并联电力变换装置环流控制方法及其控制装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种并联电力变换装置环流控制方法，该控制方法包括：步骤1:根据k时刻的环流值计算k时刻的环流大小；步骤2:利用相移量对k时刻载波信号相位进行调整；步骤3:根据k+g时刻的环流值计算k+g(g^1)时刻的环流大小；步骤4:确定相位调整前后环流大小的变化情况；步骤5:根据环流大小的变化情况调整k+g(g^1)时刻的载波信号相位。本发明的控制方法可以有效、可靠地抑制并联电力变换系统中因各电力变换器的PWM载波信号间的相位差而导致的环流，并且不受并联电力变换装置中并联电力变换器的数量限制、环流抑制实现方便。本发明同时公开了一种应用了上述并联电力变换装置环流控制方法的用于并联电力变换装置的控制装置。
【专利说明】并联电力变换装置环流控制方法及其控制装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力变换装置控制领域，特别是涉及一种由多个电力变换器构成的并 联电力变换器装置环流控制方法。本发明还涉及一种用于并联电力变换装置的控制装置。
【背景技术】
[0002] 电力变换装置并联技术是扩大电力变换装置功率、提高可靠性、实现电力变换装 置功率灵活调整的重要技术手段。环流是并联电力变换装置必须解决的问题，这使得环流 控制技术成为电力变换装置并联技术的关键与核心。中国发明专利CN200810166314. 3 (申 请日：2008. 09. 19)提出利用构成多电力变换装置的逆变器的正负母线电压差和环流检 测值之和来对环流进行控制。中国发明专利CN201110275998. 2(申请日：2011.09. 08) 提出通过在三相各产生一零序电压并将其注入该相电压命令，藉此对该相电压命令的修 正，从而实现对环流的控制。中国发明专利CN200710121110.3(申请日：2007.08.30) 提出通过控制SVM中零矢量ppp的作用时间和nnn的作用时间之间的比例关系来调节 零矢量的作用时间，从而达到背靠背变流器间的零序环流的目的。文献1 (Analysis of parallel operation methods of PWM inverters sets for an ultra-high speed elevator，IEEE，2000, P944-950)提出一种基于和差电流控制的环流控制方法。文献2(采 用参考电压调节的并联逆变器控制技术，电机与控制学报，2011(2) :P84-88)提出由环流 控制器输出的电压补偿信号对电机电流控制器输出的转矩电压信号进行补偿从而实现环 流抑制° 文献 3 (Distributed Control for AC Motor Drive Inverters in Parallel Operation, IEEE Tran. I. E.，2011:58(12)，5361-5370)提出利用同步线通过同步控制方式 来实现调制波的同步，以此来消除因各逆变器输出电压间的不同步。
[0003] 研究表明，构成并联电力变换器装置的各电力变换器PWM中的载波信号间的相位 差情况对并联电力变换器装置中的环流具有重要影响：载波信号间的相位差越大，环流也 越大。对于由载波间的相位差所导致的并联电力变换器装置中的环流，上述现有技术或者 未涉及，或者虽有涉及，但其调整对象为调制波而非载波信号（如文献3)，因此无法利用上 述现有技术来消除由载波信号间的相位差所导致的并联电力变换器装置中的环流。对于这 一问题，在工程实践中可以利用采用基于同一时钟信号进行各电力变换器的PWM调制或是 通过总线方式、通讯方式等来消除载波信号间的相位差，进而消除由载波信号间的相位差 所导致的并联电力变换器装置中的环流。但是当并联电力变换器装置中并联电力变换器的 数量过多时，基于同一时钟信号方法会因控制器的PWM端口资源限制而无法应对；总线方 式、通讯方式等需要增设同步线（synchronization line)、通讯线路等，且当同步线、通讯 线路收到干扰后容易导致载波信号间相位差变大，进而导致较大的环流出现。此外，即使通 过基于同一时钟信号方法或总线方式、通讯方式等方法消除了载波信号间的相位差后，生 成的PWM开关信号在经过驱动放大电路的驱动放大送至功率模块前仍可能因驱动放大电 路自身的细微差异或外来干扰等而导致PWM开关信号在驱动放大前后产生不一致，从而导 致并联电力变换器装置者出现较大的环流。
[0004] 因此，如何可靠且不受联电力变换器装置中并联电力变换器的数量限制来有效抑 制并联电力变换器系统中因各电力变换器的PWM载波信号间的相位差而导致的环流就成 为电力变换装置并联技术的一个有待解决的重要技术问题。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是提出一种并联电力变换装置环流控制方法，该方法可 以有效、可靠地抑制并联电力变换器系统中因各电力变换器的PWM载波信号间的相位差而 导致的环流，并且不受联电力变换器装置中并联电力变换器的数量限制、环流抑制实现方 便。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明的并联电力变换装置环流控制方法的技术解决方案 为，包括如下步骤：
[0007] 步骤1 :根据k时刻的环流值计算k时刻的环流大小；
[0008] 步骤2 :利用相移量对k时刻载波信号相位进行调整；
[0009] 步骤3 :根据k+g时刻的环流值计算k+g时刻的环流大小，其中g彡1 ;
[0010] 步骤4 :确定相位调整前后环流大小的变化情况；
[0011] 步骤5 :根据环流大小的变化情况调整k+g时刻的载波信号相位，其中g彡1。
[0012] 所述步骤1和步骤3中对于环流大小的计算是通过将环流值表示为以环流值为自 变量的单调增函数f实现的。
[0013] 所述步骤5按照如下任一规律对载波信号相位进行调整：
[0014] 规律 1 ，即 Af〈0,则保持 Ph(k+g)当前值不变，否则 Ph(k+g) - Ph(k)， Δ Ph <- - Δ Ph ；
[0015] 规律2 :若，即Λ f〈0,则保持Ph (k+g)当前值不变，否则Ph (k+g) - Ph (k)- APh ；
[0016] 规律 3 :若Af彡 a，保持Ph(k+g)当前值不变，若 α〈Λ?Χβ，Ph(k+g) - Ph(k)， 若 β 彡 Λ f，则 Ph(k+g) - Ph(k) -Λ Ph ;
[0017] 其中，为步骤1中k时刻的环流大小；f2为步骤3中k+g时刻的环流大小；Λ f =;Ph(k)为k时刻的载波信号相位；Ph(k+g)为k+g时刻的载波信号相位；Λ Ph为相 移量，一为赋值运算符；a、β分别为预设值，且a〈 β。
[0018] 所述相移量Λ Ph满足如下条件：
[0019] 0< Δ Ph ^ 0. 5XTcarX ωε
[0020] 其中是所述载波的周期，是电气角速度。
[0021] 所述相移量Λ Ph为一预设的恒定值。
[0022] 或者，所述相移量Λ Ph是一以环流大小函数f或环流大小变化量Λ f为自变量的 函数；相移量Λ Ph按照如下任一公式计算：
[0023] ΔΡΚ=ζ XfX APh〇 ；
[0024] ΔΡΚ=ζ X Δ fX APh〇 ；
[0025] Λ Ph= ζ X fX Λ Ph0+ δ X Λ fX Λ Ph0
[0026] 式中，基准相移量Λ Ρ&是预先设定的恒定值，ζ和δ为常数。
[0027] 所述环流控制方法对于载波相位的调整持续进行；或者按照一定周期或当环流大 小函数f超过预先设定的阈值时执行S次，其中s > 1 ;或者连续执行直至环流大小函数f 不超过预先设定的阈值后再停止。
[0028] 所述步骤1之前执行步骤A :根据k时刻的电流值计算k时刻的环流值；
[0029] 所述步骤2之后步骤3之前执行步骤B :根据k+g时刻的电流值计算k+g时刻的 环流值。
[0030] 本发明还提供一种用于并联电力变换装置的控制装置，所述控制装置包括：
[0031] 电流控制器；电流控制器根据电流指令值和各并联电力变换装置的电流反馈值进 行控制，输出调制信号；
[0032] 载波信号发生器；载波信号发生器生成PWM单元所需的载波信号；
[0033] PWM单元；PWM单元根据电流控制器输出的调制信号和载波信号发生器生成的载 波信号进行脉宽调制，输出用于控制功率模块的开关信号；
[0034] 还包括：
[0035] 环流计算器；环流计算器根据电流检测器的检测结果计算环流值；
[0036] 环流大小计算器；环流大小计算器根据所述环流计算器的计算结果计算环流大 小；
[0037] 相位调整器；相位调整器根据环流大小计算器输出的环流大小，利用前述的方法 对所述载波信号发生器生成的载波信号相位进行调整。
[0038] 或者，所述控制装置包括：
[0039] 电流控制器；电流控制器根据电流指令值和各并联电力变换装置的电流反馈值进 行控制，输出控制电压力矩分量；
[0040] 环流计算器；环流计算器根据电流检测器的检测结果计算环流值；
[0041] 环流控制器；环流控制器根据环流指令值和所述环流计算器输出的环流值进行控 制，输出控制电压环流抑制分量；
[0042] 载波信号发生器；载波信号发生器生成PWM单元所需的载波信号；
[0043] 调制信号生成器；调制信号生成器根据所述电流控制器输出的控制电压力矩分量 以及所述环流控制器输出的控制电压环流抑制分量生成调制信号；
[0044] PWM单元；PWM单元根据所述调制信号生成器输出的调制信号和载波信号发生器 生成的载波信号进行脉宽调制，输出用于控制功率模块的开关信号；
[0045] 其中，还包括：
[0046] 环流大小计算器；环流大小计算器根据所述环流计算器的计算结果计算环流大 小；
[0047] 相位调整器；相位调整器根据环流大小计算器输出的环流大小，利用前述的方法 对所述载波信号发生器生成的载波信号相位进行调整。
[0048] 本发明的并联电力变换装置环流控制方法与工程实践中的基于同一时钟信号、总 线方式、通讯方式等方法（后续称为工程方法）的区别在于：
[0049] a、本发明方法完全利用软件算法即可实施，无法增加额外硬件资源，工程方法的 实施则依赖于同步线、通讯线路等；
[0050] b、本发明是通过调整并联变换器载波信号的相位来直接抑制并联电力变换装置 者的环流，而工程方法则是通过基于同一时钟信号、同步线、通讯线路等消除由载波信号间 的相位差来间接抑制并联电力变换装置者的环流（因此无法应对PWM开关信号在驱动放大 前后产生不一致这一情况）；
[0051] c、本发明方法对于由载波信号间的相位差所导致的环流的抑制采用的闭环方式， 而工程方法对于载波信号间相位差的消除采用的是开环方式，对于由载波信号间的相位差 所导致的环流的抑制同样是开环方式，显然本发明的闭环方式要优于工程方法的开环方 式。
[0052] 本发明可以达到的有益效果为：
[0053] a、在无需增加额外硬件资源的情况下完全依赖软件控制即可有效抑制由载波信 号间的相位差来间接抑制并联电力变换装置者的环流；
[0054] b、可有应对PWM开关信号在驱动放大前后产生不一致而导致的环流这一特殊应 用场合；
[0055] c、直接以环流抑制效果来判定相位调整是否适当，因此环流抑制效果更为直接、 迅速、准确。
【专利附图】
【附图说明】
[0056] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明：
[0057] 图1是应用了本发明的并联电力变换装置环流控制方法的并联电力变换系统应 用于电机调速的一种结构示意图；
[0058] 图2是应用了本发明并联电力变换装置环流控制方法的并联电力变换系统应用 于电机调速的另一种结构示意图。
【具体实施方式】
[0059] 本发明的并联电力变换装置环流控制方法的应用对象--并联电力变换系统包 括并联电力变换装置和并联电力变换装置的控制装置两部分，其中并联电力变换装置由至 少两个并联连接的电力变换器和对应的电抗器组成，这里的电力变换器可以为两相、三相 甚至是更多相的逆变器或PWM整流器，电力变换器的交流侧的对应相在串接相应的电抗器 后相连，之后再连接至负载或电源（电网或发电装置）；电力变换器直流侧的所有正端与所 有负端分别相连后再与共同的直流电源或等效直流电源（如二极管整流器的直流侧）相 连，或者电力变换器直流侧分别与各自独立的直流电源（或等效直流电源）相连，或者部 分电力变换器的直流侧正端与负端分别相连后再与共同的直流电源或等效直流电源（如 二极管整流器的直流侧）相连、其余电力变换器的直流侧分别与各自独立的直流电源（或 等效直流电源）相连；并联电力变换装置的控制装置包括电流指令产生器、电流控制器、 PWM单元、载波信号发生器等。
[0060] 接下来以图1所示的并联电力变换装置为例对本发明的并联电力变换装置环流 控制方法和用于并联电力变换装置的控制装置进行说明。需要指出的是，本发明的并联电 力变换装置环流控制方法的应用对象并不局限于图1中的特定类型的并联电力变换装置， 而且构成并联电力变换装置的电力变换器可以为2个或多个。
[0061] 为简化后续叙述，在后续实施例中以如图1所示的由同一直流电源供电的2个逆 变器构成、以电机为负载的并联电力变换装置为应用对象对本发明的并联电力变换装置环 流控制方法进行说明。
[0062] 实施例1
[0063] 如图1所示，并联电力变换系统包括并联电力变换装置和并联电力变换装置的控 制装置两部分，其中并联电力变换装置进一步包括并联连接的1#逆变器和2#逆变器、1个 直流电源、1#电流检测器和2#电流检测器；每个逆变器分别由并联电力变换装置的控制装 置进行控制；并联电力变换装置的控制装置进一步包括电流指令产生器(此处为速度控制 器)、电流控制器、环流计算器、环流控制器、调制信号生成器以及PWM单元、载波信号发生 器；1#逆变器和2#逆变器的直流侧的相同极性端连接后再与直流电源相连接，1#逆变器和 2#逆变器的交流侧的对应相在经各自串接的电抗器U、L 2后彼此连接在一起，之后再连接 到其公共负载（本实施例中公共负载为一电机）；并联电力变换装置的控制装置用于对并 联电力变换装置中1#逆变器和2#逆变器中的功率模块进行开关控制；此外，基于并联控制 装置的控制需要，本发明的并联电力变换系统还包括用于对公共负载，即本实施例中的电 机，进行检测的负载检测器，如本实施例中的速度检测器--编码器或其它可实现旋转检 测的检测器；
[0064] 速度控制器根据速度检测器检测到的电机转速和速度指令进行控制，输出力矩电 流指令；电流控制器根据速度控制器输出的力矩电流指令以及1#电流检测器和2#电流检 测器检测到的1#逆变器和2#逆变器交流侧的交流电流h、i2进行控制，分别输出1#控制 电压力矩分量和2#控制电压力矩分量；环流计算器根据1#电流检测器和2#电流检测器检 测到的1#逆变器和2#逆变器交流侧的交流电流i 2计算各自的环流值（如：计算逆变 器的各相电流与所有逆变器交流侧对应相的电流平均值间的差值并将其作为该逆变器的 环流值），环流控制器则根据环流计算器计算出的环流值和环流指令（通常为零）进行控 制，输出控制电压环流抑制分量；1#调制信号生成器根据电流控制器输出的1#控制电压力 矩分量和1#环流控制器输出的1#控制电压环流抑制分量生成1#逆变器的调制信号并送 至1#PWM单元，2#调制信号生成器根据电流控制器输出的2#控制电压力矩分量和2#环流 控制器输出的2#控制电压环流抑制分量生成2#逆变器的调制信号并送至2#PWM单元； [0065] 环流计算器根据1#逆变器和2#逆变器交流侧的电流ip i2计算k时刻并联电力 变换装置的环流值；此处的1#逆变器和2#逆变器交流侧的电流可以是1#电流检测器和2# 电流检测器检测到的1#逆变器和2#逆变器交流侧各相电流的检测值，也可以是所述电流 检测值经坐标变换后得到的电流值；1#环流大小计算器和2#环流大小计算器分别根据1# 环流计算器计算得到的1#电力变换器的环流值（后续称之为1#环流）和2#环流计算器 计算得到的2#电力变换器的环流值（后续称之为2#环流）计算1#电力变换器的环流大 小（后续称之为1#环流大小）和2#电力变换器的环流大小（后续称之为2#环流大小）， 1#相位调整器和2#相位调整器分别根据1#环流大小器和2#环流大小器计算得到的1#环 流大小和2#环流大小输出各自的相位调整量并送至各自的载波信号发生器；1#载波信号 发生器和2#载波信号发生器分别根据各自的相位调整器输出的相位调整量对其输出的载 波信号相位进行调整；
[0066] 1#PWM单元和2#PWM单元分别根据其载波信号发生器生成的载波信号以及1#调制 信号生成器和2#调制信号生成器的输出分别生成1#开关信号和2#开关信号，1#开关信号 和2#开关信号在经驱动放大等必要处理后分别送至1#逆变器和2#逆变器中的功率模块 进行开关控制。
[0067] 相位调整器对载波信号发生器输出的载波信号相位进行调整的方法包括如下步 骤：
[0068] 步骤1 :环流大小计算器根据k时刻的环流值计算k时刻的环流大小；
[0069] 环流大小计算器对于环流大小的计算是通过将环流值表示为以环流值为自变量 的单调增函数f实现的；具体地说，单调增函数f可以采取如下形式中的任意一种：
【权利要求】
1. 一种并联电力变换装置环流控制方法，其特征在于：所述控制方法包括如下步骤： 步骤1 :根据k时刻的环流值计算k时刻的环流大小； 步骤2 :利用相移量对k时刻载波信号相位进行调整； 步骤3 :根据k+g时刻的环流值计算k+g时刻的环流大小，其中g > 1 ; 步骤4 :确定相位调整前后环流大小的变化情况； 步骤5 :根据环流大小的变化情况调整k+g时刻的载波信号相位，其中g > 1。
2. 根据权利要求1所述的并联电力变换装置环流控制方法，其特征在于：所述步骤1 和步骤3中对于环流大小的计算是通过将环流值表示为以环流值为自变量的单调增函数f 实现的。
3. 根据权利要求1所述的并联电力变换装置环流控制方法，其特征在于：所述步骤5 按照如下任一规律对载波信号相位进行调整： 规律1 :若f\>f2，即Λ f〈〇,则保持Ph (k+g)当前值不变，否则Ph (k+g) - Ph (k)， Δ Ph <- - Δ Ph ； 规律2 :若4>&，即Af〈0,则保持Ph(k+g)当前值不变，否则Ph(k+g) - Ph(k) - APh ; 规律3 :若Λ f < α，保持Ph (k+g)当前值不变，若α〈 Λ f〈 β，Ph (k+g) - Ph (k)，若 β 彡 Af，则 Ph(k+g) - Ph(k) -APh; 其中，为步骤1中k时刻的环流大小；f2为步骤3中k+g时刻的环流大小；Λ f = f2-fi ;Ph (k)为k时刻的载波信号相位；Ph (k+g)为k+g时刻的载波信号相位；Λ Ph为相移 量，一为赋值运算符；α、β分别为预设值，且α〈 β。
4. 根据权利要求3所述的并联电力变换装置环流控制方法，其特征在于：所述相移量 Λ Ph满足如下条件： 0< Δ Ph ^ 0. 5XTcarX ωε 其中是所述载波的周期，〇^是电气角速度。
5. 根据权利要求3所述的并联电力变换装置环流控制方法，其特征在于：所述相移量 Λ Ph为一预设的恒定值；或者， 所述相移量Λ Ph是一以环流大小函数f或环流大小变化量Λ f为自变量的函数；相移 量Λ Ph按照如下任一公式计算： Δ ΡΚ=ζ XfX Δ Ph〇 ； Λ Ph= ζ X Λ fX Λ Ph0 ; Λ Ph= ζ XfX Λ PhQ+δ X Λ fX Λ Ph。 式中，基准相移量Λ Ρ&是预先设定的恒定值，ζ和δ为常数。
6. 根据权利要求1所述的并联电力变换装置环流控制方法，其特征在于：所述环流控 制方法对于载波相位的调整持续进行； 或者按照一定周期或当环流大小函数f超过预先设定的阈值时执行s次，其中s > 1 ; 或者连续执行直至环流大小函数f不超过预先设定的阈值后再停止。
7. 根据权利要求1所述的并联电力变换装置环流控制方法，其特征在于：所述步骤1 之前执行步骤A :根据k时刻的电流值计算k时刻的环流值； 所述步骤2之后步骤3之前执行步骤B :根据k+g时刻的电流值计算k+g时刻的环流 值。
8. -种用于并联电力变换装置的控制装置，所述控制装置包括： 电流控制器；电流控制器根据电流指令值和各并联电力变换装置的电流反馈值进行控 制，输出调制信号； 载波信号发生器；载波信号发生器生成PWM单元所需的载波信号； PWM单元；PWM单元根据电流控制器输出的调制信号和载波信号发生器生成的载波信 号进行脉宽调制，输出用于控制功率模块的开关信号； 其特征在于，还包括： 环流计算器；环流计算器根据电流检测器的检测结果计算环流值； 环流大小计算器；环流大小计算器根据所述环流计算器的计算结果计算环流大小； 相位调整器；相位调整器根据环流大小计算器输出的环流大小，利用权利要求1至7任 一项所述的方法对所述载波信号发生器生成的载波信号相位进行调整。
9. 一种用于并联电力变换装置的控制装置，所述控制装置包括： 电流控制器；电流控制器根据电流指令值和各并联电力变换装置的电流反馈值进行控 制，输出控制电压力矩分量； 环流计算器；环流计算器根据电流检测器的检测结果计算环流值； 环流控制器；环流控制器根据环流指令值和所述环流计算器输出的环流值进行控制， 输出控制电压环流抑制分量； 载波信号发生器；载波信号发生器生成PWM单元所需的载波信号； 调制信号生成器；调制信号生成器根据所述电流控制器输出的控制电压力矩分量以及 所述环流控制器输出的控制电压环流抑制分量生成调制信号； PWM单元；PWM单元根据所述调制信号生成器输出的调制信号和载波信号发生器生成 的载波信号进行脉宽调制，输出用于控制功率模块的开关信号； 其特征在于，还包括： 环流大小计算器；环流大小计算器根据所述环流计算器的计算结果计算环流大小； 相位调整器；相位调整器根据环流大小计算器输出的环流大小，利用权利要求1至7任 一项所述的方法对所述载波信号发生器生成的载波信号相位进行调整。
【文档编号】H02P27/06GK104218836SQ201310222519
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年6月5日 优先权日:2013年6月5日
【发明者】陈玉东, 钱敏, 刘玉兵, 何晓光, 贺东方 申请人:上海三菱电梯有限公司