專利名稱：一種無(wú)信號(hào)互聯(lián)線并聯(lián)的三相逆變器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電網(wǎng)逆變技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無(wú)信號(hào)互聯(lián)線并聯(lián)的三相逆變器及其控制方法。
背景技術(shù)：
隨著分布式發(fā)電和智能電網(wǎng)的發(fā)展，逆變器并聯(lián)技術(shù)已成為一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域。按照逆變模塊間是否存在信號(hào)互聯(lián)線和信息交互，逆變器并聯(lián)控制技術(shù)可分為兩大類有信號(hào)互聯(lián)線并聯(lián)技術(shù)和無(wú)信號(hào)互聯(lián)線并聯(lián)技術(shù)。其中無(wú)信號(hào)互聯(lián)線逆變器并聯(lián)技術(shù)由于逆變模塊間無(wú)需信息交互，較適合于大范圍的分布式發(fā)電系統(tǒng)。而現(xiàn)有無(wú)信號(hào)互聯(lián)線并聯(lián)的三相逆變器的方案基本都是基于傳統(tǒng)的功率下垂法以及在其基礎(chǔ)上發(fā)展的一系列控制方法。功率下垂法的基本原理為各逆變模塊檢測(cè)自身的輸出電壓和電感電流(或輸出電流)，計(jì)算出各自輸出的有功功率P和無(wú)功功率Q，然后根據(jù)P、Q與輸出電壓幅值和相位的關(guān)系，對(duì)輸出電壓的幅值和頻率進(jìn)行下垂控制，從而實(shí)現(xiàn)各逆變模塊間的功率均分。目前功率下垂法中功率計(jì)算一般使用輸出電壓與輸出電流運(yùn)算得出，單機(jī)控制方案一般采用輸出電壓電流雙閉環(huán)控制，在不采集輸出電流的情況下的功率計(jì)算、功率下垂法及輸出電壓?jiǎn)苇h(huán)控制用于逆變器并聯(lián)的研究和應(yīng)用較少。公開(kāi)號(hào)為CN101917022A的中國(guó)專利公開(kāi)了一種可以無(wú)互聯(lián)線并聯(lián)工作的三相逆變器及其控制方法，其采用功率下垂控制法得到幅值下垂調(diào)節(jié)量和相位下垂調(diào)節(jié)量，利用幅值下垂調(diào)節(jié)量對(duì)電壓基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行微調(diào)，利用相位下垂調(diào)節(jié)量對(duì)同步控制單元的輸出相位同步信號(hào)進(jìn)行微調(diào)，以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行。但該方案需要對(duì)PQ下垂法得到的相位下垂調(diào)節(jié)量和相位同步信號(hào)作差，以此實(shí)現(xiàn)頻率下垂調(diào)節(jié)。公開(kāi)號(hào)為CN102801346A的中國(guó)專利公開(kāi)了 一種可以無(wú)互聯(lián)線并聯(lián)工作的三相逆變器及其控制方法，其采用功率下垂控制法得到幅值下垂調(diào)節(jié)量和相位下垂調(diào)節(jié)量，利用幅值下垂調(diào)節(jié)量對(duì)電壓基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行微調(diào)，利用相位下垂調(diào)節(jié)量對(duì)頻率基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行微調(diào)，以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行。但該方案仍然需要采集變壓器原邊三相電流進(jìn)行電流環(huán)控制和輸出功率計(jì)算，增加了逆變器切入的響應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)致逆變器切入動(dòng)態(tài)過(guò)程需要時(shí)間較長(zhǎng)，逆變器切入性能不佳。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供了一種無(wú)信號(hào)互聯(lián)線并聯(lián)的三相逆變器及其控制方法，可以在不采集輸出電流的前提下實(shí)現(xiàn)無(wú)信號(hào)互聯(lián)線并聯(lián)輸出電壓的單環(huán)控制，顯著提高逆變器切入情況下的動(dòng)態(tài)相應(yīng)?！N無(wú)信號(hào)互聯(lián)線并聯(lián)的三相逆變器，包括三相逆變器、控制單元和信號(hào)采集單元；其中所述的信號(hào)采集單元用于采集三相逆變器的輸入電壓、輸入電流和輸出相電壓；所述的控制單元包括dq變換模塊，用于對(duì)所述的輸出相電壓進(jìn)行dq變換，得到輸出相電壓的d軸分量和q軸分量；功率計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述的輸入電壓和輸入電流計(jì)算出三相逆變器的輸入功率；功率下垂控制模塊，用于根據(jù)所述的輸入功率通過(guò)功率下垂控制算法計(jì)算得到輸出電壓幅值的d軸基準(zhǔn)信號(hào)和q軸基準(zhǔn)信號(hào)以及輸出電壓頻率基準(zhǔn)信號(hào)；減法模塊，用于使所述的d軸基準(zhǔn)信號(hào)與d軸分量作差得到d軸電壓誤差信號(hào)，使所述的q軸基準(zhǔn)信號(hào)與q軸分量作差得到q軸電壓誤差信號(hào)；電壓環(huán)控制模塊，用于分別對(duì)所述的d軸電壓誤差信號(hào)和q軸電壓誤差信號(hào)進(jìn)行電壓環(huán)控制得到d軸調(diào)制比信號(hào)和q軸調(diào)制比信號(hào)；dq反變換模塊，用于對(duì)所述的d軸調(diào)制比信號(hào)和q軸調(diào)制比信號(hào)進(jìn)行dq反變換，得到三相調(diào)制波信號(hào)；開(kāi)關(guān)周期控制模塊，用于將所述的輸出電壓頻率基準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為角頻率的開(kāi)關(guān)周期控制信號(hào)；PWM調(diào)制模塊，用于根據(jù)所述的開(kāi)關(guān)周期控制信號(hào)和三相調(diào)制波信號(hào)通過(guò)SPWM技術(shù)，得到PWM信號(hào)以對(duì)三相逆變器進(jìn)行控制。所述的控制單元采用DSP ;所述的信號(hào)采集單元包括電壓電流傳感器。上述三相逆變器的控制方法，包括如下步驟:(I)采集三相逆變器的輸入電壓、輸入電流和輸出相電壓；

(2)對(duì)所述的輸出相電壓進(jìn)行dq變換，得到輸出相電壓的d軸分量和q軸分量；并根據(jù)所述的輸入電壓和輸入電流計(jì)算出三相逆變器的輸入功率；(3)根據(jù)所述的輸入功率通過(guò)功率下垂控制算法，計(jì)算得到輸出電壓幅值的d軸基準(zhǔn)信號(hào)和q軸基準(zhǔn)信號(hào)以及輸出電壓頻率基準(zhǔn)信號(hào)；(4)使所述的d軸基準(zhǔn)信號(hào)與d軸分量作差得到d軸電壓誤差信號(hào)，使所述的q軸基準(zhǔn)信號(hào)與q軸分量作差得到q軸電壓誤差信號(hào)；(5)分別對(duì)所述的d軸電壓誤差信號(hào)和q軸電壓誤差信號(hào)進(jìn)行電壓環(huán)控制得到d軸調(diào)制比信號(hào)和q軸調(diào)制比信號(hào)；對(duì)所述的d軸調(diào)制比信號(hào)和q軸調(diào)制比信號(hào)進(jìn)行dq反變換，得到三相調(diào)制波信號(hào)；(6)將所述的輸出電壓頻率基準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為角頻率的開(kāi)關(guān)周期控制信號(hào)；根據(jù)所述的開(kāi)關(guān)周期控制信號(hào)和三相調(diào)制波信號(hào)通過(guò)SPWM(正弦脈寬調(diào)制)技術(shù)，得到PWM信號(hào)以對(duì)三相逆變器進(jìn)行控制。所述的功率下垂控制算法基于以下公式:Vdref = V0-n X Pin Vqref = O ω ref = ω 0-m X Pin其中:VdMf和Vqref分別為輸出電壓幅值的d軸基準(zhǔn)信號(hào)和q軸基準(zhǔn)信號(hào)，Pin為輸入功率，ωΜ 為輸出電壓頻率基準(zhǔn)信號(hào)，n和!1!均為給定的下垂系數(shù)，Vtl和Oci分別為設(shè)定的空載時(shí)輸出電壓的幅值和頻率。所述的電壓環(huán)控制基于以下傳遞函數(shù):
sKD + KiG(S)=-----
s
其中:G(s)為傳遞函數(shù)，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，s為拉普拉斯算子。所述的步驟￠)中，將輸出電壓頻率基準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為角頻率的開(kāi)關(guān)周期控制信號(hào)的方法為:使輸出電壓頻率基準(zhǔn)信號(hào)與三相逆變器的頻率比相乘后即得到角頻率的開(kāi)關(guān)周期控制信號(hào)；所述的頻率比為三相逆變器的開(kāi)關(guān)頻率與工頻之比。本發(fā)明三相逆變器中沒(méi)有任何形式對(duì)輸出電流的采集，節(jié)省了電流采樣元件的數(shù)量，整個(gè)系統(tǒng)只采集了輸入電壓、輸入電流和輸出電壓參與控制實(shí)現(xiàn)逆變器的無(wú)信號(hào)互聯(lián)線并聯(lián)控制。本發(fā)明的有益效果在于:1)在三相逆變器的使用輸入功率用于功率下垂法，計(jì)算更為簡(jiǎn)便，單機(jī)采用輸出電壓?jiǎn)苇h(huán)控制，減少了控制環(huán)路的復(fù)雜度，從而大幅度提高了逆變器切入的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；2)無(wú)信號(hào)互聯(lián)線并聯(lián)控制中采用瞬時(shí)功率開(kāi)關(guān)周期的功率下垂控制法，相比有輸出電流采集情況下的傅里葉分解法和電壓電流相移法，從動(dòng)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)速度兩個(gè)方面提高了逆變器的動(dòng)態(tài)特性；3)功率下垂控制后得到的角頻率信號(hào)直接作為PWM信號(hào)控制器的角頻率參考量，對(duì)三相逆變器的輸出電壓角頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

此外對(duì)功率下垂控制后得到的角頻率信號(hào)，即PWM信號(hào)控制器的角頻率參考量的變化范圍進(jìn)行限定，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行的同時(shí)能夠有效防止因功率下垂控制可能造成的輸出頻率突變和變化范圍過(guò)大的問(wèn)題，提高系統(tǒng)的可靠性。


圖1為本發(fā)明三相逆變器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明兩臺(tái)三相逆變器并聯(lián)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明兩臺(tái)三相逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)U相輸出電流的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形圖。圖4為本發(fā)明一臺(tái)三相逆變器運(yùn)行另一臺(tái)逆變器切入時(shí)U相輸出電流的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形圖。圖5為本發(fā)明兩臺(tái)三相逆變器并聯(lián)運(yùn)行第二臺(tái)逆變器切除時(shí)U相輸出電流的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形圖。圖6為本發(fā)明兩臺(tái)三相逆變器并聯(lián)運(yùn)行負(fù)載突變時(shí)U相輸出電流的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形圖。圖7為現(xiàn)有技術(shù)一臺(tái)三相逆變器運(yùn)行另一臺(tái)逆變器切入時(shí)U相輸出電流的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形圖。
具體實(shí)施例方式
為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的控制器及其控制方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示，一種無(wú)信號(hào)互聯(lián)線并聯(lián)的三相逆變器，包括三相逆變器、控制單元和信號(hào)采集單元；其中:三相逆變器包括三相逆變橋、三相變壓器和電容濾波組件；三相逆變橋的直流輸入側(cè)接直流源E和直流母線電容C，交流輸出側(cè)與三相變壓器原邊輸入端對(duì)應(yīng)連接，三相變壓器副邊輸出端通過(guò)電容濾波組件接入交流母線。信號(hào)采集單元用于采集三相逆變器的輸入電壓Uin、輸入電流Iin和輸出相電壓Ua U。；信號(hào)采集單元包括若干電壓傳感器和電流傳感器。控制單元采用DSP，其包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、dq變換模塊、功率計(jì)算模塊、功率下垂控制模塊、減法模塊、電壓環(huán)控制模塊、dq反變換模塊、開(kāi)關(guān)周期控制模塊和PWM調(diào)制模塊；A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入分別連接電壓、電流傳感器，輸出連接功率計(jì)算模塊輸入和dq變換模塊輸入；dq變換模塊輸出分兩路，兩路均連接減法模塊輸入；功率計(jì)算模塊輸出連接功率下垂控制模塊輸入；功率下垂控制模塊分三路輸出，兩路輸出連接減法模塊輸入，另一路輸出連接開(kāi)關(guān)周期控制模塊輸入；減法模塊分兩路輸出，均與電壓環(huán)控制模塊輸入相連，電壓環(huán)控制模塊輸出連接dq反變換模塊輸入；dq反變換模塊輸出和開(kāi)關(guān)周期控制模塊輸出均連接PWM調(diào)制模塊輸入，PWM調(diào)制模塊輸出通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路與三相逆變橋中各功率開(kāi)關(guān)器件的控制極相連；其中:A/D轉(zhuǎn)換模塊用于對(duì)輸入電壓Uin、輸入電流Iin和輸出相電壓Ua U。進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，提供給DSP中的其他模塊。dq變換模塊用于對(duì)輸出相電壓Ua U。進(jìn)行dq變換,得到輸出相電壓的d軸分量Vd和q軸分量V,。功率計(jì)算模塊用于根據(jù)輸入電壓Uin和輸入電流IiJf算出三相逆變器的輸入功率Pin。功率下垂控制模塊用于根據(jù)輸入功率Pin通過(guò)功率下垂控制算法計(jì)算得到輸出電壓幅值的d軸基準(zhǔn)信號(hào)Vtof和q軸基準(zhǔn)信號(hào)以及輸出電壓頻率基準(zhǔn)信號(hào)ω ref ;功率下垂控制算法基于以下公式:Vdref = V0-n X Pin Vqref = O ω ref = ω 0-m X Pin其中:n和m均為給定的下垂系數(shù)，Vtl和Qtl分別為設(shè)定的空載時(shí)輸出電壓的幅值和頻率；本實(shí)施方式中，ω。= 315rad/s, m = 0.0Olrad/(ff.s), V0 = 153V, η = 0.006V/(ff.s)。減法模塊用于使d軸基準(zhǔn)信號(hào)Vdref與d軸分量Vd作差得到d軸電壓誤差信號(hào)，使q軸基準(zhǔn)信號(hào)Vtffrf與q軸分量\作差得到q軸電壓誤差信號(hào)；其由兩個(gè)減法器構(gòu)建。電壓環(huán)控制模塊用于分別對(duì)d軸電壓誤差信號(hào)和q軸電壓誤差信號(hào)進(jìn)行電壓環(huán)控制得到d軸調(diào)制比信號(hào)kd和q軸調(diào)制比信號(hào)k,；電壓環(huán)控制基于以下傳遞函數(shù):
權(quán)利要求
1.一種無(wú)信號(hào)互聯(lián)線并聯(lián)的三相逆變器，包括三相逆變器、控制單元和信號(hào)采集單元；所述的信號(hào)采集單元用于采集三相逆變器的輸入電壓、輸入電流和輸出相電壓；其特征在于:所述的控制單元包括: dq變換模塊，用于對(duì)所述的輸出相電壓進(jìn)行dq變換，得到輸出相電壓的d軸分量和q軸分量； 功率計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述的輸入電壓和輸入電流計(jì)算出三相逆變器的輸入功率； 功率下垂控制模塊，用于根據(jù)所述的輸入功率通過(guò)功率下垂控制算法計(jì)算得到輸出電壓幅值的d軸基準(zhǔn)信號(hào)和q軸基準(zhǔn)信號(hào)以及輸出電壓頻率基準(zhǔn)信號(hào)； 減法模塊，用于使所述的d軸基準(zhǔn)信號(hào)與d軸分量作差得到d軸電壓誤差信號(hào)，使所述的q軸基準(zhǔn)信號(hào)與q軸分量作差得到q軸電壓誤差信號(hào)； 電壓環(huán)控制模塊，用于分別對(duì)所述的d軸電壓誤差信號(hào)和q軸電壓誤差信號(hào)進(jìn)行電壓環(huán)控制得到d軸調(diào)制比信號(hào)和q軸調(diào)制比信號(hào)； dq反變換模塊，用于對(duì)所述的d軸調(diào)制比信號(hào)和q軸調(diào)制比信號(hào)進(jìn)行dq反變換，得到三相調(diào)制波信號(hào)； 開(kāi)關(guān)周期控制模塊，用于將所述的輸出電壓頻率基準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為角頻率的開(kāi)關(guān)周期控制信號(hào)； PWM調(diào)制模塊，用于根據(jù)所述的開(kāi)關(guān)周期控制信號(hào)和三相調(diào)制波信號(hào)通過(guò)SPWM技術(shù)，得到PWM信號(hào)以對(duì)三相逆變器進(jìn)行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所 述的三相逆變器，其特征在于:所述的控制單元采用DSP。
3.—種三相逆變器的控 制方法，包括如下步驟: (1)采集三相逆變器的輸入電壓、輸入電流和輸出相電壓； (2)對(duì)所述的輸出相電壓進(jìn)行dq變換，得到輸出相電壓的d軸分量和q軸分量；并根據(jù)所述的輸入電壓和輸入電流計(jì)算出三相逆變器的輸入功率； (3)根據(jù)所述的輸入功率通過(guò)功率下垂控制算法，計(jì)算得到輸出電壓幅值的d軸基準(zhǔn)信號(hào)和q軸基準(zhǔn)信號(hào)以及輸出電壓頻率基準(zhǔn)信號(hào)； (4)使所述的d軸基準(zhǔn)信號(hào)與d軸分量作差得到d軸電壓誤差信號(hào)，使所述的q軸基準(zhǔn)信號(hào)與q軸分量作差得到q軸電壓誤差信號(hào)； (5)分別對(duì)所述的d軸電壓誤差信號(hào)和q軸電壓誤差信號(hào)進(jìn)行電壓環(huán)控制得到d軸調(diào)制比信號(hào)和q軸調(diào)制比信號(hào)；對(duì)所述的d軸調(diào)制比信號(hào)和q軸調(diào)制比信號(hào)進(jìn)行dq反變換，得到三相調(diào)制波信號(hào)； (6)將所述的輸出電壓頻率基準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為角頻率的開(kāi)關(guān)周期控制信號(hào)；根據(jù)所述的開(kāi)關(guān)周期控制信號(hào)和三相調(diào)制波信號(hào)通過(guò)SPWM技術(shù)，得到PWM信號(hào)以對(duì)三相逆變器進(jìn)行控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征在于:所述的功率下垂控制算法基于以下公式: Vdref = VnXPin Vqref = O Oref = Q0-mXPin 其中和Vtffrf分別為輸出電壓幅值的d軸基準(zhǔn)信號(hào)和q軸基準(zhǔn)信號(hào)，Pin為輸入功率，為輸出電壓頻率基準(zhǔn)信號(hào)，!!和!!!均為給定的下垂系數(shù)，Vtl和Oci分別為設(shè)定的空載時(shí)輸出電壓的幅值和頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征在于:所述的電壓環(huán)控制基于以下傳遞函數(shù):
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征在于:所述的步驟(6)中，將輸出電壓頻率基準(zhǔn)信號(hào)轉(zhuǎn)換為角頻率的開(kāi)關(guān)周期控制信號(hào)的方法為:使輸出電壓頻率基準(zhǔn)信號(hào)與三相逆變器的頻率比相乘后即得到角頻率的開(kāi)關(guān)周期控制信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)信號(hào)互聯(lián)線并聯(lián)的三相逆變器，包括三相逆變器、控制單元和信號(hào)采集單元；控制單元包括dq變換模塊、功率計(jì)算模塊、功率下垂控制模塊、減法模塊、電壓環(huán)控制模塊、dq反變換模塊、開(kāi)關(guān)周期控制模塊和PWM調(diào)制模塊。本發(fā)明三相逆變器中沒(méi)有任何形式對(duì)輸出電流的采集，節(jié)省了電流采樣元件的數(shù)量，整個(gè)系統(tǒng)只采集了輸入電壓、輸入電流和輸出電壓參與控制實(shí)現(xiàn)逆變器的無(wú)信號(hào)互聯(lián)線并聯(lián)控制。本發(fā)明還公開(kāi)了上述三相逆變器的控制方法，其采用功率下垂算法，計(jì)算更為簡(jiǎn)便，單機(jī)采用輸出電壓?jiǎn)苇h(huán)控制，減少了控制環(huán)路的復(fù)雜度，從而大幅度提高了逆變器切入的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
文檔編號(hào)H02J3/38GK103078348SQ201310015450
公開(kāi)日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月16日
發(fā)明者馬皓, 尹藝迪 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)