CN106099969A - 一种基于串联电感的兆瓦级大功率模块并联控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于串联电感的兆瓦级大功率模块并联控制方法，包括串联电感、模块功率下垂控制及电压并联控制。串联电感接于各变流模块输出端，抑制变流系统并联时的环流；模块功率下垂控制则实现变流器模块间无通信线的功率分配；电压并联控制则控制变流系统的输出电压，降低输出电压谐波，提高供电质量。本发明能保证多个变流器并联时的稳定运行，并联产生的环流小，变流系统输出电压谐波含量少，供电质量高。

Description

一种基于串联电感的兆瓦级大功率模块并联控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域及自动控制领域，特别是一种基于串联电感的兆瓦级大功率模块并联控制方法。

背景技术

现阶段大功率变流器控制方法主要为PI控制，该控制方法简单、针对线性负载，其控制效果较好，但PI控制无法抑制低次谐波。当负载为非线性负载或者混合负载时(线性负载和非线性负载混合)，PI控制无法实现无静差跟踪，控制效果差，变流器输出电压质量差。重复控制针对混合负载可以极大降低电压波形中低次谐波，提高输出电压的波形质量，但重复控制包含延时控制环节，其响应速度慢。谐振控制器在谐振频率处具有很大的增益能够实现交流信号的无静差跟踪，且动态性能好。

因技术限制，单台变流器容量有限，无法满足船舶所需兆瓦级岸电功率的需求。采用多变流器并联可以显著提高岸电电源功率等级，同时也能电源可靠性，提高系统冗余度。并联技术有着巨大优势，现阶段并联控制方案主要有主重控制方案、集中控制方案、分布式控制方案和无互连线控制方案等。其中主重控制方案如果重新选择主控制器时，如果出现逻辑错误会导致并联失败；集中控制方案可能产生较大环流，主控制器能否正常工作直接影响整个系统；分布式控制方案增加了各变流器间的互连线数量；无互连线控制方案，减少了变流器间的连线，各变流器根据自身状态进行调节，实现功率均分，现阶段已经成为研究热点，无互连线控制方案中下垂控制最为经典，因功率耦合和功率器件间存在误差等问题，采用传统下垂控制同样存在环流问题。

目前岸电电源中一般采用不控整流得到直流，虽能减少成本，降低系统复杂度，但不控整流无法实现能量反向传输(能量回收)，在某些应用场合(如船舶下水实验)采用不控整流会造成严重的能量浪费，并影响周围环境。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于串联电感的兆瓦级大功率模块并联控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于串联电感的兆瓦级大功率模块并联控制方法，包括以下步骤：

1)每个大功率模块由两个变流器组成，每个大功率模块接电网的变流器工作于整流模式，输出稳定的直流电压u_d；另一个变流器工作于逆变模式，输出高质量的交流电压；处于逆变模式的变流器采用功率下垂控制实现模块间的功率分配；功率下垂控制包括：检测逆变模式的变流器输出电压和电流，计算其输出的有功功率P和无功功率Q：

$\begin{array}{c}P=\frac{3}{2}(i_d{u}_d+i_q{u}_q)\\ Q=\frac{3}{2}(i_d{u}_q-i_q{u}_d)\end{array}---\left(1\right)$

式中i_d、i_q、u_d和u_q为经过三相abc转成dq坐标变换后的逆变模式变流器输出电流和电压；

由式(1)计算得到的瞬时有功功率和无功功率经由一阶低通滤波器得到功率下垂控制的输入有功功率P'和无功功率Q'：

$P^{\′}=\frac{{\mathrm{\ω}}_o}{s+{\mathrm{\ω}}_o}P---\left(2\right)$

$Q^{\′}=\frac{{\mathrm{\ω}}_o}{s+{\mathrm{\ω}}_o}Q---\left(3\right)$

其中s为拉氏函数符号，w_o为一阶低通滤波器的截止频率；

有功功率P'和无功功率Q'分别与给定有功功率P_r'和给定无功功率Q_r'做差，得到的有功功率和无功功率偏差分别与下垂系数d_p和d_q相乘，再与给定的频率信号和电压信号相加得到各大功率模块功率下垂控制的电压幅值指令V_r和角频率信号指令ω_r：

ω＝ω_r+(P_r'-P')d_p (4)

V＝V_r+(Q_r'-Q')d_q (5)

2)电压幅值指令V_r和角频率信号指令ω_r按三相正弦变换合成三相电压控制环的输出电压指令；得到输出电压指令信号后，将输出电压指令信号、反馈电压信号和电流信号进行坐标变换；

3)将输出电压指令信号和反馈电压信号之差，即电压误差信号作为电压并联控制的输入，电压并联控制的输出为变流器的调制波；电压并联控制由电压重复控制与电压谐振控制叠加构成，电压指令信号和反馈电压信号之差经电压重复控制得到调制波信号u_o1，电压指令信号和反馈电压信号之差经电压谐振控制器得到输出电流控制指令，输出电流控制指令与反馈电流信号作差经电流控制器调节得到调制波信号u_o2，调制波信号u_o1和调制波信号u_o2相加得到最终的调制信号指令u_o；实现能量回馈，将多余能量回收至电网。

电压重复控制的过程为：电压误差信号经过延时环节后通过补偿器P(z)进行相位补偿和幅值补偿，经过补偿器后的输出信号为控制信号，补偿器P(z)的方程形式为

P(z)＝k_rzⁿS(z)

k_r为小于或等于1的一个常数；zⁿ为相位补偿环节。

电压谐振控制器的传递函数为

$S^{\′\′}\left(s\right)-K_p+\frac{2K_r{\mathrm{\ω}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\ω}}_{c}s+w_o^2}.$

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明可以运用于岸电领域、新能源微电网领域和不间断供电等领域，能满足多变流器并联应用要求，有效减小并联环流，有效减小变流器输出电压谐波畸变率。

附图说明

图1为本发明一实施例原理图；

图2为本发明一实施例功率模块并联示意图；

图3为本发明一实施例基于串联电感的兆瓦级大功率电源拓扑结构；

图4为本发明一实施例PWM整流双闭环PI控制框图；

图5为本发明一实施例下垂控制框图；

图6为本发明一实施例电压并联控制框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一实施例包括基于串联电感的兆瓦级大功率电源拓扑、下垂控制和改进重复控制。下垂控制通过计算自身功率调节电压和角频率，为电压并联控制提供电压指令和角频率信号；电压并联控制输出脉冲信号，控制大功率变流器开断。

图1中，V_out和I_out分别为逆变输出电压和电流；V、ω和u_g分别为指令电压、指令角频率和控制脉冲信号。

串电感并联基本做法是：

(1)将IGBT功率器件并联，形成一个具有完善的检测、控制、驱动和保护功能的变流器模块，多个变流器并联组成一个功率单元，功率模块并联示意图见图2；

(2)逆变输出侧通过均流电感后并联，每个功率模块(双PWM变流器)各自检测输出电流、输出电压等信息，发出PWM信号，经光纤通信将PWM信号传送到每个功率模块，控制器通过高速现场总线进行通信，机械故障时，封锁控制器传送到驱动板的PWM信号，因为系统功率冗余，任一个逆变器发生一般故障，可不停机自动退出，不会影响系统正常运行。

图3给出了基于串联电感的兆瓦级大功率电源拓扑结构。其中e_k(k＝a,b,c)为电网电压；u_dk(k＝1,2,3,…)为直流电压；C_dk(k＝1,2,3,…)和直流电容；D_n(n＝1～18)为功率开关IGBT；L_n(n＝1～9)为电感；R_Ln(n＝1～9)为电感电阻；C_n(n＝1～6)为滤波电容；L_cn(n＝1～6)为均流电感。

如果两个功率模块中对应的IGBT开关时刻不一致，脉冲存在时间差异，则两功率模块输出之间存在一个差模电压，导致产生差模环流Δi_d，有：

${\mathrm{\Δi}}_d=\frac{u_d\mathrm{\Δ}t}{L}---\left(8\right)$

u_d为直流电压，Δt为两功率模块对应IGBT开关动作时刻差异。为限制环流，在母线电压和开关动作时刻差异不能改变的条件下，增大环路电感能减小环流。

图4为PWM整流双闭环PI控制框图，其中外环为直流电压控制环，采用PI控制，内环为交流电流控制环(整流输入电流abc三相转dq轴)，同样采用PI控制。该控制为dq轴直流控制，PI能减小直流侧电压纹波和交流侧电流总谐波畸变率，并能使交流电流与电网同相位。

图5给出了功率下垂控制框图，图中V^*为无功功率功率调节后的输出电压幅值，θ^*为有功功率调节后的输出相位；G_f(s)和G_PLL(s)分别代表低通滤波器和提供相位环节。通过逆变输出电压和电流计算功率，再通过下垂控制输出指令电压和角频率，下垂控制中有功和频率的关系公式为

ω＝ω_r+(P_r'-P')d_p (9)

式中ω_r、ω、P_r'、P'和d_p分别为给定频率、有功功率下垂调节的输出频率、给定有功功率、滤波后的实际有功功率和有功功率下垂系数。

下垂控制中无功和幅值的关系公式为

V＝V_r+(Q_r'-Q')d_q (10)

中V_r、V、Q_r'、Q'和d_q分别为给定电压、无功功率下垂调节的输出电压、给定无功功率、滤波后的实际无功功率和无功功率下垂系数。

功率计算公式为

$\begin{array}{c}P=\frac{3}{2}(i_d{u}_d+i_q{u}_q)\\ Q=\frac{3}{2}(i_d{u}_q-i_q{u}_d)\end{array}---\left(11\right)$

该功率计算为旋转坐标系下的瞬时功率计算公式，采用该方法可实时掌握逆变器输出功率情况，提高逆变器响应速度。

通过一阶低通滤波器可以得到下垂控制的输入功率，其公式为(低通滤波器为拉氏变换后函数)

$P^{\′}=\frac{{\mathrm{\ω}}_o}{s+{\mathrm{\ω}}_o}P---\left(12\right)$

$Q^{\′}=\frac{{\mathrm{\ω}}_o}{s+{\mathrm{\ω}}_o}Q---\left(13\right)$

式中w_o为低通滤波器截止频率。

由下垂控制公式可知，通过逆变器自身输出功率，不断调节电压幅值和频率，反过来又进一步改变自身输出功率大小。每个逆变器各自独立调节，输出功率越大，电压和频率越低，输出功率越小，电压和频率越高。当逆变器并联时电压和频率高的会降低，同时输出功率增加；而电压和频率低的则会升高，同时输出功率会降低。这样通过电压和角频率的不断调节，各个逆变器最终达到功率平衡状态。

图6为电压并联控制框图，由电压重复控制和电压谐振控制叠加构成。该电压并联控制的加入，需要将指令电压信号和反馈电压和电流新型进行坐标变换(三相abc变换为静坐坐标αβ)。电压重复控制消除低次谐波，电压谐振控制提高控制响应速度。

图6中K_p、K_r、K_p1、ω_o和ω_c分别为电压谐振控制比例参数、电压谐振控制增益、电流控制参数、谐振控制截止频率和阻尼带宽。比例谐振控制在谐振频率处有较大增益，减小了指令信号与输出电压信号的相位差，这里设置截止频率为工频截止频率。

重复控制中滤波器Q(z)可以为低通滤波器或者用一个常数代替。当Q(z)为低通滤波器时，可以衰减正反馈回路的高次谐波；采用常数则可以在整个频段衰减，本专利选取小于1的常数。

补偿器P(z)不但可以进行相位补偿，并且还可以进行幅值补偿，其方程形式为

P(z)＝k_rzⁿS(z) (14)

k_r为小于等于1的一个常数，它可以增强幅值补偿的强度，增加了系统稳定性，但是该值不能太小，否则也会增加系统稳态误差，使得系统的收敛变慢。

zⁿ为相位补偿环节，该环节主要是补偿逆变器和幅值补偿环节存在的相位滞后问题。

根据本发明研制出容量达3MW的低压岸电装备，相比国内外岸电技术，该装备可实现电能双向流动，单机容量提高了50％，均流不平衡度、波形失真度分别由5％减至小于2％和3％。

Claims (3)

1.一种基于串联电感的兆瓦级大功率模块并联控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)每个大功率模块由两个变流器组成，每个大功率模块接电网的变流器工作于整流模式，输出稳定的直流电压u_d；另一个变流器工作于逆变模式，输出高质量的交流电压；处于逆变模式的变流器采用功率下垂控制实现模块间的功率分配；功率下垂控制包括：检测逆变模式的变流器输出电压和电流，计算其输出的有功功率P和无功功率Q：

$\begin{array}{c}P=\frac{3}{2}(i_d{u}_d+i_q{u}_q)\\ Q=\frac{3}{2}(i_d{u}_q-i_q{u}_d)\end{array}---\left(1\right)$

式中i_d、i_q、u_d和u_q为经过三相abc转成dq坐标变换后的逆变模式变流器输出电流和电压；

由式(1)计算得到的瞬时有功功率和无功功率经由一阶低通滤波器得到功率下垂控制的输入有功功率P'和无功功率Q'：

$P^{\′}=\frac{{\mathrm{\ω}}_o}{s+{\mathrm{\ω}}_o}P---\left(2\right)$

$Q^{\′}=\frac{{\mathrm{\ω}}_o}{s+{\mathrm{\ω}}_o}Q---\left(3\right)$

其中s为拉氏函数符号，w_o为一阶低通滤波器的截止频率；

有功功率P'和无功功率Q'分别与给定有功功率P_r'和给定无功功率Q_r'做差，得到的有功功率和无功功率偏差分别与下垂系数d_p和d_q相乘，再与给定的频率信号和电压信号相加得到各大功率模块功率下垂控制的电压幅值指令V_r和角频率信号指令ω_r：

ω＝ω_r+(P'_r-P')d_p (4)

V＝V_r+(Q'_r-Q')d_q (5)

2)电压幅值指令V_r和角频率信号指令ω_r按三相正弦变换合成三相电压控制环的输出电压指令；得到输出电压指令信号后，将输出电压指令信号、反馈电压信号和电流信号进行坐标变换；

3)将输出电压指令信号和反馈电压信号之差，即电压误差信号作为电压并联控制的输入，电压并联控制的输出为变流器的调制波；电压并联控制由电压重复控制与电压谐振控制叠加构成，电压指令信号和反馈电压信号之差经电压重复控制得到调制波信号u_o1，电压指令信号和反馈电压信号之差经电压谐振控制器得到输出电流控制指令，输出电流控制指令与反馈电流信号作差经电流控制器调节得到调制波信号u_o2，调制波信号u_o1和调制波信号u_o2相加得到最终的调制信号指令u_o；实现能量回馈，将多余能量回收至电网。

2.根据权利要求1所述的基于串联电感的兆瓦级大功率模块并联控制方法，其特征在于，电压重复控制的过程为：电压误差信号经过延时环节后通过补偿器P(z)进行相位补偿和幅值补偿，经过补偿器后的输出信号为控制信号，补偿器P(z)的方程形式为

P(z)＝k_rzⁿS(z)

k_r为小于或等于1的一个常数；zⁿ为相位补偿环节。

3.根据权利要求1所述的基于串联电感的兆瓦级大功率模块并联控制方法，其特征在于，电压谐振控制器的传递函数为

$S^{\′\′}\left(s\right)=K_p+\frac{2K_r{\mathrm{\ω}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\ω}}_{c}s+w_o^2};$

其中，K_p、K_r和ω_c分别为电压谐振控制比例参数、电压谐振控制增益和阻尼带宽。