一种可以无互联线并联工作的三相逆变器及其控制方法

摘要

一种可以无互联线并联工作的三相逆变器及其控制方法。包括逆变功率电路和逆变控制电路两部分。其中逆变控制电路包括逆变及并联控制DSP单元、输出电压采样电路、滤波电感电流采样电路、驱动控制电路，还包括并机功率母线电压采样电路、并机功率母线电压采样调理电路、并机功率母线电压相位捕获电路。逆变及并联控制DSP首先根据并机功率母线相位信号进行同步控制，实现本逆变器与并机功率母线保持同频同相。然后，逆变及并联控制DSP根据本逆变器的输出功率，分别微调基准信号的相位和幅度，实现均流控制，同时利用同步控制，对本逆变器与并机功率母线的相位偏差进行一定的约束。本发明电路结构简单、实现容易，提高无互联线并联系统的稳定性和可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于正弦波逆变器无互联线并联控制技术领域，特别涉及三相逆变器无互联线并联工作的方法和实现的技术领域。

背景技术

逆变器的并联控制有两类方法：有信号互连线和无信号互连线。后者简称为“无互联线并联”，常规的无互联线并联方法是基于外特性下垂法，通过检测本模块的输出功率，进行有功和无功功率计算后，分别调整模块输出电压的频率和幅度等以实现均流。其优点是硬件简洁，外部不需要增加任何额外线路，有可能最为方便的现场增/减并联模块数，也不存在通信断路或短路等导致的系统故障。一种已有的无互联线并联方法来源于林新春，段善旭，康勇，陈坚，UPS无互联线并联中基于解耦控制的下垂特性控制方案，中国电机工程学报，23(12)，pp：117-122，2003。在该文中分析了常规无互联线并联下垂控制的局限性和不稳定性，并提出了一种新的解耦控制方法。在此控制方案中，对常规的无互联线下垂控制方法进行了改进，利用并机线上的电抗和阻抗、负载电阻对功率计算公式进行解耦，用于消除频率下垂量与电压及电压下垂量与相位的耦合来实现调节的正确无误。利用解耦控制后得到的新的有功、无功计算公式，计算获得的频率及电压下垂量去调节频率及电压实现下垂控制，其控制框图如图1所示。采样此方法可以实现整个调节过程中都不存在正反馈区域，提高系统的稳定性及动态响应性能。

采用上述结构的多个正弦波逆变器可组成并联系统。以两个逆变器模块构成的并联系统中的一个模块为例，具体说明逆变及并联控制器的构成和工作原理。参考图1，图中P、Q分别表示本逆变器模块的功率计算信号，经过下垂控制算法，即f₁＝f₀-K_p*P，E₁＝E₀-K_V*Q，可以获得经过下垂调节的新的幅值及频率给定E₁、f₁，新的频率给定f₁通过积分可以获得本逆变器的相位信号θ₁，新的幅值信号E₁及相位信号f₁通过基准及PWM信号产生单元可以获得驱动逆变桥的驱动信号，驱动信号通过驱动控制电路处理后驱动逆变桥，实现逆变及并联控制。其中，有功功率P、无功功率Q的计算和常规的计算方法不同，采用了解耦控制算法，利用线路电抗2πfL_p、电阻r_LP和负载电阻R对功率计算方法进行解耦，消除频率下垂量与电压及电压下垂量与相位的耦合来实现调节的解耦、正确无误。以此来提高系统的动态特性和稳定性。

但是该方案的主要不足之处是解耦控制需要利用到线路电抗2πfL_p、电阻r_LP和负载电阻R对功率计算方法进行解耦，且功率计算方法比较复杂，对投入并联的条件和过程也没有提及特别的控制方法。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种无互连线并联工作的三相逆变器及其控制方法。该逆变器电路结构简单、实现容易，且采用本发明的逆变器模块组成的并联系统的运行稳定性、可靠性可以得到提升，可以有效的防止无互联线并联失步发散的情况，并可以减小并联瞬间冲击。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明一种可以无互联线并联工作的三相逆变器，包括逆变功率电路和逆变控制电路两部分；逆变功率电路包括直流电源、三相逆变桥、输出三相滤波电感L、输出三相滤波电容C、三相并机电感L_P；逆变控制电路包括逆变及并联控制DSP单元、并机功率母线电压相位捕获电路、并机功率母线电压采样调理电路、并机功率母线电压采样电路、驱动控制电路、滤波电感电流采样电路、输出电压采样电路；其中逆变及并联控制DSP单元功能块中包括斜坡函数发生器单元、U/f模式生成单元、电压基准与输出反馈及幅度下垂调节求和单元、电压调节器、电流基准与输出反馈求和单元、电流调节器、相角计算单元、同步控制单元、相角与相位下垂调节求和单元、PWM信号产生单元、功率计算单元、无功下垂调节单元、有功下垂调节单元、3/2变换单元即三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换单元；直流电源接于三相逆变桥的直流输入侧，三相逆变桥的输出侧接输出三相滤波电感L的一端，输出三相滤波电感L的另一端连于输出三相滤波电容C的一端、三相并机电感L_P的一端和滤波电感电流采样电路的输入端，输出三相滤波电容C的另一端连于输出电压采样电路的输入端，三相并机电感L_P的另一端接于三相并机功率母线上；三相并机功率母线中的任意两相连于并机功率母线电压采样电路的输入，并机功率母线电压采样电路的输出连于并机功率母线电压采样调理电路的输入，并机功率母线电压采样调理电路的输出连于并机功率母线电压相位捕获电路的输入，并机功率母线电压相位捕获电路的输出连于逆变及并联控制DSP单元的同步控制单元的一个输入端，滤波电感电流采样电路的输出端和输出电压采样电路的输出端分别连于逆变及并联控制DSP单元的3/2变换单元的两个输入端；给定频率基准信号f_r连于斜坡函数发生器单元的输入端，斜坡函数发生器单元的输出端分别连于相角计算单元与U/f模式生成单元的输入端，U/f模式生成单元的输出端、3/2变换单元的电压反馈输出端与无功下垂调节单元的输出端分别连于电压基准与输出反馈及幅度下垂调节求和单元的三个输入端，电压基准与输出反馈及幅度下垂调节求和单元的输出端连于电压调节器的输入端，电压调节器的输出端与3/2变换单元的电流反馈输出端分别连于电流基准与输出反馈求和单元的两个输入端，电流基准与输出反馈求和单元的输出端连于电流调节器的输入端，电流调节器的输出端连于PWM信号产生单元的输入端，相角计算单元的输出端连于同步控制单元的另一个输入端，同步控制单元的输出端与有功下垂调节单元的输出端分别连于相角与相位下垂调节求和单元的输入端，相角与相位下垂调节求和单元的输出端连于PWM信号产生单元的另一个输入端，PWM信号产生单元的输出端连于驱动控制电路的输入端，驱动控制电路的输出端连于三相逆变桥的驱动信号输入侧，3/2变换单元的电流反馈输出端和电压反馈输出端还分别连于功率计算单元的两个输入端，功率计算单元的有功功率输出端连于有功下垂调节单元的输入端，功率计算单元的无功功率输出端连于无功下垂调节单元的输入端，其中所述的并机功率母线为所有并联工作的三相逆变器交流输出经过三相并机电感L_P后并联连接组成的母线，为交流功率母线。

逆变器投入并联运行之前，逆变及并联控制DSP单元的同步控制单元根据自身的相位基准信号θ和并机功率母线电压相位捕获电路的输出θ_ac-line，对本逆变器的相位基准信号θ进行同步控制，在保证本逆变器与并机功率母线的频率和相位的差值在设定的范围内，将本逆变器投入并联运行；本逆变器投入并联运行之后，输出电压采样电路、滤波电感电流采样电路采样的输出电压u_of和电感电流i_Lf，经过3/2变换单元变换得到电压、电流反馈量U_dqf、i_dqf，电压、电流反馈量U_dqf、i_dqf通过功率计算单元，得到本逆变器的输出有功功率P、无功功率Q，频率基准信号f_r经过U/f模式生成单元得到电压基准信号U_dqref，根据本逆变器的功率P、Q通过有功下垂调节单元、无功下垂调节单元得到幅值下垂调节量Δu和相位下垂调节量Δθ，幅值下垂调节量Δu对电压基准信号U_dqref进行微调，相位下垂调节量Δθ对同步控制单元的输出的相位信息θ_syn进行微调，实现对基准的下垂调节，实现并联运行；逆变及并联控制DSP单元的同步控制单元根据相位基准信号θ与并机功率母线电压相位捕获电路的输出θ_ac-line得到相位的偏差，当相位偏差在设定的允许范围时，不实施同步控制，当相位偏差超过允许范围时，实施同步控制。

本逆变器相位基准信号θ是由频率基准信号f_r经过相角计算单元积分叠加得到的；当本逆变器相位基准信号θ超前并逆变器功率母线相位信号θ_ac-line，则减小本机相位叠加的步长；当本逆变器相位基准信号θ滞后并逆变器功率母线相位信号θ_ac-line，则增加本机相位叠加的步长；当本逆变器相位基准信号θ与并逆变器功率母线相位信号θ_ac-line的差值在设定的范围内，则保持本机相位叠加的步长。

本发明的特点和技术效果：

1.适用于正弦波逆变器并联系统；

2.投入并联运行前进行同步控制，可以减小并联的瞬间冲击，加速并联调节速度，提高系统稳定性；

3.通过对本逆变器的相位基准信号与并机功率母线的相位偏差进行一定的约束，可以提高并联系统稳定运行时的可靠性，可以有效防止下垂并联控制出现的失步发散的问题；

4.同步控制是基于标准频率进行相位调节，不需要进行频率调节，解决了同步调节会出现单机的频率偏离标准频率的情况，简化了同步控制算法；

5.并联系统中的逆变器是允许热插拔的。

附图说明

图1是已有的逆变器无互联线并联原理框图。

图2是本发明的可以无互联线并联工作的三相逆变器原理框图。

图3是本发明的逆变器并联时的系统结构框图。

图4是本发明的同步控制器功能框图。

图5是本发明的基于PQ调节的均流控制器功能框图。

图6是本发明的同步控制器实施例结构图。

图7是本实施例双机投入并联工作时的实验结果。

图8是本实施例双机并联运行时的稳态实验结果。

具体实施方式

本发明提出的可以无互联线并联工作的三相逆变器，结构附图及实施例详细说明如下。

本发明的可以无互联线并联工作的三相逆变器原理框图如图2所示。包括逆变功率电路10和逆变控制电路20两部分；逆变功率电路10包括直流电源U_DC、三相逆变桥101、输出三相滤波电感L102、输出三相滤波电容C 103、三相并机电感L_P104；逆变控制电路20包括逆变及并联控制DSP单元201、并机功率母线电压相位捕获电路202、并机功率母线电压采样调理电路203、并机功率母线电压采样电路204、驱动控制电路205、滤波电感电流采样电路206、输出电压采样电路207；其中逆变及并联控制DSP单元201功能块中包括斜坡函数发生器单元、U/f模式生成单元、电压基准与输出反馈及幅度下垂调节求和单元、电压调节器、电流基准与输出反馈求和单元、电流调节器、相角计算单元、相角与相位下垂调节求和单元、PWM信号产生单元、功率计算单元、无功下垂调节单元、有功下垂调节单元、3/2变换单元即三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换单元。

本发明的可以无互联线并联工作的三相逆变器各组成部分的连接关系为：直流电源U_DC接于三相逆变桥101的直流输入侧，三相逆变桥101的输出侧接输出三相滤波电感L102的一端，输出三相滤波电感L102的另一端连于输出三相滤波电容C103的一端、三相并机电感L_P104的一端和滤波电感电流采样电路206的输入端，输出三相滤波电容C103的一端连于三相并机电感L_P104的一端和输出电压采样电路207的输入端，三相并机电感L_P104的另一端接于三相并机功率母线上；三相并机功率母线中的任意两相连于并机功率母线电压采样电路204的输入，并机功率母线电压采样电路204的输出连于并机功率母线电压采样调理电路203的输入，并机功率母线电压采样调理电路203的输出连于并机功率母线电压相位捕获电路202的输入，并机功率母线电压相位捕获电路202的输出连于逆变及并联控制DSP单元201的同步控制单元的一个输入端，滤波电感电流采样电路206的输出端和输出电压采样电路207的输出端分别连于逆变及并联控制DSP单元201的3/2变换单元的两个输入端；频率基准信号f_r连于斜坡函数发生器单元的输入端，斜坡函数发生器单元的输出端分别连于相角计算单元与U/f模式生成单元的输入端，U/f模式生成单元的输出端、3/2变换单元的电压反馈输出端与无功下垂调节单元的输出端分别连于电压基准与输出反馈及幅度下垂调节求和单元的三个输入端，电压基准与输出反馈及幅度下垂调节求和单元的输出端连于电压调节器的输入端，电压调节器的输出端与3/2变换单元的电流反馈输出端分别连于电流基准与输出反馈求和单元的两个输入端，电流基准与输出反馈求和单元的输出端连于电流调节器的输入端，电流调节器的输出端连于PWM信号产生单元的输入端，相角计算单元的输出端连于同步控制单元的另一个输入端，同步控制单元的输出端与有功下垂调节单元的输出端分别连于相角与相位下垂调节求和单元的输入端，相角与相位下垂调节求和单元的输出端连于PWM信号产生单元的另一个输入端，PWM信号产生单元的输出端连于驱动控制电路205的输入端，驱动控制电路205的输出端连于三相逆变桥101的驱动信号输入侧，3/2变换单元的电流反馈输出端和电压反馈输出端还分别连于功率计算单元的两个输入端，功率计算单元的有功功率输出端连于有功下垂调节单元的输入端，功率计算单元的无功功率输出端连于无功下垂调节单元的输入端。

本发明的一种可以无互联线并联工作的三相逆变器的控制方法：基准频率给定f_r经过斜坡函数发生器单元、U/f模式生成单元后得到用于SVM控制的电压基准信号U_dqref，输出电压采样电路、滤波电感电流采样电路采样的输出电压u_of和电感电流i_Lf，经过3/2变换单元变换得到用于SVM控制的电压、电流反馈量U_dqf、i_dqf，电压、电流反馈量U_dqf、i_dqf通过功率计算单元，得到本机的输出有功功率P、无功功率Q，根据本机的功率P、Q通过有功、无功下垂调节单元得到用于下垂并联控制的幅值下垂调节量Δu和相位下垂调节量Δθ，电压基准信号U_dqref和电压反馈信号U_dqf及电压下垂调节量Δu经过求和单元后通过电压调节器，得到本机的电流基准信号i_dqref，本机的电流基准信号i_dqref和电流反馈信号i_dqf经过求和单元后通过电流调节器得到用于PWM信号产生的幅值控制量u_m；基准频率给定f_r经过斜坡函数发生器单元、相角计算单元得到本机的相位基准信号θ，并机功率母线电压采样电路采样并机功率母线的一线电压u_ac-line(如u_ab)，经过并机功率母线电压采样调理电路得到处理后的并机功率母线一线电压调理信号u_ac-lines，经过并机功率母线电压相位捕获电路获得并机功率母线的相位信号θ_ac-line，逆变及并联控制DSP单元201的同步控制单元根据自身的相位基准信号θ和并机功率母线电压相位捕获电路的输出θ_ac-line，对本机的相位基准信号θ进行同步控制，获得与并机功率母线基本同频、同相的相位信号θ_syn，θ_syn与相位下垂调节量Δθ经过求和单元下垂控制后可以获得用于PWM信号产生的相位控制量θ_m；幅值控制量u_m和相位控制量θ_m经过PWM信号产生单元，通过SVPWM方式，可以获得驱动信号，加到驱动控制电路的输入端，驱动控制电路的输出端与三相逆变桥的输入端相连，实现逆变器的正弦波电压输出控制和并联控制。

逆变器投入并联运行之前，逆变及并联控制DSP单元201的同步控制单元根据自身的相位基准信号θ和并机功率母线电压相位捕获电路的输出θ_ac-line，对本机的相位基准信号θ进行同步控制，在保证本机与并机功率母线基本同频同相后，将本逆变器投入并联运行；投入并联运行之后，输出电压采样电路、滤波电感电流采样电路采样的输出电压u_of和电感电流i_Lf，经过3/2变换单元变换可以得到电压、电流反馈量U_dqf、i_dqf，电压、电流反馈量U_dqf、i_dqf通过功率计算单元，得到本机的输出有功功率P、无功功率Q，根据本机的功率P、Q通过有功下垂调节单元、无功下垂调节单元得到幅值下垂调节量Δu和相位下垂调节量Δθ，幅值下垂调节量Δu对电压基准信号U_dqref进行微调，相位下垂调节量Δθ对经过同步控制后的相位信息θ_syn进行微调，实现对基准的下垂调节，实现并联运行；逆变及并联控制DSP单元201的同步控制单元根据相位基准信号θ与并机功率母线电压相位捕获电路的输出θ_ac-line得到相位的偏差，当相位偏差在设定的允许范围时(例如5度)，不实施同步控制，当相位偏差超过允许范围时(例如5度)，实施同步控制，将本逆变器的相位拉入同步状态，令并联系统不会进入正反馈区域，保证系统的稳定运行，不会出现并联运行失步发散的问题，可以提高系统的稳定性和可靠性。

本发明的可以无互联线并联工作的三相逆变器组成的并联系统结构框图如图3所示，各逆变器之间的连接除了功率输入、功率输出外，没有任何信号互联线。

本发明的同步控制器的组成如图4所示，主要由并机功率母线电压采样电路204、并机功率母线电压采样调理电路203、并机功率母线电压相位捕获电路202、逆变及并联控制DSP单元201组成。通过采样并机功率母线上的电压信号，对本逆变器进行相位修正，实现同步控制。逆变器投入并联运行之前，首先通过并机功率母线电压采样电路204采样并机功率母线的一线电压u_ac-line(如u_ab)，通过并机功率母线电压采样调理电路203对采样信号进行调理，得到采样信号u_ac-lines，经过一级电压跟随器实现信号的阻抗匹配，然后通过并机功率母线电压相位捕获电路202，得到与并机功率母线电压同频、同相的方波相位信号θ_ac-line，逆变及并联控制DSP单元201通过捕获此方波相位信号θ_ac-line，在每次方波相位信号出现上跳沿的时候，产生捕获中断，本逆变器在捕获中断中检测自身的相位基准信号θ，并根据同步控制单元的调节算法，控制本机的相位基准信号θ与并机功率母线相位同步，然后投入并联运行。并联运行时，逆变及并联控制DSP单元201的同步控制单元根据相位基准信号θ与并机功率母线电压相位捕获电路的输出θ_ac-line得到相位的偏差，当相位偏差在设定的允许范围时(例如5度)，不实施同步控制，当相位偏差超过允许范围时(例如5度)，实施同步控制，将本逆变器的相位拉入同步状态，令并联系统不会进入正反馈区域，保证系统的稳定运行，不会出现并联运行失步发散的问题，可以提高系统的稳定性和可靠性。

本发明的同步控制单元的调节算法为基于标准频率进行相位调节，设定相位调节量的上限值，限制相位调节量的范围。相位基准信号θ是由频率基准信号f_r经过相角计算单元积分叠加得到的，在离散系统中，积分作用变换为步长的叠加，因此，相位的调节过程实际上是对叠加的步长的大小进行调节。若判断本机给定相位信号θ超前并机功率母线相位信号θ_ac-line，则减小相位叠加的步长，相当于减慢本机的频率；若判断本机给定相位信号θ滞后并机功率母线相位信号θ_ac-line，则增加相位叠加的步长，相当于加快本机的频率；若判断本机给定相位信号θ与并机功率母线相位信号θ_ac-line非常接近，则保持相位叠加的步长，相当于本机频率不变。据此，可以实现本逆变器与并机功率母线同步控制，可获得与并机功率母线同频、基本同相的相位信号θ_syn。

本发明提出的同步控制算法与以往的同步算法存在共性，但在算法上已有技术不同，本发明提出的同步控制算法将对频率的调节变换为对相角的调节，其优点在于基于标准频率进行相位调节，只要设定相位调节量的上限值，限制相位调节量的范围，既可以保证相位的同步控制，不需要进行频率调节，简化了同步控制算法。

在基于以上的同步控制器作用下，各逆变器的经过同步控制后的相位信息θ_syn总是同频、基本同相的。由于各逆变器经过同步控制后的相位信息θ_syn均保持同步，因此当其中任何一个逆变器关机、脱离并机功率母线时，其他逆变器的θ_syn信息没有任何变化；当一台逆变器投入并联系统时，其同步控制单元、并网逻辑控制单元控制本逆变器与其他逆变器的相位同步后才允许本逆变器投入并机功率母线、并联运行，不影响其他逆变器的频率和相位。因此，并联系统中的逆变器是允许热插拔的。

本发明的基于PQ调节的均流控制器的组成如图5所示，主要由输出电压采样电路207、滤波电感电流采样电路206、3/2变换单元、功率计算单元、无功下垂调节单元、有功下垂调节单元组成。在并联运行时，输出电压采样电路207、滤波电感电流采样电路206采样的输出电压u_of和电感电流i_Lf，经过3/2变换单元变换得到电压、电流反馈量U_dqf、i_dqf，电压、电流反馈量U_dqf、i_dqf通过功率计算单元，采用功率计算公式，得到本机的输出有功功率P、无功功率Q，根据本机的功率P、Q通过有功、无功下垂调节单元得到用于下垂并联控制的幅值下垂调节量Δu和相位下垂调节量Δθ，幅值下垂调节量Δu对电压基准信号U_dqref进行微调，相位下垂调节量Δθ对经过同步控制后的相位信息θ_syn进行微调，实现对基准的下垂调节，控制并联系统稳定运行。

本发明的一种实施例为可以无互联线并联工作的35KVA三相逆变器(额定输出电压380V/50Hz)，并联系统由两台三相逆变器组成，该逆变器的同步控制电路结构框图如图6所示。采用的逆变及并联控制数字信号处理器DSP是TI公司的TMS320F2812芯片，电压霍尔为LEM公司的LT308-S7霍尔。图中电压霍尔LEM和采样电阻R_s构成并机功率母线电压采样电路、并采样并机功率母线电压u_ac-line；通过并机功率母线电压采样调理电路可以得到采样信号u_ac-lines。通过一级电压跟随器后，实现阻抗的匹配，一个滞环电压比较器组成并机功率母线电压相位捕获电路，通过并机功率母线电压相位捕获电路，得到与并机功率母线电压同频、同相的方波相位信号θ_ac-line。此方波相位信号被DSP2812的第109脚(GPIOA10-CAP3-QEPI1)捕获，此引脚是DSP2812的一个捕获输入引脚，同样，也可以利用其余5个捕获输入引脚中的任意一个捕获并机功率母线相位信号θ_ac-line。在捕获到并机功率母线相位信号θ_ac-line时，DSP2812检测自身的相位基准信号θ，进行同步控制。

本实施例的均流控制如图5所示一致，通过下垂法实现对基准的下垂调节，实现并联系统的均流控制、稳定运行。

两台采用本发明的逆变器投入并联工作时的输出波形如图7所示。图中，u_an1、u_an2分别为两台逆变器的三相并机电感L_P(图2中104)之前的a相输出相电压，i_Lc1、i_Lc2分别为两台逆变器的流过输出三相滤波电感L(图2中102)c相的电感电流采样信号(电流采样系数为50mV/A)。两台逆变器为空载工作。i_Lc1波形上并机瞬间的尖刺是由于观测引入的噪声，不是实际电流的尖刺，因为所观测的为电感电流波形，电感电流波形不会突变。两台逆变器投入并联时电流没有冲击，说明本发明的同步控制可以获得很好的效果。

两台采用本发明的逆变器稳态输出波形如图8所示。图中，u_an1、u_an2分别为两台逆变器的三相并机电感L_P(图2中104)之前的a相输出相电压，i_Lc1、i_Lc2分别为两台逆变器的流过输出三相滤波电感L(图2中102)c相的电感电流采样信号(电流采样系数为50mV/A)。两台逆变器为空载工作。实验结果表明，采用本发明组成的并联系统可以获得较好的并联运行特性。