CN1314180C - 逆变器并联系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明有关一种逆变器并联系统及其控制方法，其包括：数个具瞬时电压控制型态的逆变器、一有功功率总线、一相位总线以及数个控制装置。其中该输出总线是用以连接该数个逆变器的输出至一负载；该有功功率总线是连接至该数个逆变器，以提供一参考有功功率分配；该相位总线是连接至该数个逆变器，以提供一系统参考相位；而数个控制装置是用以控制该数个逆变器的正弦参考波，并使正弦参考波相应于该参考有功功率分配及系统参考相位具有相同的相位、无功功率及有功功率。
Description
技术领域
本发明有关一种逆变器并联系统及其控制方法，尤指一种即使在负载突然改变时仍能使得并联的逆变器间的负载电流保持平均分配的逆变器并联系统及其控制方法。
背景技术
请参阅图1，其为美国专利申请第5,212,630号所揭示的习知的交流输出逆变器并联操作系统方块示意图。其中，第一逆变器装置11以并联的方式与第二逆变器装置12电连接，且第二逆变器装置12是与第一逆变器装置11具有相同结构、并经由输出总线13提供电力至负载14。第一逆变器装置11主要是由逆变器本体110、电感111及作为滤波器的用的电容112所构成，为了使得第一逆变器装置11与第二逆变器装置12以并联的方式运作，藉由电流变压器120a可从第一逆变器装置11的输出电流I1中得到检测信号I1a，再藉由交错电流检测器151，可得到检测信号I1a与以同样方式从第二逆变器装置12得到的检测信号I2a的差额，其中该差额为一针对交错电流的反应信号。于是相位转换器150可产生两正交向量EA和EB，并且藉由运算电路152、153可从该反应信号得到对应于功率元件的一无功功率ΔQ及一有功功率ΔP。电压控制电路143可藉由脉波宽度调变控制电路140，调变逆变器本体110的脉波宽度，以控制其内部电压。其中脉波宽度调变控制电路140是以电压设定电路17及电压反馈电路130所产生的信号为基础。
上述对应于功率元件的该无功功率ΔQ是作为电压控制电路143的增强信号，且逆变器本体的内部电压可调整至ΔQ降至零。
另一方面，对应于功率元件的该有功功率ΔP是经由相位锁定回路放大器电路154而置入一参考振荡器156中，且逆变器本体的内部电压相位可调整至ΔP降至零。
由于逆变器本体的内部电压与内部电压相位受到控制使得ΔQ与ΔP皆降至零，因此两个逆变器之间便再无交错电流的存在，于是达到稳定的负载电流分配的状态。
然而，这种习知的逆变器并联操作系统仍有下列问题存在。首先，由于电流的平均分配是藉由控制逆变器内部电压的平均值及相位而实现，因此较不易改善控制的反应速度，特别是无法控制瞬时的交错电流；再者，由于滤波器需要分别检测交错电流的有功功率及无功功率，因此交错电流便再无法控制于一高速状态，故系统若欲应用在高速电压控制(例如：瞬时电压控制，其可使逆变器的输出成为一几乎没有杂讯的高品质正弦曲线)时便有所限制。最后，电流分配总线需提供数字式的瞬时电流信号，因此分配总线须具备使得系统稳定性极易受到电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)的宽频特性，同时亦无法使用数字式的通讯总线传送瞬时电流信息。
发明内容
本发明的主要目的为提出一种能在即使负载突然改变时仍能使得并联的逆变器间的负载电流保持平均分配的逆变器并联系统及其控制方法。
本发明的另一主要目的为提出一种控制方法，其能提供数个逆变器的参考有功功率的平均值及参考相位的极大值，以控制数个逆变器的正弦参考波，并使正弦参考波相应于参考有功功率分配及系统参考相位具有相同的相位、无功功率及有功功率。
本发明的再一主要目的为提出一种电压反馈系数的调适控制方法，其能使得数个并联逆变器的输出电压反馈系数彼此相等。
根据本发明的构想，提出一种逆变器并联系统，其包括：数个具瞬时电压控制型态的逆变器；一输出总线，其是用以连接该数个逆变器的输出至一负载；一有功功率总线，其是连接至该数个逆变器，以提供一参考有功功率分配；一相位总线，其是连接至该数个逆变器，以提供一系统参考相位；以及数个控制装置，其是用以控制该数个逆变器的正弦参考波，并使正弦参考波相应于该参考有功功率分配具有相同的相位、无功功率及有功功率。
根据上述构想，其中该参考有功功率分配是为该数个逆变器所具有的参考有功功率的平均值。
根据上述构想，其中该参考有功功率分配是为该数个逆变器所具有的参考有功功率的极大值。
根据上述构想，其中该参考有功功率分配是为该数个逆变器所具有的参考有功功率的极小值。
根据上述构想，其中该系统参考相位是为该数个逆变器所具有的参考相位的平均值。
根据上述构想，其中该系统参考相位是为该数个逆变器所具有的参考相位的极大值。
根据上述构想，其中该系统参考相位是为该数个逆变器所具有的参考相位的极小值。
根据本发明的另一构想，提出一种逆变器并联系统，其包括：数个具瞬时电压控制型态的逆变器；一输出总线，其是用以连接该数个逆变器的输出至一负载；一有功功率总线，其是连接至该数个逆变器，以提供一参考有功功率分配；一相位总线，其是连接至该数个逆变器，以提供一系统参考相位；以及数个控制装置，其是用以控制该数个逆变器的正弦参考波，并使正弦参考波具有相同的相位、无功功率及有功功率，其中每个控制装置包括：一电压检测器，其是电连接至该数个逆变器的输出端，以检测该数个逆变器的一输出电压；一均方根电压计算器，其是电连接至该电压检测器，以计算该输出电压的均方根值；一均方根电压控制器，其是电连接至该均方根电压计算器，以产生一参考有功功率予该有功功率总线，其中该参考有功功率分配是藉由该有功功率总线而产生；一有功功率控制器，其是电连接至该有功功率总线，以减少该参考有功功率分配与每一个逆变器所具有的有功功率之间的错误；一相位锁定回路控制器，其是电连接至该相位总线，以藉由该相位总线产生该系统参考相位；以及一正弦参考波产生器，其是电连接至该有功功率控制器及该相位锁定回路控制器，以产生每一个逆变器的正弦参考波，并且使得该数个逆变器的正弦参考波具有相同的相位、无功功率及有功功率。
根据上述构想，其中每个控制装置还包含一电压反馈系数的适应性控制器，其是电连接至该均方根电压控制器及该相位总线，使得该数个逆变器的输出电压反馈系数彼此相等。
根据本发明的再一构想，提出一种逆变器并联系统的控制方法，该逆变器并联系统具有数个具瞬时电压控制型态的逆变器，及一用以连接该数个逆变器的输出至一负载的输出总线，该控制方法包括下列步骤：提供一参考有功功率分配；提供一系统参考相位；以及控制该数个逆变器的正弦参考波，并使正弦参考波相应于该参考有功功率分配及该系统参考相位具有相同的相位、无功功率及有功功率。
根据上述构想，其中该系统参考相位是为该数个逆变器所具有的参考相位的平均值。
根据上述构想，其中该系统参考相位是为该数个逆变器所具有的参考相位的极大值。
根据上述构想，其中该系统参考相位是为该数个逆变器所具有的参考相位的极小值。
根据上述构想，其中该参考有功功率分配是为该数个逆变器所具有的参考有功功率的平均值。
根据上述构想，其中该参考有功功率分配是为该数个逆变器所具有的参考有功功率的极大值。
根据上述构想，其中该参考有功功率分配是为该数个逆变器所具有的参考有功功率的极小值。
根据本发明的再一构想，提出一种逆变器并联系统的控制方法，该逆变器并联系统具有数个具瞬时电压控制型态的逆变器及一用以连接该数个逆变器的输出至一负载的输出总线，该控制方法包括下列步骤：提供一参考有功功率分配，其中该参考有功功率分配是为该数个逆变器所具有的参考有功功率的平均值；提供一系统参考相位，其中该系统参考相位是为该数个逆变器所具有的参考相位的极大值；控制该数个逆变器的正弦参考波，使得该数个逆变器的正弦参考波具有相同的相位、无功功率及有功功率，其步骤包括：检测该数个逆变器的一输出电压；计算该输出电压的一均方根值；产生一参考有功功率，其中该参考有功功率分配是藉由一有功功率总线而产生；减少该参考有功功率分配与每一个逆变器所具有的有功功率之间的错误；藉由一相位总线产生该系统参考相位；以及产生该数个逆变器的正弦参考波，并且使得该数个逆变器的正弦参考波具有相同的相位、无功功率及有功功率。
根据上述构想所述的控制方法，还包含电压反馈系数的调适控制，使得该数个逆变器的输出电压反馈系数彼此相等。
为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。
附图说明
图1是习知的交流输出逆变器的并联操作系统的方块示意图；
图2是本发明并联逆变器系统一较佳实施例的方块示意图；
图3是本发明图2的实功率总线、均方根电压控制器及实功率控制器的方块示意图；
图4是本发明图2的相位总线、相位产生器及相位锁定回路控制器的示意图；以及
图5是本发明并联逆变器系统一较佳实施例的电路示意图。
具体实施方式
请参阅图2，其为本发明并联逆变器系统一较佳实施例的方块示意图。其中，第一逆变器21以并联的方式与第二逆变器22电连接，且第二逆变器22是与第一逆变器21具有相同结构、并经由输出总线23提供电力至负载24。
第一逆变器21包含由电流控制器211、逆变器本体212及电流检测器213共同组成的次电流回路。其中，根据经由电流检测器213反馈来的输出电流iout1以及瞬时电压控制器214的电流命令I命令1，电流控制器211可传送脉波宽度调变信号至逆变器本体212，使得输出电流iout1与电流命令i命令1一致，此时，正弦参考波产生器215即产生一正弦参考电压Vref，瞬时电压控制器214也产生电流命令i命令1使得逆变器能修正输出电压Vout与正弦参考电压Vref之间的差异。因此，瞬时电压控制器214和电流控制器211能确保不断电系统具有较佳的动态响应及较低的总谐调杂讯(Total Harmonic Distortion，THD)。因此，本发明发明的关键点即在于如何产生正弦参考电压，使得有功功率及无功功率分流能在逆变器的并联操作系统中实现。
为了要在并联的逆变器之间传送有效信息，并联逆变器系统中还配置包括一相位总线及一有功功率总线在内的两个分配总线，其中，该有功功率总线提供一共同系统参考有功功率Po，该相位总线则提供一参考相位Θ0。有功功率及无功功率分流的实现方式如下所述：
(1)有功功率分配
根据本发明的发明，有功功率流Pri，i＝1，2，….主要是由参考电压Vr的振幅所决定，也就是说，只要并联逆变器的每个参考电压的振幅具有适当的规律，则自然可实现逆变器间的有功功率分流。
如图3所示，均方根电压控制器216是为一比例积分控制器，如式(1)
e1＝Vr-Vf1
Pr1＝Kpe1+KI∫e1dt (1)
在此须注意的是，电压均方根值的计算方块是计算输出电压Vout的均方根值Vf1，而均方根电压控制器216确保输出电压的均方根值Vf1完全追随参考电压Vr的均方根值。在式(1)中，Kp代表一比例系数而KI代表一积分系数，而数值Pr1和Pr2除了分别为第一逆变器21和第二逆变器22的均方根电压控制器的输出的外，也被视为并联逆变器的参考有功功率。
并联逆变器的参考有功功率Pr1和Pr2被送往有功功率总线以构成系统的参考有功功率Po，在图3中，系统的参考有功功率Po是为系统中所有并联逆变器的参考有功功率Pr1和Pr2的平均值，可表示如下：
Po＝(Pr1+Pr2)/2 (2)
然而，系统的参考有功功率Po也可为所有逆变器的参考有功功率Pr1和Pr2的最大值、最小值或其任意组合。
最后，系统的参考有功功率Po会被有功功率总线分配给每个逆变器，当作有功功率控制器的参考。在第一逆变器21中，有功功率控制器217也为一比例积分控制器，其可藉由规律化正弦参考电压Vref的振幅，以减少系统的参考有功功率Po和第一逆变器21的有功功率流Pf1之间的误差；而在第二逆变器22中也有同样的运作方式。因此，只有当每个逆变器的内部回路皆有较佳的状态时，并联逆变器间的有功功率才能实现平均分配。
(2)无功功率分配
根据本发明的发明，无功功率流主要是由正弦参考波的相位角所决定，因此欲实现无功功率分配须倚靠相位角的适当调变。并联系统中的所有逆变器都必须同步，无功功率才能实现有效分配。图4显示具有相位总线的并联系统的同步运作电路示意图。
每个逆变器皆拥有一个相位产生器以产生一参考相位，其中，Θref1是第一逆变器21所产生的参考相位，而Θref2是第二逆变器22所产生的参考相位。Θref1和Θref2皆被传送至相位总线并经由二极体以构成系统参考相位Θ0。在图4中，系统参考相位Θ0是所有并联逆变器的参考相位的最大值，可表为
Θ0＝max(Θref1，Θref2) (3)
应该注意的是，此处系统的参考相位Θ0虽是所有并联逆变器的参考相位的最大值，然而，系统的参考相位Θo也可为所有逆变器的参考相位的最小值、平均值或其任意组合。
最后，系统参考相位Θo将会被相位总线分配给每个逆变器以作为相位锁定回路的参考。因此，由图4可知，所有逆变器的正弦参考波皆具有相同的相位角，且无功功率在并联系统中可实现有效分配。
在并联系统中，由于所有控制器皆可通过软件来模拟，因此并联逆变器模组之间的控制参数并无差异。但一般来说，所有逆变器的系统参数之间仍有差别，例如相依于电压检测器的参数的电压反馈系数即是一例。肇因于电压反馈系数的矛盾，即使输出电压Vout为同一个，逆变器的电压反馈仍不相同，因此，所有逆变器之间的负载电压反馈的均方根值也为不同。
在第一逆变器21中，Kf1是为电压反馈系数，e1则为参考电压Vr与输出电压Vout反馈的均方根值Vf1之间的误差，其可表为
e1＝Vr-Kf1*Vout (4)
同样的，在第二逆变器22中，
e2＝Vr-Kf2*Vout (5)
很明显，若Kf1不等于Kf2，则e1和e2也无法同时降至零。举例来说，当Kf1＜Kf2，若e2＝0，则e1＞0。
因为在第一逆变器21的均方根电压控制器216中存在着一积分区域，均方根电压控制器216将处于正饱和状态，因此，系统在正常状态下将无法运作。
为了克服这个问题，本发明采用适应性控制器220，其中适应性控制法则为
Vf1＝Ka1*Kf1*Vout (6)
Ka1＝Ko(Po-Pr1)+1 (7)
Ka1是作为电压反馈系数的一部份，其中电压反馈系数可藉由上述的适应性控制法则来模拟，而Ko则是适应性控制器220的比例系数，因此，Ka1和Kf1的乘积即为实际的反馈系数。
同样的，在第二逆变器22中，适应性控制法则可表为
Vf2＝Ka2*Kf2*Vout (8)
Ka2＝Ko(Po-Pr2)+1 (9)
这种适应性控制法则可使得并联逆变器的输出电压反馈系数彼此间皆为相同，也就是说，利用该适应性控制法则可使得系统在正常状态下顺利运作。
请参考图5，其为本发明并联逆变器系统一较佳实施例的电路示意图。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化和修改，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。
Claims (12)
1.一种逆变器并联系统，其包括：
数个具瞬时电压控制型态的逆变器；
一输出总线，其是用以连接该数个逆变器的输出至一负载；
一有功功率总线，其是连接至该数个逆变器，以提供一参考有功功率分配；
一相位总线，其是连接至该数个逆变器，以提供一系统参考相位；以及
数个控制装置，其是用以控制该数个逆变器的正弦参考波，并使正弦参考波相应于该参考有功功率分配具有相同的相位、无功功率及有功功率。
2.如权利要求1所述的逆变器并联系统，其特征在于该参考有功功率分配是为该数个逆变器所具有的参考有功功率的平均值。
3.如权利要求1所述的逆变器并联系统，其特征在于该参考有功功率分配是为该数个逆变器所具有的参考有功功率的极大值。
4.如权利要求1所述的逆变器并联系统，其特征在于该参考有功功率分配是为该数个逆变器所具有的参考有功功率的极小值。
5.如权利要求1所述的逆变器并联系统，其特征在于该系统参考相位是为该数个逆变器所具有的参考相位的平均值。
6.如权利要求1所述的逆变器并联系统，其特征在于该系统参考相位是为该数个逆变器所具有的参考相位的极大值。
7.如权利要求1所述的逆变器并联系统，其特征在于该系统参考相位是为该数个逆变器所具有的参考相位的极小值。
8.一种逆变器并联系统，其包括：
数个具瞬时电压控制型态的逆变器；
一输出总线，其是用以连接该数个逆变器的输出至一负载；
一有功功率总线，其是连接至该数个逆变器，以提供一参考有功功率分配；
一相位总线，其是连接至该数个逆变器，以提供一系统参考相位；以及
数个控制装置，其是用以控制该数个逆变器的正弦参考波，并使正弦参考波具有相同的相位、无功功率及有功功率，其中每个控制装置包括：
一电压检测器，其是电连接至该数个逆变器的输出端，以检测该数个逆变器的一输出电压；
一均方根电压计算器，其是电连接至该电压检测器，以计算该输出电压的均方根值；
一均方根电压控制器，其是电连接至该均方根电压计算器，以产生一参考有功功率予该有功功率总线，其中该参考有功功率分配是藉由该有功功率总线而产生；
一有功功率控制器，其是电连接至该有功功率总线，以减少该参考有功功率分配与每一个逆变器所具有的有功功率之间的错误；
一相位锁定回路控制器，其是电连接至该相位总线，以藉由该相位总线产生该系统参考相位；以及
一正弦参考波产生器，其是电连接至该有功功率控制器及该相位锁定回路控制器，以产生每一个逆变器的正弦参考波，并且使得该数个逆变器的正弦参考波具有相同的相位、无功功率及有功功率。
9.如权利要求8所述的逆变器并联系统，其特征在于每个控制装置还包含一电压反馈系数的适应性控制器，其是电连接至该均方根电压控制器及该相位总线，使得该数个逆变器的输出电压反馈系数彼此相等。
10.一种逆变器并联系统的控制方法，该逆变器并联系统具有数个具瞬时电压控制型态的逆变器，及一用以连接该数个逆变器的输出至一负载的输出总线，该控制方法包括下列步骤：
提供一参考有功功率分配；
提供一系统参考相位；以及
控制该数个逆变器的正弦参考波，并使正弦参考波相应于该参考有功功率分配及该系统参考相位具有相同的相位、无功功率及有功功率。
11.一种逆变器并联系统的控制方法，该逆变器并联系统具有数个具瞬时电压控制型态的逆变器及一用以连接该数个逆变器的输出至一负载的输出总线，该控制方法包括下列步骤：
提供一参考有功功率分配，其中该参考有功功率分配是为该数个逆变器所具有的参考有功功率的平均值；
提供一系统参考相位，其中该系统参考相位是为该数个逆变器所具有的参考相位的极大值；
控制该数个逆变器的正弦参考波，使得该数个逆变器的正弦参考波具有相同的相位、无功功率及有功功率，其步骤包括：
检测该数个逆变器的一输出电压；
计算该输出电压的一均方根值；
产生一参考有功功率，其中该参考有功功率分配是藉由一有功功率总线而产生；
减少该参考有功功率分配与每一个逆变器所具有的有功功率之间的错误；
藉由一相位总线产生该系统参考相位；以及
产生该数个逆变器的正弦参考波，并且使得该数个逆变器的正弦参考波具有相同的相位、无功功率及有功功率。
12.如权利要求11所述的控制方法，其特征在于还包含电压反馈系数的调适控制，使得该数个逆变器的输出电压反馈系数彼此相等。
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