CN202931221U - 逆变器并联控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种逆变器并联控制系统，该系统包括并联至交流母线的至少两个逆变单元，每个逆变单元包括逆变器、下垂控制模块、参考电压生成单元和微调单元，还包括：母线电压检测单元和频率电压调节环，用于根据采集的母线电压的频率和幅值，计算空载输出角频率值δω和空载输出电压幅值δE，并分别提供给各逆变单元的下垂控制模块；下垂控制模块用于计算输出给第j个逆变单元的频率指令值ω_j和幅值指令值E_j，并提供给参考电压生成单元，以形成参考电压u_ref。本实用新型所提供的逆变器并联控制系统，通过增设对整个逆变系统的电压-频率调节，能够有效适应于负载波动时的电压调节。

Description

逆变器并联控制系统

技术领域

本实用新型涉及电气控制技术，尤其涉及一种逆变器并联控制系统。

背景技术

随着城市交通压力的增大，城轨车辆成为越来越重要的轨道交通工具。辅助逆变器作为轻轨车的一部分，其工作的可靠性对整个车辆的运行有很大的影响，如何提高供电可靠性迫在眉睫。

现有技术为适应大功率负载的需求，大部分采用辅助逆变器并联控制方案，即将多个逆变单元并联连接，向负载提供电源。辅助逆变器并联控制方案在实际运用中一般存在运行不稳定和环流大的问题，现有技术往往采用电压-频率下垂控制策略来进行输出调整。

逆变器电压-频率下垂控制原理如图1所示，并联至交流母线的每个逆变单元包括逆变器1、下垂控制模块、参考电压生成单元3和微调单元O。逆变器1就是能够由脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）控制信号进行控制的PWM逆变器。下垂控制模块包括功率计算单元21和下垂控制单元22。

电压-频率下垂法控制策略的实质为：每个逆变单元检测自身输出的电压值u和电流值i；据此计算有功功率P和无功功率Q；基于下垂特性曲线得到待调整的输出电压频率指令值ω_i和幅值指令值E_i；然后根据频率指令值和幅值指令值，通过调整PWM控制信号来反相微调逆变器输出电压的幅值和频率，从而达到有功和无功功率的合理分配。即，对于输出有功功率大的逆变单元，通过频率下垂特性减小其输出频率，从而减少其有功功率输出；输出有功功率小的逆变单元，通过频率下垂特性增大其输出频率，从而增加其有功功率输出；输出无功功率大的逆变单元，通过幅值下垂特性降低其电压幅值，从而减小其输出无功功率；输出无功功率小的逆变单元，通过幅值下垂特性抬高其电压幅值，从而增大其输出无功功率。即输出功率较少的逆变单元会根据电压-频率下垂特性增加其输出，而输出功率相对较多的逆变单元则相应的减少其输出，并且这种自我调节过程将一直持续下去，直到并联系统达到最小环流点。由于逆变单元内阻很小，其输出外特性会比较“硬”，很小的幅值或相位差都会在并联的逆变单元之间产生很大的系统环流。因而引入电压-频率下垂法控制，就会使其输出特性相应变“软”。

逆变单元的输出电压频率和幅值基于如下公式（1）变化：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_j={\mathrm{\ω}}_{0j}-m_j{P}_j\\ E_j=E_{0j}-n_j{Q}_j\end{array}\right.(j=\mathrm{1,2},......,n)---\left(1\right)$

其中，n为逆变单元的数量，ω_0j为第j个逆变单元空载输出角频率，E_0i为第j个逆变单元空载输出电压幅值，P_j为第j个逆变单元的输出有功功率，Q_j为第j个逆变单元的输出无功功率，m_j为第j个逆变单元输出角频率的下垂系数、n_j为第j个逆变单元输出幅值的下垂系数。

所以，电压-频率下垂控制策略可以利用上述公式（1）计算输出电压的频率指令值ω_i和幅值指令值E_i。

但是，现有技术所采用的电压-频率下垂控制方法存在如下缺陷：电压-频率下垂控制策略是在局部小范围内对逆变单元的输出功率进行动态微调，但无法应对负载波动比较大时的功率调节，不能实现静态无误差。

实用新型内容

本实用新型提供一种逆变器并联控制系统，以适应负载波动时的逆变器功率调节。

本实用新型提供了一种逆变器并联控制系统，包括并联至交流母线的至少两个逆变单元，每个所述逆变单元包括逆变器、下垂控制模块、参考电压生成单元和微调单元，其特征在于，还包括：

母线电压检测单元，用于从交流母线采集母线电压的频率ω_MG和幅值E_MG；

频率电压调节环，与所述母线电压检测单元相连，用于根据采集的母线电压的频率和幅值，基于如下公式计算下垂控制模块的空载输出角频率值δω和下垂控制模块的空载输出电压幅值δE，并分别提供给各逆变单元的下垂控制模块：

δω=k_pω(ω_MG*-ω_MG)+k_ω∫(ω_MG*-ω_MG)dt+Δωs

δE=k_pE(E_MG*-E_MG)+k_iE∫(E_MG*-E_MG)dt

其中，k_pω、k_iω、k_pE和k_iE分别为设定的控制参数，ω_MG*为设定的交流母线电压频率值，E_MG*为设定的交流母线电压幅值，Δωs为同步锁相环的输出值；

其中，所述下垂控制模块，用于基于如下公式计算输出给第j个逆变单元的频率指令值ω_j和幅值指令值E_j，并提供给参考电压生成单元，以形成参考电压u_ref：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_j={\mathrm{\ω}}_{0j}-m_j{P}_j\\ E_j=E_{0j}-n_j{Q}_j\end{array}\right.(j=\mathrm{1,2},......,n),$ 其中， $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{0j}=\mathrm{\δ\ω}\\ E_{0j}=\mathrm{\δE}\end{array}\right.$

其中，n为逆变单元的数量，ω_0j为第j个逆变单元空载输出角频率，E_0j为第j个逆变单元空载输出电压幅值，P_j为第j个逆变单元的输出有功功率，Q_j为第j个逆变单元的输出无功功率，m_j为第j个逆变单元输出角频率的下垂系数、n_j为第j个逆变单元输出幅值的下垂系数。

如上所述的逆变器并联控制系统，优选的是：

在参考电压生成单元和微调单元之间连接有虚拟感性阻抗，且基于下述公式计算设定的逆变器输出电压值，以供微调单元进行调整：

u₀*＝u_ref-Z_vir(s)i₀

其中，u_o*为设定的逆变器输出电压值；u_ref为参考电压生成单元的输出；Z_vir(s)为虚拟感性阻抗值；i_o为逆变器的输出电流值。

如上所述的逆变器并联控制系统，优选的是：

在所述虚拟感性阻抗和参考电压生成单元之间还配置有低通滤波器，则基于下述公式处理参考电压生成单元输出的参考电压u_ref：

$u_0*=u_{\mathrm{ref}}\left(s\right)-L_{\mathrm{vir}}s\frac{{\mathrm{\ω}}_p}{s+w_p}{i}_0$

其中，Z_vir(s)=L_virs，ω_p为低通滤波器的转折角频率。

如上所述的逆变器并联控制系统，优选的是：所述虚拟感性阻抗和低通滤波器分别采用集成有控制算法的控制器实现。

本实用新型所提供的逆变器并联控制系统，通过增设对整个逆变系统的电压-频率调节，能够有效适应于负载波动时的电压调节。

附图说明

图1为现有技术中逆变器电压-频率下垂控制原理示意图；

图2为本实用新型实施例提供的逆变器并联控制系统的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的逆变器并联控制系统中虚拟阻抗电路示意图。

具体实施方式

图2为本实用新型实施例提供的逆变器并联控制系统的结构示意图，本实用新型实施例所提供的逆变器并联控制系统，包括并联至交流母线20的至少两个逆变单元10，本实施例仅以包括三个逆变单元10为例进行说明，其他数量的逆变单元10采用相同的方式连接。

每个逆变单元10包括逆变器1、下垂控制模块2、参考电压生成单元3和微调单元4。其中，逆变器1典型的为PWM控制信号控制的PWM逆变器。下垂控制模块2具体用于根据逆变单元10输出端采集的输出电压和电流，计算有功功率和无功功率，而后基于频率和幅值的下垂特性曲线确定频率指令值和幅值指令值，参数采集、功率计算和下垂特征计算过程均可参照图1所示的已有技术来实现。参考电压生成单元3用于根据频率指令值和幅值指令值计算并产生参考电压。微调单元4具体可包括电压环和电流环，即电压电流双闭环控制单元，用于根据参考电压，以及逆变器1反馈的输出电压和输出电流，确定待调节的电压变量和电流变量，并据此改变PWM控制信号，调整逆变器的输出电压，微调单元4中的电压环和电流环调节过程可基于已有技术实现，本实用新型中并不对此进行限制。

在上述技术方案的基础上，本实施例的逆变器并联控制系统进一步包括：母线电压检测单元30和频率电压调节环40。

其中，母线电压检测单元30，用于从交流母线20采集母线电压的频率ω_MG和幅值E_MG；频率电压调节环40与母线电压检测单元30相连，用于根据采集的母线电压的频率和幅值，基于如下公式（2）和（3）计算下垂控制模块的空载输出角频率值δω和下垂控制模块的空载输出电压幅值δE，并分别提供给各逆变单元10的下垂控制模块2：

δω=k_pω(ω_MG*-ω_MG)+k_iω∫(ω_MG*-ω_MG)dt+Δωs    （2）

δE＝k_pE(E_MG*-E_MG)+k_iE∫(E_MG*-E_MG)dt                （3）

其中，k_pω、k_iω、k_pE和k_iE分别为设定的控制参数，通常可由技术人员结合经验和实验结果进行预先设定。ω_MG*为设定的交流母线电压频率值，E_MG*为设定的交流母线电压幅值，Δωs为同步锁相环的输出值，同步锁相环用于保持不同逆变单元之间的相位同步，通过控制逆变单元输出的频率值而使其相位同步，同步锁相技术为已有技术，本实施例中考虑了同步锁相环对频率的整体控制影响。

频率电压调节环为对所有逆变单元进行整体控制的环节，空载输出角频率值δω和空载输出电压幅值δE分别提供给各逆变单元的下垂控制模块。各逆变单元的下垂控制模块除根据已有的下垂控制策略计算之外，还需考虑空载输出角频率值δω和空载输出电压幅值δE。即，第j个逆变单元的下垂控制模块具体用于基于如下公式（4）计算输出给第j个逆变单元的频率指令值ω_j和幅值指令值E_j，并提供给参考电压生成单元，以形成参考电压υ_ref：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_j={\mathrm{\ω}}_{0j}-m_j{P}_j\\ E_j=E_{0j}-n_j{Q}_j\end{array}\right.(j=\mathrm{1,2},......,n),$ 其中 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{0j}=\mathrm{\δ\ω}\\ E_{0j}=\mathrm{\δE}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，n为逆变单元的数量，ω_0j为第j个逆变单元空载输出角频率，E_0j为第j个逆变单元空载输出电压幅值，P_j为第j个逆变单元的输出有功功率，Q_j为第j个逆变单元的输出无功功率，m_j为第j个逆变单元输出角频率的下垂系数、n_j为第j个逆变单元输出幅值的下垂系数。逆变单元空载输出角频率ω_0j和逆变单元空载输出电压幅值E_0j分别来自于频率电压调节环的输出δω和δE。

通过与已有下垂控制公式（1）比较可知，本实用新型实施例在已有下垂控制的基础上，进一步增设了整体的电压频率控制，相当于幅值和频率的二次调节，能够适应于负载波动时对整个逆变器并联控制系统进行调整，使其迅速满足负载波动的需求。

在本实用新型上述实施例中，优选是在参考电压生成单元3和微调单元4之间连接有虚拟感性阻抗5，可通过比较器6连接。且基于下述公式（5）计算设定的逆变器输出电压值，以供微调单元4进行调整：

u₀*=u_ref-Z_vir(s)i₀

（5）

其中，u_o*为设定的逆变器输出电压值；u_ref为参考电压生成单元的输出；Z_vir(s)为虚拟感性阻抗值；i_o为逆变器的输出电流值。

在虚拟感性阻抗5和参考电压生成单元3之间还配置有低通滤波器7，则用于基于下述公式（6）处理参考电压生成单元3输出的参考电压υ_ref：

$u_0*=u_{\mathrm{ref}}\left(s\right)-L_{\mathrm{vir}}s\frac{{\mathrm{\ω}}_p}{s+w_p}{i}_0---\left(6\right)$

其中，Z_vir(s)=L_virs，ω_p为低通滤波器的转折角频率。

在本实用新型实施例中，优选是虚拟感性阻抗和低通滤波器分别采用集成有控制算法的控制器实现。无需增设硬件既可以使逆变器的输出阻抗呈感性，满足电压-频率下垂控制策略的前提条件，保证控制的准确性和可靠性。

设置有感性虚拟阻抗的电路如图3所示。相当于在逆变器输出端与参考电压之间串联了感性虚拟阻抗。如图3所示，由于并联的各个逆变器输出阻抗的差异，并且通常情况下输出阻抗都为阻性，这样并联逆变器的输出阻抗影响着并联系统的功率均分精度，严重时甚至会影响到基于有功功率和无功功率调整的下垂特性控制的理论。为了减少逆变器输出阻抗对并联系统的影响，又不在逆变器的输出端真正串入阻抗，可以在逆变器系统中加入一远大于逆变器输出阻抗的虚拟阻抗。也就是使逆变器的输出电流以阻抗压降的形式从其参考电压中减去。

公式（5）可以直接应用于线性负载的并联系统中，但是，当负载为非线形负载时，无疑会将输出谐波电流引入系统中，从而使逆变器参考电压中含有谐波，最终加大了逆变器输出电压的谐波含量；同时由于谐波电流的频率较高，在相同的虚拟电感情况下会产生较大的阻抗压降，过多地降低了输出电压的控制精度。为了克服这些不足，可以将输出电流先通过一低通滤波器滤除其谐波，则通过公式（6）获得参考电压。

本实用新型实施例所提供逆变器并联控制系统的工作过程如下：

首先，每个逆变单元的内环下垂控制，通过对自身输出的电压电流计算出有功功率和无功功率，继而产生电压和频率指令值，与虚拟阻抗环作用后通过电压环和电流环微调自身的电压幅值和频率实现负载功率的合理分配；其中，虚拟阻抗环的作用是保证逆变器输出阻抗是感性的，并且通过配置感性虚拟阻抗值来保证各个逆变器输出阻抗一致。在逆变器投切或是大负载投切时候，如果仅仅靠下垂控制调节，输出电压会有冲击，容易产生环流。而频率电压调节环的加入可以减少电压的冲击，抑制逆变器投切或是大负载投切时产生的环流。

由上述分析可知，本实用新型实施例提供了一种逆变器并联控制系统，该系统可作为轻轨列车供电的辅助逆变器，当然，也可以广泛用于各种逆变器供电的情况。该逆变器并联控制系统具有诸多优势：

1、通过增设频率电压调节环，使得在电压-频率下垂控制策略的基础上，进一步根据交流母线电压所反映的负载波动，能整体反馈到各逆变单元中进行迅速调节，弥补了下垂控制策略仅进行局部小范围微调的不足，能够有效应对负载波动比较大时的功率调节，实现了静态无误差。

2、已有逆变器的输出阻抗主要取决于线路和其内环控制策略，往往不是感性的，而这与电压-频率下垂控制策略成立的前提条件相违背，电压-频率下垂控制策略的前提条件要求逆变器的输出阻抗是感性的。本实用新型实施例即通过在逆变器输出端增设虚拟感性阻抗，使得逆变器输出端呈现感性阻抗，满足下垂控制策略的要求。同时，本实用新型实施例可采用控制算法来实现虚拟感性阻抗，使逆变器的输出电流以阻抗压降的形式从参考电压中去除。这样不仅满足了阻抗需求，且还无需增设硬件而增大逆变器的体积和重量。

3、上述增设虚拟感性阻抗的方案，还能够减小逆变器输出阻抗和线路阻抗对电压-频率下垂控制策略的影响，减少环流的产生。

本实用新型实施例所提供的逆变器并联控制系统，通过在传统的下垂控制策略的基础上进行改进，增加幅值-频率调节环和虚拟阻抗环，可以解决输出阻抗不一致造成的环流问题和大负载投切前后电压冲击造成的环流问题，从而为车辆提供高品质和可靠的辅助电源。可以极大程度的提高供电可靠性，抑制环流，克服以前那些控制方案的缺点。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种逆变器并联控制系统，包括并联至交流母线的至少两个逆变单元，每个所述逆变单元包括逆变器、下垂控制模块、参考电压生成单元和微调单元，其特征在于，还包括：

母线电压检测单元，用于从交流母线采集母线电压的频率ω_MG和幅值E_MG；

频率电压调节环，与所述母线电压检测单元相连，用于根据采集的母线电压的频率和幅值，基于如下公式计算下垂控制模块的空载输出角频率值δω和下垂控制模块的空载输出电压幅值δE，并分别提供给各逆变单元的下垂控制模块：

δω=k_pω(ω_MG*-ω_MG)+k_iω∫(ω_MG*-ω_MG)dt+Δωs

δE＝k_pE(E_MG*-E_MG)+k_iE∫(E_MG*-E_MG)dt

其中，k_pω、k_iω、k_pE和k_iE分别为设定的控制参数，ω_MG*为设定的交流母线电压频率值，E_MG*为设定的交流母线电压幅值，Δωs为同步锁相环的输出值；

其中，所述下垂控制模块，用于基于如下公式计算输出给第j个逆变单元的频率指令值ω_j和幅值指令值E_j，并提供给参考电压生成单元，以形成参考电压u_ref：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_j={\mathrm{\ω}}_{0j}-m_j{P}_j\\ E_j=E_{0j}-n_j{Q}_j\end{array}\right.(j=\mathrm{1,2},......,n),$ 其中， $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{0j}=\mathrm{\δ\ω}\\ E_{0j}=\mathrm{\δE}\end{array}\right.$

其中，n为逆变单元的数量，ω_0j为第j个逆变单元空载输出角频率，E_0j为第j个逆变单元空载输出电压幅值，P_j为第j个逆变单元的输出有功功率，Q_j为第j个逆变单元的输出无功功率，m_j为第j个逆变单元输出角频率的下垂系数、n_j为第j个逆变单元输出幅值的下垂系数。

2.根据权利要求1所述的逆变器并联控制系统，其特征在于：

在参考电压生成单元和微调单元之间连接有虚拟感性阻抗，且基于下述公式计算设定的逆变器输出电压值，以供微调单元进行调整：

u₀*=u_ref-Z_vir(s)i₀

其中，u_o*为设定的逆变器输出电压值；u_ref为参考电压生成单元的输出；Z_vir(s)为虚拟感性阻抗值；i_o为逆变器的输出电流值。

3.根据权利要求2所述的逆变器并联控制系统，其特征在于：

在所述虚拟感性阻抗和参考电压生成单元之间还配置有低通滤波器，则基于下述公式处理参考电压生成单元输出的参考电压u_ref：

$u_0*=u_{\mathrm{ref}}\left(s\right)-L_{\mathrm{vir}}s\frac{{\mathrm{\ω}}_p}{s+w_p}{i}_0$

其中，Z_vir(s)=L_virs，ω_p为低通滤波器的转折角频率。

4.根据权利要求3所述的逆变器并联控制系统，其特征在于：所述虚拟感性阻抗和低通滤波器分别采用集成有控制算法的控制器实现。

Images