CN109921671A - 单相逆变器并联控制方法、控制系统及逆变器 - Google Patents

单相逆变器并联控制方法、控制系统及逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种单相逆变器并联控制方法、控制系统及逆变器，采集单相逆变器输出电压和输出电流，通过重构及坐标变换，将静止abc坐标系下的电压电流变换到qd坐标系，实现电压和电流的解耦，电流环的输出电压指令值经过坐标变换，将qd坐标系下的输出电压指令值变换为abc坐标系，根据abc坐标系下的输出电压指令值，调制生成调制波控制功率器件开关。本发明控制多个单相逆变器并联同时启动工作，在一个单相逆变器故障后，其他任一单相逆变器自动承担其负载，克服了互备模块重启延时问题，实现了真正意义上的电源不间断供电，可靠性高，不会对行车产生影响。

Description

单相逆变器并联控制方法、控制系统及逆变器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及逆变器技术，具体地说，涉及一种单相逆变器并联控制方法、控制系统及逆变器。
背景技术
内燃机车是以内燃机作为原动力，通过传动装置驱动车轮的机车。迄今为止，中国仍然保有大量的内燃机车进行使用，内燃机车采用发电车为全列提供3AC380V电源，为空调、照明等系统供电。由于发电车存在运行成本高、污染环境等缺点，目前正逐渐改造为电力机车，改造后的电力机车从接触网取电，为全列负载供电。由于分相区的存在，过分相时列车处于无电状态，空调、照明等系统不能正常工作，为维持乘客过分相期间的照明要求，加装蓄电池及车下电源，在分相区内通过蓄电池和单相逆变器向照明系统供电，保证乘客照明不间断，避免引起乘客恐慌等问题。
与普通列车单相逆变器相比，发电车改造后的单相逆变器作为不间断电源，在车辆运行期间持续向照明系统供电，需要长时间工作，照明系统的可靠性要求提高。目前普遍采用双逆变器模块互备冗余的方案，在箱体内装有两个单相逆变器模块，正常情况下一个逆变器模块工作，另一个模块待机；当一个模块故障后，另一个模块起动并通过接触器进行互备，继续向负载供电。这种方式在一定程度上可以提高照明系统的稳定性，但在两个模块互备切换时，待机模块起动和互备接触器吸合均存在延时，在此期间单相逆变器没有输出，不能维持照明系统的正常工作，难以保证乘客照明不间断，仍然会存在因照明中断引起乘客恐慌等问题。
发明内容
本发明针对单相逆变器互备切换时存在延时导致单相逆变器没有输出造成供电不连续等上述问题，提供了一种切换过程中电源不间断供电的单相逆变器并联控制方法、控制系统及逆变器。
为了达到上述目的，本发明提供了一种单相逆变器并联控制方法，用于在包含多个单相逆变器的单相逆变器并联系统中控制各个单相逆变器的输出电压和输出电流，对多个单相逆变器的输出电流进行均分，其具体步骤为：
采集每个单相逆变器的输出电压和输出电流；
对采集的电压变量和电流变量进行重构，虚拟出与采集的电压变量和电流变量相位相差90°的正交虚拟量，模拟出单相逆变器并联系统在αβ坐标系下的正交分量；
将在αβ坐标系下的正交分量变换为dq坐标系下的直流分量；
计算瞬时有用功率P和瞬时无功功率Q；
检测交流母线相位，控制输出的dq坐标系下的q轴直流分量的目标值为零，使并联输出的多个单相逆变器相位相同；
控制每个单相逆变器的输出频率使多个单相逆变器的输出相位相同，进行有功功率的均分，控制每个单相逆变器的输出幅值使多个单相逆变器的输出电压幅值一致，进行无功功率的均分；
对dq坐标系下的d轴直流分量和q轴直流分量分别进行闭环控制，得到输出电压在dq轴中的指令值；
将在dq坐标下的输出电压指令值变换为αβ坐标系下的输出电压指令值，将αβ坐标系下的输出电压指令值变换为abc坐标系下的输出电压指令值；
根据abc坐标系下的输出电压指令值，调制产生调节单相逆变器输出电压的控制信号SPWM脉冲。
优选的，采用二阶广义积分器对采集的电压变量和电流变量进行重构，所述二阶广义积分器的输入为Vin，两个输出分别为Vo和qVo，其中，输出Vo和输入Vin相位及幅值相同，输出qVo与输入Vin幅值相同，相位滞后90°，两个输出量与输入量之间的传递函数为：
式中，k为衰减系数，ω0为谐振角频率；
将s域传递函数离散化后得到差分方程为：
式中，T为系统采样周期，x(k)为二阶广义积分器本周期输入量，x(k-1)为前一周期二阶广义积分器输入量，x(k-2)为前两周期二阶广义积分器输入量，y01(k)为二阶广义积分器本周期输出量，yo1(k-1)为二阶广义积分器前一周期输出量，yo1(k-2)为二阶广义积分器前两周期输出量，yo2(k)为二阶广义积分器本周期输出量，与y01(k)相比相位滞后90°，y02(k-1)为二阶广义积分器前一周期输出量，y02(k-2)为二阶广义积分器前两周期输出量；
二阶广义积分器本周期输出量y01(k)和二阶广义积分器本周期输出量yo2(k)即为二阶广义积分器最终输出的离散化正交分量。
优选的，通过PARK变换将在α、β坐标系下的正交分量变换为d、q坐标系下的直流分量，变换公式为：
式中，Ud为dq坐标系下的d轴直流电压分量，Uq为dq坐标系下的q轴直流电压分量；Uα为αβ坐标系下的α轴正交电压分量，Uβ为αβ坐标系下的β轴正交电压分量。
优选的，通过锁相环检测交流母线相位，利用PI控制器控制输出的dq坐标系下的q轴直流分量的目标值为零，使并联输出的多个单相逆变器相位相同；其具体步骤为：采集交流母线电压，通过二阶广义积分器构造与母线电压延时90°在αβ坐标系下的正交分量，通过PARK变换将αβ坐标系下的正交向量变换为dq坐标系下的直流分量，计算出dq坐标系下的d轴直流电压分量Ud和dq坐标系下的q轴直流电压分量Uq，当单相逆变器的输出q轴直流电压分量Uq等于零时，单相逆变器输出相位与母线相位一致，利用PI控制器控制输出的q轴直流电压分量Uq目标值为零，构成闭环调节，使并联输出的多个单相逆变器相位相同。
优选的，采集每个单相逆变器当前时刻和前一时刻的输出电压和输出电流，计算瞬时有用功率P和瞬时无功功率Q，瞬时有用功率P和瞬时无功功率Q的计算公式为：
式中，Uk为当前时刻输出电压采样值，Ik为当前时刻输出电流采样值，Uk-1为前一时刻输出电压采样值，Ik-1为前一时刻输出电流采样值，x＝2π/N，N为工频周期与采样周期的比值。
进一步的，每个单相逆变器检测自身的输出有功功率和无功功率，相位超前的单相逆变器输出有功功率大于相位滞后的单相逆变器输出有功功率，通过下垂控制控制每个单相逆变器的输出频率使多个单相逆变器的输出相位相同，进行有功功率的均分，通过下垂控制控制每个单相逆变器的输出幅值使多个单相逆变器的输出电压幅值一致，进行无功功率的均分；所述下垂控制的下垂对应关系为：
式中，f为输出频率，f0为初始频率，kP为有功功率下垂系数，V为输出电压幅值，V0为初始电压幅值，kQ为无功功率下垂系数。
进一步的，在多个单相逆变器并联起动过程中，对下垂控制的下垂系数进行修正，修正后的下垂对应关系为：
式中，Kf为频率修正系数，KV为幅值修正系数。
优选的，采用电压电流双环控制对dq坐标系下的d轴直流分量和q轴直流分量分别进行闭环控制，得到输出电压在dq轴中的指令值，其具体步骤为：d轴电压环参考指令值Udref与电压输出值Ud做差后进入d轴电压环PI控制器，电压环PI控制器的输出作为d轴电流环的指令参考值Idref，与实际电流输出值Id做差后进入d轴电流环PI控制器；q轴电压环参考指令值Uqref与电压输出值Uq做差后进入q轴电压环PI控制器，电压环PI控制器的输出作为q轴电流环的指令参考值Iqref，与实际电流输出值Iq做差后进入q轴电流环PI控制器；d轴电流环输出值和q轴电流环输出值通过交叉解耦即可得到输出电压在dq轴中的指令值。
优选的，通过IPARK变换将在dq坐标下的输出电压指令值变换为αβ坐标系下的输出电压指令值，通过ICLARKE变换将α、β坐标系下的输出电压指令值变换为abc坐标系下的输出电压指令值。
优选的，根据abc坐标系下的输出电压指令值，产生调节单相逆变器输出电压的控制信号SPWM脉冲，其具体步骤：根据abc坐标系下的输出电压指令值，构造幅值相同、相位相反的两个正弦调制波Ua和Ua，两个正弦调制波共用一个三角波Uc作为载波，正弦调制波Ua和Ua分别与三角波Uc比较后得到两个SPWM波Ug1和Ug3，SPWM波Ug1作为每个单相逆变器开关管Q1的驱动信号，对应的反向信号Ug2作为每个单相逆变器开关管Q2的驱动信号，SPWM波Ug3作为每个单相逆变器开关管Q3的驱动信号，对应的反向信号Ug4作为每个单相逆变器开关管Q4的驱动信号，在载波的波峰或波谷位置对正弦调制波采样，利用DSP的比较模块生成调节单相逆变器输出电压的四路控制信号SPWM脉冲。
为了达到上述目的，本发明另提供了一种单相逆变器并联控制系统，包括：
用于采集每个单相逆变器的输出电压和输出电流的装置；
用于对采集的电压变量和电流变量进行重构，虚拟出与采集的电压变量和电流变量相位相差90°的正交虚拟量，模拟出单相逆变器并联系统在αβ坐标系下的正交分量的装置；
用于将在αβ坐标系下的正交分量变换为dq坐标系下的直流分量的装置；
用于计算瞬时有用功率P和瞬时无功功率Q的装置；
用于检测交流母线相位，控制输出的dq坐标系下的q轴直流分量的目标值为零，使并联输出的多个单相逆变器相位相同的装置；
用于控制每个单相逆变器的输出频率使多个单相逆变器的输出相位相同，进行有功功率的均分，并控制每个单相逆变器的输出幅值使多个单相逆变器的输出电压幅值一致，进行无功功率的均分的装置；
用于对dq坐标系下的d轴直流分量和q轴直流分量分别进行闭环控制，得到输出电压在dq轴中的指令值的装置；
用于将在dq坐标下的输出电压指令值变换为αβ坐标系下的输出电压指令值，并将αβ坐标系下的输出电压指令值变换为abc坐标系下的输出电压指令值的装置；
以及用于根据abc坐标系下的输出电压指令值，调制产生调节单相逆变器输出电压的控制信号SPWM脉冲的控制脉冲生成单元。
优选的，所述采集的每个单相逆变器的输出电压和输出电流包括：当前时刻的输出电压和输出电流，以及前一时刻的输出电压和输出电流。
进一步的，还包括用于在并联起动过程中对输出频率和输出幅值的下垂系数进行修正的装置。
为了达到上述目的，本发明另提供了一种逆变器，包括多个并联的单相逆变器，所有单相逆变器的结构相同，所述逆变器还包括单相逆变器并联控制系统，每个单相逆变器的升压斩波电路和逆变电路均与单相逆变器并联控制系统的控制单元连接。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
(1)本发明控制多个单相逆变器并联同时起动工作，在一个单相逆变器故障后，其他任一单相逆变器自动承担其负载，克服了互备模块重启延时问题，实现了真正意义上的电源不间断供电，可靠性高，不会对行车产生影响。
(2)本发明采用二阶广义积分器对采集的输出电压和输出电流进行重构，构造正交分量的同时进行自适应滤波，提高了系统的抗干扰能力，锁相精度高，有效抑制了并网时刻的冲击电流。
(3)本发明采用新型瞬时功率计算方法计算输出功率，仅用前后两个时刻的采样值即可计算出瞬时有功功率和瞬时无功功率，不需要积分单元，克服了传统功率计算中积分延时对稳定性和动态性能的影响。在负载突变后，仅需一个周期即可得到瞬时功率，减小了计算延时，动态跟踪性好。采用新型瞬时功率计算方法不需要实时三角函数计算，减小了控制算法的计算量，占用DSP资源较少。
(4)本发明采用同步起动下垂控制策略，在并联起动过程中对下垂系数进行修正，增强下垂作用，能够快速抑制住并网冲击电流，解决了起动过程中下垂控制较弱的问题，拓宽了并联系统的工作范围，提高了并联起动的成功率。
(5)本发明采用单极倍频调制方式使单相逆变器的四个开关管的开关频率与载波频率相同，在不改变功率器件开关频率的情况下，使逆变器输出脉冲频率提高一倍，大大减小了电抗器和电容等滤波器的体积和重量，降低了单相逆变器的成本。
附图说明
图1为本发明实施例单相逆变器主电路拓扑结构示意图；
图2为本发明实施例单相逆变器并联系统结构框图；
图3为本发明实施例二阶广义积分器的结构示意图；
图4为本发明实施例瞬时功率计算示意框图；
图5为本发明实施例基于二阶广义积分器的锁相环原理图；
图6为本发明实施例单相逆变器控制系统的结构框图。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
本发明实施例中，涉及的单相逆变器由升压斩波电路及逆变电路组成，主电路拓扑参见图1。其中，升压斩波电路由升压电抗器L1、二极管D1以及开关管Q5组成，将蓄电池输入DC48V升压至DC200V。逆变电路包括通过Q1、Q2、Q3和Q4四个开关管组成逆变桥，以及电抗器L2和电容C2组成滤波器。单相逆变器最终通过变压器T1隔离升压后对外输出，将DC200V逆变为AC220V后，向列车提供单相交流电。
本发明实施例中，涉及的单相逆变器并联系统至少包括两个并联的单相逆变器，可以包括两个、或三个、或四个、或更多个并联的单相逆变器，具体根据实际要求而定。以包括两个并联的单相逆变器为例，参见图2所示的单相逆变器并联系统，该系统中包括的两个单相逆变器结构相同，两个单相逆变器不分主次，并联工作。
本发明实施例提供了一种单相逆变器并联控制方法，采集单相逆变器输出电压和输出电流，通过重构及坐标变换，将静止abc坐标系下的电压电流变换到qd坐标系，实现电压和电流的解耦，电流环的输出经过坐标变换，将dq坐标系下的输出电压指令值变换为abc坐标系，根据abc坐标系下的输出电压指令值，调制生成调制波控制功率器件开关，其具体步骤为：
S1、采集每个单相逆变器的输出电压和输出电流；
S2、对采集的电压变量和电流变量进行重构，虚拟出与采集的电压变量和电流变量相位相差90°的正交虚拟量，模拟出单相逆变器并联系统在αβ坐标系下的正交分量；
S3、将在αβ坐标系下的正交分量变换为dq坐标系下的直流分量；
S4、计算瞬时有用功率P和瞬时无功功率Q；
S5、检测交流母线相位，控制输出的dq坐标系下的q轴直流分量的目标值为零，使并联输出的多个单相逆变器相位相同,使非首台启动的单相逆变器能够自动跟踪交流母线，保持相位一致，减小非首台逆变器并网时的冲击电流；
S6、控制每个单相逆变器的输出频率使多个单相逆变器的输出相位相同，进行有功功率的均分，控制每个单相逆变器的输出幅值使多个单相逆变器的输出电压幅值一致，进行无功功率的均分；
S7、对dq坐标系下的d轴直流分量和q轴直流分量分别进行闭环控制，得到输出电压在dq轴中的指令值；
S8、将在dq坐标下的输出电压指令值变换为αβ坐标系下的输出电压指令值，将αβ坐标系下的输出电压指令值变换为abc坐标系下的输出电压指令值；
S9、根据abc坐标系下的输出电压指令值，调制产生调节单相逆变器输出电压的控制信号SPWM脉冲。
本发明上述单相逆变器并联控制方法，控制多个单相逆变器并联同时起动工作，在一个单相逆变器故障后，其他任一单相逆变器自动承担其负载，克服了互备模块重启延时问题，实现了真正意义上的电源不间断供电，可靠性高，不会对行车产生影响。
上述单相逆变器并联控制方法的一优选实施方式，步骤S2中，采用二阶广义积分器对采集的电压变量和电流变量进行重构，参见图3，所述二阶广义积分器的输入为Vin，两个输出分别为Vo和qVo，其中，输出Vo和输入Vin相位及幅值相同，输出qVo与输入Vin幅值相同，相位滞后90°，两个输出量与输入量之间的传递函数为：
式中，k为衰减系数，ω0为谐振角频率；
将s域传递函数离散化后得到差分方程为：
式中，T为系统采样周期，x(k)为二阶广义积分器本周期输入量，x(k-1)为前一周期二阶广义积分器输入量，x(k-2)为前两周期二阶广义积分器输入量，y01(k)为二阶广义积分器本周期输出量，yo1(k-1)为二阶广义积分器前一周期输出量，yo1(k-2)为二阶广义积分器前两周期输出量，yo2(k)为二阶广义积分器本周期输出量，与y01(k)相比相位滞后90°，y02(k-1)为二阶广义积分器前一周期输出量，y02(k-2)为二阶广义积分器前两周期输出量；
二阶广义积分器本周期输出量y01(k)和二阶广义积分器本周期输出量yo2(k)即为二阶广义积分器最终输出的离散化正交分量。
采用二阶广义积分器对输出电压和输出电流进行重构，虚拟出相位延时90°的正交分量，克服了传统方法在构建正交虚拟信号上存在的滤波延时及动态响应能力差等问题。采用二阶广义积分器重构方法在构造正交虚拟量的同时能够对采集量进行自适应滤波，提高系统的抗干扰能力。构造的正交虚拟量即可以实现dq轴解耦控制，又为后续锁相环提供基础，消除了直流分量等不利因素对锁相精度的影响，有效抑制了并网时刻的冲击电流。
上述单相逆变器并联控制方法的一优选实施方式，步骤S3中，通过PARK变换将在αβ坐标系下的正交分量变换为dq坐标系下的直流分量，变换公式为：
式中，Ud为dq坐标系下的d轴直流电压分量，Uq为dq坐标系下的q轴直流电压分量；Uα为αβ坐标系下的α轴正交电压分量，Uβ为αβ坐标系下的β轴正交电压分量。
上述单相逆变器并联控制方法的一优选实施方式，采集每个单相逆变器当前时刻和前一时刻的输出电压和输出电流，计算瞬时有用功率P和瞬时无功功率Q，计算示意图参见图4，瞬时有用功率P和瞬时无功功率Q的计算公式为：
式中，Uk为当前时刻输出电压采样值，Ik为当前时刻输出电流采样值，Uk-1为前一时刻输出电压采样值，Ik-1为前一时刻输出电流采样值，x＝2π/N，N为工频周期与采样周期的比值。采用新型功率计算方法，从输出电压和输出电流的正弦特性出发，仅需采集前后两个时刻的电压和电流即可实现瞬时功率计算，不需要积分单元，克服了传统功率计算中积分延时对稳定性和动态性能的影响。在负载突变后，仅需一个周期即可得到瞬时功率，减小了计算延时，动态跟踪号。且该功率计算方法不需要实时三角函数计算，减小了控制算法的计算量，占用DSP资源较少。
上述单相逆变器并联控制方法的一优选实施方式，步骤S5中，通过锁相环检测交流母线相位，利用PI控制器控制输出的dq坐标系下的q轴直流分量的目标值为零，使并联输出的多个单相逆变器相位相同；参见图5，其具体步骤为：采集交流母线电压，通过二阶广义积分器构造与母线电压延时90°在αβ坐标系下的正交分量，通过PARK变换将αβ坐标系下的正交向量变换为dq坐标系下的直流分量，计算出dq坐标系下的d轴直流电压分量Ud和dq坐标系下的q轴直流电压分量Uq，当单相逆变器的输出q轴直流电压分量Uq等于零时，单相逆变器输出相位与母线相位一致，利用PI控制器控制输出的q轴直流电压分量Uq目标值为零，构成闭环调节，使并联输出的多个单相逆变器相位相同。通过锁相环检测交流母线相位，使并联输出的多个单相逆变器相位相同，减小了并网瞬间的冲击电流。
上述单相逆变器并联控制方法的一优选实施方式，步骤S6中，每个单相逆变器检测自身的输出有功功率和无功功率，相位超前的单相逆变器输出有功功率大于相位滞后的单相逆变器输出有功功率，通过下垂控制控制每个单相逆变器的输出频率使多个单相逆变器的输出相位相同，进行有功功率的均分，通过下垂控制控制每个单相逆变器的输出幅值使多个单相逆变器的输出电压幅值一致，进行无功功率的均分；所述下垂控制的下垂对应关系为：
式中，f为输出频率，f0为初始频率，kP为有功功率下垂系数，V为输出电压幅值，V0为初始电压幅值，kQ为无功功率下垂系数。采用无互联线并联的下垂控制，通过功率的下垂实现相位的同步及有用功率均分，利用幅值的下垂实现无功功率的均分，从而实现多个单相逆变器的输出均流。
在上述单相逆变器并联控制方法的一优选实施方式中，步骤S6中，在多个单相逆变器并联起动过程中，对下垂控制的下垂系数进行修正，修正后的下垂对应关系为：
式中，Kf为频率修正系数，KV为幅值修正系数。
由于多个单相逆变器同时上电，一起起动，且单相逆变器的结构完全相同，主电路延时基本一致，在起动时不进行锁相直接在软起过程中进行并网。而软起过程中，输出电压很小，导致输出有功功率和无功功率都很小，下垂作用比较弱，单相逆变器输出均流不好，容易引起输出震荡导致并联系统崩溃。本发明采用优化后的同步起动下垂控制，可以兼容软起动和正常运行的工况，对下垂系数进行修正，增强下垂作用，能够快速抑制住并网冲击电流，保证系统可靠起动。
上述单相逆变器并联控制方法的一优选实施方式，步骤S7中，采用电压电流双环控制对dq坐标系下的d轴直流分量和q轴直流分量分别进行闭环控制，得到输出电压在dq轴中的指令值，其具体步骤为：d轴电压环参考指令值Udref与电压输出值Ud做差后进入d轴电压环PI控制器，电压环PI控制器的输出作为d轴电流环的指令参考值Idref，与实际电流输出值Id做差后进入d轴电流环PI控制器；q轴电压环参考指令值Uqref与电压输出值Uq做差后进入q轴电压环PI控制器，电压环PI控制器的输出作为q轴电流环的指令参考值Iqref，与实际电流输出值Iq做差后进入q轴电流环PI控制器；d轴电流环输出值和q轴电流环输出值通过交叉解耦即可得到输出电压在dq轴中的指令值。采用电压电流的双环控制，电压外环实现交流输出电压稳定，电流内环一方面增加系统响应速度，另一方面具有限流的作用。
上述单相逆变器并联控制方法的一优选实施方式，步骤S8中，通过IPARK变换将在dq坐标下的输出电压指令值变换为αβ坐标系下的输出电压指令值，通过ICLARKE变换将αβ坐标系下的输出电压指令值变换为abc坐标系下的输出电压指令值。其中，IPARK变换的变换公式为：
ICLARKE变换的变换公式为：
式中，Ua为abc坐标系下a轴的输出电压指令值分量，Ub为abc坐标系下b轴的输出电压指令值分量，Uc为abc坐标系下c轴的输出电压指令值分量。
上述单相逆变器并联控制方法的一优选实施方式，步骤S9中，根据abc坐标系下的输出电压指令值，产生调节单相逆变器输出电压的控制信号SPWM脉冲，其具体步骤：根据abc坐标系下的输出电压指令值，构造幅值相同、相位相反的两个正弦调制波Ua和Ua，两个正弦调制波共用一个三角波Uc作为载波，正弦调制波Ua和Ua分别与三角波Uc比较后得到两个SPWM波Ug1和Ug3，SPWM波Ug1作为每个单相逆变器开关管Q1的驱动信号，对应的反向信号Ug2作为每个单相逆变器开关管Q2的驱动信号，SPWM波Ug3作为每个单相逆变器开关管Q3的驱动信号，对应的反向信号Ug4作为每个单相逆变器开关管Q4的驱动信号，利用对称规则采样法，在载波的波峰或波谷位置对正弦调制波采样，利用DSP的比较模块生成调节单相逆变器输出电压的四路控制信号SPWM脉冲，驱动四个开关管Q1、Q2、Q3、Q4。采用单极倍频调制方式使单相逆变器四个开关管的开关频率与载波频率相同，在不改变功率器件开关频率的情况下，使单相逆变器输出脉冲频率提高一倍，大大减小了电抗器和电容等滤波器的体积和重量，降低了单相逆变器的成本。
本发明实施例另提供了一种单相逆变器并联控制系统，包括：
用于采集每个单相逆变器的输出电压和输出电流的装置；
用于对采集的电压变量和电流变量进行重构，虚拟出与采集的电压变量和电流变量相位相差90°的正交虚拟量，模拟出单相逆变器并联系统在αβ坐标系下的正交分量的装置；
用于将在αβ坐标系下的正交分量变换为dq坐标系下的直流分量的装置；
用于计算瞬时有用功率P和瞬时无功功率Q的装置；
用于检测交流母线相位，控制输出的dq坐标系下的q轴直流分量的目标值为零，使并联输出的多个单相逆变器相位相同的装置；
用于控制每个单相逆变器的输出频率使多个单相逆变器的输出相位相同，进行有功功率的均分，并控制每个单相逆变器的输出幅值使多个单相逆变器的输出电压幅值一致，进行无功功率的均分的装置；
用于对dq坐标系下的d轴直流分量和q轴直流分量分别进行闭环控制，得到输出电压在dq轴中的指令值的装置；
用于将在dq坐标下的输出电压指令值变换为αβ坐标系下的输出电压指令值，并将αβ坐标系下的输出电压指令值变换为abc坐标系下的输出电压指令值的装置；
以及用于根据abc坐标系下的输出电压指令值，调制产生调节单相逆变器输出电压的控制信号SPWM脉冲的控制单元。
本发明上述单相逆变器并联控制系统，控制多个单相逆变器并联同时起动工作，在一个单相逆变器故障后，其他任一单相逆变器自动承担其负载，克服了互备模块重启延时问题，实现了真正意义上的电源不间断供电，可靠性高，不会对行车产生影响。
在上述单相逆变器并联控制系统的优选实施方式中，所述采集的每个单相逆变器的输出电压和输出电流包括：当前时刻的输出电压和输出电流，以及前一时刻的输出电压和输出电流。通过采集的当前时刻和前一时刻两个时刻的输出电压和输出电流即可计算出瞬时有功功率和瞬时无功功率，不需要积分单元，克服了传统功率计算中积分延时对稳定性和动态性能的影响。在负载突变后，仅需一个周期即可得到瞬时功率，减小了计算延时，动态跟踪好。且在计算过程中不需要实时三角函数计算，减小了控制算法的计算量，占用DSP资源较少。
单相逆变器控制电和主电均为蓄电池提供的DC48V，多个单相逆变器同时上电，一起起动。由于单相逆变器完全相同，主电路延时基本一致，因此，在起动时存在每个单相逆变器均认为自身是首台起动的现象。这种工况下，多个单相逆变器不进行锁相直接软起过程中就进行并网。软起过程中，由于输出电压很小，进而导致输出有功功率和无功功率都很小，下垂作用比较弱，多个单相逆变器之间均流不好，容易输出震荡引发并联系统崩溃。为了增强下垂作用，能够快速抑制并网冲击电流，在上述单相逆变器并联控制系统的一优选实施方式中，该系统还包括用于在并联起动过程中对输出频率和输出幅值的下垂系数进行修正的装置，在并联起动过程中对输出频率和输出幅值的下垂系数进行修正，增强下垂作用，保证系统可靠起动。
参见图6，在单相逆变器并联控制系统优选实施方式中，该系统包括：
电压电流重构装置，即采用二阶广义积分器对采集的电压变量和电流变量进行重构电压电流重构的装置。采用二阶广义积分器进行电压电流重构，不仅克服了传统方法在构建正交虚拟信号上存在的滤波延时及动态性能差等问题，还能够对采集量进行自适应滤波，提高系统的抗干扰能力。构造的正交向量既可以实现d、q轴解耦控制，又为后续锁相环提供基础，消除了直流分量等不利因素对锁相环精度的影响，有效抑制了并网时刻的冲击电流。
PARK变换装置，即利用PARK变换将在αβ坐标系下的正交分量变换为dq坐标系下的直流分量的装置。
功率计算装置，即采用当前时刻和前一时刻的电压和电流计算瞬时有功功率和瞬时无功功率的装置。采用前后两个时刻的采样值即可计算出瞬时有功功率和瞬时无功功率，不需要积分单元，克服了传统功率计算中积分延时对稳定性和动态性能的影响。在负载突变后，仅需一个周期即可得到瞬时功率，减小了计算延时，动态跟踪好。且在计算过程中不需要实时三角函数计算，减小了控制算法的计算量，占用DSP资源较少。
锁相环装置，即采用锁相环检测交流母线相位，控制输出的d、q坐标系下的q轴直流分量的目标值为零，使并联输出的多个单相逆变器相位相同的装置；
下垂控制装置，即采用同步起动下垂控制方式控制输出频率进行有功功率均分和控制输出幅值进行无功功率均分的装置。采用同步起动下垂控制，在并联起动过程中对输出频率和输出幅值的下垂系数进行修正，增强下垂作用，保证系统可靠起动。
电压电流双环控制装置，即采用电压电流双环控制进行闭环控制，得到输出电压在dq轴中的指令值的装置。
坐标变换装置，即采用IPARK变换将在dq坐标下的输出电压指令值变换为αβ坐标系下的输出电压指令值，并采用ICLARKE变换将αβ坐标系下的输出电压指令值变换为abc坐标系下的输出电压指令值的装置。
单极倍频调制单元，即用于根据abc坐标系下的输出电压指令值，调制产生调节单相逆变器输出电压的控制信号SPWM脉冲的控制单元。采用单极倍频调制，在不改变功率器件开关频率的情况下，使单相逆变器输出脉冲频率提高一倍，大大缩小了电抗器和电容等滤波器的体积和重量，降低了单相逆变器的成本。
本发明还提供了一种逆变器，包括多个并联的单相逆变器，所有单相逆变器的结构相同，所述逆变器还包括单相逆变器并联控制系统，每个单相逆变器的升压斩波电路和逆变电路均与单相逆变器并联控制系统的控制单元连接。该逆变器多个单相逆变器互备冗余，正常情况下，多个单相逆变器同时起动工作，其中一个单相逆变器相负载供电，当该单相逆变器故障后，其他任一单相逆变器通过接触器进行切换，继续向负载供电。以逆变器包括两个并联的单相逆变器为例，正常情况下，两个单相逆变器同时起动工作，一个单相逆变器相负载供电，当该单相逆变器故障后，另一个单相逆变器通过接触器进行互备，继续向负载供电。由于并联的多个单相逆变器同时起动，缩短了组网时间，起动的可靠性高，正常工作时，多个单相逆变器同时工作，切换过程中克服了现有互备模块重启延时的问题，实现了电源不间断供电，不会对行车产生影响。
上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种单相逆变器并联控制方法，用于在包含多个单相逆变器的单相逆变器并联系统中控制各个单相逆变器的输出电压和输出电流，对多个单相逆变器的输出电流进行均分，其特征在于，其具体步骤为:
采集每个单相逆变器的输出电压和输出电流；
对采集的电压变量和电流变量进行重构，虚拟出与采集的电压变量和电流变量相位相差90°的正交虚拟量，模拟出单相逆变器并联系统在αβ坐标系下的正交分量；
将在αβ坐标系下的正交分量变换为dq坐标系下的直流分量；
计算瞬时有用功率P和瞬时无功功率Q；
检测交流母线相位，控制输出的dq坐标系下的q轴直流分量的目标值为零，使并联输出的多个单相逆变器相位相同；
控制每个单相逆变器的输出频率使多个单相逆变器的输出相位相同，进行有功功率的均分，控制每个单相逆变器的输出幅值使多个单相逆变器的输出电压幅值一致，进行无功功率的均分；
对dq坐标系下的d轴直流分量和q轴直流分量分别进行闭环控制，得到输出电压在dq轴中的指令值；
将在dq坐标下的输出电压指令值变换为αβ坐标系下的输出电压指令值，将αβ坐标系下的输出电压指令值变换为abc坐标系下的输出电压指令值；
根据abc坐标系下的输出电压指令值，调制产生调节单相逆变器输出电压的控制信号SPWM脉冲。
2.如权利要求1所述的单相逆变器并联控制方法，其特征在于，采用二阶广义积分器对采集的电压变量和电流变量进行重构，所述二阶广义积分器的输入为Vin，两个输出分别为Vo和qVo，其中，输出Vo和输入Vin相位及幅值相同，输出qVo与输入Vin幅值相同，相位滞后90°，两个输出量与输入量之间的传递函数为：
式中，k为衰减系数，ω0为谐振角频率；
将s域传递函数离散化后得到差分方程为：
式中，T为系统采样周期，x(k)为二阶广义积分器本周期输入量，x(k-1)为前一周期二阶广义积分器输入量，x(k-2)为前两周期二阶广义积分器输入量，y01(k)为二阶广义积分器本周期输出量，yo1(k-1)为二阶广义积分器前一周期输出量，yo1(k-2)为二阶广义积分器前两周期输出量，yo2(k)为二阶广义积分器本周期输出量，与y01(k)相比相位滞后90°，y02(k-1)为二阶广义积分器前一周期输出量，y02(k-2)为二阶广义积分器前两周期输出量；
二阶广义积分器本周期输出量y01(k)和二阶广义积分器本周期输出量yo2(k)即为二阶广义积分器最终输出的离散化正交分量。
3.如权利要求2所述的单相逆变器并联控制方法，其特征在于，通过PARK变换将在αβ坐标系下的正交分量变换为dq坐标系下的直流分量，变换公式为：
式中，Ud为dq坐标系下的d轴直流电压分量，Uq为dq坐标系下的q轴直流电压分量；Uα为αβ坐标系下的α轴正交电压分量，Uβ为αβ坐标系下的β轴正交电压分量。
4.如权利要求3所述的单相逆变器并联控制方法，其特征在于，通过锁相环检测交流母线相位，利用PI控制器控制输出的dq坐标系下的q轴直流分量的目标值为零，使并联输出的多个单相逆变器相位相同；其具体步骤为：采集交流母线电压，通过二阶广义积分器构造与母线电压延时90°的正交分量，通过PARK变换将αβ坐标系下的正交向量变换为dq坐标系下的直流分量，计算出dq坐标系下的d轴直流电压分量Ud和q轴直流电压分量Uq，当单相逆变器的输出q轴直流电压分量Uq等于零时，单相逆变器输出相位与母线相位一致，利用PI控制器控制输出的q轴直流电压分量Uq目标值为零，构成闭环调节，使并联输出的多个单相逆变器相位相同。
5.如权利要求1所述的单相逆变器并联控制方法，其特征在于，采集每个单相逆变器当前时刻和前一时刻的输出电压和输出电流，计算瞬时有用功率P和瞬时无功功率Q，瞬时有用功率P和瞬时无功功率Q的计算公式为：
式中，Uk为当前时刻输出电压采样值，Ik为当前时刻输出电流采样值，Uk-1为前一时刻输出电压采样值，Ik-1为前一时刻输出电流采样值，x＝2π/N，N为工频周期与采样周期的比值。
6.如权利要求5所述的单相逆变器并联控制方法，其特征在于，每个单相逆变器检测自身的输出有功功率和无功功率，相位超前的单相逆变器输出有功功率大于相位滞后的单相逆变器输出有功功率，通过下垂控制控制每个单相逆变器的输出频率使多个单相逆变器的输出相位相同，进行有功功率的均分，通过下垂控制控制每个单相逆变器的输出幅值使多个单相逆变器的输出电压幅值一致，进行无功功率的均分；所述下垂控制的下垂对应关系为：
式中，f为输出频率，f0为初始频率，kP为有功功率下垂系数，V为输出电压幅值，V0为初始电压幅值，kQ为无功功率下垂系数。
7.如权利要求6所述的单相逆变器并联控制方法，其特征在于，在多个单相逆变器并联起动过程中，对下垂控制的下垂系数进行修正，修正后的下垂对应关系为：
式中，Kf为频率修正系数，KV为幅值修正系数。
8.如权利要求1所述的单相逆变器并联控制方法，其特征在于，采用电压电流双环控制对dq坐标系下的d轴直流分量和q轴直流分量分别进行闭环控制，得到输出电压在dq轴中的指令值，其具体步骤为：d轴电压环参考指令值Udref与电压输出值Ud做差后进入d轴电压环PI控制器，电压环PI控制器的输出作为d轴电流环的指令参考值Idref，与实际电流输出值Id做差后进入d轴电流环PI控制器；q轴电压环参考指令值Uqref与电压输出值Uq做差后进入q轴电压环PI控制器，电压环PI控制器的输出作为q轴电流环的指令参考值Iqref，与实际电流输出值Iq做差后进入q轴电流环PI控制器；d轴电流环输出值和q轴电流环输出值通过交叉解耦即可得到输出电压在dq轴中的指令值。
9.如权利要求1所述的单相逆变器并联控制方法，其特征在于，通过IPARK变换将在dq坐标下的输出电压指令值变换为αβ坐标系下的输出电压指令值，通过ICLARKE变换将αβ坐标系下的输出电压指令值变换为abc坐标系下的输出电压指令值。
10.如权利要求9所述的单相逆变器并联控制方法，其特征在于，根据abc坐标系下的输出电压指令值，产生调节单相逆变器输出电压的控制信号SPWM脉冲，其具体步骤：根据abc坐标系下的输出电压指令值，构造幅值相同、相位相反的两个正弦调制波Ua和Ub，两个正弦调制波共用一个三角波Uc作为载波，正弦调制波Ua和Ub分别与三角波Uc比较后得到两个SPWM波Ug1和Ug3，SPWM波Ug1作为每个单相逆变器开关管Q1的驱动信号，对应的反向信号Ug2作为每个单相逆变器开关管Q2的驱动信号，SPWM波Ug3作为每个单相逆变器开关管Q3的驱动信号，对应的反向信号Ug4作为每个单相逆变器开关管Q4的驱动信号，在载波的波峰或波谷位置对正弦调制波采样，利用DSP的比较模块生成调节单相逆变器输出电压的四路控制信号SPWM脉冲。
11.一种单相逆变器并联控制系统，其特征在于，包括：
用于采集每个单相逆变器的输出电压和输出电流的装置；
用于对采集的电压变量和电流变量进行重构，虚拟出与采集的电压变量和电流变量相位相差90°的正交虚拟量，模拟出单相逆变器并联系统在αβ坐标系下的正交分量的装置；
用于将在αβ坐标系下的正交分量变换为dq坐标系下的直流分量的装置；
用于计算瞬时有用功率P和瞬时无功功率Q的装置；
用于检测交流母线相位，控制输出的dq坐标系下的q轴直流分量的目标值为零，使并联输出的多个单相逆变器相位相同的装置；
用于控制每个单相逆变器的输出频率使多个单相逆变器的输出相位相同，进行有功功率的均分，并控制每个单相逆变器的输出幅值使多个单相逆变器的输出电压幅值一致，进行无功功率的均分的装置；
用于对dq坐标系下的d轴直流分量和q轴直流分量分别进行闭环控制，得到输出电压在dq轴中的指令值的装置；
用于将在dq坐标下的输出电压指令值变换为αβ坐标系下的输出电压指令值，并将αβ坐标系下的输出电压指令值变换为abc坐标系下的输出电压指令值的装置；
以及用于根据abc坐标系下的输出电压指令值，调制产生调节单相逆变器输出电压的控制信号SPWM脉冲的控制单元。
12.如权利要求11所述的单相逆变器并联控制系统，其特征在于，所述采集的每个单相逆变器的输出电压和输出电流包括：当前时刻的输出电压和输出电流，以及前一时刻的输出电压和输出电流。
13.如权利要求11所述的单相逆变器并联控制系统，其特征在于，还包括用于在并联起动过程中对输出频率和输出幅值的下垂系数进行修正的装置。
14.一种逆变器，包括多个并联的单相逆变器，其特征在于，所有单相逆变器的结构相同，所述逆变器还包括单相逆变器并联控制系统，每个单相逆变器的升压斩波电路和逆变电路均与单相逆变器并联控制系统的控制单元连接。
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