CN2014100987367A 基于PR控制和双载波调制的逆变器并联环流抑制系统 1-12

(10)申请公布号 CN 103888007 A (43)申请公布日 2014.06.25 CN 103888007 A (21)申请号 201410098736.7 (22)申请日 2014.03.17 H02M 7/48(2007.01) (71)申请人 电子科技大学 地址 611731 四川省成都市高新区 （西区） 西 源大道 2006 号 (72)发明人 李凯 严国庆 邹见效 郑宏 徐红兵 孙宁波 (74)专利代理机构 成都行之专利代理事务所 ( 普通合伙 ) 51220 代理人 温利平 (54) 发明名称 基于 PR 控制和双载波调制的逆变器并联环 流抑制系统 (57) 摘要 本发明公开了一种基于 PR 控制和双载波调 制的逆变器并联环流抑制系统， 通过逆变器并联 的方式， 使逆变系统的功率容量增大。同时， 逆变 器内部采用比例谐振控制装置， 能够有效的抑制 低频零序环流， 同时改用双载波调制方法， 以非零 矢量来替换零矢量来抑制高频零序环流， 具有直 流电压利用率高、 零序环流小的优点。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 4 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2页 说明书5页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103888007 A CN 103888007 A 1/2 页 2 1. 一种基于 PR 控制和双载波调制的逆变器并联环流抑制系统， 包括连接电网和负载 的 N 台逆变器， N 台逆变器采用并联结构， 其特征在于， 还包括 ： 前 N-1 台逆变器分别包括 ： 一坐标变换模块1、 一电流控制模块、 一SVPWM调制算法模块、 一双载波比较模块、 一PR控制 模块、 一组功率开关管、 一减法器和三个加法器 ； 第 N 台逆变器包括 ： 一坐标变换模块 2、 一 电流控制模块、 一 SVPWM 调制算法模块、 一双载波比较模块、 一组功率开关管 ； 将并联的 N 台逆变器并网启动后， 得到交流侧的三相电流 ia、 ib、 ic； 前 N-1 台逆变器分 别通过电流传感器采集三相电流， 将采集的三相电流经过坐标变换模块 1 处理得到有功电 流id、 无功电流iq以及零序环流i0； 将有功电流id、 无功电流iq和有功电流给定值id*、 无功 电流给定值 iq*输入到电流控制模块通过电流控制模块处理得到指令电压 vd和 vq； 再将指 令电压 vd和 vq输入到 SVPWM 调制算法模块， 得到调制信号 vi； 同时将生产的零序环流 i0与 零序环流的目标给定值 0 作差， 得到跟踪零序环流 i0的误差电流 ierr， 将误差电流 ierr反馈 给PR控制模块， 得到零序环流的控制量v0； 将零序环流的控制量v0和调制信号vi分别送入 3 个求和模块， 经过求和叠加后输送给双载波比较模块， 得到带有零序环流抑制效果的驱动 信号 vs； 最后用驱动信号 vs驱动功率开关管工作产生三相电流 ia(N-1)、 ib(N-1)、 ic(N-1)， 三相电 流 ia(N-1)、 ib(N-1)、 ic(N-1)经过电感 LN-1滤波后由传感器采集再反馈给坐标变换模块 1 ； 第 N 台逆变器则通过电流传感器采集两相电流 ia、 ib， 电流 ic则由公式 ic 0-ia-ib计 算得到， 将三相电流经过坐标变换模块2处理后得到有功电流id、 无功电流iq； 有功电流id、 无功电流iq和有功电流给定值id*、 无功电流给定值iq*输入到电流控制模块， 通过电流控制 模块处理得到指令电压 vd和 vq； 再将指令电压 vd和 vq输入给 SVPWM 调制算法模块得到调 制信号 vi； 将调制信号 vi送给双载波比较模块后得到开关工作组的驱动信号 vs； 最后用驱 动信号 vs驱动功率开关管工作产生三相电流 iaN、 ibN、 icN， 三相电流 iaN、 ibN、 icN经过电感 LN 滤波后由传感器采集再反馈给坐标变换模块 2。 2.根据权利要求1所述的基于PR控制和双载波调制的逆变器并联环流抑制系统， 其特 征在于， 所述的 PR 控制模块由一个比例控制器和多个谐振控制器并联， PR 控制模块的传导 函数为 ： 其中， GPR(s) 为比例控制器， GnR(s) 为谐振控制器， Kp和 Ki为比例谐振控制模块参数， Kp为比例系数， Ki为积分系数， 为基波角频率， c为截止频率， k 为自然数 1、 2、 3， n 为 3k， 其含义是基波的 3 倍次谐波。 3.根据权利要求1所述的基于PR控制和双载波调制的逆变器并联环流抑制系统， 其特 征在于， 所述的 SVPWM 调制算法模块和双载波比较模块共同构成双载波调制， 双载波调制 时 SVPWM 调制算法模块的载波选择方法为 ： 权 利 要 求 书 CN 103888007 A 2 2/2 页 3 权 利 要 求 书 CN 103888007 A 3 1/5 页 4 基于 PR 控制和双载波调制的逆变器并联环流抑制系统 技术领域 0001 本发明属于逆变器技术领域， 更为具体地讲， 涉及一种基于 PR 控制和双载波调制 的逆变器并联环流抑制系统。 背景技术 0002 随着系统功率容量的增大， 单台逆变器已经不能满足实际需求， 目前一种有效解 决方法是将逆变器并联运行。 但是， 由于逆变器输出电压的差异， 在并联逆变器之间引入零 序环流问题， 它会导致逆变器输出电流失真， 负载电流分配不平衡， 严重时会导致逆变器出 现过流故障， 甚至损坏功率器件。 0003 为了抑制并联逆变器之间的零序环流， 国内外学者在这方面已经进行了大量的研 究工作， 提出了很多方法。 0004 隔离法， 并联逆变器采用交流侧和直流侧分别供电或者交流侧变压器隔离的方式 来截断零序电流通路， 零序环流能够得到有效的抑制。 但是， 因为要增加额外的功率供电电 路或者工频变压器， 使用这种方法的并联逆变器通常体积庞大而且成本增加， 而且使用变 压器进行隔离会降低系统的效率。 0005 阻抗法， 通过增加并联逆变器的相间电抗器来提供零序环流通路的阻抗。 但是， 由 于电抗器只是在中频或者高频才能产生一个较高的阻抗， 而通常低频零序环流对逆变器的 影响最大， 因而一直效果有限。 该方法会相应的增加系统的成本， 同时电抗器上面的压降也 会增加， 降低系统的效率。 0006 单一变流器控制方法， 该方法是将N台并联逆变器当作一台具有3N相的逆变器来 控制。 但是， 单一变流器控制方法的建模和控制器设计用于两台逆变器并联已经比较复杂， 如果用于多台逆变器并联， 这种方法的实现会变得非常困难， 在实际工程应用时往往不可 行。 0007 滞环电流控制方法， 滞环控制用于抑制零序环流， 它的控制响应速度较快， 精度较 高。但是用于零序电流控制时其滞环带宽不好确定， 控制器设计不方便。而且当载波频率 较低时， 系统的零序电流纹波较大。 0008 基于 PWM 调制算法的零序环流控制， 通常有两种类型 ： 一是采用 SPWM 调制算法， 其原理本身不产生零序电压， 这是一种开环控制方法， 但是其直流电压利用率低 ； 二是采 用 PI 控制的 SVPWM 单载波调制算法， 通过传感器检测并联系统零序环流， 利用 PI 控制器 来来抑制零序环流， 是一种闭环控制方法， 该方法可以有效地抑制零序环流， 但是由于零 序环流的主要成分是 3 次及 9 次基频频率成分， PI 控制无法做到无静差跟踪。2002 年 Z.Ye,D.Boroyevich,J.Choi,F.C.Lee.三人在IEEE Transactions on Power Electronics 上发表的论文 Control of circulating current in two parallel three-phase boost rectifiers 即使用的该算法。 发明内容 说 明 书 CN 103888007 A 4 2/5 页 5 0009 本发明的目的在于克服现有技术的不足， 提供一种基于 PR 控制和双载波调制的 逆变器并联环流抑制系统， 通过 PR 控制的零序电流闭环控制方法抑制低频零序环流， 同时 通过双载波调制方法以非零矢量来替换零矢量来抑制高频零序环流， 具有直流电压利用率 高、 零序环流小的优点。 0010 为实现上述发明目的， 本发明一种基于 PR 控制和双载波调制的逆变器并联环流 抑制系统， 包括连接电网和负载的 N 台逆变器， N 台逆变器采用并联结构， 其特征在于， 还包 括 ： 前 N-1 台逆变器分别包括 ： 一坐标变换模块 1、 一电流控制模块、 一 SVPWM 调制算法模 块、 一双载波比较模块、 一 PR 控制模块、 一组功率开关管、 一减法器和三个加法器 ； 第 N 台 逆变器包括 ： 一坐标变换模块 2、 一电流控制模块、 一 SVPWM 调制算法模块、 一双载波比较模 块、 一组功率开关管 ； 0011 将并联的 N 台逆变器并网启动后， 得到交流侧的三相电流 ia、 ib、 ic； 前 N-1 台逆变 器分别通过电流传感器采集三相电流， 将采集的三相电流经过坐标变换模块 1 处理得到有 功电流id、 无功电流iq以及零序环流i0； 将有功电流id、 无功电流iq和有功电流给定值id*、 无功电流给定值 iq*输入到电流控制模块通过电流控制模块处理得到指令电压 vd和 vq； 再 将指令电压 vd和 vq输入到 SVPWM 调制算法模块， 得到调制信号 vi； 同时将生产的零序环流 i0与零序环流的目标给定值 0 作差， 得到跟踪零序环流 i0的误差电流 ierr， 将误差电流 ierr 反馈给PR控制模块， 得到零序环流的控制量v0； 将零序环流的控制量v0和调制信号vi分别 送入 3 个求和模块， 经过求和叠加后输送给双载波比较模块， 得到带有零序环流抑制效果 的驱动信号 vs； 最后用驱动信号 vs驱动功率开关管工作产生三相电流 ia(N-1)、 ib(N-1)、 ic(N-1)， 三相电流 ia(N-1)、 ib(N-1)、 ic(N-1)经过电感 LN-1滤波后由传感器采集再反馈给坐标变换模块 1 ； 0012 第 N 台逆变器则通过电流传感器采集两相电流 ia、 ib， 电流 ic则由公式 ic 0-ia-ib计算得到， 将三相电流经过坐标变换模块2处理后得到有功电流id、 无功电流iq； 有 功电流 id、 无功电流 iq和有功电流给定值 id*、 无功电流给定值 iq*输入到电流控制模块， 通 过电流控制模块处理得到指令电压vd和vq； 再将指令电压vd和vq输入给SVPWM调制算法模 块得到调制信号 vi； 将调制信号 vi送给双载波比较模块后得到开关工作组的驱动信号 vs； 最后用驱动信号 vs驱动功率开关管工作产生三相电流 iaN、 ibN、 icN， 三相电流 iaN、 ibN、 icN经 过电感 LN滤波后由传感器采集再反馈给坐标变换模块 2。 0013 其中， 所述的 PR 控制模块由一个比例控制器和多个谐振控制器并联， PR 控制模块 的传导函数为 ： 0014 0015 其中， GPR(s) 为比例控制器， GnR(s) 为谐振控制器， Kp和 Ki为比例谐振控制模块参 数， Kp为比例系数， Ki为积分系数， 为基波角频率， c为截止频率， k为自然数1、 2、 3， n 为 3k， 其含义是基波的 3 倍次谐波。 0016 所述的 SVPWM 调制算法模块和双载波比较模块共同构成双载波调制， 双载波调制 时 SVPWM 调制算法模块的载波选择方法为 ： 说 明 书 CN 103888007 A 5 3/5 页 6 0017 0018 本发明的发明目的是这样实现的 ： 0019 本发明基于 PR 控制和双载波调制的逆变器并联环流抑制系统， 通过逆变器并联 的方式， 使逆变系统的功率容量增大。同时， 逆变器内部采用比例谐振控制装置， 能够有效 的抑制低频零序环流， 同时改用双载波调制方法， 以非零矢量来替换零矢量来抑制高频零 序环流， 具有直流电压利用率高、 零序环流小的优点。 0020 同时， 本发明基于 PR 控制和双载波调制的逆变器并联环流抑制系统还具有以下 有益效果 ： 0021 由于并联逆变器输出电压存在差异， 在并联逆变器之间会引入零序环流问题， 本 发明能够有效的减小了逆变器间的环流， 使得逆变器输出电流失真减小， 负载电流分配趋 于平衡， 并增强了系统的稳定性， 同时具有直流电压利用率高的优点。 附图说明 0022 图 1 是本发明基于 PR 控制和双载波调制的逆变器并联环流抑制系统的一种具体 实施方式架构图 ； 0023 图 2 是图 1 所示的 PR 控制模块的原理图 ； 0024 图 3 是基于 PI 控制和单载波调制的并网电流和模块间环流波形 ； 0025 图 4 是基于 PI 控制和双载波调制的并网电流和模块间环流波形 ； 0026 图 5 是基于 PR 控制和双载波调制的并网电流和模块间环流波形 ； 0027 表 1 是 SVPWM 调制算法模块的载波选择方式表。 具体实施方式 0028 下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述， 以便本领域的技术人员更好地 理解本发明。 需要特别提醒注意的是， 在以下的描述中， 当已知功能和设计的详细描述也许 会淡化本发明的主要内容时， 这些描述在这里将被忽略。 0029 实施例 0030 为了方便描述， 先对具体实施方式中出现的相关专业术语进行说明 ： 0031 PR（Proportion Resonant） ： 比例谐振 ； 0032 PI（Proportion Integration） ： 比例积分 ； 0033 SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation） ： 空间矢量脉宽调制。 说 明 书 CN 103888007 A 6 4/5 页 7 0034 图 1 是本发明基于 PR 控制和双载波调制的逆变器并联环流抑制系统的一种具体 实施方式架构图。 0035 在本实施例中， 本发明基于 PR 控制和双载波调制的逆变器并联环流抑制系统包 括连接电网和负载的 N 台逆变器， N 台逆变器采用并联结构， 本实施例中以 2 台逆变器并联 为例， 如图 1 所示， 其中， 第 1 台逆变器包括 ： 一坐标变换模块 1、 一电流控制模块、 一 SVPWM 调制算法模块、 一双载波比较模块、 一 PR 控制模块、 一组功率开关管、 一减法器和三个加法 器 ； 第 2 台逆变器包括 ： 一坐标变换模块 2、 一电流控制模块、 一 SVPWM 调制算法模块、 一双 载波比较模块、 一组功率开关管 ； 0036 当 2 台并联的逆变器并网启动后， 得到交流侧的三相电流 ia、 ib、 ic； 第 1 台逆变器 分别通过电流传感器采集三相电流， 将采集的三相电流经过坐标变换模块 1 处理得到有功 电流id、 无功电流iq以及零序环流i0； 将有功电流id、 无功电流iq和有功电流给定值id*、 无 功电流给定值 iq*输入到电流控制模块通过电流控制模块处理得到指令电压 vd和 vq； 再将 指令电压 vd和 vq输入到 SVPWM 调制算法模块， 得到调制信号 vi； 同时将生产的零序环流 i0 与零序环流的目标给定值 0 作差， 得到跟踪零序环流 i0的误差电流 ierr， 将误差电流 ierr反 馈给PR控制模块， 得到零序环流的控制量v0； 将零序环流的控制量v0和调制信号vi分别送 入 3 个求和模块， 经过求和叠加后输送给双载波比较模块， 得到带有零序环流抑制效果的 驱动信号 vs； 最后用驱动信号 vs驱动功率开关管工作产生三相电流 ia1、 ib1、 ic1， 三相电流 ia1、 ib1、 ic1经过电感 L1滤波后由传感器采集再反馈给坐标变换模块 1 ； 0037 其中， SVPWM 调制算法模块和双载波比较模块共同构成双载波调制， 双载波调制时 SVPWM 调制算法模块的载波选择方法为 ： 0038 0039 表 1 0040 第 2 台逆变器则通过电流传感器采集两相电流 ia、 ib， 电流 ic则由公式 ic 0-ia-ib计算得到， 将三相电流经过坐标变换模块2处理后得到有功电流id、 无功电流iq； 有 功电流 id、 无功电流 iq和有功电流给定值 id*、 无功电流给定值 iq*输入到电流控制模块， 通 过电流控制模块处理得到指令电压vd和vq； 再将指令电压vd和vq输入给SVPWM调制算法模 块得到调制信号 vi； 将调制信号 vi送给双载波比较模块后得到开关工作组的驱动信号 vs； 最后用驱动信号 vs驱动功率开关管工作产生三相电流 ia2、 ib2、 ic2， 三相电流 ia2、 ib2、 ic2经 过电感 L2滤波后由传感器采集再反馈给坐标变换模块 2。 0041 图 2 是图 1 所示的 PR 控制模块的原理图。 说 明 书 CN 103888007 A 7 5/5 页 8 0042 如图 2 所示， 在本实施例中， PR 模块由一个比例控制器和多个谐振控制器并联构 成， 零序环流 i0与零序环流的目标给定值 0 作差后得到的误差电流 ierr， 误差电流 ierr分别 送入到比例控制器和谐振控制器， 再将比例控制器和谐振控制器的输出求和作为 PR 模块 的输出。 0043 其中， 比例谐振控制模块的传导函数为 ： 0044 0045 其中， GPR(s) 为比例控制器， GnR(s) 为谐振控制器， Kp和 Ki为比例谐振控制模块参 数， Kp为比例系数， Ki为积分系数， 为基波角频率， c为截止频率， k为自然数1、 2、 3， n 为 3k， 其含义是基波的 3 倍次谐波。控制器中比例系数 Kp主要用来抑制直流分量和非谐 振频率扰动分量， 如 PWM 引起的零序电压漂移和扰动电流反馈零漂和扰动数据运算产生的 计算误差元器件非线性产生的扰动等， Kp越大零序环流越小， 但是越容易不稳定， 设计时需 要综合考虑， 建议其取值范围为 1 20。 0046 图 3 是基于 PI 控制和单