专利名称：正弦脉宽调制逆变电源的自动主从并联控制方法
技术领域：
本发明属于电气技术领域，涉及分布式发电系统、UPS等系统中的正弦脉宽调制逆变电源多机并联运行控制方法。
正弦脉宽调制逆变电源的并联运行控制方式一般分为集中控制、主从控制和无互联信号线独立控制方案。现有的集中控制方式需要检测总的负载电流，并通过较高带宽的信号线把负载电流的信息传递给所有的逆变电源模块，这严重影响了系统的扩容；系统中存在相互连接的信号线，使得系统的可靠性降低；系统不是冗余的，要在电流分配单元的控制下才能实现并联运行，一旦电流分配单元损坏，系统将崩溃。
与集中控制方式相比较，主从控制方式具有一定的优点，它可以不需检测负载电流的大小，使得系统易于扩展容量；并且逆变电源间的控制不受逆变电源输出线路阻抗的影响，系统的均流效果很好。但是主从控制方式也有一些不足主模块的存在使得它不是一个冗余系统，一旦主模块出现故障，整个系统将会瘫痪；系统稳定性取决于并联的从模块个数；主模块与从模块之间存在电流指令信号线，不宜长距离铺设，否则信号会大大衰减、干扰严重、相位严重滞后。
与前两种并联控制方式比较，无互联信号线独立控制方式不需互联的控制信号线，通过输出电压的频率、幅值下垂控制来实现负载有功功率及无功功率的均分，从而实现负载电流的均分。这种方式尤其适用于分布式发电系统，但是，无功功率的均分受线路阻抗的影响较为严重，如果线路阻抗匹配不好，则负载所需无功功率将得不到很好均分，所以该方式对系统检测、控制精度要求很高；且这种方式由于采用下垂特性，会牺牲系统输出的电压频率、幅值稳定性指标。
本发明的目的在于，提供一种正弦脉宽调制逆变电源的自动主从并联控制方法，该方法是对正弦脉宽调制逆变电源的主从并联运行控制方式的改进。
实现上述发明目的的解决方案是采用瞬时无功功率理论和并联逆变电源的输出功率特性，即通过改变逆变器的输出电压的频率来控制输出的有功功率；通过改变逆变器的输出电压幅值来控制输出的无功功率，从而把逆变电源的频率(相位)与幅值两个要素可以通过输出的有功功率P和无功功率Q进行近似解耦控制。系统虽存在互联信号线，但互联信号线所传递信号均为直流，可较为方便地抑制长距离传输的过程中的干扰，因此自动主从控制方式在分布式发电系统、UPS系统具有较高的实用价值，均流效果很好，系统的电压频率、幅值稳定性好。
图6是单台高性能逆变电源突加减桥式整流滤波负载时的输出电压波形及输出电流波形图；图7为两台逆变电源并联时的空载环流波形图；图8为突加减阻性负载时两台并联逆变电源的输出电流波形图；图9为突加减桥式整流滤波负载时两台并联逆变电源的输出电流波形图。
五具体实施例方式
以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细描述。
在介绍本发明的具体内容之前，首先介绍并联的逆变电源的输出功率特性，之后再详细分析自动主从并联组网控制策略及其实现方式。5.1并联的逆变电源输出功率分析由逆变电源并联组成的分布式发电系统或UPS系统，是一个复杂的系统，各台逆变电源输出的交流电压可以等效为可控电压源，其频率、相位、幅值必须相互协调配合，共同负担负载电流，即要实现负载电流均衡控制。为了便于分析，以下以两台逆变电源并联组网运行为例进行分析。
图1为两台逆变电源并联组网运行时的等效电路图，包括并联的两台理想逆变电源模块以及接在交流总线上的负载，其中Z1、Z2为线路阻抗，Z0为负载阻抗。
在分布式发电系统中，线路的电阻较小，线路阻抗主要呈感性，即Z1≈jωL1、Z2≈jωL2，并假设图中两台并联供电的逆变电源的输出电压1、2为标准正弦，且它们的容量分别为S1、S2，且S2＝nS1，则逆变器1供给负载的复功率为S1=P1+jQ1=U0I·1----(1)]]>逆变器1的输出电流为 由式(1)、(2)得出 由于一般逆变器的输出电压1与系统电压0之间的相位差很小，则sin1≈1，如果令U1＝k1U0则由式(3)得出 式中kP1=k1U02ωL1]]>为有功功率系数； 为无功功率系数；Q01=U02ωL1]]>同理得出逆变电源2的输出功率为 根据式(4)、(5)可以得出并联的各逆变电源输出的功率特性1)逆变电源输出的有功功率主要取决于相位角，并与相位差呈正比，相位差超前者发出有功功率，反之吸收有功功率；相位差越大发出或吸收的有功功率越大。逆变电源相位角的调节是通过微调频率f来实现的，因此，要调节各逆变电源输出的有功功率，只需对输出电压的频率作相应的调整。
2)逆变电源输出的无功功率则主要取决于输出的电压幅值U，幅值高者发出无功功率，反之吸收无功功率；输出电压的幅值差值越大，发出或吸收的无功功率越大。
通过改变逆变器的输出电压的频率来控制输出的有功功率、通过改变逆变器的输出电压幅值来控制输出的无功功率，从而把逆变电源的频率(相位)与幅值两个要素通过输出的有功功率P和无功功率Q进行非严格的近似解耦控制。本发明有关逆变电源自动主从并联组网同步运行控制策略和无互联信号线独立控制策略正是基于这种功率特性来实现的。5.2自动主从并联组网控制策略5.2.1自动主从并联控制原理自动主从控制技术是一种冗余的并联系统，它是基于并联的逆变电源输出的功率特性来控制的，即并联的逆变电源输出的有功功率主要取决于相位角，相位差超前者发出有功功率，反之吸收有功功率；并联逆变电源输出的无功功率则主要取决于输出的电压幅值U，幅值高者发出无功功率，反之吸收无功功率。逆变电源相位角的调节是通过微调频率f来实现的，要调节各逆变电源输出的有功功率，只需对输出电压的频率作相应的调整。因此，可以通过改变逆变器的输出电压的频率来控制输出的有功功率；通过改变逆变器的输出电压幅值来控制输出的无功功率，从而把逆变电源的频率(相位)与幅值两个要素可以通过输出的有功功率P和无功功率Q进行近似解耦控制。逆变电源在并联运行时，各电源模块可根据自身的容量和输出的有功调节量ΔP、无功调节量ΔQ，然后对其频率给定fr、电压幅值给定Ur进行相应的调节来实现负载电流的均分和环流的抑制。
图2为自动主从控制技术的原理图。从图中可以看出，并联的每台逆变电源拥有自己的振荡器、电压波形控制器，以及自动有功功率选主控制单元、自动无功功率选主控制单元。系统通过自动选主单元的控制，自动把输出有功功率大的模块作为有功主模块，其余模块则为有功从模块，有功功率总线PBUS的值由有功主模块的输出有功功率功率决定；系统通过自动选主单元的控制，自动把输出无功功率大的模块作为无功主模块，其余模块则为无功从模块，无功功率总线QBUS的值由无功主模块输出的无功功率决定，所有从模块输出的理想无功功率均应为QBUS的值。因此系统中同时存在有功主模块和无功主模块。
假如某一台逆变电源输出有功功率Pi和无功功率Qi不是理想的PBUS之和QBUS之值，则其偏差为 由公式(4)可以得出逆变电源i输出的有功功率偏差及无功功率偏差为 因此要使得每台逆变电源从模块实现输出功率与主模块的一致，只要每台逆变电源从模块通过采样自己输出的电流I和输出电压V0来计算输出的有功功率Pi和无功功率Qi，并分别与有功功率总线PBUS和无功功率总线QBUS比较，求出偏差ΔPi和ΔQi，再以ΔPi作为相位i补偿量、ΔQi作为幅值Ui补偿量来调整输出的电压，实现并联的各台逆变电源均分负载功率，从而实现了逆变电源间高精度的均流控制。
在系统中如果并联的逆变电源的容量不等，则要按照逆变电源的容量将其输出的有功功率及无功功率进行标么化处理，从而使得各逆变电源能够按其容量来负担负载的有功功率及无功功率，即容量大的逆变电源输出较多的功率，容量小的逆变电源输出较少的功率。标么化关系式为P1S1=P2S2=······=PnSn----(8)]]>Q1S·1=Q2S2=······=QnSn----(9)]]>即由每台逆变电源的功率计算单元应把实际输出的有功功率值及无功功率值送出之前，应将它们除以逆变电源的额定容量Si进行标么化处理。5.2.2自动选主控制单元的原理及其实现方案自动选主控制单元是自动主从并联控制方案的一个关键环节，它根据并联的各台逆变电源模块的输出的有功功率和无功功率来确定系统的有功主模块和无功主模块。输出有功功率大的模块被指定为有功主模块，有功主模块自动竞争得到有功功率总线PBUS并把自己输出有功功率之值输出到有功功率总线PBUS上，而其它所有的有功从模块则自动放弃对有功功率总线PBUS的竞争，并把有功功率总线PBUS的值作为自己输出有功功率的基准，即所有的有功从模块按照PBUS之值来调节自己输出的有功功率；同理，输出无功功率大的模块被指定为无功主模块，无功主模块自动竞争得到无功功率总线QBUS，并把自己输出无功功率之值输出到无功功率总线QBUS上，而其它所有的无功从模块则自动放弃对无功功率总线QBUS的竞争，并把无功功率总线QBUS的值作为自己输出无功功率的基准，即所有的无功从模块按照QBUS之值来调节自己输出的无功功率。
自动选主控制电路，如图3所示。在图中，由于二极管的单向导电性，只有有功(无功)功率最大的模块，二极管才导通，有功(无功)功率母线的值等于输出有功(无功)功率最大的模块的有功(无功)功率值。在正常情况下，各模块输出的有功(无功)是相等的，如果i#模块输出的有功(无功)功率突然增大，成为n个模块中最大的一个，于是，Pi(Qi)上升，该模块自动成为有功(无功)主模块，其它模块为从模块，这时，PBUS＝Pi(QBUS=Qi)，主模块的ΔPi＝0(ΔQi＝0)，而各从模块的Pk(Qk)与PBUS(QBUS)比较，产生有功(无功)功率误差ΔPk(ΔQk)，由此误差来调整其输出电压的频率(幅值)，从而实现自动均分负载功率。
由于图3中的二极管包含在电压跟随器的内部，不存在二极管的正向压降带来的功率均分误差，因此，在理论上不存在功率均分误差。实用电路中，自动选主及功率均分控制均采用比例控制，这使得系统稳定性好，功率均分控制的动态响应速度快。这个自动选主控制电路的另一个优点是有功功率总线PBUS和无功功率总线QBUS是低阻抗的，对噪声不敏感。
根据以上分析，制定出了正弦脉宽调制逆变电源自动主从控制方法，系统如图4所示。结合图4，进一步说明逆变电源自动主从控制的工作过程。假设i#逆变电源模块的输出有功功率Pi大于其余各模块，则有功功率总线PBUS被运放APi驱动，则PBUS＝Pi，i#逆变电源模块为有功主模块，其余模块为有功从模块，得出ΔPj＝Pi-Pj＞0，(其中j≠i)因此Δfj＞0，
从而fj＝frj+Δfj即j#逆变电源模块输出电压的频率是在其给定频率frj的基础上补偿Δfj，使其输出电压的频率提高，输出电压的相位向前移动，从而使得j#逆变电源模块的输出有功功率Pj逐渐增加；在Pj增加的过程中，i#逆变电源模块的频率保持不变，而其相位却相对向后移动，即Pi逐渐减小。最终，并联运行的各逆变电源模块输出的有功功率趋于相等。在有功的均衡调节过程中，同时也实现了各台逆变电源的频率、相位的同步控制。同理，可以实现无功功率的均分。
逆变电源的自动主从并联运行控制过程中，存在有功主模块和无功主模块，系统的频率由有功主模块的给定基准频率决定，系统的电压幅值由无功主模块的输出电压(给定基准电压)决定，因此系统的频率及电压幅值是稳定的，系统的频率精度及幅值精度可以做的很高。同时，各逆变电源输出的有功功率的一致性及无功功率的一致性都很好。5.2.3自动主从并联组网控制方案的实现电路根据以上分析，本发明提出了一种高性能的数模混合型逆变电源自动主从并联控制方案，其控制框图如图5所示。它采用高速数字信号处理器TMS320F240及外扩12位A/D检测输出的电压、电流、有功功率总线PBUS以及无功功率总线QBUS，并基于瞬时无功功率理论，计算出逆变电源的输出有功功率P、无功功率Q，然后计算出频率f及幅值U，再合成给定电压指令，最后经12位D/A转换后送至高性能逆变电源，逆变电源就会按照给定的电压指令输出正弦电压。
要实现有功电流及无功电流的均分，减小逆变器之间的环流，必须提高逆变电源频率及幅值的控制分辨率，尤其是频率的分辨率。本发明所采用的控制方案中，DSP发出的电压指令的频率调节分辨率为二十万分之一，这足以保证逆变器的有功功率的均分；DSP发出的电压指令的幅值调节分辨率为四千分之一，足以保证逆变器的无功功率均分，使并联的系统稳定的运行。
高性能逆变电源作为电压给定指令的执行机构，它具有高稳定性、高稳压精度、输出高正弦度。它采用一种新颖的控制方案，此方案结构简单，仅有两个简单PI调节环瞬时电压波形外环、高速电容电流内环。瞬时电压外环保证输出电压的跟踪精度，高速、低稳态误差的电容电流内环可以克服因负载波动或扰动电压对输出波形的影响，使得逆变电源实现了输出电压接近纯正弦，并且非线性负载适应能力强，在二极管整流负载条件下输出电压谐波总畸变率小，动态响应速度快，突加减负载时调节过程短，输出电压精度高。
由于高性能逆变电源采用电压波形控制技术，在逆变器并联系统中，线路阻抗不可缺少，否则，逆变器的电压波形环会失效，使逆变器不能正常工作。在实际的逆变电源并联系统中，每台逆变电源的输出串入了一个适当的阻抗。串入线路阻抗会使得非线性负载的电压波形有一定畸变，但它可以抑制并联逆变电源间的谐波环流，使得逆变电源均分负载的失真功率，而不必从控制上考虑失真功率的均分。5.2.4自动主从并联控制的实验结果根据本发明提出的数模混合型逆变电源自动主从并联控制方法，制作了两台逆变电源的并联系统，每台逆变电源的主要参数如下容量为1.5kVA，开关频率为20kHz，空载输出电压为110V，空载输出电压频率为50Hz，串联线路阻抗为0.2mH。图6～9为相关的实验波形。
图6为单台高性能逆变电源在突加减桥式整流滤波负载时的输出电压波形及输出电流波形。从图6可以看出高性能逆变电源在突加减桥式整流滤波负载时，输出电压波形基本保持不变(实际测量空载及加载时的输出电压有效值均约为110V)，并且在突加减负载时，输出电压的动态调整过程十分短暂(实际测量调节时间为200μs)，加载后输出电压的THD为0.17％。
图7为两台逆变电源并联时的空载环流波形，实际测量空载环流的有效值约为0.05A，仅为额定输出电流的0.4％。
图8为突加减阻性负载时两台并联逆变电源的输出电流波形，两台逆变电源输出的电流峰值分别为5.4A、5.5A。
图9为突加减桥式整流滤波负载时两台并联逆变电源的输出电流波形，两台逆变电源输出的电流峰-峰值分别为33.8A和32.2A。从图9、10可以看出，负载电流均分的效果很好。
5.3发明效果逆变电源的自动主从并联运行控制过程中，系统的频率由有功主模块的给定基准频率决定，系统的电压幅值由无功主模块的输出电压(给定基准电压)决定，因此系统的频率及电压幅值是稳定的，系统的频率精度及幅值精度可以做的很高；同时，由于功率均分环为外环，可以克服包含在环内的逆变电源的所有误差(包括各逆变电源因检测、控制而带来的输出电压的频率、相位和幅值的误差，以及直流母线的波动、负载的波动等等)，从而各逆变电源输出的有功功率的一致性及无功功率的一致性都很好，逆变电源间的均流效果很好。
自动主从控制并联系统的并联控制不检测负载的电流，因此负载可以是分布的。并联运行的各台逆变电源可以按照其容量来分担负载的有功功率、无功功率，并且不受线路阻抗的影响。
系统的并联组网控制是在自动选主控制单元的控制下完成的。自动选主控制在理论上不存在功率均分误差，并且自动选主及功率均分控制均采用比例控制，这使得系统稳定性好，功率均分控制的动态响应速度快。这个自动选主控制电路的另一个优点是有功功率总线PBUS和无功功率总线QBUS是低阻抗的，对噪声不敏感，无论功率总线是开路的还是短路的，不影响每个模块的性能。
虽然系统中存在有功功率总线PBUS和无功功率总线QBUS，在一定程度上降低了系统的可靠性，增加了系统的成本，但与集中控制、传统的主从控制相比，这两条总线传递的信号基本为直流信号，信号线的通频带宽不需要太高，如果适当的增加一些滤波环节，消除干扰，则这两条总线可以较长距离铺设。而在集中控制、主从控制中，逆变电源模块之间的电流指令信号线，在线性负载的情况下传输的是一个基波频率的交流信号，在非线性负载的情况下，此指令信号线传输的是一个包含高频谐波的基波信号，因此电流指令信号线不易长距离铺设，否则信号衰减、干扰严重。
自动主从控制是一个冗余的系统，每台逆变电源模块在物理结构上的地位是等同的，任何一台逆变电源(包括主模块)故障时，只要其能够快速退出系统就不影响整个系统的正常运行，系统的可靠性很高。
综上所述，在分布式发电、UPS等系统中，本发明的正弦脉宽调制逆变电源的自动主从并联控制方法，具有良好的应用前景。
权利要求
1.正弦脉宽调制逆变电源的自动主从并联控制方法，其特征在于，基于瞬时无功功率理论和并联逆变电源的输出功率特性，把逆变电源的频率/或相位与幅值两个要素可以通过输出的有功功率P和无功功率Q进行近似解耦控制，并通过自动主从并联控制策略，实现多台逆变电源的并联运行；它至少包括以下内容1)自动主从并联控制策略逆变电源自动主从控制系统中同时存在有功主模块和无功主模块，通过自动选主单元的控制，自动把输出有功功率大的模块作为有功主模块，其余模块则为有功从模块，有功功率总线PBUS的值由有功主模块的输出有功功率功率决定；系统通过自动选主单元的控制，自动把输出无功功率大的模块作为无功主模块，其余模块则为无功从模块，无功功率总线QBUS的值由无功主模块输出的无功功率决定，所有从模块输出的理想无功功率均应为QBUS的值；假如某一台逆变电源输出有功功率Pi和无功功率Qi不是理想的PBUS之和QBUS之值，则其偏差为 由并联的逆变电源输出功率特性得出第i台逆变电源输出的有功功率偏差及无功功率偏差为 因此要使得每台逆变电源从模块实现输出功率与主模块的一致，只要每台逆变电源从模块通过采样自己输出的电流I和输出电压V0来计算输出的有功功率Pi和无功功率Qi，并分别与有功功率总线PBUS和无功功率总线QBUS比较，求出偏差ΔPi和ΔQi，再以ΔPi作为相位i补偿量、ΔQi作为幅值Ui补偿量来调整输出的电压，实现并联的各台逆变电源均分负载功率，从而实现逆变电源间高精度的均流控制；2)负载功率均分的调节过程在自动主从控制的方案中，假设第i台逆变电源模块的输出有功功率Pi大于其余各模块，则有功功率总线PBUS被运放APi驱动，则PBUS＝Pi，第i台逆变电源模块为有功主模块，其余模块为有功从模块，得出ΔPj＝Pi-Pj＞0，(其中j≠i)因此Δfj＞0，从而fj＝frj+Δfj即第j台逆变电源模块输出电压的频率是在其给定频率frj的基础上补偿Δfj，使其输出电压的频率提高，输出电压的相位向前移动，从而使得第j台逆变电源模块的输出有功功率Pj逐渐增加；在Pj增加的过程中，第i台逆变电源模块的频率保持不变，而其相位却相对向后移动，即Pi逐渐减小；最终，并联运行的各逆变电源模块输出的有功功率趋于相等；在有功的均衡调节过程中，同时也实现各台逆变电源的频率、相位的同步控制；同理，可以实现无功功率的均分；3)输出功率的标么化公式在系统中如果并联的逆变电源的容量不等，则必须按照逆变电源的容量将其输出的有功功率及无功功率进行标么化处理，在自动选主单元和频率、幅值补偿单元的控制下，各逆变电源能够按其容量来负担负载的有功功率及无功功率，即容量大的逆变电源输出较多的功率，容量小的逆变电源输出较少的功率；标么化关系式为P1S1=P2S2=······=PnSn----(3)]]>Q1S1=Q2S2=······=QnSn----(4)]]>即由每台逆变电源的功率计算单元应把实际输出的有功功率值及无功功率值送出之前，应将它们按照式(3)、式(4)进行标么化处理。
全文摘要
本发明公开了一种SPWM逆变电源的自动主从并联控制方法，采用瞬时无功功率理论和并联逆变电源的输出功率特性，即通过改变逆变器的输出电压的频率来控制输出的有功功率；通过改变逆变器的输出电压幅值来控制输出的无功功率，从而把逆变电源的频率/或相位与幅值两个要素可以通过输出的有功功率P和无功功率Q进行解耦控制；系统虽存在互联信号线，但互联信号线所传递信号均为直流，可较为方便地抑制长距离传输的过程中的干扰，因此自动主从控制方式在分布式发电系统、UPS系统具有较高的实用价值，均流效果很好，系统的电压频率、幅值稳定性好。在分布式发电、UPS等系统中，本发明的SPWM逆变电源的自动主从并联控制方法，具有良好的应用前景。
文档编号H02J3/38GK1450706SQ0310804
公开日2003年10月22日 申请日期2003年5月20日 优先权日2003年5月20日
发明者姜桂宾, 裴云庆, 王峰, 王兆安 申请人:西安交通大学