CN114679044B - 一种实现模块均流与母线均压的装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种实现模块均流与母线均压的装置及其控制方法，包括：母线均压模块、均流模块、双环控制模块、驱动生成模块、主功率电路，其中，主功率电路主用于实现功率因数校正与交流到直流变换；母线均压模块用于完成整流器正负母线均压控制；均流模块用于完成并联模块间的均流控制；双环控制模块的输出结果与均流模块求和后共同送入驱动生成模块，产生最终PWM驱动信号。本发明通过控制模块组合同时实现了母线均压和模块均流，无需添加额外硬件电路，通过多模块并机实现功能冗余，提高设备可靠性。

Description

一种实现模块均流与母线均压的装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子设备控制技术领域，尤其涉及一种实现模块均流与母线均压的装置及其控制方法。
背景技术
高功率密度、高可靠性电源模块，被广泛应用在军事和工业生产中，但受到功率器件限制，高功率密度的大功率设备实现相对困难。目前多采用多机并联，方式实现功率等级的提升，同时完成功能的冗余，在模块并联使用时模块间均流问题必须得到妥善解决，同时对于多电平拓扑，母线的均压问题是必须采用控制策略解决，当多电平设备多机并联时，问题变得相对复杂，需要采用新的策略使问题得到解决。
发明内容
针对上述背景技术中的问题，本发明提供一种实现模块均流与母线均压的装置，包括：母线均压模块、均流模块、双环控制模块、驱动生成模块、主功率电路，其中，
所述主功率电路主用于实现功率因数校正与交流到直流变换；
所述母线均压模块用于完成整流器正负母线均压控制；
所述均流模块用于完成并联模块间的均流控制；
所述双环控制模块的输出结果与均流模块求和后共同送入驱动生成模块，产生最终PWM驱动信号。
作为本发明的一种优选方案，所述主功率电路由三个并联的VIENNA整流器组成，当其中一个VIENNA整流器模块损坏的情况下设备仍然可以正常运行，提高设备可靠性，本发明实例应用于三个模块，该方法可拓展至多模块使用，不仅仅限于三个模块。
作为本发明的一种优选方案，所述母线均压模块的控制器包含PI控制器，其控制输出为均流模块的给定。
作为本发明的一种优选方案，所述均流模块的控制器包含PI控制器，其控制输出为向调制信号中注入的零序分量。
作为本发明的一种优选方案，所述母线均压模块与所述均流模块采用串联形式，母线均压模块通过控制均流模块的给定零序电流间接完成母线均压控制。
作为本发明的一种优选方案，所述双环控制模块采用的是电压外环电流内环双环结构。
与现有技术相比，本发明提供一种实现模块均流与母线均压的装置，具有以下有益效果：
1.本发明采用三个模块并联主要是为了实现模块冗余，在其中一个模块损坏的情况下设备仍然可以正常运行，提高设备可靠性。
2.传统母线均压控制为根据正负母线压差直接控制调制信号中的零序量，因器件差异性，并联模块间会产生环流，环流量为零序分量，想要减小环流也许要向调制信号中注入零序量，如果简单将两模块输出信号分别注入调制信号中，可能发生互相矛盾的情况，本发明用串联结构，均压环输出为并联模块的零序电流给定，给定值相同且限制在一定范围内，只要控制稳定则三相电流零序量一致，三相零序电流将通过对母线充放电完成母线电压均衡。
3.本发明通过控制模块组合同时实现了母线均压和模块均流，无需添加额外硬件电路。
4.本发明通过多模块并机实现功能冗余，提高设备可靠性。
本发明还提供一种应用于VINENNA并联拓扑实现模块均流与母线均压的控制方法，具体按照如下步骤进行实施：
S1：采样电网电压Ua，Ub，Uc，电感电流Ia，Ib，Ic，Ia1，Ib1，Ic1，Ia2，Ib2，Ic2，正母线电压Vbus+，负母线电压Vbus-；
S2：将电压采样信号送入锁相环PLL，获取电网电压相位角θ；
S3：电网电压Ua，Ub，Uc进行坐标变换获得DQ轴分量；电感电流Ia，Ib，Ic，Ia1，Ib1，Ic1，Ia2，Ib2，Ic2进行坐标变换获得DQ轴分量；
S4：正负母线电压值Vbus+、Vbus-求和后获得母线电压Vbus，母线电压给定值Vbusref和Vbus做差后送入电压环PI控制器求得D轴电流给定值Idref；
S5：Idref与D轴电流做差后送入D轴电流环PI控制器，PI输出与电压前馈量Vd求和获得D轴调制量，Iqref与Q轴电流做差后送入Q轴电流环PI控制器，PI输出与电压前馈量Vq求和获得Q轴调制量；
S6：将DQ轴调制量进行坐标变换获得αβ轴调制量；
S7：将αβ轴调制量经SVPWM调制获得调制信号；
S8：将正负母线电压Vbus+，Vbus-做差后，经PI控制器求取零序电流参考量ioref；
S9：将电感电流求和获得电流零序量，将Ioref分别与电流零序量做差后送入PI控制器求得零序调制信号；
S10：将调制信号分别与零序调制信号求和后送入PWM生成模块，产生驱动信号，将驱动信号连接至对应开关管，完成主功率拓扑运行。
作为本发明的一种优选方案，步骤S3中电网电压Ua，Ub，Uc经坐标变换获得DQ轴分量Ud、Uq；电感电流Ia、Ib、Ic经坐标变换获得DQ轴分量Id、Iq；电感电流Ia1、Ib1、Ic1经坐标变换获得DQ轴分量Id1、Iq1，电感电流Ia2、Ib2、Ic2经坐标变换获得DQ轴分量Id2、Iq2。
作为本发明的一种优选方案，步骤S5中Idref与D轴电流Id做差后送入D轴电流环PI控制器，PI输出与电压前馈量Vd求和获得D轴调制量md。Iqref与Q轴电流Iq做差后送入Q轴电流环PI控制器，PI输出与电压前馈量Vq求和获得Q轴调制量mq；
Idref与D轴电流Id1做差后送入D轴电流环PI控制器，PI输出与电压前馈量Vd求和获得D轴调制量md1，Iqref与Q轴电流Iq1做差后送入Q轴电流环PI控制器，PI输出与电压前馈量Vq求和获得Q轴调制量mq1；
Idref与D轴电流Id2做差后送入D轴电流环PI控制器，PI输出与电压前馈量Vd求和获得D轴调制量md2。Iqref与Q轴电流Iq2做差后送入Q轴电流环PI控制器，PI输出与电压前馈量Vq求和获得Q轴调制量mq2。
作为本发明的一种优选方案，步骤S6中DQ轴调制量md、mq、md1、mq1、md2、mq2经坐标变换获得αβ轴调制量mα、mβ、mα1、mβ1、mα2、mβ2；
步骤S9中电感电流Ia、Ib、Ic求和获得电流零序量Io；Ia1、Ib1、Ic1求和获得电流零序量Io1；Ia2、Ib2、Ic2求和获得电流零序量Io2；将Ioref分别与Io、Io1、Io2做差后送入PI控制器求的零序调制信号m0；
步骤S10中调制信号ma、mb、mc、ma1、mb1、mc1、ma2、mb2、mc2分别与m0求和后送入PWM生成模块，产生驱动信号：Sa、Sb、Sc，Sa1、Sb1、Sc1、Sa2、Sb2、Sc2。
与现有技术相比，本发明提供一种应用于VINENNA并联拓扑实现模块均流与母线均压的控制方法，具有以下有益效果：
本发明采用母线均压外环与电流零序量内环的控制方式，应用于VINENNA并联拓扑，消除母线不均压，降低并联拓扑之间的电流环流，减小模块间环流的同时实现母线均压，避免了因环流及母线不均压带来的恶劣影响。
附图说明
图1为一种实现模块均流与母线均压的装置的仿真模型。
图2为VIENNA整流器拓扑图。
图3为控制结构框图。
图4为电感电流仿真对比图。
图5正负母线均压仿真对比图。
其中电感电流仿真对比图左侧无环流抑制，右侧有环流抑制；正负母线均压仿真对比图左侧无均压环，右侧有均压环。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1-2所示，本发明提供一种实现模块均流与母线均压的装置，包括：母线均压模块、均流模块、双环控制模块、驱动生成模块、主功率电路，其中，
主功率电路主用于实现功率因数校正与交流到直流变换，主功率电包括三个并联的VIENNA整流器；本发明采用三个模块并联主要是为了实现模块冗余，在其中一个模块损坏的情况下设备仍然可以正常运行，提高设备可靠性。
母线均压模块用于完成整流器正负母线均压控制，母线均压模块的控制器包含PI控制器，其控制输出为均流模块的给定；
均流模块用于完成并联模块间的均流控制，均流模块的控制器包含PI控制器，其控制输出为向调制信号中注入的零序分量，母线均压模块与均流模块采用串联形式，母线均压模块通过控制均流模块的给定零序电流间接完成母线均压控制；传统母线均压控制为根据正负母线压差直接控制调制信号中的零序量，因器件差异性，并联模块间会产生环流，环流量为零序分量，想要减小环流也许要向调制信号中注入零序量，如果简单将两模块输出信号分别注入调制信号中，可能发生互相矛盾的情况，本发明用串联结构，均压环输出为并联模块的零序电流给定，给定值相同且限制在一定范围内，只要控制稳定则三相电流零序量一致，三相零序电流将通过对母线充放电完成母线电压均衡。
双环控制模块的输出结果与均流模块求和后共同送入驱动生成模块，产生最终PWM驱动信号，双环控制模块采用的是电压外环电流内环双环结构。
通过控制模块组合同时实现了母线均压和模块均流，无需添加额外硬件电路，多模块并机实现功能冗余，提高设备可靠性。
如图3所示，本发明提供一种应用于VINENNA并联拓扑实现模块均流与母线均压的控制方法，具体按照如下步骤进行设置：
S1：采样电网电压Ua、Ub、Uc；电感电流Ia、Ib、Ic、Ia1、Ib1、Ic1、Ia2、Ib2、Ic2；正母线电压Vbus+；负母线电压Vbus-；
S2：将电压采样信号送入锁相环PLL，获取电网电压相位角θ；
S3：电网电压Ua、Ub、Uc经坐标变换获得DQ轴分量Ud、Uq，电感电流Ia、Ib、Ic经坐标变换获得DQ轴分量Id、Iq，电感电流Ia1、Ib1、Ic1经坐标变换获得DQ轴分量Id1、Iq1，电感电流Ia2、Ib2、Ic2经坐标变换获得DQ轴分量Id2、Iq2；
S4：正负母线电压值Vbus+、Vbus-求和后获得母线电压Vbus，母线电压给定值Vbusref和Vbus做差后送入电压环PI控制器求得D轴电流给定值Idref；
S5：Idref与D轴电流Id做差后送入D轴电流环PI控制器，PI输出与电压前馈量Vd求和获得D轴调制量md，Iqref与Q轴电流Iq做差后送入Q轴电流环PI控制器，PI输出与电压前馈量Vq求和获得Q轴调制量mq；
Idref与D轴电流Id1做差后送入D轴电流环PI控制器，PI输出与电压前馈量Vd求和获得D轴调制量md1，Iqref与Q轴电流Iq1做差后送入Q轴电流环PI控制器，PI输出与电压前馈量Vq求和获得Q轴调制量mq1；
Idref与D轴电流Id2做差后送入D轴电流环PI控制器，PI输出与电压前馈量Vd求和获得D轴调制量md2，Iqref与Q轴电流Iq2做差后送入Q轴电流环PI控制器，PI输出与电压前馈量Vq求和获得Q轴调制量mq2；
S6：将DQ轴调制量md、mq、md1、mq1、md2、mq2经坐标变换获得αβ轴调制量mα，mβ，mα1，mβ1，mα2，mβ2；
S7：将αβ轴调制量经SVPWM调制获得调制信号ma、mb、mc、ma1、mb1、mc1、ma2、mb2、mc2；
S8：将正负母线电压Vbus+，Vbus-做差后，经PI控制器求取零序电流参考量ioref；
S9：将电感电流Ia、Ib、Ic求和获得电流零序量Io；
Ia1、Ib1、Ic1求和获得电流零序量Io1；
Ia2、Ib2、Ic2求和获得电流零序量Io2；
将Ioref分别与Io、Io1、Io2做差后送入PI控制器求得零序调制信号m0；
S10：将调制信号ma，mb，mc，ma1，mb1，mc1，ma2，mb2，mc2分别与m0求和后送入PWM生成模块，产生驱动信号，Sa，Sb，Sc，Sa1，Sb1，Sc1，Sa2，Sb2，Sc2，将驱动信号连接至对应开关管，完成主功率拓扑运行。
如图4所示，在有环流抑制的情况下电感电流Ia1、Ia2、Ia3，Ib3、Ib4、Ib1，Ic1、Ic3、Ic4均衡；如图5所示，在有均压环的情况下正负母线电压正负母线电压Vbus+，Vbus-逐渐靠拢。
具体的，本实施例中仿真模型的具体参数如下：
参数 设定值
网侧电压幅值(V) 311
频率(Hz) 50
网侧电感(uH) 800
正负母线电容(uf) 1400
开关频率(kHz) 30
控制周期(s) 6.67e-5
母线电压设定(V) 700
负载(Ω) 30
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种实现模块均流与母线均压的装置，其特征在于，包括：母线均压模块、均流模块、双环控制模块、驱动生成模块、主功率电路，其中，
所述主功率电路主用于实现功率因数校正与交流到直流变换，所述主功率电路由多个并联的VIENNA整流器组成；
所述母线均压模块用于完成整流器正负母线均压控制，所述母线均压模块的控制器包含PI控制器，其控制输出零序电流参考量为均流模块的给定；
所述均流模块用于完成并联模块间的均流控制，所述均流模块的控制器包含PI控制器，其控制输出为向调制信号中注入的零序分量；
所述双环控制模块的输出结果与均流模块输出的零序分量求和后共同送入驱动生成模块，产生最终PWM驱动信号，所述母线均压模块与所述均流模块采用串联形式，母线均压模块通过控制均流模块的零序电流参考量间接完成母线均压控制。
2.根据权利要求1所述的一种实现模块均流与母线均压的装置，其特征在于，所述双环控制模块采用的是电压外环电流内环双环结构。
3.一种应用于VINENNA并联拓扑实现模块均流与母线均压的控制方法，其特征在于，按照如下步骤进行实施：
S1：采样电网电压Ua，Ub，Uc，电感电流Ia，Ib，Ic，Ia1，Ib1，Ic1，Ia2，Ib2，Ic2，正母线电压Vbus+，负母线电压Vbus-；
S2：将电压采样信号送入锁相环PLL，获取电网电压相位角θ；
S3：电网电压Ua，Ub，Uc进行坐标变换获得DQ轴分量；电感电流Ia，Ib，Ic，Ia1，Ib1，Ic1，Ia2，Ib2，Ic2进行坐标变换获得DQ轴分量；
S4：正负母线电压值Vbus+、Vbus-求和后获得母线电压Vbus，母线电压给定值Vbusref和Vbus做差后送入电压环PI控制器求得D轴电流给定值Idref；
S5：Idref与D轴电流做差后送入D轴电流环PI控制器，PI输出与电压前馈量Vd求和获得D轴调制量，Iqref与Q轴电流做差后送入Q轴电流环PI控制器，PI输出与电压前馈量Vq求和获得Q轴调制量；
S6：将DQ轴调制量进行坐标变换获得αβ轴调制量；
S7：将αβ轴调制量经SVPWM调制获得调制信号；
S8：将正负母线电压Vbus+，Vbus-做差后，经PI控制器求取零序电流参考量ioref；
S9：将电感电流求和获得电流零序量，将Ioref分别与电流零序量做差后送入PI控制器求得零序调制信号；
S10：将调制信号分别与零序调制信号求和后送入PWM生成模块，产生驱动信号，将驱动信号连接至对应开关管，完成主功率拓扑运行。
4.根据权利要求3所述的一种应用于VINENNA并联拓扑实现模块均流与母线均压的控制方法，其特征在于，步骤S3中电网电压Ua，Ub，Uc经坐标变换获得DQ轴分量Ud 、Uq；电感电流Ia、Ib、Ic经坐标变换获得DQ轴分量Id、Iq；电感电流Ia1、Ib1、Ic1经坐标变换获得DQ轴分量Id1、Iq1，电感电流Ia2、Ib2、Ic2经坐标变换获得DQ轴分量Id2、Iq2。
5.根据权利要求4所述的一种应用于VINENNA并联拓扑实现模块均流与母线均压的控制方法，其特征在于，步骤S5中Idref与D轴电流Id做差后送入D轴电流环PI控制器，PI输出与电压前馈量Vd求和获得D轴调制量md；Iqref与Q轴电流Iq做差后送入Q轴电流环PI控制器，PI输出与电压前馈量Vq求和获得Q轴调制量mq；
Idref与D轴电流Id1做差后送入D轴电流环PI控制器，PI输出与电压前馈量Vd求和获得D轴调制量md1，Iqref与Q轴电流Iq1做差后送入Q轴电流环PI控制器，PI输出与电压前馈量Vq求和获得Q轴调制量mq1；
Idref与D轴电流Id2做差后送入D轴电流环PI控制器，PI输出与电压前馈量Vd求和获得D轴调制量md2；Iqref与Q轴电流Iq2做差后送入Q轴电流环PI控制器，PI输出与电压前馈量Vq求和获得Q轴调制量mq2。
6.根据权利要求5所述的一种应用于VINENNA并联拓扑实现模块均流与母线均压的控制方法，其特征在于，步骤S6中DQ轴调制量md、mq、md1、mq1、md2、mq2经坐标变换获得αβ轴调制量mα、mβ、mα1、mβ1、mα2、mβ2；
步骤S9中电感电流Ia、Ib、Ic求和获得电流零序量Io；Ia1、Ib1、Ic1求和获得电流零序量Io1；Ia2、Ib2、Ic2求和获得电流零序量Io2；将Ioref分别与Io、Io1、Io2做差后送入PI控制器求的零序调制信号m0；
步骤S10中调制信号ma、mb、mc、ma1、mb1、mc1、ma2、mb2、mc2分别与m0求和后送入PWM生成模块，产生驱动信号：Sa、Sb、Sc，Sa1、Sb1、Sc1、Sa2、Sb2、Sc2。
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