CN108599607A - 一种t型三电平逆变器并联的主从冗余控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明所采用的技术方案是，一种T型三电平逆变器并联的主从冗余控制方法，根据主逆变器的运行状态，从逆变器包含了两种运行方式，具体如下：主逆变器正常运行时，故障检测开关S打至0档位，主逆变器采用电压电流双环控制，保证输出交流母线上电压有效值恒定，同时保证主、从逆变器的中点电位平衡，此时从逆变器工作运行方式保证两台逆变器的功率均分以及并联间零序环流的抑制；主逆变器出现故障切除时，故障检测开关S打至1档位，此时从逆变器切换运行方式可单独运行，保证系统不间断供电及其中点电位平衡。本发明系统工作运行方式清晰，逆变输出电压更稳定，响应速度更快。

Description

一种T型三电平逆变器并联的主从冗余控制方法

技术领域

本发明属于逆变电源并联供电技术领域，涉及一种T型三电平逆变器并联的主从冗余控制方法。

背景技术

由于开关管电流应力的限制，单台逆变电源的容量受限，已无法满足高压大功率应用场合的要求。对于大功率应用场合如空调系统、地铁轨道交通、分布式发电系统等，逆变电源并联将成为能量变换的主流装置。常用的逆变电源并联控制中主从控制方式原理相对简单，易实现且均流效果好，但其可靠性和实用性不高，难以真正实现动态冗余。

而现有的主从冗余控制，虽能提高系统的可靠性，但主从逆变器切换的控制电路较为复杂，且可能会造成输出电压波动，影响系统的正常运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种T型三电平逆变器并联的主从冗余控制方法，解决了主从逆变器切换的控制电路会造成输出电压波动的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种T型三电平逆变器并联的主从冗余控制方法，根据主逆变器的运行状态，从逆变器包含了两种运行方式，具体如下：

主逆变器正常运行时，故障检测开关S打至0档位，此时从逆变器运行方式的具体步骤：

步骤1，主逆变器将其电压调节器的输出参考电流i_dref、i_qref通过串行通信传送给从逆变器，从逆变器接收并作为电流环的给定；

步骤2，采集从逆变器输出的三相电感电流i_La2、i_Lb2、i_Lc2，经abc/dq变换得到i_Ld2、i_Lq2，作为电流环的反馈；

步骤3，将所述电流参考值i_dref、i_qref与电感电流反馈信号i_Ld2、i_Lq2作差，并经过电流调节器处理，得到u_dr、u_qr，经dq/abc变换得到三相正弦信号u_ar、u_br、u_cr；

步骤4，采集从逆变器输出的三相电流i_a2、i_b2、i_c2，相加得到零序环流i_z，用0与i_z作差，并经常规的准比例谐振调节器处理，得到零序环流注入分量u_z，将u_z分别与三相正弦信号u_ar、u_br、u_cr相加，得到最终的从逆变器三相调制信号u_a、u_b、u_c；

步骤5，三相调制信号u_a、u_b、u_c经过SPWM调制模块后再经驱动电路驱动从逆变器运转；

主逆变器出现故障切除时，故障检测开关S打至1档位，此时从逆变器运行方式的具体步骤：

步骤1，采集三相负载电压u_ga、u_gb、u_gc及从逆变器输出的三相电感电流信号i_La2、i_Lb2、i_Lc2，经abc/dq变换得到u_gd、u_gq及i_Ld2、i_Lq2分别作为电压环及电流环的反馈；

步骤2，将电压外环的给定值u_dref、u_qref与电压反馈值u_gd、u_gq作差，得到Δu_de、Δu_qe，并经自调整比例积分调节器处理，得到i_dref′、i_qref′，作为电流环的给定信号；

步骤3，将电流给定信号i_dref′、i_qref′与电流反馈信号i_Ld2、i_Lq2作差，并经过电流调节器处理，得到u_dr、u_qr，经dq/abc变换得到三相正弦信号u_ar、u_br、u_cr；

步骤4，采集上下两电容C₂₁、C₂₂两端的电压并作差，得到从逆变器中点的电位差Δu_O，将0与Δu_O作差，并经常规的比例积分调节器处理，得到中点电位平衡控制输出分量u_O，将中点电位平衡控制输出分量u_O分别与三相正弦信号u_ar、u_br、u_cr相加，得到最终的调制信号u_a、u_b、u_c；

步骤5，最后三相调制信号u_a、u_b、u_c经过SPWM调制模块后再经驱动电路驱动从逆变器运转。

本发明的特点还在于，

主逆变器出现故障切除时，运行步骤2中从逆变器可自动切换成主逆变器的运行模式，且从逆变器电压外环采用了自调整比例积分调节。

主逆变器采用电压电流双环控制。

主逆变器出现故障切除时，从逆变器运行方式步骤4中单独运行的从逆变器加入了保证单台T型三电平逆变器的稳定输出的中点电位平衡模块。

主逆变器正常运行时和主逆变器故障时的步骤3中，电流调节器为常规的比例积分调节器、预测电流调节器或无差拍调节器中的一种。

主逆变器出现故障切除时，故障检测开关S打至1档位，从逆变器的运行方式中步骤2具体为：

步骤2.1，求取电压外环的给定值u_dref、u_qref；

步骤2.2，将电压给定值u_dref、u_qref与采集的输出电压反馈值u_gd、u_gq作差，得到电压差Δu_de、Δu_qe；

步骤2.3，电压差Δu_de、Δu_qe经自调整比例积分调节器处理，得到i_dref′、i_qref′，作为电流环的给定信号。

步骤2.3中电压外环采用自调整比例积分调节器处理电压差Δu_de、Δu_qe的具体方法为：

A，当主逆变器出现故障切除时刻逆变器输出电压会发生严重跌落，即此时电压差Δu_de或Δu_qe较大，需实时比较Δu_de、Δu_qe与Δu_emax的大小来自调整比例积分系数；其中，Δu_emax为输出电压允许跌落的上限值为最大电压差，即为给定电压幅值的0.5％；

令Δu_e＝max(Δu_de,Δu_qe)，则自调整比例积分调节器的表达式为：

其中，

k_P、k_I为稳定运行时电压环的比例积分系数，k₁、k₂为常数；

随着Δu_e与Δu_emax差值的增大，电压环的比例系数会随之增大、积分系数会随之减小，从而提高系统响应速度，保证逆变器的输出电压质量；

B，进而可得到随比例积分系数自调整而变化的i_dref′、i_qref′作为电流环的给定信号：

本发明的有益效果是，针对两台T型三电平逆变电源主从并联系统，给出了从逆变器的两种运行方式，以保证系统的不间断供电。从逆变器可通过实时检测主逆变器的故障信号，来判断是否切换其运行方式。当主逆变器未发生故障时，保留传统主从控制的特性，此时从逆变器的运行方式可保证两台逆变器的功率均分以及并联间零序环流的抑制；一旦主逆变器出现故障，从逆变器会切换运行方式，由单电流环切换为电压电流双闭环运行模式，保证稳定的输出电压，并兼顾平衡中点电位的功能，实现逆变器不间断供电的能力。同时为了确保主逆变器在故障切除时刻逆变输出电压跌落在要求的范围内，达到快速平滑切换，从逆变器电压外环采用了自调整比例积分控制，以保证逆变器并联系统即使主逆变器故障也能为负载提供稳定不间断的电源。具有非常广阔的市场应用前景。

附图说明

图1是本发明一种T型三电平逆变器并联的主从冗余控制方法的两台T型三电平逆变电源并联的电路结构示意图；

图2是本发明一种T型三电平逆变器并联的主从冗余控制方法从逆变器的两种运行方式相互切换的控制原理框图；

图3是本发明一种T型三电平逆变器并联的主从冗余控制方法中从逆变器第二种运行方式下电压环自调整比例积分系数的具体工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明是一种T型三电平逆变器并联的主从冗余控制方法，所依赖的两台T型三电平逆变电源并联拓扑结构，如图1所示，包括一个直流电源，直流电源经过逆变器、滤波器以及传输线路后并入公共交流母线，然后从公共交流母线向负载供电，负载可以是感性、容性、阻性或非线性。

本发明中主逆变器采用电压电流双环控制，保证输出交流母线上电压有效值恒定，同时保证主、从逆变器的中点电位平衡。而从逆变器包含两种运行方式，通过实时检测主逆变器的故障信号，来判断是否切换其运行方式。两种运行方式切换的具体控制框图如图2所示，当主逆变器正常运行时，故障检测开关S打至0档位，此时从逆变器工作的运行方式，保证两台逆变器的功率均分以及并联间零序环流的抑制；当主逆变器出现故障切除时，故障检测开关S打至1档位，此时从逆变器切换运行方式，可单独运行，保证系统不间断供电及其中点电位平衡，并可提供稳定的负载电压。根据主逆变器的运行状态，从逆变器的两种运行方式具体步骤如下：

主逆变器正常运行时，故障检测开关S打至0档位，此时从逆变器运行方式的具体步骤：

步骤1，主逆变器将其电压调节器的输出参考电流i_dref、i_qref通过串行通信传送给从逆变器，从逆变器接收并作为电流环的给定；

步骤2，采集从逆变器输出的三相电感电流i_La2、i_Lb2、i_Lc2，经abc/dq变换得到i_Ld2、i_Lq2，作为电流环的反馈；

步骤3，将所述电流参考值i_dref、i_qref与电感电流反馈信号i_Ld2、i_Lq2作差，并经过电流调节器处理，得到u_dr、u_qr，经dq/abc变换得到三相正弦信号u_ar、u_br、u_cr；

步骤4，采集从逆变器输出的三相电流i_a2、i_b2、i_c2，相加得到零序环流i_z，用0与i_z作差，并经常规的准比例谐振调节器处理，得到零序环流注入分量u_z，将u_z分别与三相正弦信号u_ar、u_br、u_cr相加，得到最终的从逆变器三相调制信号u_a、u_b、u_c；

步骤5，三相调制信号u_a、u_b、u_c经过SPWM调制模块后再经驱动电路驱动从逆变器运转。

主逆变器出现故障切除时，故障检测开关S打至1档位，此时从逆变器运行方式的具体步骤：

步骤1，采集三相负载电压u_ga、u_gb、u_gc及从逆变器输出的三相电感电流信号i_La2、i_Lb2、i_Lc2，经abc/dq变换得到u_gd、u_gq及i_Ld2、i_Lq2分别作为电压环及电流环的反馈；

步骤2，将电压外环的给定值u_dref、u_qref与电压反馈值u_gd、u_gq作差，得到Δu_de、Δu_qe，并经如图3所示的自调整比例积分调节器处理，得到i_dref′、i_qref′，作为电流环的给定信号；

步骤2具体为：

步骤2.1，求取电压外环的给定值u_dref、u_qref；

步骤2.2，将电压给定值u_dref、u_qref与采集的输出电压反馈值u_gd、u_gq作差，得到电压差Δu_de、Δu_qe；

步骤2.3，电压差Δu_de、Δu_qe经自调整比例积分调节器处理，得到i_dref′、i_qref′，作为电流环的给定信号；

步骤2.3中电压外环采用自调整比例积分调节器处理电压差Δu_de、Δu_qe的具体方法为：

A，当主逆变器出现故障切除时刻逆变器输出电压会发生严重跌落，即此时电压差Δu_de或Δu_qe较大，需实时比较Δu_de、Δu_qe与Δu_emax的大小来自调整比例积分系数。其中，Δu_emax为输出电压允许跌落的上限值为最大电压差，即为给定电压幅值的0.5％。

这里令Δu_e＝max(Δu_de,Δu_qe)，则自调整比例积分调节器的表达式为：

其中，

k_P、k_I为稳定运行时电压环的比例积分系数，k₁、k₂为常数。

由式(1)可得，随着Δu_e与Δu_emax差值的增大，电压环的比例系数会随之增大、积分系数会随之减小，从而提高系统响应速度，保证逆变器的输出电压质量。

B，进而可得到随比例积分系数自调整而变化的i_dref′、i_qref′，如式(2)所示，作为电流环的给定信号。

步骤3，将电流给定信号i_dref′、i_qref′与电流反馈信号i_Ld2、i_Lq2作差，并经过电流调节器处理，得到u_dr、u_qr，经dq/abc变换得到三相正弦信号u_ar、u_br、u_cr；

步骤4，采集上下两电容C₂₁、C₂₂两端的电压并作差，得到从逆变器中点的电位差Δu_O，将0与Δu_O作差，并经常规的比例积分调节器处理，得到中点电位平衡控制输出分量u_O，将中点电位平衡控制输出分量u_O分别与三相正弦信号u_ar、u_br、u_cr相加，得到最终的调制信号u_a、u_b、u_c；

步骤5，最后三相调制信号u_a、u_b、u_c经过SPWM调制模块后再经驱动电路驱动从逆变器运转。

主逆变器正常运行时和主逆变器故障时的步骤3中，电流调节器为常规的比例积分调节器、预测电流调节器或无差拍调节器中的一种。

本发明从逆变器包含两种运行方式：主逆变器未发生故障正常运行时从逆变器的运行方式和主逆变器出现故障切除系统后从逆变器的运行方式。其中，主逆变器正常运行时，故障检测开关S打至0档位，主逆变器采用电压电流双环控制，保证输出交流母线上电压有效值恒定，同时保证主、从逆变器的中点电位平衡，此时从逆变器工作运行方式保证两台逆变器的功率均分以及并联间零序环流的抑制；主逆变器出现故障切除时，故障检测开关S打至1档位，此时从逆变器切换运行方式，可单独运行，保证系统不间断供电及其中点电位平衡，并可提供稳定的负载电压。

本发明基于现有的主从冗余控制，主要针对两台T型三电平逆变电源并联拓扑结构，提出了一种改进的从逆变器稳压控制策略，可实现当主逆变器出现故障切除时，从逆变器不仅具备单独运行的功能，保证系统不间断供电，且可提供稳定的负载电压，不影响系统的正常运行，同时还能保证从逆变器的中点电位平衡。

本发明提出了一种改进的从逆变器稳压控制方法，可实现当主逆变器出现故障时，从逆变器通过故障检测开关S迅速调整其控制策略，切换运行方式，保证从逆变器可单独运行，实现不间断供电，且主逆变器故障时从逆变器运行方式中的电压控制器具有根据负载电压波动幅度自调整比例积分系数的功能，能够保证在主逆变器切除瞬间从逆变器输出电压迅速调整至稳定电压值上，可输出稳定的负载电压，同时还能保证从逆变器的中点电位平衡，实现两台T型三电平逆变器并联的冗余逻辑控制。

Claims (7)

1.一种T型三电平逆变器并联的主从冗余控制方法，其特征在于，根据主逆变器的运行状态，从逆变器包含了两种运行方式，具体如下：

主逆变器正常运行时，故障检测开关S打至0档位，此时从逆变器运行方式的具体步骤：

步骤1，主逆变器将其电压调节器的输出参考电流i_dref、i_qref通过串行通信传送给从逆变器，从逆变器接收并作为电流环的给定；

步骤2，采集从逆变器输出的三相电感电流i_La2、i_Lb2、i_Lc2，经abc/dq变换得到i_Ld2、i_Lq2，作为电流环的反馈；

步骤3，将所述电流参考值i_dref、i_qref与电感电流反馈信号i_Ld2、i_Lq2作差，并经过电流调节器处理，得到u_dr、u_qr，经dq/abc变换得到三相正弦信号u_ar、u_br、u_cr；

步骤4，采集从逆变器输出的三相电流i_a2、i_b2、i_c2，相加得到零序环流i_z，用0与i_z作差，并经常规的准比例谐振调节器处理，得到零序环流注入分量u_z，将u_z分别与三相正弦信号u_ar、u_br、u_cr相加，得到最终的从逆变器三相调制信号u_a、u_b、u_c；

步骤5，三相调制信号u_a、u_b、u_c经过SPWM调制模块后再经驱动电路驱动从逆变器运转；

主逆变器出现故障切除时，故障检测开关S打至1档位，此时从逆变器运行方式的具体步骤：

步骤1，采集三相负载电压u_ga、u_gb、u_gc及从逆变器输出的三相电感电流信号i_La2、i_Lb2、i_Lc2，经abc/dq变换得到u_gd、u_gq及i_Ld2、i_Lq2分别作为电压环及电流环的反馈；

步骤2，将电压外环的给定值u_dref、u_qref与电压反馈值u_gd、u_gq作差，得到Δu_de、Δu_qe，并经自调整比例积分调节器处理，得到i_dref′、i_qref′，作为电流环的给定信号；

步骤3，将电流给定信号i_dref′、i_qref′与电流反馈信号i_Ld2、i_Lq2作差，并经过电流调节器处理，得到u_dr、u_qr，经dq/abc变换得到三相正弦信号u_ar、u_br、u_cr；

步骤4，采集上下两电容C₂₁、C₂₂两端的电压并作差，得到从逆变器中点的电位差Δu_O，将0与Δu_O作差，并经常规的比例积分调节器处理，得到中点电位平衡控制输出分量u_O，将中点电位平衡控制输出分量u_O分别与三相正弦信号u_ar、u_br、u_cr相加，得到最终的调制信号u_a、u_b、u_c；

步骤5，最后三相调制信号u_a、u_b、u_c经过SPWM调制模块后再经驱动电路驱动从逆变器运转。

2.根据权利要求1所述的一种T型三电平逆变器并联的主从冗余控制方法，其特征在于，所述主逆变器出现故障切除时，运行步骤2中从逆变器可自动切换成主逆变器的运行模式，且从逆变器电压外环采用了自调整比例积分调节。

3.根据权利要求1所述的一种T型三电平逆变器并联的主从冗余控制方法，其特征在于，所述主逆变器采用电压电流双环控制。

4.根据权利要求1所述的一种T型三电平逆变器并联的主从冗余控制方法，其特征在于，所述主逆变器出现故障切除时，从逆变器运行方式步骤4中单独运行的从逆变器加入了保证单台T型三电平逆变器的稳定输出的中点电位平衡模块。

5.根据权利要求1所述的一种T型三电平逆变器并联的主从冗余控制方法，其特征在于，所述主逆变器正常运行时和主逆变器故障时的步骤3中，电流调节器为常规的比例积分调节器、预测电流调节器或无差拍调节器中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种T型三电平逆变器并联的主从冗余控制方法，其特征在于，所述主逆变器出现故障切除时，故障检测开关S打至1档位，从逆变器的运行方式中步骤2具体为：

步骤2.1，求取电压外环的给定值u_dref、u_qref；

步骤2.2，将电压给定值u_dref、u_qref与采集的输出电压反馈值u_gd、u_gq作差，得到电压差Δu_de、Δu_qe；

步骤2.3，电压差Δu_de、Δu_qe经自调整比例积分调节器处理，得到i_dref′、i_qref′，作为电流环的给定信号。

7.根据权利要求6所述的一种T型三电平逆变器并联的主从冗余控制方法，其特征在于，所述步骤2.3中电压外环采用自调整比例积分调节器处理电压差Δu_de、Δu_qe的具体方法为：

A，当主逆变器出现故障切除时刻逆变器输出电压会发生严重跌落，即此时电压差Δu_de或Δu_qe较大，需实时比较Δu_de、Δu_qe与Δu_emax的大小来自调整比例积分系数；其中，Δu_emax为输出电压允许跌落的上限值为最大电压差，即为给定电压幅值的0.5％；

令Δu_e＝max(Δu_de,Δu_qe)，则自调整比例积分调节器的表达式为：

其中，

k_P、k_I为稳定运行时电压环的比例积分系数，k₁、k₂为常数；

随着Δu_e与Δu_emax差值的增大，电压环的比例系数会随之增大、积分系数会随之减小，从而提高系统响应速度，保证逆变器的输出电压质量；

B，进而可得到随比例积分系数自调整而变化的i_dref′、i_qref′作为电流环的给定信号：