具有負載自適應功能的模塊式並聯逆變系統及控制方法
2023-08-05 15:22:11 2
專利名稱：具有負載自適應功能的模塊式並聯逆變系統及控制方法
技術領域：
本發明涉及一種電力電子領域中的逆變技術，具體的說是一種具有負載自適應功能的模塊式並聯逆變系統及控制方法。
背景技術：
目前模塊式並聯逆變設備多針對固定用電負載設計，運行時所有逆變功率模塊全部處於工作狀態並均分負載，無法進行合理調節，並且逆變功率模塊內的變壓器前置設置，其產生的諧波較大，電磁幹擾大，帶載能力和隔離性能也較差，因此模塊式並聯逆變設備的使用受到限制。又由於逆變設備在輕載時效率較低，因而使用這類並聯逆變設備供給隨機性和時變性很強的生活用電負載時，逆變系統的整體工作效率較低。
發明內容
針對現有技術中逆變系統存在的整體工作效率較低等不足之處，本發明要解決的技術問題是提供一種能夠根據負載情況自動控制逆變功率模塊的投入數量、提高逆變系統整體工作效率的具有負載自適應功能的模塊式並聯逆變系統及控制方法。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是本發明具有負載自適應功能的模塊式並聯逆變系統包括配電模塊、逆變監控模塊和多個逆變功率模塊，直流電由配電模塊輸入，再輸出至各逆變功率模塊的直流輸入端，各逆變功率模塊將輸入的直流電逆變為標準交流電後，送入逆變監控模塊，再由配電模塊向用戶輸出交流電。所述逆變監控模塊包括第I斷路器和設於第I斷路器進線端的電流互感器、第2斷路器以及控制單元，其中控制單元通過第2斷路器連接工作電源，控制單元接收電流監測電路中電流互感器的檢測信號，控制單元的輸出端接有顯示屏，控制單元通過串口與逆變功率模塊進行通訊連接。所述逆變功率模塊包括單相全橋逆變電路、升壓濾波電路、主控電路和驅動電路，其中單相全橋逆變電路接收經過配電模塊配置的直流電進行逆變後經升壓濾波電路輸出交流電；主控電路通過濾波電容接收由配電模塊配置的直流電，通過電流互感器接收電流信號，輸出驅動控制信號至驅動電路，驅動電路的輸出端接至單相全橋逆變電路的驅動信號輸入端。所述單相全橋逆變電路具有兩個並行設置的IGBT開關器件。所述升壓濾波電路包括由第I電感和並聯連接的第1、2電容構成的濾波電路以及由變壓器構成的升壓電路；變壓器原邊與第1、2電容連接，副邊經第2電感通過繼電器和斷路器輸出交流電。所述主控電路以數位訊號控制器作為控制核心，外圍電路包含電源電路、信號檢測電路、IGBT驅動電路、晶振電路以及串口通信電路，其中數位訊號控制器接收信號檢測電路反饋的電壓、電流信號和由逆變監控模塊通過串口通信電路送入的同步、均流指令，通過IGBT驅動電路輸出開關器件IGBT的佔空比。本發明具有負載自適應功能的模塊式並聯逆變系統的控制方法，其特徵在於包括以下步驟
逆變監控模塊判斷用戶是否禁止使用負載自適應功能；如果允許使用負載自適應功能，則向第I逆變功率模塊發出允許並機輸出信號；判斷總負載電流是否增大；當總負載電流增大且大於第2逆變功率模塊的切入電流I2tl時，向第2逆變功率模塊發出允許並機輸出信號；上述步驟針對所有逆變功率模塊執行，計算出允許並機輸出的逆變功率模塊數量m ；向各逆變功率模塊發出均流指令I/m ；返回判斷總負載電流是否增大步驟。當總負載電流增大且不大於第2逆變功率模塊的切入電流I2tl時，轉至計算出允許並機輸出的逆變功率模塊數量m步驟。當總負載電流沒有增大且小於第n逆變功率模塊的切出電流Inl時，向第n逆變功率模塊發出禁止並機輸出信號； 上述步驟針對所有逆變功率模塊執行；接續計算出允許並機輸出的逆變功率模塊數量m步驟。當總負載電流沒有增大且不小於第n逆變功率模塊的切出電流Inl時，轉至計算出允許並機輸出的逆變功率模塊數量m步驟。如果禁止使用負載自適應功能，則逆變監控模塊向所有工作的逆變功率模塊發送允許並機指令和均流指令；接續計算出允許並機輸出的逆變功率模塊數量m步驟。所述逆變功率模塊的工作流程為根據測量得到的逆變功率模塊輸出電壓Vo，按照快速PID算法調節IGBT的驅動信號;判斷逆變功率模塊輸出電壓Vo與標準輸出電壓差值的絕對值是否大於第I閾值電壓；當逆變功率模塊輸出電壓Vo與標準輸出電壓差值的絕對值不大於第I閾值電壓時，根據精細PID算法調節IGBT的驅動信號；判斷逆變功率模塊輸出電壓Vo與標準輸出電壓差值是否小於第2閾值電壓；如果小於第2閾值電壓，則判斷各逆變功率模塊的輸出是否同步；如果同步，則判斷是否允許並機；如果允許並機，則給出並機指令吸合繼電器；測量逆變功率模塊的輸出電流Io，按照快速PID算法調節IGBT的驅動信號；判斷輸出電流Io與均流指令I/m的絕對值差值是否大於第I閾值電流；當輸出電流Io與均流指令I/m的絕對值差值不大於第I閾值電流時，根據精細PID算法調節IGBT的驅動信號；判斷輸出電流Io與均流指令I/m的絕對值差值是否小於第2閾值電流；
如果輸出電流Io與均流指令I/m的絕對值差值小於，則重新返回測量輸出電壓步驟，循環往復執行上述過程。本發明具有以下有益效果及優點I.本發明相對於現有技術，其優點在於逆變監控模塊根據用戶每天不同時段用電量的峰谷特性，自動控制逆變功率模塊的投入數量，保證各逆變功率模塊工作在高效工況下，提高逆變系統的整體工作效率。2.本發明相對於現有技術，其優點還在於帶載能力強、隔離性能好、諧波失真小、電磁幹擾弱。
圖I為本發明系統電氣結構框圖；圖2為本發明系統中逆變功率模塊電路原理圖；圖3為本發明系統中逆變功率模塊主控電路及驅動電路部分原理框圖；圖4為本發明系統中逆變監控模塊電路原理圖；圖5為本發明方法中逆變監控模塊控制算法流程圖；圖6為本發明方法中逆變功率模塊的控制算法流程圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發明具有負載自適應功能的模塊式並聯逆變系統包括配電模塊、逆變監控模塊和多個逆變功率模塊，直流電由配電模塊輸入，再輸出至各逆變功率模塊的直流輸入端，各逆變功率模塊將輸入的直流電逆變為230V、50Hz的交流電後，送入逆變監控模塊，再由配電模塊向用戶輸出交流電。本實施例中，配電模塊和逆變監控模塊為3U標準電氣模塊，逆變功率模塊為4U標準電氣模塊，容量為5kVA。直流電由配電模塊輸入後，由直流母線送入各逆變功率模塊的直流輸入端；各逆變功率模塊將輸入的直流電逆變為230V、50Hz的交流電後，由交流母線並聯送入逆變監控模塊，最後再由配電模塊向用戶輸出。本發明並聯逆變的均流、同步等控制信號由逆變監控模塊與各逆變功率模塊間的485通信總線傳遞。如圖2所示，逆變功率模塊包括單相全橋逆變電路、升壓濾波電路、主控電路和驅動電路，其中單相全橋逆變電路接收經過配電模塊配置的直流電進行逆變後經升壓濾波電路輸出交流電；主控電路通過濾波電容接收由配電模塊配置的直流電，通過電流互感器接收電流信號，輸出驅動控制信號至驅動電路，驅動電路的輸出端接至單相全橋逆變電路的驅動信號輸入端。本實施例中，直流電由直流輸入航插輸入後，經電流互感器和第1、2電容Cl、C2後，通過第2斷路器與主控電路連接，為主控電路提供驅動電源，同時與第1、2開關器件IGBTl和IGBT2的第2腳、第3腳並聯連接。第1、2開關器件IGBTl和IGBT2的第I腳分別與由第I電感LI、第3、4電容C3和C4構成的濾波電路兩端連接，再與環形變壓器原邊連接。環形變壓器副邊與第2電感L2、繼電器和第I斷路器連接後，最後由交流輸出航插輸出交流電。電流互感器檢測到的輸入電流信號送入主控電路，主控電路通過驅動電路提供開關器件IGBTl和IGBT2的驅動信號SPWMl和SPWM2。電路運行異常時，主控電路發出保護信號斷開繼電器，切斷對外輸出。如圖3所示，逆變功率模塊控制電路的主控電路及驅動電路以dsPIC30F數位訊號控制器作為控制核心，外圍電路包含電源及輔助電路、信號(電壓、電流和溫度等)檢測電路、IGBT驅動電路、晶振電路、風扇與航空接觸器驅動電路、人機接口電路和串口通信電路等。數位訊號控制器根據信號檢測電路反饋的電壓、電流信號和由逆變監控模塊通過串口通信電路送入的同步、均流指令，按照內置的控制程序，由IGBT驅動電路控制開關器件IGBT的佔空比，完成對輸出電壓和輸出電 流的控制。如圖4所示，交流母線與逆變監控模塊的交流輸入航插連接，輸入的交流電經電流互感器和第I斷路器後，通過交流輸出航插輸出。直流電由逆變監控模塊的電源航插輸入，通過第2斷路器驅動主控電路，液晶顯示屏、串口與主控電路連接。如圖5所示(注用戶通過逆變功率模塊設置負載自適應參數，包括各逆變功率模塊的切入電流Intl和切出電流Inl，n為大於等於I的整數，是逆變模塊編號)，本發明具有負載自適應功能的模塊式並聯逆變系統的控制方法包括以下步驟逆變監控模塊判斷用戶是否禁止使用負載自適應功能；如果允許使用負載自適應功能，則向第I逆變功率模塊發出允許並機輸出信號；判斷總負載電流是否增大；當總負載電流增大且大於第2逆變功率模塊的切入電流I2tl時，向第2逆變功率模塊發出允許並機輸出信號；上述步驟針對所有逆變功率模塊執行，計算出允許並機輸出的逆變功率模塊數量m ；向各逆變功率模塊發出均流指令I/m ；返回判斷總負載電流是否增大步驟。當總負載電流增大且不大於第2逆變功率模塊的切入電流I2tl時，轉至計算出允許並機輸出的逆變功率模塊數量m步驟。當總負載電流沒有增大且小於第n逆變功率模塊的切出電流Inl時，向第n逆變功率模塊發出禁止並機輸出信號；上述步驟針對所有逆變功率模塊執行；接續計算出允許並機輸出的逆變功率模塊數量m步驟。當總負載電流沒有增大且不小於第n逆變功率模塊的切出電流Inl時，轉至計算出允許並機輸出的逆變功率模塊數量m步驟。如果禁止使用負載自適應功能，則逆變監控模塊向所有工作的逆變功率模塊發送允許並機指令和均流指令；接續計算出允許並機輸出的逆變功率模塊數量m步驟。本實施例中，用戶通過逆變監控模塊的人機界面設定負載自適應功能是否被禁止，如果該功能被禁止，則開機後逆變監控模塊向各逆變功率模塊發出允許並機信號，並根據正常工作的逆變功率某塊個數n發出均流指令，通知各逆變功率模塊並機後調節輸出電流至I/n(I為總負載電流)；如果負載自適應功能被允許，逆變監控模塊讀取用戶由人機界面設定的各個逆變功率模塊的切入電流Intl和切出電流Inl (Intl > Inl, n = 1,2,)，當總負載電流I發生變化時，分別判斷I和Intl與Inl的大小關係，並以此判斷應該投入工作的逆變功率模塊的數量，並根據正常工作的逆變功率某塊個數n發出均流指令，通知各逆變功率模塊並機後調節輸出電流至I/n(I為總負載電流)，不斷循環重複上述過程。如圖6所示，所述逆變功率模塊的工作流程為根據測量得到的逆變功率模塊輸出電壓Vo，按照快速PID算法調節IGBT的驅動信號;判斷變器輸出電壓Vo與標準輸出電壓(230V)差值的絕對值是否大於第I閾值電壓(IOV)；當逆變功率模塊輸出電壓Vo與標準輸出電壓(230V)差值的絕對值不大於第I閾 值電壓(IOV)時，根據精細PID算法調節IGBT的驅動信號；判斷逆變功率模塊輸出電壓Vo與標準輸出電壓(230V)差值是否小於第2閾值電壓(IV);如果小於第2閾值電壓(IV)，則判斷各逆變功率模塊的輸出是否同步；如果同步，則判斷是否允許並機；如果允許並機，則給出並機指令吸合繼電器；測量逆變功率模塊輸出電流Io，按照快速PID算法調節IGBT的驅動信號；判斷輸出電流Io與均流指令I/m的絕對值差值是否大於第I閾值電流(IA)；當輸出電流Io與均流指令I/m的絕對值差值不大於第I閾值電流(IA)時，根據精細PID算法調節IGBT的驅動信號；判斷輸出電流Io與均流指令I/m的絕對值差值是否小於第2閾值電流(0. 1A)；如果輸出電流Io與均流指令I/m的絕對值差值小於(0. 1A)，則重新返回測量輸出電壓步驟，循環往復執行上述過程。各逆變功率模塊開機後，主控電路首先測量輸出電壓，並按照快速PID算法調節IGBT的驅動信號SPWMl和SPWM2，直至輸出電壓Vo與230V差值的絕對值< IOV ;此後主控電路按照精細PID算法調節IGBT的驅動信號SPWMl和SPWM2，直至輸出電壓Vo與230V差值的絕對值< IV。此後，逆變功率模塊的主控電路根據逆變監控模塊發送的同步信號和允許並機信號判斷是否給出並機指令並吸合繼電器。如果該逆變功率模塊並機輸出成功，則首先按照快速PID算法調節IGBT的驅動信號SPWMl和SPWM2，直至輸出電流Io與均流指令I/n差值的絕對值< IA ;此後主控電路按照精細PID算法調節IGBT的驅動信號SPWMl和SPWM2，直至輸出電壓Vo與230V差值的絕對值< 0. 1A。
權利要求
1.一種具有負載自適應功能的模塊式並聯逆變系統，其特徵在於包括配電模塊、逆變監控模塊和多個逆變功率模塊，直流電由配電模塊輸入，再輸出至各逆變功率模塊的直流輸入端，各逆變功率模塊將輸入的直流電逆變為標準交流電後，送入逆變監控模塊，再由配電模塊向用戶輸出交流電。
2.按權利要求I所述的具有負載自適應功能的模塊式並聯逆變系統，其特徵在於所述逆變監控模塊包括第I斷路器和設於第I斷路器進線端的電流互感器、第2斷路器以及控制單元，其中控制單元通過第2斷路器連接工作電源，控制單元接收電流監測電路中電流互感器的檢測信號，控制單元的輸出端接有顯示屏，控制單元通過串口與逆變功率模塊進行通訊連接。
3.按權利要求I所述的具有負載自適應功能的模塊式並聯逆變系統，其特徵在於所述逆變功率模塊包括單相全橋逆變電路、升壓濾波電路、主控電路和驅動電路，其中單相全橋逆變電路接收經過配電模塊配置的直流電進行逆變後經升壓濾波電路輸出交流電；主控電路通過濾波電容接收由配電模塊配置的直流電，通過電流互感器接收電流信號，輸出驅動控制信號至驅動電路，驅動電路的輸出端接至單相全橋逆變電路的驅動信號輸入端。
4.按權利要求3所述的具有負載自適應功能的模塊式並聯逆變系統，其特徵在於所述單相全橋逆變電路具有兩個並行設置的IGBT開關器件。
5.按權利要求3所述的具有負載自適應功能的模塊式並聯逆變系統，其特徵在於所述升壓濾波電路包括由第I電感(LI)和並聯連接的第1、2電容(C3、C4)構成的濾波電路以及由環形變壓器構成的升壓電路；變壓器原邊與第1、2電容(C3、C4)連接，副邊經第2電感(L2)通過繼電器和斷路器輸出交流電。
6.按權利要求3所述的具有負載自適應功能的模塊式並聯逆變系統，其特徵在於所述主控電路以數位訊號控制器作為控制核心，外圍電路包含電源電路、信號檢測電路、IGBT驅動電路、晶振電路以及串口通信電路，其中數位訊號控制器接收信號檢測電路反饋的電壓、電流信號和由逆變監控模塊通過串口通信電路送入的同步、均流指令，通過IGBT驅動電路輸出開關器件IGBT的佔空比。
7.一種具有負載自適應功能的模塊式並聯逆變系統的控制方法，其特徵在於包括以下步驟 逆變監控模塊判斷用戶是否禁止使用負載自適應功能； 如果允許使用負載自適應功能，則向第I逆變功率模塊發出允許並機輸出信號； 判斷總負載電流是否增大； 當總負載電流增大且大於第2逆變功率模塊的切入電流I2tl時，向第2逆變功率模塊發出允許並機輸出信號； 上述步驟針對所有逆變功率模塊執行，計算出允許並機輸出的逆變功率模塊數量m ； 向各逆變功率模塊發出均流指令I/m ； 返回判斷總負載電流是否增大步驟。
8.按權利要求7所述的具有負載自適應功能的模塊式並聯逆變系統的控制方法，其特徵在於 當總負載電流增大且不大於第2逆變功率模塊的切入電流I2tl時，轉至計算出允許並機輸出的逆變功率模塊數量m步驟。
9.按權利要求7所述的具有負載自適應功能的模塊式並聯逆變系統的控制方法，其特徵在於當總負載電流沒有增大且小於第n逆變功率模塊的切出電流Inl時，向第n逆變功率模塊發出禁止並機輸出信號； 上述步驟針對所有逆變功率模塊執行； 接續計算出允許並機輸出的逆變功率模塊數量m步驟。
10.按權利要求9所述的具有負載自適應功能的模塊式並聯逆變系統的控制方法，其特徵在於當總負載電流沒有增大且不小於第n逆變功率模塊的切出電流Inl時，轉至計算出允許並機輸出的逆變功率模塊數量m步驟。
11.按權利要求7所述的具有負載自適應功能的模塊式並聯逆變系統的控制方法，其特徵在於如果禁止使用負載自適應功能，則逆變監控模塊向所有工作的逆變功率模塊發送允許並機指令和均流指令； 接續計算出允許並機輸出的逆變功率模塊數量m步驟。
12.按權利要求7所述的具有負載自適應功能的模塊式並聯逆變系統的控制方法，其特徵在於所述逆變功率模塊的工作流程為 根據測量得到的逆變功率模塊輸出電壓Vo，按照快速PID算法調節IGBT的驅動信號； 判斷逆變功率模塊輸出電壓Vo與標準輸出電壓差值的絕對值是否大於第I閾值電壓； 當逆變功率模塊輸出電壓Vo與標準輸出電壓差值的絕對值不大於第I閾值電壓時，根據精細PID算法調節IGBT的驅動信號； 判斷逆變功率模塊輸出電壓Vo與標準輸出電壓差值是否小於第2閾值電壓； 如果小於第2閾值電壓，則判斷各逆變功率模塊的輸出是否同步； 如果同步，則判斷是否允許並機； 如果允許並機，則給出並機指令吸合繼電器； 測量逆變功率模塊的輸出電流Io，按照快速PID算法調節IGBT的驅動信號； 判斷輸出電流Io與均流指令I/m的絕對值差值是否大於第I閾值電流； 當輸出電流Io與均流指令I/m的絕對值差值不大於第I閾值電流時，根據精細PID算法調節IGBT的驅動信號； 判斷輸出電流Io與均流指令I/m的絕對值差值是否小於第2閾值電流； 如果輸出電流Io與均流指令I/m的絕對值差值小於，則重新返回測量輸出電壓步驟，循環往復執行上述過程。
全文摘要
本發明涉及一種具有負載自適應功能的模塊式並聯逆變系統及其控制方法，直流電由配電模塊輸入，再輸出至各逆變功率模塊的直流輸入端，各逆變功率模塊將輸入的直流電逆變為交流電後，送入逆變監控模塊，再由配電模塊向用戶輸出交流電；方法為如果允許使用負載自適應功能，則向第1逆變功率模塊發出允許並機輸出信號；當總負載電流增大且大於第2逆變功率模塊的切入電流I20時，向第2逆變功率模塊發出允許並機輸出信號；針對所有逆變功率模塊計算出允許並機輸出的逆變功率模塊數量m；向各逆變功率模塊發出均流指令I/m。本發明自動控制逆變功率模塊的投入數量，保證各逆變功率模塊工作在高效工況下，提高逆變系統的整體工作效率，帶載能力強。
文檔編號H02J3/14GK102638045SQ20111003692
公開日2012年8月15日 申請日期2011年2月12日 優先權日2011年2月12日
發明者伊世明, 徐貴生, 程志軍, 錢九陽, 高瑞林, 黃朝華 申請人:中國人民解放軍總後勤部建築工程研究所, 蘭州創源科技有限公司