CN107959411A - 基于超级电容储能的电压源型逆变器多并联均流控制方法 - Google Patents
基于超级电容储能的电压源型逆变器多并联均流控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于超级电容储能的电压源型逆变器多并联均流控制方法，它包括基于逆变器输出电压VO‑n的均方根值的闭环控制以及基于电流前馈和电压前馈控制的逆变器多并联环流抑制控制及超级电容能量均衡控制；既可以实现稳态时逆变器输出电压的一致性，也可以保证对逆变器启动或负荷突变的暂态过程中的环流的有效抑制；还可以实现每个逆变器直流侧超级电容能量均衡性。
Description
(一)技术领域：
本发明属于电力电子控制领域，涉及电压源型逆变器工作在电压源模式下多并联式均流控制策略方向，尤其是一种基于超级电容储能的电压源型逆变器多并联均流控制方法。
(二)背景技术：
随着电力电子技术的发展，基于电力电子技术的逆变器的应用越来越广泛。无论是在新能源发电领域，电能质量领域还是供电可靠性研究领域，对逆变器的需求越来越多，容量需求也越来越大，因此大容量、高开关频率已经是逆变器的发展趋势。而逆变器的核心器件绝缘栅双极型晶体管(IGBT——Insulated Gate Bipolar Transistor)电流容量有限，尤其当其开关频率升高后电流值变大容易导致开关器件发热严重问题。
目前，增加逆变器容量最基本的方法是将IGBT直接并联。但IGBT并联数目过多反而会降低逆变器的可靠性，其主要原因是任何一个IGBT故障都会导致逆变器无法工作。因此，逆变器模块并联方案成为扩展逆变器容量的主要方法，而逆变器模块并联的主要解决问题是均流问题。
当逆变器工作在电压源模式下，由于其控制目标是逆变器的输出电压，而其输出电流是由负荷决定的。因此，只能通过调节逆变器模块输出电压的方法来间接实现输出电流的均流控制，即逆变器模块间的环流抑制，这也是导致逆变器模块并联均流问题较为复杂的主要原因之一。目前，对此问题也研究人员对其展开研究，基于分布式控制的不间断电源(UPS)均流控制是该领域常用的一种方法，但是此方法下，从暂态达到稳态均流状态时通常需要几秒甚至几十秒的时间，显然，这种方案不适用动态均流要求较高的场合。
(三)发明内容：
本发明的目的在于提供一种基于超级电容储能的电压源型逆变器多并联均流控制方法，它可以克服现有技术的不足，是一种操作方便，计算简单，实用性强且使用场合广的均流控制方法。
本发明的技术方案：一种基于超级电容储能的电压源型逆变器多并联均流控制方法，其特征在于，它包括以下步骤：
(1)基于逆变器输出电压VO-n的均方根值的闭环控制：
①将逆变器输出电压目标值的均方根值VRMS、幅值VA和相位ω作为目标给定值；
②设定电压闭环控制的输入，即步骤①中设定目标值，且为电压均方根值VRMS，对逆变器输出的瞬时电压值VO-n取均方根值，并将该均方根值作为电压闭环控制输出的反馈值与给定的电压均方根值VRMS做差，得到ΔV；
③将上述步骤得到的ΔV进行比例积分运算得到控制器的控制值VPI，即：
其中KP为比例系数，TI为积分系数。
④将步骤③得到的控制值VPI与步骤①中的电压目标给定值的幅值VA相加，并与逆变器输出的目标值中相位ω的正弦量sin(ωt)相乘，得到m1：
m1＝(VPI+VA)×sin(ωt)
(2)基于电流前馈和电压前馈控制的逆变器多并联环流抑制控制及超级电容能量均衡控制：
①控制器采集各个逆变器的输出电流IL-n，求出全部逆变器的输出电流平均值以及该平均值与本地逆变器输出电流IL-n的差值，将该差值作为逆变器多并联环流抑制控制的本地逆变器电流前馈值IF-n，即：
当逆变器模块N输出电流较大而导致逆变器之间产生环流时，会导致IL-n大于所有并联逆变器输出电流平均值，使得基于公式(1)计算的IF-n为负数；通过电压闭环的作用则会进一步导致逆变器模块N输出电流降低，从而实现环流抑制功能；
②控制器采集超级电容模块的电压VDC-n，求出全部超级电容模块的电压平均值以及本地超级电容电压与该平均值的差值，将该差值作为超级电容能量均衡电压前馈直流量VF-n，即：
③将步骤②得到的VF-n进行比例积分运算，并与给定逆变器输出的目标值中相位ω的正弦量sin(ωt)相乘，得到超级电容能量均衡电压前馈交流量VAF-n，即：
当超级电容模块N容量偏低而导致超级电容电压下降较快时，则基于公式(2)计算的VF-n由于VDC-n小于所有超级电容模块电压平均值而变为负数，通过电压闭环的作用会进一步导致逆变器模块N的输出电流降低，从而降低了逆变器模块对应超级电容模块的输出功率，实现了能量均衡功能；
④将步骤(1)最后得到的结果m1，与步骤(2)中的步骤①得到的电流前馈值IF-n以及步骤②得到的超级电容电压交流量前馈值VAF-n相加，最后可以得到电压闭环控制的最终控制值m2，记作：
m2＝m1+IF-n+VAF-n
(3)步骤(2)得到的控制值m2经过载波调制后作用在逆变器上，由逆变器输出PWM脉宽调制电压波形，该电压作为被控对象LC滤波器的输入，LC滤波器的输出即为电压闭环的输出电压VO-n，即可实现逆变器并联的环流抑制功能。
所述步骤(1)中步骤②中的逆变器输出的瞬时电压值VO-n是逆变器的LC滤波器的电压。
本发明的优越性：基于电压闭环的电流前馈控制可以实现多逆变器并联时的环流快速抑制，确保在逆变器启动或负荷突变的暂态过程中的环流抑制效果；既可以实现稳态时逆变器输出电压的一致性，也可以保证暂态过程的环流有效抑制，控制性能优于基于UPS的稳态环流抑制；可以实现每个逆变器直流侧超级电容能量均衡性。
(四)附图说明：
图1为本发明所涉一种基于超级电容储能的电压源型逆变器多并联均流控制方法的实施电路原理图。
图2为本发明所涉一种基于超级电容储能的电压源型逆变器多并联均流控制方法中逆变器电路原理图。
图3为本发明所涉一种基于超级电容储能的电压源型逆变器多并联均流控制方法中超级电容电路原理图。
图4为本发明所涉一种基于超级电容储能的电压源型逆变器多并联均流控制方法的控制原理框图。
图5为本发明所涉一种基于超级电容储能的电压源型逆变器多并联均流控制方法中逆变器电流前馈值计算方法的原理框图。
图6为本发明所涉一种基于超级电容储能的电压源型逆变器多并联均流控制方法中逆变器所连接超级电容的电压前馈值计算方法的原理框图。
(五)具体实施方式：
实施例：一种基于超级电容储能的电压源型逆变器多并联均流控制方法，其特征在于，它包括以下步骤：
(1)基于逆变器输出电压VO-n的均方根值的闭环控制：
①将逆变器输出电压目标值的均方根值VRMS、幅值VA和相位ω作为目标给定值；
②设定电压闭环控制的输入，即步骤①中设定目标值，且为电压均方根值VRMS，对逆变器输出的瞬时电压值VO-n取均方根值，并将该均方根值作为电压闭环控制输出的反馈值与给定的电压均方根值VRMS做差，得到ΔV；
③将上述步骤得到的ΔV进行比例积分运算得到控制器的控制值VPI，即：
其中KP为比例系数，TI为积分系数。
④将步骤③得到的控制值VPI与步骤①中的电压目标给定值的幅值VA相加，并与逆变器输出的目标值中相位ω的正弦量sin(ωt)相乘，得到m1：
m1＝(VPI+VA)×sin(ωt)
(2)基于电流前馈和电压前馈控制的逆变器多并联环流抑制控制及超级电容能量均衡控制：
①控制器采集各个逆变器的输出电流IL-n，求出全部逆变器的输出电流平均值以及该平均值与本地逆变器输出电流IL-n的差值，将该差值作为逆变器多并联环流抑制控制的本地逆变器电流前馈值IF-n，即：
当逆变器模块N输出电流较大而导致逆变器之间产生环流时，会导致IL-n大于所有并联逆变器输出电流平均值，使得基于公式(1)计算的IF-n为负数；通过电压闭环的作用则会进一步导致逆变器模块N输出电流降低，从而实现环流抑制功能；
②控制器采集超级电容模块的电压VDC-n，求出全部超级电容模块的电压平均值以及本地超级电容电压与该平均值的差值，将该差值作为超级电容能量均衡电压前馈直流量VF-n，即：
③将步骤②得到的VF-n进行比例积分运算，并与给定逆变器输出的目标值中相位ω的正弦量sin(ωt)相乘，得到超级电容能量均衡电压前馈交流量VAF-n，即：
当超级电容模块N容量偏低而导致超级电容电压下降较快时，则基于公式(2)计算的VF-n由于VDC-n小于所有超级电容模块电压平均值而变为负数，通过电压闭环的作用会进一步导致逆变器模块N的输出电流降低，从而降低了逆变器模块对应超级电容模块的输出功率，实现了能量均衡功能；
④将步骤(1)最后得到的结果m1，与步骤(2)中的步骤①得到的电流前馈值IF-n以及步骤②得到的超级电容电压交流量前馈值VAF-n相加，最后可以得到电压闭环控制的最终控制值m2，记作：
m2＝m1+IF-n+VAF-n
(3)步骤(2)得到的控制值m2经过载波调制后作用在逆变器上，由逆变器输出PWM脉宽调制电压波形，该电压作为被控对象LC滤波器的输入，LC滤波器的输出即为电压闭环的输出电压VO-n，即可实现逆变器并联的环流抑制功能。
所述步骤(1)中步骤②中的逆变器输出的瞬时电压值VO-n是逆变器的LC滤波器的电压。
以下结合附图，详细介绍本发明一种基于超级电容储能的电压源型逆变器多并联均流控制策略的工作原理和工作过程：
如图1所示为多并联逆变器电路原理图，每一支路包括超级电容模块，逆变器模块，各支路逆变器模块交流输出通过交流排L和N实现并联，逆变器模块可为图2(a)常规单相全桥加LC滤波器组成或图2(b)单相半桥加LC滤波器组成，超级电容模块如图3由超级电容单体先串联后并联组成，控制器功能是对逆变器输出电流和输出电压的采集，并对基于图4、5、6的均流控制算法的实现，同时对逆变器模块输出脉宽调制(PWM)驱动信号，以最终实现逆变器并联环流控制功能。
图4为每个逆变器模块的输出电压闭环控制框图，电压闭环输入目标值为给定均方根值，如220V，电压闭环输出反馈值为对逆变器输出瞬时值VO-N求均方根值结果，目标值减去反馈值后经过比例积分(PI)运算得到控制器输出控制值VPI，该控制值先加目标值的幅值VA，对应220V均方根值的幅值为310V，再乘以各个逆变器输出相位正弦量sin(ωt)，最后分别加入逆变器输出电流前馈值IF-n和超级电容电压前馈值VAF-n，该前馈值由各个超级电容模块电压平均值与本地超级电容电压差VF-n先经比例积分(PI)运算再乘以各个逆变器输出相位正弦量sin(ωt)得到，最终电压闭环的控制输出，该控制输出经过载波调制作用在逆变器上，逆变器输出脉宽调制波形(PWM)作用在被控对象LC滤波器上便得电压闭环输出VO-n，从而实现了逆变器输出幅值和相位的控制。其中如图5所示IF-n为该逆变器输出电流与各个逆变器电流平均值的差值，其中如图6所示VF-n为该逆变器直流侧所接超级电容电压与各个逆变器直流侧所接超级电容电压平均值的差值。
Claims (2)
1.一种基于超级电容储能的电压源型逆变器多并联均流控制方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)基于逆变器输出电压VO-n的均方根值的闭环控制：
①将逆变器输出电压目标值的均方根值VRMS、幅值VA和相位ω作为目标给定值；
②设定电压闭环控制的输入，即步骤①中设定目标值，且为电压均方根值VRMS，对逆变器输出的瞬时电压值VO-n取均方根值，并将该均方根值作为电压闭环控制输出的反馈值与给定的电压均方根值VRMS做差，得到ΔV；
③将上述步骤得到的ΔV进行比例积分运算得到控制器的控制值VPI，即：
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其中KP为比例系数，TI为积分系数。
④将步骤③得到的控制值VPI与步骤①中的电压目标给定值的幅值VA相加，并与逆变器输出的目标值中相位ω的正弦量sin(ωt)相乘，得到m1：
m1＝(VPI+VA)×sin(ωt)
(2)基于电流前馈和电压前馈控制的逆变器多并联环流抑制控制及超级电容能量均衡控制：
①控制器采集各个逆变器的输出电流IL-n，求出全部逆变器的输出电流平均值以及该平均值与本地逆变器输出电流IL-n的差值，将该差值作为逆变器多并联环流抑制控制的本地逆变器电流前馈值IF-n，即：
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当逆变器模块N输出电流较大而导致逆变器之间产生环流时，会导致IL-n大于所有并联逆变器输出电流平均值，使得基于公式(1)计算的IF-n为负数；通过电压闭环的作用则会进一步导致逆变器模块N输出电流降低，从而实现环流抑制功能；
②控制器采集超级电容模块的电压VDC-n，求出全部超级电容模块的电压平均值以及本地超级电容电压与该平均值的差值，将该差值作为超级电容能量均衡电压前馈直流量VF-n，即：
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③将步骤②得到的VF-n进行比例积分运算，并与给定逆变器输出的目标值中相位ω的正弦量sin(ωt)相乘，得到超级电容能量均衡电压前馈交流量VAF-n，即：
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当超级电容模块N容量偏低而导致超级电容电压下降较快时，则基于公式(2)计算的VF-n由于VDC-n小于所有超级电容模块电压平均值而变为负数，通过电压闭环的作用会进一步导致逆变器模块N的输出电流降低，从而降低了逆变器模块对应超级电容模块的输出功率，实现了能量均衡功能；
④将步骤(1)最后得到的结果m1，与步骤(2)中的步骤①得到的电流前馈值IF-n以及步骤②得到的超级电容电压交流量前馈值VAF-n相加，最后可以得到电压闭环控制的最终控制值m2，记作：
m2＝m1+IF-n+VAF-n
(3)步骤(2)得到的控制值m2经过载波调制后作用在逆变器上，由逆变器输出PWM脉宽调制电压波形，该电压作为被控对象LC滤波器的输入，LC滤波器的输出即为电压闭环的输出电压VO-n，即可实现逆变器并联的环流抑制功能。
2.根据权利要求所述一种基于超级电容储能的电压源型逆变器多并联均流控制方法，其特征在于所述步骤(1)中步骤②中的逆变器输出的瞬时电压值VO-n是逆变器的LC滤波器的电压。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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