無輸出隔離變壓器的三相逆變器並聯控制方法
2023-10-29 14:57:02 1
專利名稱：無輸出隔離變壓器的三相逆變器並聯控制方法
技術領域：
本發明涉及ー種變流設備的控制方法，具體地涉及ー種無輸出隔離變壓器的三相逆變器並聯控制方法，屬於特種電源及分布式供電控制技術應用領域。
背景技術：
逆變器並聯運行能夠有效地擴大電源系統容量，提高系統的可靠性，是實現電源模塊化和分布式電源系統的基礎，在大型船舶變配電和陸地微電網系統中得到了廣泛應用。在以上變、配電系統中，大功率三相逆變器為其主要接ロ模塊，但出於對系統體積、重量及成本限制的考慮，通常要求在逆變器輸出側取消隔離變壓器，但這對三相逆變器獨立和並聯運行帶來了ー些新的問題和挑戰，具體如下:(I)當逆變器負載側發生短路時，若逆變器輸出側沒有隔離，會對逆變器的衝擊較大，需要採取有效、可靠的短路保護方法以保證逆變器自身安全，防止故障擴大。(2)由於輸出側沒有隔離，並聯逆變器間不可避免出現通過開關功率器件和輸出濾波電抗器而直接將各逆變器直流輸入動力電源短接的路徑，從而產生較大開關頻率特徵電流諧波，導致並聯投入不可靠和不穩定，需要加以解決。(3)由於輸出側沒有隔離，並聯時會出現獨立運行時沒有的LCL諧振頻率點較大電流諧波，導致系統不穩定，需要加以解決。(4)由於輸出側沒有隔離，當逆變器直流側也並聯時，在並聯時產生的環流會導致直流母線電壓升高，影響逆變器的安全運行，因而更需要好的環流控制算法。(5)即使對於相同硬體架構的逆變器，由於器件參數和控制系統參數的差異及各逆變器輸出電纜長度的不同，也會導致各逆變器輸出阻抗大小和阻感特性的差異，使得傳統經典無互聯線下垂並聯算法難以保證並聯功率均分的效果。因此，在無輸出隔離變壓器的條件下，如何同時保證各逆變器並聯運行的安全穩定及負載電流和功率的均分成為亟待解決的問題。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足而提供一種無輸出隔離變壓器的三相逆變器並聯控制方法。實現本發明目的採用的技術方案是:一種無輸出隔離變壓器的三相逆變器並聯控制方法，包括，在每個三相逆變器的輸出端連接LCL濾波器，且在所述LCL濾波器的濾波電容上串聯阻尼電阻；使每臺三相逆變器控制器之間的載波同步；控制相位預同步以鎖定頻率和相位，井根據預同步和載波同步實時計算相角；將所述計算的相角進行dq坐標變換，得到三相併聯母線電壓、LCL濾波電容電壓、三相逆變器橋臂電感電流和輸出電流的d、q軸分量Usd、Usq, Ufd, Ufq, Imd, Imq, Isd, Isq ；
將每臺三項逆變器的輸出阻抗調整為純感性，然後採用無互聯線下垂控制算法，得到修正的電壓控制指令值；當每臺三相逆變器獨立運行或並聯時，採用極點配置電壓控制算法控制LCL濾波電容電壓；而當負載側發生異常エ況時，則採用PI電流控制算法控制逆變器橋臂電感電流以實現限流和可靠保護；在旋轉坐標系下，採用無互聯線下垂控制算法、極點配置電壓控制算法、PI電流控制算法對逆變器LCL濾波電容電壓的d、q軸分量Ufd、Ufq和三相逆變器橋臂電感電流的d、q軸分量Imd、Ifflq分別進行解耦控制，獲得三相逆變器參考輸出電壓矢量；將解耦控制所得的參考電壓矢量通過脈寬調製器，生成控制脈衝信號，再將所述控制脈衝信號經驅動電路，進而控制三相逆變器中功率開關器件，產生相應的電壓。本發明方法在實現逆變器與並聯交流母線間的相位同步和各逆變器間的PWM載波同步的基礎上，採用了極點配置電容電壓控制和虛擬阻抗匹配控制相結合的算法，不但加快了逆變器響應速度、提高了控制性能，而且將其輸出阻抗調整為純感性，減弱了線路阻抗對並聯均流的影響。此外，還採用了無縫模式切換和基於三環控制的交流過流和輸出短路故障保護方法，在無輸出變壓器隔離條件下用於獨立解決並聯微電網短路故障，反應速度快、可靠性高，對於不同大小衝擊負載或短路，均能夠有效地限制輸出電流。
圖1為無輸出變壓器多個三相逆變器並聯繫統的結構示意圖；圖2為本發明無輸出隔離變壓器的三相逆變器並聯控制方法的流程圖；圖3為各逆變器控制器間載波同步的示意圖；圖4為逆變器虛擬阻抗匹配控制方法示意圖；圖1中，1-直流動カ源，2-三相逆變器，3-LCL濾波器，4-並聯交流母線，5-公共負載。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作進ー步的詳細說明。如圖2所示，本發明無輸出隔離變壓器的三相逆變器並聯控制方法包括以下步驟:步驟SlOl:如圖1所示的無輸出變壓器多個三相逆變器的並聯繫統，直流動カ源I連接在三相逆變器2的輸入端，三相逆變器2的輸出端連接LCL濾波器3，LCL濾波器3輸出連接在並聯交流母線4上，並聯交流母線4上連接有公共負載5。本發明在三相逆變器2的輸出端連接LCL濾波器3，以便在較小的濾波電感量下輸出電壓、電流的品質得到保證。並且，在所述LCL濾波器3的濾波電容上串聯阻尼電阻，以增加穩定性和抑制諧振點諧波、増大控制參數的穩定域。該並聯繫統採用多臺相同硬體架構的三相逆變器作為模塊進行並聯以方便有效地擴大系統容量，提高系統的可靠性，實現分布式供電。步驟S102:為防止出現各三相逆變器2間通過開關功率器件和輸出濾波電抗器而直接將直流動カ輸入源短接的路徑，從而產生較大開關頻率特徵電流諧波，影響並聯穩定性，各三相逆變器2開關頻率必須相同且採用了如圖3所示的各三相逆變器控制器間載波同步的方法。本實施例中，各三相逆變器2的控制器均採用相同的基於數位訊號處理器(DSP)的數字控制器，用脈寬調製方法(PWM)最終控制逆變器功率開關器件的導通和關斷，並且各三相逆變器開關頻率fS相同。採用如圖3所示的各三相逆變器控制器間載波(三角波)同步的方法，同時選擇倍頻數N是3的奇數倍，在無輸出隔離變壓器的情況下基本消除了 3次及其倍頻諧波。如圖3所示，固定以其中一臺三相逆變器的控制器或一臺專用控制器(嵌入式控制MCU)作為載波同步源，在每個控制器開關周期計數過零點發出載波同步脈衝，經光纖發送到其它各三相逆變器控制器而引發其外部中斷，其它各三相逆變器的控制器在外部中斷響應程序中根據同步脈衝傳輸延時修正各自開關周期計數值，從而達到載波(三角波)同步的目的。三相逆變器並聯時，使每臺三相逆變器控制器之間載波同步，井根據預同步和載波同步實時計算相角。本發明採用並聯前預同步和並聯運行時載波同步的方法，確保了三相逆變器與並聯交流母線間的相位同步和各逆變器間的PWM載波同歩。步驟S103:在上述各三相逆變器並聯之前，為減小並聯開關合閘瞬時的電壓和電流衝擊，本實施例通過採樣得到並聯交流母線4的三相電壓Ua，Ub, U。，再由數位訊號處理器採用數字延遲信號對消算法得到並聯母線電壓的正、負序d、q軸分量，然後將並聯母線電壓的正序q軸分量作為軟體鎖相環PI調節器的反饋輸入，通過PI算法控制並聯母線電壓正序q軸分量為0來輸出逆變器跟蹤並聯母線頻率f的調整量，從而預先鎖定並聯母線的頻率f和正序相角9,達到相位預同步。步驟S104:根據步驟S102和S103計算的相角進行dq坐標變換，得到三相併聯母線電壓、LCL濾波電容電壓、三相逆變器橋臂電感電流和輸出電流的d、q軸分量Usd、Usq、Ufd、Ufq、Imd、Imt1、Isd、Is<i°步驟S105:將每臺三項逆變器的輸出阻抗調整為純感性，然後採用無互聯線下垂控制算法，得到修正的電壓控制指令值；實現了在各逆變器等效輸出阻抗不均衡時，多臺電壓源逆變器快速、穩定並聯，抑制環流，均分有功和無功功率；本實施例採用的虛擬阻抗控制算法和改進的無互聯線下垂控制算法具體為:
權利要求
1.一種無輸出隔離變壓器的三相逆變器並聯控制方法，其特徵在於，包括: 在每個三相逆變器的輸出端連接LCL濾波器，且在所述LCL濾波器的濾波電容上串聯阻尼電阻； 使每臺三相逆變器控制器之間的載波同步； 控制相位預同步以鎖定頻率和相位，井根據預同步和載波同步實時計算相角； 將所述計算的相角進行dq坐標變換，得到三相併聯母線電壓、LCL濾波電容電壓、三相逆變器橋臂電感電流和輸出電流的d、q軸分量UsdヽUずUfd, Ufq, Imd, Imq, Isd, Isq ； 將每臺三項逆變器的輸出阻抗調整為純感性，然後採用無互聯線下垂控制算法，得到修正的電壓控制指令值； 當每臺三相逆變器獨立運行或並聯時，採用極點配置電壓控制算法控制LCL濾波電容電壓；而當負載側發生異常エ況時，則採用PI電流控制算法控制逆變器橋臂電感電流以實現限流和可靠保護； 在旋轉坐標系下，採用無互聯線下垂控制算法、極點配置電壓控制算法、PI電流控制算法對逆變器LCL濾波電容電壓的d、q軸分量Ufd、Ufq和三相逆變器橋臂電感電流的d、q軸分量Imd、Ifflq分別進行解耦控制，獲得三相逆變器參考輸出電壓矢量； 將解耦控制所得的參考電壓矢量通過脈寬調製器，生成控制脈衝信號，再將所述控制脈衝信號經驅動電路，進 而控制三相逆變器中功率開關器件，產生相應的電壓。
2.根據權利要求1所述的無輸出隔離變壓器的三相逆變器並聯控制方法，其特徵在幹:各三相逆變器的制器均採用相同的基於數位訊號處理器的數字控制器，用脈寬調製方法控制三相逆變器功率開關器件的導通和關斷，並且各三相逆變器開關頻率fS相同；固定以其中一臺三相逆變器控制器或一臺專用控制器作為載波同步源，在每個控制器開關周期計數過零點發出載波同步脈衝，經光纖發送到各三相逆變器控制器而引發其外部中斷，各逆變器控制器在外部中斷響應程序中根據同步脈衝傳輸延時修正各自開關周期計數值，從而達到載波同歩。
3.根據權利要求1所述的無輸出隔離變壓器的三相逆變器並聯控制方法，其特徵在於:通過採樣得到並聯交流母線的三相電壓Ua，Ub, Uc，再由數位訊號處理器採用數字延遲信號對消算法得到並聯母線電壓的正、負序d、q軸分量，然後將並聯母線電壓的正序q軸分量作為軟體鎖相環PI調節器的反饋輸入，通過PI算法控制並聯母線電壓正序q軸分量為O來輸出逆變器跟蹤並聯母線頻率f的調整量，從而預先鎖定並聯母線的頻率f和正序相角0，從而達到相位預同歩。
4.根據權利要求1所述的無輸出隔離變壓器的三相逆變器並聯控制方法，其特徵在幹，體採用如下公式進行虛擬阻抗控制算法和無互聯線下垂控制算法:
5.根據權利要求1所述的無輸出隔離變壓器的三相逆變器並聯控制方法，其特徵在於:對極點配置電壓控制算法採用以下電壓指令補償算法: Ufdref=Usdref+ W * U * Isq Ufqref=Usqref — w * Lg Isd 其中UfdMf、Ufvrf分別為LCL濾波器濾波電容電壓d、q軸指令值，CO為輸出交流電壓角頻率，Lg為LCL濾波器的端ロ輸出電感值，Usdref, Usqref分別為逆變器輸出電壓d、q軸指令值，Isd、Isq分別為三相逆變器輸出d、q軸電流。
6.根據權利要求1所述的無輸出隔離變壓器的三相逆變器並聯控制方法，其特徵在於:它還包括基於三環控制的交流過流和短路故障保護方法，包括以下步驟:首先在電流環中對橋臂電感的參考電流ImdMf、Ifflqref的大小進行限幅；然後採用電流瞬時值硬體滯環限流控制，當輸出電流的峰值達到預先設定好的限流值Ihi後，立即封鎖PWM信號，強迫電流進入續流狀態，使輸出電流減小；當輸出電流減小到低於限流值的某一設定值後，撒銷封鎖信號，讓電路中的原有的控制信號正常發揮作用；而當輸出電流的峰值達到預先設定好的限流值Ih2後，立即永久封鎖PWM信號，同時使逆變器進入故障保護停機狀態，其中，lie, Ihiz 丄hl°
7.根據權利要求廣6任一項所述的無輸出隔離變壓器的三相逆變器並聯控制方法，其特徵在於:所述脈寬 調製器為電壓空間矢量脈寬調製器，其調製方式為電壓空間矢量脈寬調製方式。
全文摘要
本發明公開了一種無輸出隔離變壓器的三相逆變器並聯控制方法，該方法包括在每個三相逆變器的輸出端連接LCL濾波器，且在所述LCL濾波器的濾波電容上串聯阻尼電阻，以增加穩定性和抑制諧振點諧波、增大控制參數的穩定域；採用並聯前預同步和並聯運行時載波同步的方法，使得三相逆變器與並聯交流母線間的相位同步和各並聯逆變器間的載波同步，保證了並聯的穩定性；採用極點配置電容電壓控制和虛擬阻抗匹配控制相結合的算法，加快逆變器的響應速度，提高控制性能，減弱線路阻抗對並聯均流的影響；以及採用無縫模式切換和基於三環控制的交流過流和短路故障保護方法，在無輸出隔離變壓器條件下用於獨立解決並聯微電網短路故障。
文檔編號H02M7/48GK103095165SQ20131001484
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月16日 優先權日2013年1月16日
發明者揭貴生, 汪光森, 胡安, 王恆利, 孫馳, 肖飛, 陽習黨, 朱威, 楊華, 陸明科 申請人:武漢新能源接入裝備與技術研究院有限公司