CN109256941A - 一种逆变器软启动的软件控制系统和方法 - Google Patents

一种逆变器软启动的软件控制系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种逆变器软启动的软件控制系统，包括软启动控制单元以及依次连接的直流电源模块、DC‑DC变换单元和DC‑AC逆变单元,所述DC‑DC变换单元的母线电压外环和电感电流内环均经第一PWM模块后与DC‑DC变换单元连接，所述DC‑AC逆变单元的电容电压外环和负载电流内环均经第二PWM模块后与DC‑AC逆变单元连接，所述软启动控制单元包括采样单元和定时单元；本发明还公开了一种逆变器软启动的软件控制方法，本发明比单一占空比软启方式更安全可靠，且启动时长可灵活调整，不必增加额外的硬件软启电路，从而有效保护了重要器件，提升了系统可靠性。

Description

一种逆变器软启动的软件控制系统和方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是一种逆变器软启动的软件控制系统和方法。
背景技术
逆变器在启动时，由于直流母线电容和光伏阵列之间存在较大的压差，所以会产生强大的冲击电流，易造成设备的功率器件损伤，缩短使用寿命。
为了降低di/dt过大造成的危害，通常是增加功率电阻、接触器、熔丝等组成的硬件电路，对冲击电流进行限流卸放的方法。但增加软启动器件的方式会增加硬件成本，且可能过于延长启动时间。近年来也有通过控制逆变输出管驱动脉宽从0逐渐增大的软件方式，但仅限于单一软件软启措施。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种逆变器软启动的软件控制系统和方法，本发明比单一占空比软启方式更安全可靠，且启动时长可灵活调整，不必增加额外的硬件软启电路，从而有效保护了重要器件，提升了系统可靠性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种逆变器软启动的软件控制系统，包括软启动控制单元以及依次连接的直流电源模块、DC-DC变换单元和DC-AC逆变单元,所述DC-DC变换单元的母线电压外环和电感电流内环均经第一PWM模块后与DC-DC变换单元连接，所述DC-AC逆变单元的电容电压外环和负载电流内环均经第二PWM模块后与DC-AC逆变单元连接，所述软启动控制单元包括采样单元和定时单元，其中：
采样单元，用于采集当前母线电压Vb_fbk、电感电流Ib_fbk、电容电压uc_fbk和负载电流io_fbk；
定时单元，用于每隔固定时长ss_t，将电压外环参考值Vb_ref、电感电流内环输出占空比D_dc分别累加一个电压参考值步长ss_vbref和电感电流驱动占空比步长ss_d以及每隔固定时长ss_t，将交流逆变桥驱动PWM输出占空比D_ac累加一个负载电流驱动占空比步长ss_m。
作为优选，所述直流电源模块为光伏阵列或蓄电池组。
本发明还提供一种逆变器软启动的软件控制方法，包括以下步骤：
a、初始化软启动的相关参数，包括：
DC-DC变换单元母线电压外环PID_Vb、电感电流内环PID_Ib的比例积分参数；
DC-AC逆变单元电容电压外环PID_uc、负载电流内环PID_io的比例积分参数；
软启动步长，包括：母线电压参考值步长ss_vbref、电感电流占空比步长ss_d、负载电流驱动占空比步长ss_m；
定时单元的步长计数值ss_t；
软启动终止电压阈值Vb_ss_th、交流闭环电压阈值Vb_inv_th、交流电压参考值uc_ref；
清零电压外环参考值Vb_ref，清零电感电流内环输出占空比D_dc，清零负载交流逆变桥驱动PWM输出占空比D_ac；
b、通过定时单元每隔固定的步长计数值ss_t，将电压外环参考值Vb_ref、电感电流内环输出占空比D_dc分别累加一个母线电压参考值步长ss_vbref和电感电流占空比步长ss_d；
c、通过采样单元采集当前母线电压Vb_fbk，电感电流Ib_fbk，电容电压uc_fbk，负载电流io_fbk；
d、将当前母线电压Vb_fbk与软启动终止电压阈值Vb_ss_th作比较，若当前母线电压Vb_fbk大于软启动终止电压阈值Vb_ss_th则进入步骤f，若当前母线电压Vb_fbk小于软启动终止电压阈值Vb_ss_th则进入步骤e；
e、按照更新后当前的电感电流内环输出占空比D_dc作为驱动开关管PWM波输出，DC-DC变换单元的变换器升压电路逐渐开启升压过程，重复步骤b-步骤d；
f、经母线电压外环PID_Vb、电感电流内环PID_Ib双环比例积分计算并饱和限幅后产生DC-DC变换单元的功率开关管驱动波输出，DC-DC变换单元进入正常的双环控制模式；
g、通过定时单元每隔固定的步长计数值ss_t，将负载交流逆变桥驱动PWM输出占空比D_ac累加一个负载电流驱动占空比步长ss_m；
h、按照更新后当前的负载交流逆变桥驱动PWM输出占空比D_ac与标准正弦波模块乘积后，输出对应PWM驱动波到逆变全桥，从零开始逐渐增大交流正弦波的输出；
i、将当前母线电压Vb_fbk和交流闭环电压阈值Vb_inv_th作比较，若当前母线电压Vb_fbk大于交流闭环电压阈值Vb_inv_th则进入步骤j，若当前母线电压Vb_fbk小于交流闭环电压阈值Vb_inv_th，则重复步骤f-步骤i；
j、交流侧闭合控制环，经电容电压外环PID_uc、负载电流内环PID_io的比例积分计算并饱和限幅后产生DC-AC逆变单元的全桥功率管驱动PWM波输出，系统结束整个软启动过程，进入正常的工作控制模式。
本发明的有益效果是：本发明在启动时对DC-DC变换单元母线电压外环PID调节器参考值进行逐级分段控制，对电感电流内环PID调节器输出的开关管驱动波占空比进行逐级分段控制，同时对DC-AC逆变单元的调制比进行逐级分段控制，三者分级分段数和步长大小可根据实际效果加以调整，目的在于防止开启过程中直流母线电压、交流滤波电容电压升高过快，同时也不会产生过高di/dt的电流冲击重要的功率器件；本发明比单一占空比软启方式更安全可靠，且启动时长可灵活调整，不必增加额外的硬件电路，从而有效保护了重要器件，提升了系统可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例软件控制系统的系统框图；
图2为本发明实施例软件控制方法的流程框图；
图3为未采用本发明实施例的启动波形图；
图4为采用本发明实施例后的启动波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种逆变器软启动的软件控制系统，包括软启动控制单元以及依次连接的直流电源模块、DC-DC变换单元和DC-AC逆变单元,所述DC-DC变换单元的母线电压外环和电感电流内环均经第一PWM模块后与DC-DC变换单元连接，所述DC-AC逆变单元的电容电压外环和负载电流内环均经第二PWM模块后与DC-AC逆变单元连接，所述软启动控制单元包括采样单元和定时单元，其中：
采样单元，用于采集当前母线电压Vb_fbk、电感电流Ib_fbk、电容电压uc_fbk和负载电流io_fbk；
定时单元，用于每隔固定时长ss_t，将电压外环参考值Vb_ref、电感电流内环输出占空比D_dc分别累加一个电压参考值步长ss_vbref和电感电流驱动占空比步长ss_d以及每隔固定时长ss_t，将交流逆变桥驱动PWM输出占空比D_ac累加一个负载电流驱动占空比步长ss_m。
所述直流电源模块为光伏阵列或蓄电池组。
如图2所示，本实施例还提供一种逆变器软启动的软件控制方法，针对某款单相离网3KW逆变器，直流侧母线电压Vbus参考值设定为350V，交流侧额定输出50HZ、220V正弦波，主控芯片采用某品牌32bit微控器，具体软启动控制方法和步骤如下：
a、初始化软启动的相关参数，包括：
DC-DC变换单元母线电压外环PID_Vb、电感电流内环PID_Ib的比例积分参数；
DC-AC逆变单元电容电压外环PID_uc、负载电流内环PID_io的比例积分参数；
软启动步长，包括：母线电压参考值步长ss_vbref、电感电流占空比步长ss_d、负载电流驱动占空比步长ss_m；
定时单元的步长计数值ss_t；
软启动终止电压阈值Vb_ss_th、交流闭环电压阈值Vb_inv_th、交流电压参考值uc_ref；
清零电压外环参考值Vb_ref，清零电感电流内环输出占空比D_dc，清零负载交流逆变桥驱动PWM输出占空比D_ac；
b、通过定时单元每隔固定的步长计数值ss_t，将电压外环参考值Vb_ref、电感电流内环输出占空比D_dc分别累加一个母线电压参考值步长ss_vbref和电感电流占空比步长ss_d；
c、通过采样单元采集当前母线电压Vb_fbk，电感电流Ib_fbk，电容电压uc_fbk，负载电流io_fbk；
d、将当前母线电压Vb_fbk与软启动终止电压阈值Vb_ss_th作比较，若当前母线电压Vb_fbk大于软启动终止电压阈值Vb_ss_th则进入步骤f，若当前母线电压Vb_fbk小于软启动终止电压阈值Vb_ss_th则进入步骤e；
e、按照更新后当前的电感电流内环输出占空比D_dc作为驱动开关管PWM波输出，DC-DC变换单元的变换器升压电路逐渐开启升压过程，重复步骤b-步骤d；
f、经母线电压外环PID_Vb、电感电流内环PID_Ib双环比例积分计算并饱和限幅后产生DC-DC变换单元的功率开关管驱动波输出，DC-DC变换单元进入正常的双环控制模式；
g、通过定时单元每隔固定的步长计数值ss_t，将负载交流逆变桥驱动PWM输出占空比D_ac累加一个负载电流驱动占空比步长ss_m；
h、按照更新后当前的负载交流逆变桥驱动PWM输出占空比D_ac与标准正弦波模块乘积后，输出对应PWM驱动波到逆变全桥，从零开始逐渐增大交流正弦波的输出；
i、将当前母线电压Vb_fbk和交流闭环电压阈值Vb_inv_th作比较，若当前母线电压Vb_fbk大于交流闭环电压阈值Vb_inv_th则进入步骤j，若当前母线电压Vb_fbk小于交流闭环电压阈值Vb_inv_th，则重复步骤f-步骤i；
j、交流侧闭合控制环，经电容电压外环PID_uc、负载电流内环PID_io的比例积分计算并饱和限幅后产生DC-AC逆变单元的全桥功率管驱动PWM波输出，系统结束整个软启动过程，进入正常的工作控制模式。
通过以上软启动的方法处理，在光伏输入条件、交流负载输出以及硬件系统完全相同的情况下，从图3和图4的使用前后启动波形对比图中能看出，可将直流侧升压IGBT电流尖峰从18A降低到2.5A，交流逆变桥IGBT电流尖峰从2A降低到0.5A。整个启动过程更平稳、更安全可靠，大大减小了对重要器件的冲击。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种逆变器软启动的软件控制系统，其特征在于，包括软启动控制单元以及依次连接的直流电源模块、DC-DC变换单元和DC-AC逆变单元,所述DC-DC变换单元的母线电压外环和电感电流内环均经第一PWM模块后与DC-DC变换单元连接，所述DC-AC逆变单元的电容电压外环和负载电流内环均经第二PWM模块后与DC-AC逆变单元连接，所述软启动控制单元包括采样单元和定时单元，其中：
采样单元，用于采集当前母线电压Vb_fbk、电感电流Ib_fbk、电容电压uc_fbk和负载电流io_fbk；
定时单元，用于每隔固定时长ss_t，将电压外环参考值Vb_ref、电感电流内环输出占空比D_dc分别累加一个电压参考值步长ss_vbref和电感电流驱动占空比步长ss_d以及每隔固定时长ss_t，将交流逆变桥驱动PWM输出占空比D_ac累加一个负载电流驱动占空比步长ss_m。
2.根据权利要求1所述的逆变器软启动的软件控制系统，其特征在于，所述直流电源模块为光伏阵列或蓄电池组。
3.一种逆变器软启动的软件控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、初始化软启动的相关参数，包括：
DC-DC变换单元母线电压外环PID_Vb、电感电流内环PID_Ib的比例积分参数；
DC-AC逆变单元电容电压外环PID_uc、负载电流内环PID_io的比例积分参数；
软启动步长，包括：母线电压参考值步长ss_vbref、电感电流占空比步长ss_d、负载电流驱动占空比步长ss_m；
定时单元的步长计数值ss_t；
软启动终止电压阈值Vb_ss_th、交流闭环电压阈值Vb_inv_th、交流电压参考值uc_ref；
清零电压外环参考值Vb_ref，清零电感电流内环输出占空比D_dc，清零负载交流逆变桥驱动PWM输出占空比D_ac；
b、通过定时单元每隔固定的步长计数值ss_t，将电压外环参考值Vb_ref、电感电流内环输出占空比D_dc分别累加一个母线电压参考值步长ss_vbref和电感电流占空比步长ss_d；
c、通过采样单元采集当前母线电压Vb_fbk，电感电流Ib_fbk，电容电压uc_fbk，负载电流io_fbk；
d、将当前母线电压Vb_fbk与软启动终止电压阈值Vb_ss_th作比较，若当前母线电压Vb_fbk大于软启动终止电压阈值Vb_ss_th则进入步骤f，若当前母线电压Vb_fbk小于软启动终止电压阈值Vb_ss_th则进入步骤e；
e、按照更新后当前的电感电流内环输出占空比D_dc作为驱动开关管PWM波输出，DC-DC变换单元的变换器升压电路逐渐开启升压过程，重复步骤b-步骤d；
f、经母线电压外环PID_Vb、电感电流内环PID_Ib双环比例积分计算并饱和限幅后产生DC-DC变换单元的功率开关管驱动波输出，DC-DC变换单元进入正常的双环控制模式；
g、通过定时单元每隔固定的步长计数值ss_t，将负载交流逆变桥驱动PWM输出占空比D_ac累加一个负载电流驱动占空比步长ss_m；
h、按照更新后当前的负载交流逆变桥驱动PWM输出占空比D_ac与标准正弦波模块乘积后，输出对应PWM驱动波到逆变全桥，从零开始逐渐增大交流正弦波的输出；
i、将当前母线电压Vb_fbk和交流闭环电压阈值Vb_inv_th作比较，若当前母线电压Vb_fbk大于交流闭环电压阈值Vb_inv_th则进入步骤j，若当前母线电压Vb_fbk小于交流闭环电压阈值Vb_inv_th，则重复步骤f-步骤i；
j、交流侧闭合控制环，经电容电压外环PID_uc、负载电流内环PID_io的比例积分计算并饱和限幅后产生DC-AC逆变单元的全桥功率管驱动PWM波输出，系统结束整个软启动过程，进入正常的工作控制模式。
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