CN1490915A - 单相并联逆变器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单相并联逆变器系统，针对现有单相并联逆变器系统中不能用环流的瞬时功率分量直接做反馈控制所带来的缺点，对系统中的环流分解装置加以改时，其中包括用于对单相环流I_c进行分相，得到正交两相或对称三相虚拟电流信号的分相装置；以及，用于对所述正交两相或对称三相虚拟电流信号进行d－q变换，得到对应于频率控制信号的第一校正信号以及对应于幅值控制信号的第二校正信号的坐标变换装置。本发明把单相环流信号I_c可得出环流的瞬时有功和无功分量，从而便于进行控制，使系统即使在瞬时状态、如负载突变时，也能保持各逆变器模块的负载均等分配，从而使各个逆变器模块能稳定地工作。

Description

单相并联逆变器系统

技术领域

本发明涉及一种由多个并联工作的单相逆变模块组成的逆变器系统。

背景技术

在使用逆变器给负载供电的情况下，当负载所需容量为单个逆变器模块所不能保障，或当可靠性需要加强，需要使用多个模块组成并联逆变器系统来工作。为了使系统具有与并联的模块数目相对应的容量，要求各个逆变器均等地承担负载电流(简称均流)，也就是要尽可能减少只在各个逆变器之间流动，而不流过负载的环流。

为了实现均流，可采用阻抗下垂法、集中控制(并机板控制)法、主从控制法和共电流调节器等方法。其中，阻抗法的效率低、特性差；而集中控制法和主从控制法有故障瓶颈等原因，所以现在都很少使用。比较常用的是共电流调节器法，其方法是将电流调节器的输入或输出用信号线连通，以达到均流的目的，一般用于模拟系统。共电流调节器法的共同特点是靠共用电流环的给定以保证各个逆变器的电流能基本保持一致。由于各逆变模块有离散性，输出电压的幅值和相位仍可能会有微小的差别，由于逆变器的输出阻抗非常小，微小差别也会导致较大的环流。

对于多个三相逆变器模块并联，为确保各模块环流足够小，引入环流反馈控制，在中国专利‘逆变器系统’(专利号为92102212.3，1994年1月5日授权公告)中公开了采用这种控制的装置。其工作原理如图1所示，图中只画出了两个并联的逆变器模块。下面以逆变器模块1为例，说明工作原理。其中，由电流检测装置检测出本模块的三相输出的电流I_oa、I_ob、I_oc(简记为I_o，以下同)，再由环流检测装置计算出I_o与所有并联模块三相平均输出电流I_a之差，即为本逆变器模块的三相环流I_c，这是三相静止坐标系下的交变信号，不便直接用于反馈控制，为此采用d-q坐标变换，把它们送至环流分解装置(同时三相输出电压V_o也被送至分解装置，产生分解所必需的同步信号)，变换成旋转坐标系下的直流信号I_cd、I_cq，以便控制，也易于获得好的控制效果。I_cd为环流的瞬时有功分量，-I_cq为环流的瞬时无功分量。以I_cd、I_cq为反馈量，通过控制使这两个信号足够小(希望为零)就可达到均流的目的。因为二者足够小，也就意味着环流足够小。

上述方法用于三相模块的均流，非常有效。然而，在单相交流电中，环流为单相，只知道电压和电流的瞬时值，无法求出环流的瞬时功率分量，直接用环流做反馈控制有如下缺点：1)环流为交变量，不容易达到好的控制效果；2)只能采用常规方法，需一个工频周期才能检测出有功、无功分量，均流的动态特性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种单相并联逆变器系统，使该系统即使在瞬时状态、如负载突变时，也能保持各逆变器模块的负载均等分配，从而使各个逆变器模块能稳定地工作。

本发明解决其技术问题的方案在于，提供一种单相并联逆变器系统，所述系统中至少有两个并联的逆变器模块，每一个逆变器模块中包括逆变主电路和控制电路，所述控制电路包括：

用于检测所述逆变器主电路的输出环流I_c的环流检测装置；

根据所述环流I_c生成对应于频率控制信号的第一校正信号以及对应于幅值控制信号的第二校正信号的环流分解装置；

根据所述第一校正信号产生输出电压的频率控制信号的频率控制装置；

根据所述第二校正信号产生输出电压的幅值控制信号的幅值控制装置；

根据所述幅值控制信号和频率控制信号，产生用于控制所述逆变主电路的控制信号的控制信号产生器；

其特征在于，所述环流分解装置包括：

用于对所述单相环流I_c进行分相，得到至少两个相位不同的虚拟电流信号的分相装置；以及，

用于对所述虚拟电流信号进行d-q轴正交坐标系变换，得到所述第一校正信号和第二校正信号的坐标变换装置。

其中，所述分相装置可采用延迟电路或积分电路将所述单相环流I_c进行分相处理后得到正交两相虚拟电流信号，或采用延迟电路将所述单相环流I_c进行分相处理后得到对称三相虚拟电流信号；然后再由所述坐标变换装置对所述正交两相或对称三相虚拟电流信号进行d-q变换，得到环流的d-q分量，即I_cd和I_cq；然后可用I_cd和I_cq中的任一个作为所述第一校正信号，另一个则作为所述第二校正信号I_cq。

在本发明所述的单相并联逆变器系统中，所述频率控制装置包括：用于对所述第一校正信号进行P调节或PI调节从而得到频率校正量Δf的第一调节器G1，根据频率校正量Δf对基准频率f_o进行校正的频率校正装置，以及锁相环(15)。

在本发明所述的单相并联逆变器系统中，所述幅值控制装置包括：用于对所述第二校正信号进行P调节或PI调节从而得到幅值校正量Δv的第二调节器G2，根据幅值校正量Δv对基准幅值V_r进行校正的幅值校正装置，以及对校正后的幅值进行P调节或PI调节的幅值补偿调节装置G3。

本发明把单相环流信号I_c送入分相装置，变成至少有两相或三相的虚拟多相电流信号，然后再用坐标变换装置，得环流的有功和无功分量，从而便于进行控制，使系统即使在瞬时状态、如负载突变时，也能保持各逆变器模块的负载均等分配，从而使各个逆变器模块能稳定地工作。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有三相并联逆变器系统的均流技术原理示意图，同时可作为本发明单相逆变器并联系统的均流原理示意图；

图2是本发明单相逆变器并联系统中正交两相式分相的原理图；

图3是本发明单相逆变器并联系统中三相对称式分相的原理图。

具体实施方式

本发明的工作原理仍然借助图1说明，不过图中的I_o，I_a，I_c，V_o已不再为三相信号，而是单相信号。下面以单相逆变模块1为例，说明工作原理，从图中可以看出，单相逆变模块1中包括：

由第一调节器G1、频率校正装置14和锁相环15所组成的频率控制装置；由第二调节器G2、幅值校正装置11和幅值补偿调节装置G3组成的幅值控制装置；逆变器主电路13；环流分解装置18及环流检测装置19。其中，控制信号产生器包含于逆变器主电路13中，未在图1中画出。

工作时，由环流检测装置19检测出I_o与所有并联模块平均输出电流I_a之差，即为本模块的环流I_c＝I_o-I_a。环流I_c为静止坐标系下的交变信号，它被送入环流分解装置18，得环流的d-q分量I_cd、I_cq(本模块的V_o也被送至环流分解装置18，用于产生分解所必需的正弦、余弦同步基准信号)。I_cd为环流的瞬时有功分量，-I_cq为环流的瞬时无功分量。本实施例中以I_cd作为第一校正信号，该信号经第一调节器G1后得到频率校正量Δf；I_cq作为第二校正信号经第二调节器G2后得到幅值校正量Δv。第一调节器G1、第二调节器G2可以为P(比例)调节器，也可以为PI(比例积分)调节器。频率校正量Δf输入到频率校正装置14，对基准频率f_o进行校正，其结果输出到锁相环(PPL)，最后得到用于控制逆变器输出电压频率的频率控制信号f^*，它最终决定模块的相位；幅值校正量Δv输入幅值校正装置11，对基准幅值V_r进行校正，其结果输出到幅值补偿调节装置G3，G3可以为P(比例)调节器，也可以为PI(比例积分)调节器，最后得到用于控制逆变器输出电压幅值的幅值控制信号V^*。频率控制信号f^*和幅值控制信号V^*被输入到逆变模块的控制信号产生器，再产生用于控制逆变器主电路1中的开关器件的开关器件控制信号。

具体实施时，还可将I_cq作为第一校正信号经第一调节器G1后得到频率校正量Δf；将I_cd作为第二校正信号经第二调节器G2后得到幅值校正量Δv，其余过程保持不变。

本发明中，环流分解装置包括分相装置和坐标变换装置。其中的分相装置用于把环流I_c移相一定的角度得电流信号I_y，有时还把环流I_c移相另一的角度得电流信号I_z，然后把I_c作为I_x和I_y(或连同I_z)一起送入坐标变换装置，坐标变换装置把分相后的环流从静止坐标系变换到两相旋转坐标，即进行d-q变换，得环流的d-q分量I_cd、I_cq。关于环流分解，可用下面两类方法：(1)、从单相信号I_c分相后成正交的两相虚拟电流信号I_x、I_y，坐标变换装置采用的是两相静止坐标到两相旋转坐标的变换；(2)、从单相信号I_c分相后成为对称的三相虚拟电流信号I_x、I_y、I_z，坐标变换装置采用的是三相静止坐标到两相旋转坐标的变换。

两类方法的共同特点是：单相信号I_c最终变成两相正交的旋转坐标系的信号I_cd、I_cq，具体的坐标变换方法见交流电机学的相关书籍(比如由陈伯时主编的“电力拖动自动控制系统”，机械工业出版社，92年出版，§7-7，P242-247)。

一、正交两相式分相

分相装置把环流I_c作为虚拟电流信号I_x，I_c移相90°或积分得与I_c正交的虚拟电流信号I_y。

1、延迟方法

如图2所示，其中I_y为1/4周期以前的环流瞬时值，考虑到在线式UPS的逆变输出跟踪旁路市电，逆变频率会随市电有小范围的变化，在程序中有一个信号，为PWM(脉宽调制)频率调制度m，用于反映前一个工频周期总的采样次数(例如，采样频率为20kHz，本振频率定为50Hz，则每个工频周期有400个采样，从而频率调制度m＝400)。因此，I_y可用z变换表示为：

I_y(z)＝I_c(z)·z^-m/4

即I_c延迟m/4个采样周期(即90°)后得I_y。

2、积分方法

对于正弦量来说，积分相当于移相90°，因此可用I_c积分得到与其正交的I_y，即：

$I_y={\∫}_0^t{I}_c\mathrm{dt}$

延迟方法为了实现延时，需要在内存中开辟长度为m/4的FIFO(先进先出)队列，用于保存当前拍至以前m/4拍的所有环流值。当采样频率提高后，m要按比例增大，会过多占用内存变量空间。而采用积分，只多一个变量，并且积分有滤波效果，有利于抗干扰。

二、三相对称式分相

分相装置把环流I_c作为虚拟电流信号I_x，通过下列方法得到互差120°的三个虚拟电流信号I_x、I_y、I_z。

1、I_x延迟m/3个采样周期(即120°)后得I_y，I_x延迟2m/3个采样周期(即240°)后得I_z。

I_y(z)＝I_x(z)·z^-m/3

I_z(z)＝I_x(z)·z^-2m/3

2、I_x延迟m/3个采样周期(即120°)后得I_y。利用I_x+I_y+I_z＝0得Iz

I_y(z)＝I_x(z)·z^-m/3

I_z(z)＝-I_x(z)·-I_y(z)

3、I_x延迟m/6个采样周期(即60°)后得-I_z。利用I_x+I_y+I_z＝0得Iy

I_z(z)＝-I_x(z)·z^-m/6

I_y(z)＝-I_x(z)·-I_z(z)。

Claims (8)

1、一种单相并联逆变器系统，所述系统中至少有两个并联的逆变器模块，每一个逆变器模块中包括逆变主电路和控制电路，所述控制电路包括：

用于检测所述逆变器主电路的输出环流I_c的环流检测装置；

根据所述环流I_c生成对应于频率控制信号的第一校正信号以及对应于幅值控制信号的第二校正信号的环流分解装置；

根据所述第一校正信号产生输出电压的频率控制信号的频率控制装置；

根据所述第二校正信号产生输出电压的幅值控制信号的幅值控制装置；

根据所述幅值控制信号和频率控制信号，产生用于控制所述逆变主电路的控制信号的控制信号产生器；

其特征在于，所述环流分解装置包括：

用于对所述单相环流I_c进行分相，得到至少两个相位不同的虚拟电流信号的分相装置；以及，

用于对所述虚拟电流信号进行d-q轴正交坐标系变换，得到所述第一校正信号和第二校正信号的坐标变换装置。

2、根据权利要求1所述的单相并联逆变器系统，其特征在于，所述分相装置对所述单相环流I_c进行正交两相式分相，得到正交两相虚拟电流信号I_x、I_y；所述坐标变换装置对所述正交两相虚拟电流信号进行d-q变换，得到所述第一校正信号和第二校正信号。

3、根据权利要求2所述的单相并联逆变器系统，其特征在于，所述分相装置将环流I_c作为虚拟电流信号I_x，采用延迟电路对所述单相环流I_c进行处理，得到四分之一周期以前的环流瞬时值I_y。

4、根据权利要求2所述的单相并联逆变器系统，其特征在于，所述分相装置将环流I_c作为虚拟电流信号I_x，采用积分电路对所述单相环流I_c进行处理，得到环流瞬时值的积分I_y。

5、根据权利要求1所述的单相并联逆变器系统，其特征在于，所述分相装置对所述单相环流I_c进行三相对称式分相，得到对称三相虚拟电流信号I_x、I_y、I_z；所述坐标变换装置对所述对称三相虚拟电流信号进行d-q变换，得到所述第一校正信号和第二校正信号。

6、根据权利要求5所述的单相并联逆变器系统，其特征在于，所述分相装置将环流I_c作为虚拟电流信号I_x，采用延迟电路对所述单相环流I_c进行处理，得到三分之一周期以前的环流瞬时值I_y和三分之二周期以前的环流瞬时值I_z。

7、根据权利要求1-6中任一项所述的单相并联逆变器系统，其特征在于，所述频率控制装置包括：用于对所述第一校正信号进行P调节或PI调节从而得到频率校正量Δf的第一调节器G1，根据频率校正量Δf对基准频率f_o进行校正的频率校正装置(14)，以及锁相环(15)。

8、根据权利要求1-6中任一项所述的单相并联逆变器系统，其特征在于，所述幅值控制装置包括：用于对所述第二校正信号进行P调节或PI调节从而得到幅值校正量Δv的第二调节器G2，根据幅值校正量Δv对基准幅值V_r进行校正的幅值校正装置(11)，以及对校正后的幅值进行P调节或PI调节的幅值补偿调节装置G3。

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