CN201310593888XA 一种多并联逆变器电机调速系统及其控制方法 1-9

(10)申请公布号 CN 103560746 A (43)申请公布日 2014.02.05 CN 103560746 A (21)申请号 201310593888.X (22)申请日 2013.11.21 H02P 27/08(2006.01) H02P 21/00(2006.01) (71)申请人 东南大学 地址 210096 江苏省南京市四牌楼 2 号 (72)发明人 王政 郑杨 陈健 程明 (74)专利代理机构 江苏永衡昭辉律师事务所 32250 代理人 王斌 (54) 发明名称 一种多并联逆变器电机调速系统及其控制方 法 (57) 摘要 本发明公开一种多并联逆变器电机调速系统 及其控制方法， 该系统由多个逆变器模块并联而 成， 多个逆变器子模块在直流侧直接和一个具有 直流母线电容的直流电源并联， 在交流侧分别串 联多组平波电抗器后直接并联来驱动交流电机。 这种结构使得电机调速系统易于模块化拓展， 并 且增强了其容错性能。本发明基于载波移相的随 机空间矢量脉宽调制方法等效提高了并联逆变器 的开关频率， 平均化了窄频带内开关次谐波能量， 改善了并联逆变器输出电流的谐波性能， 增强了 电机调速系统电磁抗干扰能力。本发明采用动态 分配 SVPWM 零矢量的空间矢量合成技术， 有效消 除了各并联逆变器模块之间的零序环流， 保证了 系统正常工作。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103560746 A CN 103560746 A 1/1 页 2 1. 一种多并联逆变器电机调速系统， 其特征是 ： 所述系统包含多个逆变器模块， 所述 多个逆变器模块的直流侧和一个并联有直流母线电容的直流电源直接并联， 所述多个逆变 器模块的交流侧分别串联一组平波电抗器后直接并联以驱动交流电机。 2. 如权利要求 1 所述的多并联逆变器电机调速系统， 其特征在于逆变器模块的拓扑结 构是由 6 个反并联二极管的 IGBT 构成的三相全桥电路。 3. 如权利要求 1 所述多并联逆变器电机调速系统的控制方法， 其特征在于采用转速、 电流双闭环控制， 采用经载波移相的随机 SVPWM 调制技术改善电机电流谐波特性， 通过实 时采集各逆变器模块输出的三相电流并与参考电流进行比较， 来控制产生相应的 PWM 驱动 信号， 使电机调速系统达到调速和抑制环流的要求， 通过在各逆变器模块的载波信号间加 入移相角 ， 为 2/N， 其中 N 为并联逆变器模块个数， 并采用随机数序列 ui+1=Aui(1-ui) 来随机化各逆变器模块的载波信号频率， 其中 ui为第 i 个迭代数， ui+1为第 i+1 个迭代数， A 为迭代函数增益， 载波信号经调制信号调制后产生移相随机 PWM 驱动信号， 等效增加系统 的开关频率， 改善电机电流的谐波特性。 4. 如权利要求 3 所述的控制方法， 其特征在于每个逆变器模块对应一个逆变器控制模 块， 多个逆变器控制模块共用一个转速环， 将电机给定转速参考值与实际转速通过减法器 进行比较， 并通过 PI 调节器得到电机转矩电流参考值， 再通过除法器得到各个逆变器模块 的 q 轴电流参考值， 给定逆变器控制模块的 d 轴参考电流值均为 0， 通过逆变器控制模块中 的dq轴电流控制单元比较相应逆变器模块d、 q轴参考电流和实际电流， 控制逆变器控制模 块中的 SVPWM 脉冲发生单元输出相应的驱动信号。 5. 如权利要求 3 所述的控制方法， 其特征在于实时采样单个逆变器模块的零序电流， 通过比较器与参考零序电流进行比较， 并通过 PI 调节器得到零矢量零向量作用时间比例 系数 k， 通过动态调节系数 k 动态调节 SVPWM 脉冲发生单元中不同空间零矢量的作用时间， 抑制并联逆变器之间的环流。 6. 如权利要求 3 所述的控制方法， 其特征在于采用 DSP+FPGA 混合硬件结构作为 SVPWM 脉冲发生单元产生 PWM 驱动信号， DSP 进行各种信号的采集和运算， FPGA 输出 N6 路 PWM 驱动信号， N 为并联逆变器模块个数。 权 利 要 求 书 CN 103560746 A 2 1/4 页 3 一种多并联逆变器电机调速系统及其控制方法 技术领域 0001 本发明涉及一种交流电机调速系统及其控制方法， 广泛应用于大功率交流电机调 速和电能变换， 属于电力系统、 电力电子、 电机控制领域。 背景技术 0002 目前， 对交流电机调速系统的研究， 主要是在变换电路的拓扑结构和电力电子控 制策略上面， 目标是实现系统调速性能优越、 可靠性高、 大功率化、 高效率化以及对电网污 染小。 0003 为满足电机驱动系统容量不断增大的要求， 并联三相逆变器用来提高电机调速系 统容量。并联方式包括 ：（一） 直流侧采用多个电源独立供电， 交流侧经平波电抗器直接并 联 ；（二） 直流侧直接并联于一个电源， 交流侧通过隔离变压器经平波电抗器并联 ；（三） 直流 侧直接并联于一个电源， 交流侧经平波电抗器直接并联。前两者需要独立直流电源或隔离 变压器， 带来了系统体积、 成本等问题， 并且不易于模块化拓展。第三种即为本发明所涉及 的结构方案， 易于模块化拓展， 但第三种结构如采用传统控制策略会在并联逆变器模块之 间引入环流。 一些新型电机变频调速系统采用多电平技术来提高调速系统的容量和改善调 速性能， 主要有级联 H 桥型、 二极管钳位型、 飞跨电容型和模块化多电平变换器 （MMC） 。这 些多电平技术都在一定程度上改善了变频调速系统的谐波性能， 但是这些多电平变换器都 是针对将系统电压等级升高， 并不涉及通过多个变换器并联来实现电机调速系统电流的增 大。 0004 载波移相 PWM 技术和随机 PWM 技术被提出来改善并联逆变器输出电流谐波特性。 移相 PWM 技术可等效提高并联逆变器开关频率， 改善并联逆变系统输出电流谐波性能， 提 升动态性能。同时移相 PWM 技术允许各逆变器模块开关器件工作在较低开关频率， 减小了 开关损耗。另一方面， 随机 PWM 技术通过随机改变开关频率， 实现开关频率的随机化， 平均 化窄频带内开关次谐波能量， 可提高电机调速系统的电磁兼容性， 减小电机噪声， 但随机 PWM 技术目前仅局限于单台逆变器系统中。如何将随机 PWM 技术应用于并联逆变器馈电电 机调速系统中， 将其与载波移相 PWM 技术有机结合， 并有效抑制并联逆变器模块间由于开 关动作不一致或参数不一致造成的环流， 目前仍处于空白。 发明内容 0005 针对目前并联逆变器电机调速系统不易模块化拓展的缺点和并联逆变器传统调 制技术和控制策略有待改善的需求， 本发明提出一种基于移相随机脉宽调制的多并联逆变 器电机调速系统。 0006 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 ： 0007 本发明首先提供一种多并联逆变器电机调速系统， 其特征是 ： 所述系统包含多个 逆变器模块， 所述多个逆变器模块的直流侧和一个并联有直流母线电容的直流电源直接并 联， 所述多个逆变器模块的交流侧分别串联一组平波电抗器后直接并联以驱动交流电机。 说 明 书 CN 103560746 A 3 2/4 页 4 0008 其中， 逆变器模块的拓扑结构是由 6 个反并联二极管的 IGBT 构成的三相全桥电 路。 0009 本发明还提供上述多并联逆变器电机调速系统的控制方法， 其特征在于采用转 速、 电流双闭环控制， 采用经载波移相的随机 SVPWM 调制技术改善电机电流谐波特性， 通 过实时采集各逆变器模块输出的三相电流并与参考电流进行比较， 来控制产生相应的 PWM 驱动信号， 使电机调速系统达到调速和抑制环流的要求。通过在各逆变器模块的载 波信号间加入移相角 ， 为 2/N， 其中 N 为并联逆变器模块个数， 并采用随机数序列 ui+1=Aui(1-ui) 来随机化各逆变器模块的载波信号频率， 其中 ui为第 i 个迭代数， ui+1为第 i+1个迭代数， A为迭代函数增益， 载波信号经调制信号调制后产生移相随机PWM驱动信号， 等效增加系统的开关频率， 改善电机电流的谐波特性。 0010 进一步地， 上述控制方法特征还在于实时采样单个逆变器模块的零序电流， 通过 比较器与参考零序电流进行比较， 并通过 PI 调节器得到零矢量零向量作用时间比例系数 k， 通过动态调节系数 k 动态调节 SVPWM 脉冲发生单元中不同空间零矢量的作用时间， 抑制 并联逆变器之间的环流。 0011 本发明的有益效果是 ： 0012 1、 本发明并联逆变器馈电电机调速系统通过多个模块化逆变器并联实现， 增大了 电机调速系统的容量， 同时使系统更易于模块化设计和生产。 0013 2、 多个逆变器模块的直流侧和交流侧均直接并联在一起， 直流侧共用了直流母 线， 交流侧并联后接交流电机， 减小了整个电机调速系统的成本和体积。 0014 3、 本发明并联逆变器馈电电机调速系统在某一个或几个逆变器模块故障的情况 下仍可正常运行， 增加了调速系统的容错性能， 提升了可靠性。 0015 4、 本发明的控制方法提出基于载波移相的随机 SVPWM 调制技术， 一方面等效提高 了并联逆变器的开关频率， 改善了并联逆变器输出电流的谐波性能， 减小了单台逆变器模 块的开关损耗， 增强了电机调速系统的电磁抗干扰能力。另一方面拓宽了窄频带内开关次 谐波频谱， 平均了其能量， 增强了电机调速系统电磁抗干扰能力， 同时减小了由于开关次谐 波造成的电机高频噪声。 0016 5、 本发明控制方法采用了动态分配 SVPWM 零矢量的空间矢量调制技术， 有效地消 除了各并联逆变器模块之间的零序环流， 保证了电机调速系统的正常工作。 附图说明 0017 图 1 是本发明的并联逆变器电机调速系统结构图。 0018 图 2 是本发明的并联逆变器电机调速系统的控制框图。 0019 图 3 是本发明的移相随机脉宽调制策略原理图。 0020 图 4 是本发明的基于动态调节 SVPWM 零矢量的并联逆变器环流抑制原理图。 0021 图中各标号定义如下 ： 0022 1.1 为直流电源， 1.2 为直流母线电容， 1.3、 1.4、 1.5 为逆变器模块， 1.6、 1.7、 1.8 为平波电抗器， 1.9 交流电机 ； 2.1、 4.1 为减法器， 2.2、 4.2 为 PI 调节器， 2.3 除法器， 2.4、 2.5、 2.7 为 dq 轴电流控制单元， 2.6、 2.8 为环流控制单元， 2.9、 2.10、 2.11、 4.3 为 SVPWM 脉 冲发生单元， 2.12、 2.13、 2.14 为逆变器控制模块 ； 3.1、 3.2、 3.3 为三角载波信号， 3.4 为调 说 明 书 CN 103560746 A 4 3/4 页 5 制波信号， 3.5、 3.6、 3.7 为开关驱动脉冲信号。 具体实施方式 0023 下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案和工作原理做进一步说明。 0024 如图1所示， 以3个逆变器模块并联为例， 并联逆变器馈电电机调速系统由逆变器 模块 1.3、 逆变器模块 1.4、 逆变器模块 1.5 并联组成， 3 个逆变器模块 1.3、 1.4、 1.5 的直流 侧和并联有直流母线电容 1.2 的直流电源 1.1 直接并联， 交流侧分别串联平波电抗器 1.6、 1.7、 1.8 后直接并联以驱动电机负载 1.9。单个逆变器模块的拓扑结构是由 6 个反并联二 极管的 IGBT 构成的三相全桥电路。本发明正是通过这种并联多个逆变器模块的方式来增 大交流侧的输出电流， 从而增大电机调速系统的容量。增大的系统容量与并联逆变器模块 的个数成比例。这种模块化的逆变器并联方式使得电机调速系统易于模块化拓展， 在电机 调速系统结构不变的情况下， 只要在原基础上直接多并联若干个逆变器模块就可以增大调 速系统的容量。同时这种并联结构使系统的容错性能大大增加， 在某个或某几个逆变器模 块发生故障时， 通过切除故障模块， 可减小负载功率， 剩余的逆变器模块使得整个电机调速 系统仍可正常运行。根据电机调速系统的要求， 每个逆变器模块在对应的逆变器控制模块 输出的 6 路 PWM 驱动信号的驱动下， 将直流电源逆变成特定频率和幅值的三相交流电。逆 变器模块的输出电流经与之串联的平波电抗器滤波后在交流侧并联处叠加， 从而增大了总 的输出电流， 增大了电机调速系统的容量。 0025 如图 2 所示， 三台并联逆变器分别由三台逆变器控制模块 2.12、 2.13、 2.14 控制， 逆变器控制模块包含 dq 轴电流控制单元、 SVPWM 脉冲发生单元和环流抑制单元。本发明所 采用的调速控制方法是 dq0 坐标系下转速、 电流双闭环 PI 调节控制。3 组逆变器控制模块 2.12、 2.13、 2.14 共用一个转速环， 将电机给定转速参考值 * 与实际转速 通过减法器 2.1进行比较， 并通过PI调节器2.2得到电机转矩电流参考值， 再通过除法器2.3得到各个 逆变器模块的 q 轴电流参考值 iq*。这种逆变器模块 q 轴电流参考值的获取方式也间接引 入了负载均分控制。给定 3 组逆变器控制模块的 d 轴参考电流 id1*、 id2*、 id3*均为 0， 3 组逆 变器控制模块中的 dq 轴电流控制单元 2.4、 2.5、 2.7 和 2 个环流控制单元 2.6、 2.8 实时采 集各个并联逆变器模块输出的三相电流， 并与各个逆变器模块参考电流进行比较， 控制与 之相对应的 3 组 SVPWM 脉冲发生单元 2.9、 2.10、 2.11 输出相应的驱动信号， 使得各个逆变 器的输出电流跟踪参考电流， 以达到电机调速和抑制环流的目的。 0026 SVPWM 驱动信号可以看作是由三角载波信号与含有一定三次谐波分量的正弦基 波调制而成。本发明中 3 组逆变器控制模块 2.12、 2.13、 2.14 中的 SVPWM 脉冲发生单元采 用移相随机脉宽调制技术。采用随机数序列 ui+1=Aui(1-ui)， 其中 ui为第 i 个迭代数， ui+1 为第 i+1 个迭代数， A 为迭代函数增益。本具体实施例将 A 取 4， 可获得在 0,1 之间分 布的随机数 u， 从而产生随机载波频率。随机开关频率可以表述为 ： f=fs+(u-0.5)f， 其 中 fs为固定中心开关频率， f 为频带常数， f 为随机开关频率， 这样开关频率随机分布在 fs-0.5f,fs+0.5f, 之间， 但其数学期望值仍为 fs。本发明中 3 个逆变器模块开关周 期的初始相位相互交错 2/3（即各逆变器模块的载波信号间加入移相角 2/3） ， 也就是 时间上相互交错 Ts/3（Ts为随机开关周期的数学期望） 。若逆变器模块并联数为 N， 则各个 逆变器模块开关周期初始相位交错 2/N， 也就是时间上相互交错 Ts/N。 说 明 书 CN 103560746 A 5 4/4 页 6 0027 图 3 中信号 3.1、 3.2、 3.3 就是 3 个时间上相互交错 Ts/3， 随机频率分别为 fc1、 fc2、 fc3载波信号。载波信号和调制信号 3.4 相调制生成 3 个逆变器模块的移相随机 PWM 驱动 信号。图 3 中信号 3.5、 3.6、 3.7 为 3 个逆变器模块某个相同桥臂上开关器件的驱动脉冲 波形。这种载波移相的随机空间矢量脉宽调制 （SVPWM） 策略等效提高了逆变系统的开关频 率， 改善了并联逆变器输出电流的谐波性能， 平均化了窄频带内开关次谐波能量， 增强了电 机调速系统电磁抗干扰能力。 0028 本发明采用动态分配 SVPWM 零矢量来有抑制各并联逆变器模块之间的零序环流， 保证了系统正常工作。动态分配 SVPWM 零矢量策略是在七段式 SVPWM 的基础上， 通过引入 零向量作用时间比例系数 k， 使得两个空间零矢量 000、 111 作用时间分别为 (1-k)T0、 k0T0， 其中 T0为零矢量作用时间， 即一个开关周期内零矢量总的作用时间不变， 而动态调节不同 零矢量 000、 111 的作用时间。由于一个开关周期内总的零矢量作用时间不变， 因此逆变器 合成的输出电压不变， 但是000和111两种零矢量作用于逆变器时， 会使该逆变器中的环流 方向发生变化， 因此动态调节不同零矢量的作用时间能够改变环流的大