一种变流器并联系统的控制系统及控制方法与流程

本发明属于轨道车辆供电系统领域，尤其涉及一种地铁辅助变流器并联系统的控制系统及利用该系统进行控制的控制方法。

背景技术

现有地铁辅助逆变器并联系统控制算法，多采用直接下垂模式，使用逆变器输出的无功功率和有功功率去调节系统输出电压和频率，但是逆变器输出的无功功率和有功功率与系统输出电压和频率并不是一一对应的关系，其中存在变量耦合，导致系统控制并不精确，导致逆变器之间存在环流，且其运行的稳定性，可靠性降低。目前地铁辅助变流器的负载多为非线性变频空调，采用逆变器并联系统可以提高非线性负载对三相逆变电网的冲击并降低谐波，但这种效果主要依靠辅助逆变器硬件的滤波电容和并联系统对整体辅助容量的提高，在大功率地铁辅助逆变器应用系统中，如果非线性负载过大，则辅助逆变器输出电压会出现畸变，进而影响控制精度，甚至造成算法崩溃。

cn103457494a公开了一种动车组辅助变流器无互联线并联供电控制系统，辅助变流器控制系统主要包括锁相同步控制单元、瞬时功率计算单元、下垂控制单元、电压闭环控制单元、中间电压前馈控制单元，cn103457494a仅提供了变流器控制系统主要单元模块，未涉及具体控制系统单元的优化设计，变流器并联控制系统的谐波消除、环流控制及对输出电压扰动的可抵抗性等方面效果较差。

技术实现要素：

本发明在上述不足的基础上提供了一种变流器并联系统的控制系统及控制方法，采用该控制系统和方法，可以提高控制精度，并实现在谐波较大的系统中的稳定运行并可以均分负载功率，降低变流器在并联过程中的冲击，提高运行的稳定性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种变流器并联系统的控制系统，单个变流器包括逆变器模块，变压器模块及lc滤波模块；所述控制系统包括采样单元和控制单元；

所述采样单元包括：

三相电流采集单元，与lc滤波模块输出端连接，用于采集三相电流iu,iv,iw；

三相电压采集单元，与lc滤波模块输出端连接，用于采集三相电压uu,uv,uw；

输入电压采集单元，与逆变器模块输入端连接，用于采集输入电网电压uin；

所述控制单元包括：

电流解耦单元：获取三相电流采集单元的数据，进行同步坐标系下分解，生成d、q轴直流电流分量；

全傅立叶功率分析单元：获取三相电流采集单元和三相电压采集单元的数据，进行瞬时功率计算，生成有功功率和无功功率；

电压解耦及谐波电压提取单元：获取三相电压采集单元数据，进行同步坐标系下分解，获取d、q轴直流电压分量；

同步下垂及虚拟阻抗添加单元：获取电流解耦单元、全傅立叶功率分析单元、电压解耦及谐波电压提取单元的数据，进行同步下垂及虚拟阻抗添加，生成系统目标控制变量；

谐波消除锁相算法单元：获取同步下垂及虚拟阻抗添加单元、电压解耦及谐波电压提取单元的数据，进行谐波消除锁相，生成相角调节值；

谐波消除算法单元：获取电压解耦及谐波电压提取单元数据，进行pid运算后，生成谐波电压的控制分量；

同步旋转坐标系下电压合成单元：获取同步下垂及虚拟阻抗添加单元、谐波消除算法单元的数据，进行同步旋转坐标系下电压合成，生成电压调节变量；

svpwm合成单元：获取同步旋转坐标系下电压合成单元及输入电压采集单元的数据，进行svpwm调制，生成逆变器控制电压。

本发明还提供了一种变流器并联系统的控制方法，包括以下步骤：

将基波电流分量分解为d、q轴的直流电流分量id、iq；

将基波与谐波电压分量分解为d、q轴的直流电压分量ud0+、uq0+，udn+、uqn+；

计算变流器的有功功率p和无功功率q；

计算目标电压u^*d0+及目标频率f0；

计算相角调节值θ；

计算谐波电压d、q轴控制分量u^*dn+、u^*qn+；

将谐波电压d、q轴控制分量u^*dn+、u^*qn+，基波目标电压分量u^*d0+及相角调节值θ合成，计算电压控制分量uα和uβ；

svpwm调制合成pwm脉冲波，调节逆变器输出电压。

优选的，将基波电流分量分解为d、q轴的直流电流分量id、iq的方法为：

根据clark变换：

park变换：

将以上两式联立，求解基波电流d、q轴的直流电流分量id、iq；其中，ia、ib为电流中间变量，id为基波电流d轴直流电流分量，iq为基波电流q轴直流电流分量。

优选的，将基波与谐波电压分量分解为d、q轴的直流电压分量的方法为：

根据clark变换：

park变换：

低通滤波：

将上述公式联立，求解基波与谐波电压分量分解为d、q轴的直流电压分量；其中ua、ub为电压中间变量，u^ad0+、u^aq0+为基波电压d、q轴分量，u^adn+、u^aqn+为谐波电压d、q轴分量，ud0+、uq0+为基波d、q轴直流电压分量，udn+，uqn+为谐波d、q轴的直流电压分量，其中n>＝5,n为质数。

优选的，计算变流器的有功功率p和无功功率q的方法为：

根据采集到的电压和电流的单相分量ux、ix，计算变流器的整体输出功率，并分解为有功功率p和无功功率q，具体计算公式为：

θ1＝θ-k1(8)

将上式联立，求解有功功率p和无功功率q；其中，ux、ix为采集的电压和电流的单相分量，x取u、v、w；k1为锁相角度θ与输出电压ux的过零点角度θ1的误差，由硬件参数决定。

优选的，计算目标电压u^*d0+及目标频率f0的方法为：

将系统输入控制变量，结合当前系统输出功率状态和输出电流状态，转化为系统目标电压u^*d0+及目标频率f0，其具体计算公式为：

将上式联立，求解系统目标电压u^*d0+及目标频率f0；其中，v为系统输入电压控制变量，f为系统输入频率控制变量，p、q分别为输出有功、无功功率，plast、qlast分别为系统保存上次计算p、q的结果，id、iq分别为系统解耦电流d、q轴分量，为系统保存上次计算id的结果，r为系统模拟辅助逆变器输出阻抗，kp、kq、kd、kp_last、kd_last、kq_last为公式计算的比例系数，其取值与系统数学模型相关。

优选的，计算相角调节值θ的方法为：

输出电压基波q轴分量uq0+与0做pid运算后，其结果作为输入目标频率f0的调节变量，通过频率角度折算公式θp＝2π*f*t，得到相角调节值θ。

优选的，计算谐波电压d、q轴控制分量u^*dn+、u^*qn+的方法为：

将谐波电压d、q分量udn+、uqn+分别与0做pid运算形成谐波电压的控制分量u^*dn+、u^*qn+，其中n>＝5,n为质数。

优选的，将谐波电压d、q轴控制分量u^*dn+、u^*qn+，基波目标电压分量u^*d0+及相角调节值θ合成，计算电压控制分量uα和uβ的方法为：

根据：

将上式联立，求解电压控制分量uα和uβ；其中，ud0+＝pid.{ud0+,u^*d0+}，u¹d0+为基波电压d轴控制变量，uα为基波电压d轴控制变量u¹d0+与谐波电压分量u^*dn+、u^*qn+通过公式(12)叠加而成的电压控制变量，uβ为谐波电压分量u^*dn+、u^*qn+通过公式(12)叠加而成的电压控制变量，其中，n>＝5,n为质数。

优选的，svpwm调制合成pwm脉冲波，调节逆变器输出电压的方法为：

将传统七段式svpwm，通过电压控制分量uα、uβ以及输入电压uin合成逆变器相应的六路pwm脉冲，形成最终的pwm脉冲波调节输出电压，其脉冲周期计算公式为：

其中，ts为开关周期，uin为输入电压，t1、t2、t3为脉冲开通时间。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

(1)本发明实现了多台逆变器的并联稳定运行，通过谐波消除，降低输出电压的谐波电压含量，减少输出滤波器的谐波电流，提高硬件寿命，同时提供给负载标准质量的三相电压。

(2)通过精确的锁相算法，减少了变流器并联运行过程中的冲击，提高运行稳定性。

(3)通过同步下垂及虚拟阻抗的添加，保证各台并联的变流器可以均分负载功率，同时减少变流器之间的环流。

(4)通过电压前馈，提高了变流器对输出电压扰动的可抵抗性。

附图说明

图1为本发明变流器并联系统的控制系统结构示意图；

图2为本发明变流器并联系统的控制方法原理图；

图3为本发明的谐波消除锁相控制原理图；

图4为本发明svpwm调制原理图。

具体实施方式

以下，结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。

本发明提供了一种变流器并联系统的控制系统，可以应用于轨道车辆辅助变流器并联供电控制系统。如图2所示，单个变流器包括逆变器模块，变压器模块及lc滤波模块；所述控制系统包括采样单元和控制单元；

采样单元包括：

三相电流采集单元，与lc滤波模块输出端连接，用于采集三相电流iu,iv,iw；

三相电压采集单元，与lc滤波模块输出端连接，用于采集三相电压uu,uv,uw；

输入电压采集单元，与逆变器模块输入端连接，用于采集输入电网电压uin；

控制单元包括：

电流解耦单元：获取三相电流采集单元的数据iu,iv,iw，进行同步坐标系下分解，生成d、q轴直流电流分量id、iq；

电压解耦及谐波电压提取单元：获取三相电压采集单元的数据uu,uv,uw，同步坐标系下分解获取基波与谐波d、q轴直流电压分量ud0+、uq0+，udn+、uqn+；

全傅立叶功率分析单元：获取三相电流采集单元和三相电压采集单元数据，进行瞬时功率计算，生成有功功率p和无功功率q；

同步下垂及虚拟阻抗添加单元：获取电流解耦单元、全傅立叶功率分析单元、电压解耦及谐波电压提取单元的数据，进行同步下垂及虚拟阻抗添加，生成系统控制变量即目标频率f0和目标电压u^*d0+；

谐波消除锁相算法单元：获取同步下垂及虚拟阻抗添加单元、电压解耦及谐波电压提取单元的数据，进行谐波消除锁相，生成相角调节值θ；

谐波消除算法单元：获取电压解耦及谐波电压提取单元数据，进行pid运算后，生成谐波电压的d、q轴控制分量u^*dn+，u^*qn+；

同步旋转坐标系下电压合成单元：获取同步下垂及虚拟阻抗添加单元、谐波消除算法单元的数据，进行同步旋转坐标系下电压合成，生成电压调节变量uα、uβ；

svpwm合成单元：获取同步旋转坐标系下电压合成单元及输入电压采集单元的数据，进行svpwm调制，生成逆变器电压控制变量。

本发明还提供了一种变流器并联系统的控制方法，原理图如图2所示，具体包括以下步骤：

(1)计算输出电流基波d、q轴直流分量id、iq

三相电流iu,iv,iw及角度θ送入电流解耦单元通过同步坐标系下的分解将输出电流中的基波电流分量分解为d轴和q轴的直流电流分量，得到id,iq，所述三相电流解耦的具体计算方法为：

以上两式(1)、(2)联立，经过clark变换与park变换，求解输出直流电流分量id、iq。

(2)计算输出电压基波与谐波d、q轴直流分量

将uu,uv,uw及角度θ送入电压解耦及谐波电压提取单元通过在同步旋转坐标系下的分析将输出电压中的基波电压分量分解为d轴和q轴的直流分量，同时通过在n次同步旋转坐标系下，将输出电压中的n次谐波分量，分解为dn轴和qn轴的直流电压分量，得到输出电压基波分量ud0+、uq0+及谐波电压分量ud0-、uq0-、ud5+、uq5+、...udn+、uqn+，其中n>＝5,n为质数。

以5次谐波为例，即n＝5时，将上述公式(3)(4)(5)联立，经过clark与park变换计算电压基波d、q轴分量u^ad0+、u^aq0+及谐波d、q轴分量u^ad5+、u^aq5+，即：

基波d、q轴分量u^ad0+、u^aq0+为直流量，通过截止频率100-300hz的低通滤波器，得到滤除谐波分量的基波标准d、q轴分量ud0+、uq0+，计算公式为：

谐波d、q轴分量u^ad5+、u^aq5+通过截止频率为2-5hz的一阶低通滤波器，得到谐波d、q轴的直流分量ud5+、uq5+，计算公式为：

(3)计算有功功率p和无功功率q

全傅立叶功率分析单元将根据采集到的电压和电流的单相分量uu、iu计算变流器的整体输出功率，并分解为有功功率p和无功功率q，具体计算公式为：

θ1＝θ-k1(9)

上述公式(9)、(10)、(11)联立，计算得出有功功率p与无功功率q。其中，上式中k1为锁相角度θ与输出电压uu的过零点角度θ1的误差，由硬件参数决定。

(4)计算目标电压u^*d0+及目标频率f0

同步下垂及虚拟阻抗单元主要为将系统输入控制变量v、f，结合当前系统输出功率状态和输出电流状态，转化为系统控制变量，其具体计算公式为：

由公式(12)，计算得出其中系统控制变量f0、u^*d0+，其中f、v为系统输入控制变量，p、q为输出有功、无功分量，plast、qlast为系统保存上次计算p、q的结果，id、iq为系统解耦电流d、q轴分量，为系统保存上次计算id的结果，r为系统模拟辅助逆变器输出阻抗，kp、kq、kd、kp_last、kd_last、kq_last为公式计算的比例系数，其取值与系统数学模型相关。

(5)计算相角调节值θ

如图2、图3所示，基波电压q轴分量uq0+与0做pid运算后，其结果作为输入频率f0的调节变量，通过频率角度折算公式(θp＝2π*f*t)得到相角调节值θ。

(6)计算谐波电压d、q控制分量u^*dn+，u^*qn+

谐波电压d、q分量udn+、uqn+分别与0做pid运算形成谐波电压的控制分量u^*dn+，u^*qn+，其中n>＝5,n为质数。

(7)合成控制电压uα、uβ

将谐波电压d、q轴控制分量u^*dn+、u^*qn+，svpwm调制基波目标电压分量u^*d0+及相角调节值θ进行同步旋转坐标系下电压合成，具体计算方法为：

其中，u¹d0+＝pid.{ud0+,u^*d0+}，u¹d0+为基波电压d轴控制变量，uα为基波电压d轴控制变量u¹d0+与谐波电压分量u^*dn+、u^*qn+通过公式(13)进行叠加而成，uβ为谐波电压分量u^*dn+、u^*qn+通过公式(13)进行叠加而成，其中n>＝5,n为质数。

(8)svpwm调制合成pwm脉冲波，调节逆变器输出电压

svpwm合成单元采用传统七段式svpwm，通过uα，uβ以及输入电压uin合成逆变器相应的六路pwm脉冲，形成最终的pwm脉冲波调节输出电压，其脉冲周期计算公式为：

上式中ts为开关周期，uin为输入电压，t1、t2、t3为脉冲开通时间；

其脉冲具体作用方式如附图4所示，1代表功率器件开通，0代表功率器件(igbt)关断，其七段式svpwm即为开通过程可以分为七份，并以t1、t2、t3的小数倍进行划分。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。