CN113949298A - 一种交错并联逆变器的电流不均分及环流抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交错并联逆变器的电流不均分及环流抑制方法，包括以下步骤：步骤1、利用电流传感器采集两台逆变器的输出相电流；步骤2、并联后的总输出为两台逆变器输出电流的总和：步骤3、计算电流误差量；步骤4、得到每相的占空比调节系数；步骤5、得到每一相的高电平占空比总和；步骤6、对每相中的高电平在两台变换器之间进行重新分配；步骤7、得到两台并联逆变器的开关序列。本发明能够通过对两台逆变器的输出高电平进行重新分配，有效抑制逆变器内部和两台逆变器之间的环流，并保证系统的输出电流质量。

Description

一种交错并联逆变器的电流不均分及环流抑制方法

技术领域

本发明属于并联交错逆变器技术领域，涉及并联交错逆变器的调制方法，尤其是一种交错并联逆变器的电流不均分及环流抑制方法。

背景技术

在大功率电力电子应用场合中，并联逆变器受到了越来多的关注。并联逆变器可以在不改变开关器件电流等级的情况下实现更大的总功率输出，并且具有可靠性高，容错能力强等显著优点。

为了减小并联逆变器的输出电流文波，通常会使用并联交错式的调制方式。以两台逆变器的并联系统为例，这两台逆变器的载波信号相差180度。基于并联交错的调制方法可以增大等效开关频率，并有效提高交流侧的电流质量。然而，对于共直流母线的并联逆变器，并联交错调制的引入也造成了两台逆变器之间的环流，包括相间环流与零序环流。过大的环流会造成系统效率的降低，增大的电流应力还有可能对开关器件造成损坏。在两台逆变器的功率不均分时，环流的问题更加严重，甚至会引起系统的不稳定。此外，实际应用中电路参数不可避免地会存在偏差，控制系统中的驱动信号也存在延时，这些因素同样会加剧环流的产生。因此，对环流的抑制很有必要。

工业应用中，可以通过使用独立的直流电源或者加入隔离变压器来限制环流。然而，这些方式极大增加了系统的体积和成本，并不适用于对变换器功率密度有要求的应用场合。此外，当两台不同功率等级的逆变器进行并联时，需要进行电流的不均分控制。

为了避免交错并联逆变器之间的环流影响系统的安全运行，需要提供一种针对交错并联逆变器的电流不均分与环流抑制方法，在不增加系统硬件成本的情况下解决上述问题。

经检索未发现和本发明相同或相似的现有技术的公开文献。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种交错并联逆变器的电流不均分及环流抑制方法，能够通过对两台逆变器的输出高电平进行重新分配，有效抑制逆变器内部和两台逆变器之间的环流，并保证系统的输出电流质量。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种交错并联逆变器的电流不均分及环流抑制方法，包括以下步骤：

步骤1、利用电流传感器采集两台逆变器的输出相电流；

步骤2、根据步骤1获得的两台逆变器的输出相电流量，计算并联后的总输出为两台逆变器输出电流的总和：

步骤3、根据步骤2中获得电流与电流给定值计算电流误差量；

步骤4、基于步骤3计算获得的电流误差量，根据每相的电流误差，利用PI控制器得到每相的占空比调节系数；

步骤5、根据步骤2中的计算的电流，通过电流环控制器获得调制电压信号计算调制电压矢量所在的扇区号，利用SVPWM原理计算各电压矢量的作用时间，从而得到每一相的高电平占空比总和；

步骤6、根据步骤4中占空比调节系数对每相中的高电平在两台变换器之间进行重新分配；

步骤7、根据步骤6中计算得到的占空比与载波信号，得到两台并联逆变器的开关序列。

而且，所述步骤1的具体方法为：

设1号逆变器的输出相电流为i_a1,i_b1及i_c1，2号逆变器的输出相电流为i_a2,i_b2及i_c2。

而且，所述步骤2的计算公式为：

式(1)中i_a，i_b和i_c表示交流侧的负载电流。

而且，所述步骤3的具体方法为：

定义的功率分配系数，计算单台逆变器的每相电流误差，定义1号逆变器的期望输出电流占总输出电流的比例为k，则两台逆变器对应的电流参考值i_{x1_ref}和i_{x2_ref}为分别为ki_x与(1-k)i_x；其中x代表逆变器的相编号，x＝a,b,c；那么，1号逆变器的相电流误差为i_{x1_err}与2号逆变器的相电流误差i_{x2_err}为：

式(2)中，电流均分系数k的范围为[0,1],k设为0.5时表示功率在两台逆变器之间进行均分。

而且，所述步骤4的具体方法为：

根据每相的电流误差，利用PI控制器得到每相的占空比调节系数：

m_x＝K_p(i_{x1_err})+K_i∫i_{x1_err}dt (3)

式(3)中，K_p和K_i为PI控制器的参数。占空比调节系数m_x需要进行输出限幅，其幅值应在[0,1]内。需要说明的是，对于三相系统，每一相都有一个占空比调节系数，因此本发明中共需要三个PI控制器。

而且，所述步骤6的具体方法为：

逆变器1中每相驱动信号的高电平占空比为D_x1,逆变器2中每相驱动信号的高电平占比为D_x2:

D_x1与D_x2均要限制在[0,1]的范围内。

而且，所述步骤7的具体方法为：

根据步骤6中得到的高电平占空比D_x1和D_x2，即可得到每个逆变器对应的驱动信号。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明中通过调节两台逆变器驱动信号中高电平的比例实现对各相电流的调节，不会影响交流侧输出电流的性能。本发明中的方法仅改变了高电平在两台逆变器之间的分布，而高电平的输出总和不受影响，因此不会影响交流侧电流的跟踪。

2、本发明中对零序环流的控制属于闭环控制，不易受实际情况中电路参数变化的影响。当系统中的参数发生轻微偏差时，由于PI控制器的存在，高电平分配系数会进行自动调节，因此鲁棒性更强。

3、本发明无需增加任何系统外设，并且算法简单，易于实现。与传统的环流抑制方法相比，本发明算法完全由软件实现，无需增加独立的直流电源或者隔离变压器。且本发明所提出算法基于SVPWM技术，因此与现有的装置完全兼容。

4、本发明能有效对两台并联逆变器进行电流分配控制，且有效抑制并联逆变器的零序环流，从而提高系统的运行可靠性。

附图说明

图1为本发明的两台共直流母线的并联逆变器结构示意图；

图2为本发明的两台逆变器所使用的交错式载波示意图；

图3为本发明的PWM调制的扇区划分示意图；

图4为本发明的调制算法流程图；

图5为本发明的不考虑环流时两台逆变器在扇区1内的脉冲作用示意图；

图6为本发明的考虑环流时两台逆变器在扇区1内的脉冲作用示意图；

图7为本发明的工作在k＝0.5时的结果图；

图8为本发明的工作在k＝0.3时的结果图；

图9为本发明的工作在k＝0.7时的结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种交错并联逆变器的电流不均分及环流抑制方法，包括以下步骤：

步骤1、利用电流传感器采集两台逆变器的输出相电流；

所述步骤1的具体方法为：

设1号逆变器的输出相电流为i_a1,i_b1及i_c1，2号逆变器的输出相电流为i_a2,i_b2及i_c2。

如图1所示，这两台逆变器连接在相同的直流侧母线上，交流侧通过电感并联输出。

步骤2、根据步骤1获得的两台逆变器的输出相电流量，计算并联后的总输出为两台逆变器输出电流的总和：

所述步骤2的计算公式为：

式(1)中i_a，i_b和i_c表示交流侧的负载电流。

步骤3、根据步骤2中获得电流与电流给定值计算电流误差量；

所述步骤3的具体方法为：

定义的功率分配系数，计算单台逆变器的每相电流误差，定义1号逆变器的期望输出电流占总输出电流的比例为k，则两台逆变器对应的电流参考值i_{x1_ref}和i_{x2_ref}为分别为ki_x与(1-k)i_x；其中x代表逆变器的相编号，x＝a,b,c；那么，1号逆变器的相电流误差为i_{x1_err}与2号逆变器的相电流误差i_{x2_err}为

式(2)中，电流均分系数k的范围为[0,1],k设为0.5时表示功率在两台逆变器之间进行均分。

步骤4、基于步骤3计算获得的电流误差量，根据每相的电流误差，利用PI控制器得到每相的占空比调节系数；

所述步骤4的具体方法为：

由于1号逆变器与2号逆变器的相电流偏差大小相同、符号相反，因此只需选取任意一个进行控制。本发明中选取1号逆变器的电流偏差作为控制对象。当1号逆变器的相电流误差大于零时，需要增大其高电平的比例。而当1号逆变器的相电流误差小于零时，需要减小其高电平的比例。因此，根据每相的电流误差，利用PI控制器得到每相的占空比调节系数。

m_x＝K_p(i_{x1_err})+K_i∫i_{x1_err}dt (3)

式(3)中，K_p和K_i为PI控制器的参数。占空比调节系数m_x需要进行输出限幅，其幅值应在[0,1]内。需要说明的是，对于三相系统，每一相都有一个占空比调节系数，因此本发明中共需要三个PI控制器。

步骤5、如图4所示，根据步骤2中的计算的电流i_a，i_b和i_c通过电流环控制器获得调制电压信号u_α和u_β，计算调制电压矢量所在的扇区号，利用SVPWM原理计算各电压矢量的作用时间，从而得到每一相的高电平占空比总和:D_a,D_b和D_c；

如图2所示，空间中共有6个扇区；扇区的判断、电压矢量的选择以及电压矢量的作用时间计算部分与传统的SVPWM技术中相同。每相中高电平的定义如图6所示。

步骤6、根据步骤4中占空比调节系数对每相中的高电平在两台变换器之间进行重新分配；

所述步骤6的具体方法为：

逆变器1中每相驱动信号的高电平占空比为D_x1,逆变器2中每相驱动信号的高电平占比为D_x2:

D_x1与D_x2均要限制在[0,1]的范围内。

步骤7、根据步骤6中计算得到的占空比与载波信号，得到两台并联逆变器的开关序列。

所述步骤7的具体方法为：

两台逆变器的载波信号如图3所示，两个载波信号间有着180度的相位差。根据步骤6中得到的高电平占空比D_x1和D_x2，即可得到每个逆变器对应的驱动信号。

变换器系统测试闭环框图如图4所示来实现闭环控制。相对于如图5的传统不考虑环流时的脉冲作用示意图，本发明的载波交错的效果如图6所示，1号逆变器对应的驱动信号中，每相中的高电平均位于中心侧，而2号逆变器对应的驱动信号中高电平总位于每个调制周期的两边。

在本实施例中，选取不同的功率分配系数k进行仿真验证，证明本发明在不同工况下的电流分配性能以及环流抑制效果。

图7中，k设置为0.5，此时电流在两台逆变器之间均匀分配。结合图7(a)与图7(b)可知，本发明能够准确地控制两台逆变器的输出功率。图7(d)验证了本发明在抑制零序环流上的效果。

图8中，k设置为0.3，此时逆变器1输出30％的总电流，而逆变器2输出70％的总电流。图9中，k设置为0.7，此时逆变器1输出70％的总电流，而逆变器2输出30％的总电流。图8与图9说明本发明能够有效地实现电流的不均分控制，并且输出电流始终较为正弦。在所测试的所有工况下，零序电流均能得到有效的抑制。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种交错并联逆变器的电流不均分及环流抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、利用电流传感器采集两台逆变器的输出相电流；

步骤2、根据步骤1获得的两台逆变器的输出相电流量，计算并联后的总输出为两台逆变器输出电流的总和：

步骤3、根据步骤2中获得电流与电流给定值计算电流误差量；

步骤4、基于步骤3计算获得的电流误差量，根据每相的电流误差，利用PI控制器得到每相的占空比调节系数；

步骤5、根据步骤2中的计算的电流，通过电流环控制器获得调制电压信号计算调制电压矢量所在的扇区号，利用SVPWM原理计算各电压矢量的作用时间，从而得到每一相的高电平占空比总和；

步骤6、根据步骤4中占空比调节系数对每相中的高电平在两台变换器之间进行重新分配；

步骤7、根据步骤6中计算得到的占空比与载波信号，得到两台并联逆变器的开关序列。

2.根据权利要求1所述的一种交错并联逆变器的电流不均分及环流抑制方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：

设1号逆变器的输出相电流为i_a1,i_b1及i_c1，2号逆变器的输出相电流为i_a2,i_b2及i_c2。

3.根据权利要求1所述的一种交错并联逆变器的电流不均分及环流抑制方法，其特征在于：所述步骤2的计算公式为：

式(1)中i_a，i_b和i_c表示交流侧的负载电流。

4.根据权利要求1所述的一种交错并联逆变器的电流不均分及环流抑制方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：

定义的功率分配系数，计算单台逆变器的每相电流误差，定义1号逆变器的期望输出电流占总输出电流的比例为k，则两台逆变器对应的电流参考值i_{x1_ref}和i_{x2_ref}为分别为ki_x与(1-k)i_x；其中x代表逆变器的相编号，x＝a,b,c；那么，1号逆变器的相电流误差为i_{x1_err}与2号逆变器的相电流误差i_{x2_err}为：

式(2)中，电流均分系数k的范围为[0,1],k设为0.5时表示功率在两台逆变器之间进行均分。

5.根据权利要求1所述的一种交错并联逆变器的电流不均分及环流抑制方法，其特征在于：所述步骤4的具体方法为：

根据每相的电流误差，利用PI控制器得到每相的占空比调节系数：

m_x＝K_p(i_{x1_err})+K_i∫i_{x1_err}dt (3)

式(3)中，K_p和K_i为PI控制器的参数。占空比调节系数m_x需要进行输出限幅，其幅值应在[0,1]内。需要说明的是，对于三相系统，每一相都有一个占空比调节系数，因此本发明中共需要三个PI控制器。

6.根据权利要求1所述的一种交错并联逆变器的电流不均分及环流抑制方法，其特征在于：所述步骤6的具体方法为：

逆变器1中每相驱动信号的高电平占空比为D_x1,逆变器2中每相驱动信号的高电平占比为D_x2:

D_x1与D_x2均要限制在[0,1]的范围内。

7.根据权利要求1所述的一种交错并联逆变器的电流不均分及环流抑制方法，其特征在于：所述步骤7的具体方法为：

根据步骤6中得到的高电平占空比D_x1和D_x2，即可得到每个逆变器对应的驱动信号。

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