一种模块化isos逆变器系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种模块化ISOS逆变器系统，属于电能变换装置的直流-交流变换器领域。本发明的模块化ISOS逆变器系统，包括n个输入串联、输出串联的逆变器模块，n为大于等于2的整数；该模块化ISOS逆变器系统还包括分别连接所述n个逆变器模块的通信总线：输出电压基准母线、输入均压母线、输出电压平均母线、公共电流基准母线；每个逆变器模块各有三个独立的控制环路：输出电压环、输入均压环、电流内环，三个环路配合作用实现了逆变器系统的输入均压及输出均压。本发明将均压控制电路分散到各模块中，使每个模块都成为可独立工作的标准模块，可对任意数目的模块进行串联组合，模块间则通过母线进行相互通信，从而实现了真正的模块化。
【专利说明】—种模块化ISOS逆变器系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种输入串联输出串联(isos)的逆变器系统，尤其涉及一种模块化ISOS逆变器系统，属于电能变换装置的直流-交流变换器领域。
【背景技术】
[0002]标准化模块的串并联组合系统作为电力电子系统集成的重要分支，采用串并联的组合连接方式，可以由多个小功率、低压(输入和输出)的标准化模块得到灵活多变的、任意输入和输出性能的功率变换系统。其中的输入串联型逆变器系统(包括ISOP和ISOS逆变器)，由于其输入端采用串联结构，每个模块的输入电压将降低到原来的1/η (η为模块数)，更容易选择合适的开关器件，因此非常适用于许多高直流输入电压的应用场合。其中，ISOS逆变器系统还特别适用于输出电压较高的交流用电场合。
[0003]现有ISOS逆变器系统，由于采用集中式控制方法，各模块共用一个输出电压调节器，各模块的控制电路缺少独立性，没有实现控制电路的模块化。在IPOP组合系统中，集中式控制策略使系统的灵活性和可靠性受到限制，而分布式控制策略却能够解决这些问题。若在ISOS逆变器系统中，采用分布式均压控制方法，系统可由独立工作的标准模块组成，这将提高系统的灵活性和可靠性，推动系统模块化的发展。
[0004]对于ISOS逆变器系统，需要解决的关键问题是输入均压和输出均压，这里进一步地在已有集中式控制策略的基础上，将控制电路分散到各模块中去，实现分布式控制，进而实现系统的完全模块化。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题在于克服现有采用集中式控制方法的ISOS逆变器系统的不足，提供一种模块化ISOS逆变器系统，通过采用分布式均压控制方案，提高了系统的灵活性和可靠性，真正实现了 ISOS逆变器系统的模块化。
[0006]本发明的模块化ISOS逆变器系统，包括η个输入串联、输出串联的逆变器模块，η为大于等于2的整数；该模块化ISOS逆变器系统还包括分别连接所述η个逆变器模块的通信总线:输出电压基准母线、输入均压母线、输出电压平均母线、公共电流基准母线；每个逆变器模块各有三个独立的控制环路:输出电压环、输入均压环、电流内环；所述逆变器系统采用以下分布式均压控制方法:
[0007]各逆变器模块的输出电压采样信号经Κν。倍衰减后的求和取平均，得到所有模块输出电压反馈信号的平均值vof_ave,Kvo。为输出电压环采样系数，所有模块输出电压反馈信号的平均值Vof_ ave与基准电压VMf相减后再经闭环PI调节器GOVR所得信号量的总和取平均得到公共电流基准iref_ave;
[0008]各逆变器模块的输入电压信号与输入均压母线信号Vin_ref相减得到误差信号，经Kvcd倍衰减后再经均压环PI调节器GIVSR得到各逆变器模块的直流误差信号，Kvcd为输入电压衰减系数，各逆变器模块的直流误差信号均与公共电流基准iref_ave相乘后再与公共电流基准id—.叠加得到各逆变器模块的电流基准；
[0009]各逆变器模块的输出滤波电容电流采样信号均先经Kci倍衰减后与相应逆变器模块的电流基准相减，再通过三态滞环电流调节器得到各逆变器模块的输出滤波电容电流，Kcf为电流内环采样系数，各逆变器模块的输出滤波电容电流乘以l/SCf得到各逆变器模块的输出电压，I/SCf为各逆变器模块的输出电容电流与输出电压之间的传递函数关系，将各逆变器模块的输出电压相加即得到系统输出电压V。;
[0010]所述基准电压vMf、输入均压母线信号Vin Mf、平均值Viave、公共电流基准iMf ave分别通过输出电压基准母线、输入均压母线、输出电压平均母线、公共电流基准母线传输至各逆变器模块。
[0011]相比现有技术，本发明具有以下有益效果:
[0012]1、实现了 ISOS逆变器系统的输入均压及输出均压。
[0013]2、将控制电路分散到各模块中，使每个模块都成为可独立工作的标准模块，实现了系统的模块化。
[0014]3、各模块控制环路中的输入均压环和输出电压环相互之间独立工作，实现了解耦，有效简化了系统的环路设计，对输入均压环和输出电压环可分别进行独立设计，其效果并不影响系统的各项性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1 (a)为本发明模块化ISOS逆变器系统的主电路拓扑图，图1 (b)为本发明模块化ISOS逆变器系统的控制原理图；
[0016]图2为本发明模块化ISOS逆变器系统的主电路简化拓扑图；
[0017]图3为本发明模块化ISOS逆变器系统的简化控制原理图；
[0018]图4为各逆变器模块输出电压闭环传递函数框图；
[0019]图中的符号含义如下:Cdl~Cdn为输入分压电容；Vedl~Vedn为输入分压电容电压；Iinl~Iinn为各逆变器模块的输入电流Jm11~U为输入分压电容电流;vol~Vm为各逆变器模块的输出电压。为系统输出电流山?为系统输入电流；Kvc;(1为输入电压衰减系数；Givse(S)为输入均压环PI调节器；Vc;d EA1~EAn为各逆变器模块的直流误差信号；KV。为输出电压闭环采样系数；V()fl~V-为个逆变器输出电压采样值为所有模块输出电压采样总和的平均值;G0VR(s)为输出电压环PI调节器；iMfl~iMfn的总和求平均所得信号iref_aVe为共用电流基准信号；iEA1~iEAn为与iMf—同相位的正弦误差信号；igl~ign为各逆变器模块的电流基准信号~1-为各逆变器模块的逆变级输出电容电流信号；Krf为电流内环采样系数；ζω为系统阻性满载。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明:
[0021]本发明模块化ISOS逆变器系统的主电路拓扑结构如图1 (a)所示，包括电源电路和η个逆变器模块,所述电源电路包括输入源Vin和η个输入分压电容Cdl~Cdn, η个输入分压电容Cdl~Cdn依次串接后并联于输入源Vin的正负输入端之间，η个逆变器模块的输入端分别并联于相应输入分压电容的两端，第1#逆变器模块的正输出端通过负载连接第n#逆变器模块的负输出端，令i=2，3，...，n，第i#逆变器模块的正输出端连接第i_l#逆变器模块的负输出端。为满足本系统输入输出端可进行串联组合的要求，各逆变器模块的主电路拓扑采用高频隔离的两级式结构——直-直变换级I和直-交逆变级2。
[0022]本发明所提出的ISOS逆变器系统的分布式均压控制方法的控制原理图如图1(b)所示。在该控制方案中，每个模块都有三个独立的控制环路:输出电压环、输入均压环、电流内环。各模块间通信是通过母线来实现:输出电压基准母线、输入均压母线、输出电压平均母线、公共电流基准母线。
[0023]这里先分析本发明实现ISOS逆变器系统输入输出均压的控制原理。
[0024]由于每个逆变器模块的输出电压都是交流量，故必须保证所有模块的输出电压幅值和相位都相等，才能实现输出均压。
[0025]本发明的模块化ISOS逆变器系统的主电路简化拓扑如图2所示，假设每个逆变器模块的变换效率均为100%，那么各逆变器模块的输入功率等于其输出有功功率，即:
[0026]Pinj=Vcdj.Iinj=Voj.10.cos Θ J=Poj.(j=l...η)(I)
[0027]式(I)中:Pinj为各逆变器模块的输入功率；Ρ。」为各逆变器模块的输出有功功率；Voj为各逆变器模块的输出电压有效值；1。为系统的输出电流有效值；Θ J为各逆变器模块…输出功率因数角。
[0028]如果考虑在系统输入端采用输入均压控制，在稳态时，各逆变器模块相应的输入分压电容上的电流保持不变，其平均值为零，即:
[0029]Icdl=Icd2=-=Icdn=O(2)
[0030]进一步可得:
[0031]Iinl = I in2=—=Iinn=Iin(3)
[0032]由于采用输入均压控制，故可得:
[0033]Vcdl=Vcd2=-=Vcdn(4)
[0034]结合式(I)、(3)、(4)可得:
[0035]Vol.I。.cos Θ ^Vo2.I。.cos Θ 2=…=Von.I。.cos Θ n(5)
[0036]若在式(5 )的基础上同时控制各逆变器模块输出电压的幅值或相位相同，即使以下两式其中之一成立:
[0037]Vol =V02=…=Von(6)
[0038]Θ J= Θ 2=…=θ n(7)
[0039]若使式(5 )和式(6 )成立，则可得式(7 )成立，又或使式(5 )和式(7 )成立，则可得式(6)成立，这两种情况最终都可得到各逆变器模块输出电压的幅值及相位均分别相等，从而下式(8)成立，即输出均压。
[0040]V01=V02=…=Von(8)
[0041]通过以上分析可知，对于ISOS逆变器系统，若在系统输入端控制其输入均压，则只能保证各逆变器模块输出有功功率的均衡，而无功功率未必均衡，也就不能保证输出均压；而如果在控制系统输入均压的基础上，同时控制各逆变器模块输出电压的幅值或相位相同，则可实现输出均压。
[0042]本发明采用的即是输入端均压结合输出电压同相位的控制方案，每个逆变器模块各有三个独立的控制环路:输出电压环、输入均压环、电流内环。[0043]各模块的输出电压环中，输出电压基准母线通过DSP来实现同步，其信号为VMf。而由各模块输出电压反馈信号平均得到的输出电压平均母线，其信号跟踪同步的基准电压VMf，二者之误差进入输出电压调节器以形成各模块各自独立的输出电压环。对于各模块的电压平均反馈信号_，经推导易得:
[0044]Vof ave= (νο1.Κνο+νο2.Kvo+...+Von.KJ /η=ν0.Kvo/n(9)可见所有模块输出电压总和的平均值跟踪同步的基准电压VMf，从而实现系统总输出电压正弦输出。
[0045]在各模块的输入均压环中，各逆变器模块应分配到的输入电压Vin/n与其实际输入电压'dj (j=l, 2...η)之差(即输入电压误差信号)经Kvm1倍衰减后送入PI调节器Givsk得到直流误差信号'd—EAj (j=l，2...n)。由于输入均压环的输出'd—EAj为直流误差信号，而模块输出端各变量为交流信号，故此处引入了乘法器。将直流误差Vmlew与交流量iMf—.相乘后得到与iMf—.同相位的正弦误差信号iEAj (j=l，2...n)，各正弦误差信号叠加在共用电流基准iMf—上以微调各模块电流基准的幅值，以保证输入均压环用于微调基准电流的信号与原来公共基准电流iMf—保持相位相同，从而保证各模块电流内环的基准信号igj(j=l, 2...η)相位相同，而输入均压环仅微调其幅值。
[0046]各逆变器模块的电流 内环采用三态滞环控制，采样的是各逆变器模块的输出滤波电容电流，各模块电流基准信号L与Krf倍衰减后的电容电流之差送入三态滞环电流调节器，三态滞环电流调节器输出的电容电流irfj (j=l, 2...η)与电容上电压(即各模块输出电压ν<υ_，j=l, 2...η)存在固有的传递函数关系l/sCf，s为拉氏变换因子，故将乘以l/sCf即得到各模块输出电压~之和即为系统输出电压V。。由于各模块的电流内环采样的是各模块的电容电流，故上述输入均压环仅微调各模块电容电流基准的幅值，而它们的相位始终保持相同，从而各模块电容电流跟踪基准也保持相位一致。进一步的，由于各模块电容电流的方向与输出电压的方向相差η/2，所以上述控制也就保证了各模块输出电压的相位一致，即有式(7)成立。输入均压环通过调节各逆变器模块的输出滤波电容电流irf，达到实现各模块输入电压均衡的目的，从而有式(4)和式(5 )成立。而由式(5 )和式(7 )可得式(6)成立，并最终可得式(8)成立。结合式(4)和式(8)可知，本发明的模块化ISOS逆变器系统在分布式控制策略下实现了输入均压和输出均压。
[0047]在图1 (b)中，η个逆变器模块的实际输入电压Vmu和η个逆变器模块的输出电压Vty.，共η+η个变量需要控制。这些受控量之间表面看似乎相互关联，若直接对系统进行分析和设计将十分困难，为此这里进一步分析研究各受控量之间的关系，以简化系统的复杂程度。
[0048]在图1 (b)中，各逆变器模块的电流内环采用三态滞环控制，由于逆变器开关频率远高于其输出电压频率，故电流内环可等效为电流跟随器，且其放大倍数为1/Krf，于是可得到如图3所示的简化后的系统控制原理图，由图3可得:
>:me.^EAj) j^.^ - (” Kef _ave ^ \ ^KAi)^
[0049]" η (10)
[0050] 此处各模块输入均压调节量iEW在输出电压环中可视为系统的扰动。根据图1(b)可得:
【权利要求】
1.一种模块化ISOS逆变器系统,包括/7个输入串联、输出串联的逆变器模块,/7为大于等于2的整数；其特征在于，该模块化ISOS逆变器系统还包括分别连接所述/7个逆变器模块的通信总线:输出电压基准母线、输入均压母线、输出电压平均母线、公共电流基准母线；每个逆变器模块各有三个独立的控制环路:输出电压环、输入均压环、电流内环；所述逆变器系统采用以下分布式均压控制方法: 各逆变器模块的输出电压采样信号经U咅衰减后的求和取平均，得到所有模块输出电压反馈信号的平均值vof—ave，Kvo为输出电压环采样系数，所有模块输出电压反馈信号的平均值tv—_与基准电压匕-相减后再经闭环PI调节器所得信号量的总和取平均得到公共电流基准U 各逆变器模块的输入电压信号与输入均压母线信号匕—w相减得到误差信号，i^tKvcd倍衰减后再经均压环PI调节器G謂得到各逆变器模块的直流误差信号，尤^为输入电压衰减系数，各逆变器模块的直流误差信号均与公共电流基准iref—ave相乘后再与公共电流基准iref—ave叠加得到各逆变器模块的电流基准； 各逆变器模块的输出滤波电容电流采样信号均先经U咅衰减后与相应逆变器模块的电流基准相减，再通过三态滞环电流调节器得到各逆变器模块的输出滤波电容电流为电流内环采样系数，各逆变器模块的输出滤波电容电流乘以得到各逆变器模块的输出电压，HsCf为各逆变器模块的输出电容电流与输出电压之间的传递函数关系，将各逆变器模块的输出电压相加即得到系统输出电压K; 所述基准电压输入均压母线信号匕、平均值tv—_、公共电流基准_分别通过输出电压基准母线、输入均压母线、输出电压平均母线、公共电流基准母线传输至各逆变器模块。
2.如权利要求1所述模块化ISOS逆变器系统，其特征在于，各逆变器模块的主电路拓扑均为高频隔离的两级式结构。`
【文档编号】H02M7/48GK103516241SQ201310465658
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年10月8日 优先权日:2013年10月8日
【发明者】方天治, 朱恒伟, 阮新波 申请人:南京航空航天大学