产生，2台逆变器的输出电流有效值近似相等，说明所设计新型环流检测和控制方法使逆变器并联系统具有良好的均流和鲁棒特性。

并联插入的动态仿真结果如图9所示。由图可知系统能迅速抑制并联插入瞬间产生的较大环流，并在插入后很短时间内使2台逆变器的输出电流有效值就近似相等，说明该新型环流检测和控制方法具有快速的动态响应。

Claims (1)

1.逆变电源并联的一种环流检测和控制方法，其特征在于，由环流检测电路子模块和瞬时环流抑制子模块组成的逆变器并联系统环流检测和抑制模块实现；所述环流检测电路子模块使各台逆变器在本地实时地获取环流信号；瞬时环流抑制子模块利用实时环流调节单台逆变器控制器的输出，使所有逆变器的输出电压相同，从而达到有效抑制环流的目的；具体方法包括如下步骤：

步骤一：通过环流检测电路子模块在本地实时获取环流信号

所述环流检测电路子模块由电流传感器和精密等值电阻组成；将检测各台逆变器输出电流的电流传感器输出端在本地与一个精密等值电阻并联后再通过电缆全部并联；这样，当各逆变器输出电流相等，即不存在环流时，各电流传感器输出电流在本地电阻上产生的压降相等，并联电缆上也就不会有电流流过；而当各逆变器输出电流不相等，即存在环流时，各电流传感器输出电流在本地电阻上产生的压降不相等，并联电缆上就会有电流流过；因此，通过检测各电流传感器并联电缆上的电流，就能够实现对环流的检测；

步骤二：通过瞬时环流抑制子模块抑制各台逆变器之间的环流

根据步骤一环流检测电路子模块推得忽略LC滤波器参数差异时，N台并联系统中第n台逆变器的瞬时环流i_hn的表达式为：

$i_{hn}=\frac{v_{Nn}-{\stackrel{\‾}{v}}_N}{{\mathrm{sL}}_f}---\left(1\right)$

式中，v_Nn为第n台逆变器的逆变桥输出瞬时电压，为N台逆变器的逆变桥输出瞬时电压平均值，L_f为LC滤波器电感值，s为复频域变量；

将式(1)左右两侧与如式(2)所示的旋转变换矩阵T相乘变换到dq旋转坐标系下，得到如式(3)所示的第n台逆变器的环流i_hdqn的表达式。

$T=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ -\sin \mathrm{\θ}& -\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]---\left(2\right)$

${\stackrel{\‾}{v}}_{Ndq}=v_{Ndqn}-i_{hdqn}\·{\mathrm{sL}}_f---\left(3\right)$

式(2)中，θ为交流母线电压相位；式(3)中，v_Ndqn和i_hdqn分别为同步旋转坐标系下的N台逆变器的逆变桥输出瞬时电压平均值、第n台逆变器的逆变桥输出瞬时电压和第n台逆变器的环流；

在单台逆变器控制器的基础上，根据式(3)设计瞬时环流抑制环；输入向量为检测环流i′_hdqn，调节对象为传统电压电流双闭环的输出向量v_dqn，设计得如式(4)所示的环流抑制环；

${\stackrel{\‾}{v}}_{dq}=v_{dqn}+(0-i_{hdqn}^{\′})\·M\·{\mathrm{sL}}_f\·(K_{ph}+\frac{K_{ih}}{s})---\left(4\right)$

式中M为电流传感器变比，K_ph和K_ih分别为环流抑制环的比例系数和积分系数，为得到的逆变桥输出电压给定值；

将式(4)的输出与一个和直流母线电压V_dc成反比的系数K相乘即引入直流母线电压前馈后得到调制比，再经过限幅，转换到三相静止坐标系下，输入给PWM波发生器，生成控制三相逆变桥所需的PWM波，从而使所有逆变器的输出电压相同，达到有效抑制环流的目的。