專利名稱：高輸出電壓調(diào)整率的分布式并聯(lián)逆變器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高輸出電壓調(diào)整率的分布式并聯(lián)逆變器及其控制方法，屬電能變換裝置的直流-交流變換器。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，對電能變換裝置的要求越來越高，特別是許多大容量交流輸出的場合，例如UPS以及航空靜止變流器等系統(tǒng)都對逆變器的輸出容量以及可靠性提出了挑戰(zhàn)。逆變器冗余并聯(lián)技術(shù)有利于系統(tǒng)擴(kuò)容，提高了系統(tǒng)的可靠性及冗余度，因而得到廣泛的應(yīng)用。由于逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中各模塊的輸入輸出電壓分別相等，故只需控制各模塊的輸出電流并使之相等，即輸出均流，就可實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。目前逆變器并聯(lián)的輸出均流控制方法有很多種，其中基于平均電流控制的分布式并聯(lián)控制方案具有以下優(yōu)點控制電路簡單，均流調(diào)節(jié)速度快；各模塊之間完全對等，容易實現(xiàn)熱插拔及冗余控制。但該方案存在如下缺點各模塊的電流內(nèi)環(huán)采用的是電感電流反饋，輸出電壓調(diào)整率較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對大功率交流輸出場合，提出了一種高輸出電壓調(diào)整率的分布式并聯(lián)逆變器及其控制方法，大大提高單個逆變器模塊及整個系統(tǒng)的輸出電壓調(diào)整率的同時，同時保留了系統(tǒng)原有的均流效果及限流功能不變，并可實現(xiàn)系統(tǒng)的熱插拔與冗余控制。本發(fā)明為解決其技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案
一種高輸出電壓調(diào)整率的分布式并聯(lián)逆變器，包括《個逆變器模塊主電路，《個逆變器模塊主電路的輸入輸出端并聯(lián)連接，《為正整數(shù)，其單個逆變器模塊的主電路拓?fù)洳捎酶哳l隔離的兩級式結(jié)構(gòu)，該兩級式結(jié)構(gòu)分為前級——直-直變換級和后級——直-交逆變級， 其中直-直變換級采用全橋直流變換器，其電路包括4個開關(guān)管、隔離變壓器、4個整流管、 整流濾波電感、整流濾波電容，第一開關(guān)管的漏極和第三開關(guān)管的漏極連接，同時與電源濾波電容的正極和電源的正極連接，第一開關(guān)管的源極和第二開關(guān)管的漏極連接，第三開關(guān)管的源極和第四開關(guān)管的漏極連接，第一開關(guān)管和第二開關(guān)管的串聯(lián)點與隔離變壓器原邊繞組的異名端連接，第三開關(guān)管和第四開關(guān)管的串聯(lián)點與隔離變壓器原邊繞組的同名端連接，第二開關(guān)管的源極和第四開關(guān)管的源極連接，同時與電源濾波電容的負(fù)極和電源的負(fù)極連接，第一整流管的陽極和第二整流管的陰極連接，第三整流管的陽極和第四整流管的陰極連接，第一整流管的陰極和第三整流管的陰極連接，同時與整流濾波電感的一端連接， 整流濾波電感的另一端與整流濾波電容的正極連接，第二整流管的陽極和第四整流管的陽極連接，同時與整流濾波電容的負(fù)極連接，第三整流管和第四整流管的串聯(lián)點與隔離變壓器副邊繞組的異名端連接，第一整流管和第二整流管的串聯(lián)點與隔離變壓器副邊繞組的同名端連接；直-交逆變級采用全橋逆變器，其電路包括4個開關(guān)管、輸出濾波電感、輸出濾波電容，其中第五開關(guān)管的發(fā)射極和第六開關(guān)管的集電極連接，第七開關(guān)管的發(fā)射極和第八開關(guān)管的集電極連接，第五開關(guān)管的集電極和第七開關(guān)管的集電極、整流濾波電容的正極連接，第六開關(guān)管的發(fā)射極和第八開關(guān)管的發(fā)射極、整流濾波電容的負(fù)極連接，第五開關(guān)管的發(fā)射極與輸出濾波電感的一端連接，輸出濾波電感的另一端和輸出濾波電容的正極、負(fù)載電阻的正輸出端連接，第八開關(guān)管的集電極和輸出濾波電容的負(fù)極、負(fù)載電阻的負(fù)輸出端連接。高輸出電壓調(diào)整率的分布式并聯(lián)逆變器的控制方法，逆變器并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓采樣信號經(jīng)^^.倍衰減得到的輸出電壓反饋與基準(zhǔn)電壓相減后經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到各逆變器模塊的電流基準(zhǔn)；各逆變器模塊的電流基準(zhǔn)作平均后得到各逆變器模塊共用的電流基準(zhǔn)信號； 各逆變器模塊共用的電流基準(zhǔn)信號與經(jīng)過尤j倍衰減后的電感電流之差送入三態(tài)滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器，三態(tài)滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器輸出的電感電流與電容電流之差為各逆變器模塊的輸出電流，而各逆變器模塊輸出電流之和為系統(tǒng)的輸出電流，即為負(fù)載電流；同時從各逆變器模塊的輸出電流處弓丨出負(fù)載電流前饋信號，經(jīng)Koj倍衰減后前饋至電流基準(zhǔn)平均點之前的B點， 使逆變器并聯(lián)系統(tǒng)及單個逆變器模塊均能獲得高的輸出電壓調(diào)整率，其中為各逆變器模塊輸出電壓閉環(huán)采樣系數(shù).,Kii為各模塊電感電流采樣系數(shù) 凡j為各模塊輸出電流采樣系數(shù)；戶1 一/7, 為正整數(shù)。本發(fā)明的有益效果如下
1.主電路拓?fù)洳捎酶哳l隔離的兩級式結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)輸入輸出端的串并聯(lián)任意組合。2.引入負(fù)載電流前饋并將其前饋至電流基準(zhǔn)平均點之前，提高了模塊及整個并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓調(diào)整率。并在與足7相等時理論上可得與負(fù)載大小無關(guān)的輸出電壓。3.采用方案中，由于前饋點設(shè)置合理，故各模塊電感電流仍跟蹤同一基準(zhǔn)達(dá)到一致，在各模塊輸出濾波電容相等的情況下實現(xiàn)均流。4.由于引入的負(fù)載電流前饋在電流基準(zhǔn)平均點之前，故采用方案仍可通過限制電感電流來限制負(fù)載電流。5.采用方案具有好的均流效果。系統(tǒng)中各模塊呈分布式結(jié)構(gòu)，允許任一模塊熱插拔。


圖1(a)是本發(fā)明的高輸出電壓調(diào)整率的分布式并聯(lián)逆變器的主電路拓?fù)鋱D，圖1(b) 是本發(fā)明的高輸出電壓調(diào)整率的分布式并聯(lián)逆變器的控制框圖，其中1、直-直變換級；2、 直-交逆變級；3、電壓外環(huán)；4、電流內(nèi)環(huán)；5、各逆變器模塊的電壓基準(zhǔn)；6、各逆變器模塊電流基準(zhǔn)信號的平均值；7、負(fù)載電流前饋。圖2是η個逆變器模塊并聯(lián)逆變器系統(tǒng)各種控制方案的控制框圖。圖3是前述控制框圖中各模塊電流內(nèi)環(huán)等效為電流跟隨器的等效圖。圖4是兩模塊并聯(lián)逆變器系統(tǒng)優(yōu)化前后兩種方案的控制框圖。其中乂系統(tǒng)的輸出電壓-’iol—ion 各逆變器模塊的輸出電流-’iLfl—iLfn 各逆變器模塊的電感電流；& 一^ 各逆變器模塊輸出電壓基準(zhǔn)信號；。(S)-^m(S) 各逆變器模塊輸出電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器；A^+t 各逆變器模塊輸出電壓閉環(huán)采樣系數(shù);各逆變器模塊輸出電壓環(huán)的輸出信號，即各模塊的電流基準(zhǔn)信號；
Ig 各逆變器模塊電流基準(zhǔn)信號作平均后得到的共用電流基準(zhǔn)信號而+)--6^(8)各逆
變器模塊采用三態(tài)滯環(huán)控制的電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器.,Kil-Kin 各逆變器模塊電感電流采樣系數(shù)；元各逆變器模塊輸出(負(fù)載)電流采樣系數(shù)；cfl_cfn 各逆變器模塊輸出濾波電容；Z 系統(tǒng)所接負(fù)載。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明創(chuàng)造做進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1(a)所示，一種高輸出電壓調(diào)整率的分布式并聯(lián)逆變器，包括/7個逆變器模塊主電路，η個逆變器模塊主電路的輸入輸出端并聯(lián)連接，η為正整數(shù)，其單個逆變器模塊的主電路拓?fù)洳捎酶哳l隔離的兩級式結(jié)構(gòu)，該兩級式結(jié)構(gòu)分為前級——直-直變換級1和后級——直-交逆變級2，其中直-直變換級1采用全橋直流變換器，其電路包括4個開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4、隔離變壓器Tri、4個整流管D1、D2、D3、D4、整流濾波電感L1、整流濾波電容C1， 第一開關(guān)管A的漏極和第三開關(guān)管Q3的漏極連接，同時與電源濾波電容Cdl的正極和電源 Vin的正極連接，第一開關(guān)管A的源極和第二開關(guān)管％的漏極連接，第三開關(guān)管( 的源極和第四開關(guān)管A的漏極連接，第一開關(guān)管A和第二開關(guān)管A的串聯(lián)點與隔離變壓器Tri原邊繞組的異名端連接，第三開關(guān)管( 和第四開關(guān)管A的串聯(lián)點與隔離變壓器Tri原邊繞組的同名端連接，第二開關(guān)管A的源極和第四開關(guān)管A的源極連接，同時與電源濾波電容Cdl 的負(fù)極和電源的負(fù)極Vin連接，第一整流管D1的陽極和第二整流管D2的陰極連接，第三整流管D3的陽極和第四整流管D4的陰極連接，第一整流管D1的陰極和第三整流管D3的陰極連接，同時與整流濾波電感L1的一端連接，整流濾波電感L1的另一端與整流濾波電容C1的正極連接，第二整流管A的陽極和第四整流管D4的陽極連接，同時與整流濾波電容C1的負(fù)極連接，第三整流管D3和第四整流管D4的串聯(lián)點與隔離變壓器Tri副邊繞組的異名端連接，第一整流管D1和第二整流管D2的串聯(lián)點與隔離變壓器Tri副邊繞組的同名端連接；直-交逆變級2采用全橋逆變器，其電路包括4個開關(guān)管Si、S2、S3、S4、輸出濾波電感Lfl、輸出濾波電容Cfl，其中第五開關(guān)管S1的發(fā)射極和第六開關(guān)管&的集電極連接，第七開關(guān)管&的發(fā)射極和第八開關(guān)管、的集電極連接，第五開關(guān)管S1的集電極和第七開關(guān)管&的集電極、整流濾波電容C1的正極連接，第六開關(guān)管&的發(fā)射極和第八開關(guān)管、的發(fā)射極、整流濾波電容C1 的負(fù)極連接，第五開關(guān)管S1的發(fā)射極與輸出濾波電感Lfl的一端連接，輸出濾波電感Lfl的另一端和輸出濾波電容Cfl的正極、負(fù)載電阻Z的正輸出端連接，第八開關(guān)管、的集電極和輸出濾波電容Cfl的負(fù)極、負(fù)載電阻Z的負(fù)輸出端連接。全橋直流變換器中各開關(guān)器件承受的電壓應(yīng)力為輸入電壓，并可采用移相軟開關(guān)技術(shù)，以減小開關(guān)管和整流二極管的電壓應(yīng)力， 提高變換器的效率。全橋逆變器適用于較大功率的應(yīng)用場合，并且它存在橋臂間的輸出電壓為零電壓，即輸出濾波電感電流自然續(xù)流的狀態(tài)，因此可以實現(xiàn)橋臂輸出電壓三態(tài)調(diào)制， 從而可在較低的開關(guān)頻率下獲得更好的輸出效果。如圖1(b)所示，本發(fā)明的高輸出電壓調(diào)整率的分布式并聯(lián)逆變器，其各逆變器模塊均采用電壓電流雙閉環(huán)控制。其中電壓外環(huán)3控制總的輸出電壓穩(wěn)定工作，在該控制環(huán)路中，系統(tǒng)輸出電壓采樣信號經(jīng)倍衰減得到的輸出電壓反饋與基準(zhǔn)電壓Vrj相減后經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器G/s)得到各模塊的電流基準(zhǔn)/ 。各逆變器模塊的電流基準(zhǔn)Jil+/^作平均后得
到各模塊共用的電流基準(zhǔn)信號；6。各逆變器模塊的電流內(nèi)環(huán)4采用三態(tài)滯環(huán)控制，采樣
的是各模塊的逆變級輸出電感電流，各模塊共用的電流基準(zhǔn)信號!s與Kij倍衰減后的電感
電流之差送入三態(tài)滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器&(s)，&(s)輸出的電感電流與電容電流(各模塊電容電流與輸出電壓K存在固有的傳遞函數(shù)關(guān)系sC>，s為拉氏變換因子，故將K乘以 sCf即得到Icf])之差為各模塊的輸出電流Ioj,而各模塊輸出電流Ioj之和為系統(tǒng)的輸出電流厶，即為負(fù)載電流。在本發(fā)明中，為使系統(tǒng)及單模塊均獲得高的輸出電壓調(diào)整率，這里從各模塊的輸出電流Ioj處引出負(fù)載電流前饋7信號，經(jīng)元y倍衰減后前饋至電流基準(zhǔn)平均點之前(也即B點)，如此一來，在保留原有均流及限流的功能的同時，大大優(yōu)化了單模塊及整個系統(tǒng)的輸出電壓調(diào)整率。該控制方案的選定過程如下。并聯(lián)逆變器的各種控制方案及優(yōu)化方案的選定
如圖2所示，未加負(fù)載電流前饋(如圖中虛線箭頭所示)時其控制框圖為原始的基于平均電流控制的分布式并聯(lián)控制方案，該方案取逆變器各并聯(lián)模塊電壓調(diào)節(jié)器的輸出信號的平均值作為并聯(lián)逆變器模塊共享的電流基準(zhǔn)，使之不依賴于某一個模塊，從而允許任一模塊熱插拔。然而，由于各模塊的電流內(nèi)環(huán)采用的是電感電流反饋，輸出電壓調(diào)整率較低。 對于上述方案的這一缺點，若引入負(fù)載電流前饋技術(shù)，將大大提高并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓調(diào)整率。然而對于并聯(lián)系統(tǒng)而言，隨著負(fù)載電流前饋點設(shè)置的不同，所得的不同控制方案其控制效果將有所不同。仍如圖2所示，如果將負(fù)載電流前饋到電流基準(zhǔn)平均點之后(即A點) 且Iiy=^7，此時對單臺逆變器而言是采用了電容電流反饋控制方案，這時的輸出電壓調(diào)整率為最優(yōu)，理論上與負(fù)載大小無關(guān)。該方案實際上是將各并聯(lián)模塊的電容電流給定信號做了平均作為共享的電流基準(zhǔn)，從而各逆變器模塊電容電流都跟隨該共享信號達(dá)到一致。然而電容電流不包含負(fù)載電流的信息，故無法實現(xiàn)各模塊(負(fù)載電流)均流和穩(wěn)定工作。同時，采用該方案時限幅環(huán)節(jié)限制的是各并聯(lián)模塊的電容電流給定，不能限制負(fù)載電流。從以上分析可以看出，這種將負(fù)載電流前饋到電流基準(zhǔn)平均點之后的改進(jìn)方案雖然引入了負(fù)載電流前饋，但卻不能穩(wěn)定工作，故并不可取。如果將負(fù)載電流前饋到電流基準(zhǔn)平均點之前 (即B點)且^^.=足7時，理論上仍可得到與負(fù)載大小無關(guān)的輸出電壓調(diào)整率。并且與前一種改進(jìn)方案相比，此時得到的優(yōu)化方案保留了原電感電流反饋控制方案“將各模塊的電感電流給定信號作平均后作為各模塊共享的電流基準(zhǔn)”這一特性，從而各模塊電感電流跟蹤同一基準(zhǔn)達(dá)到一致。在各模塊輸出濾波電容相等的情況下，輸出電流也相等，從而實現(xiàn)了均流。同時，限幅環(huán)節(jié)限制的是各并聯(lián)模塊的電感電流給定，故該方案可通過限制電感電流來限制負(fù)載電流?？梢?，該方案不僅保留了原方案均流及限流的優(yōu)點，更是在引入了負(fù)載電流前饋技術(shù)后，優(yōu)化了模塊和系統(tǒng)的輸出電壓調(diào)整率。故本發(fā)明選定該方案為最終的優(yōu)化方案，其控制框圖如圖1(b)所示。并聯(lián)逆變器優(yōu)化方案與原方案的比較
2.1輸出電壓調(diào)整率的比較
如圖1(b)所示，對原始方案與優(yōu)化方案加以比較。由于逆變器開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于其輸出電壓頻率，故圖中各模塊的電流內(nèi)環(huán)(4)都可等效為如圖3所示的電流跟隨器，其放大倍數(shù) Klj=VKija而各逆變器模塊的電壓基準(zhǔn)Vrl Vrn 5同步后作為各逆變器模塊電壓外環(huán)的公共基準(zhǔn)，故可認(rèn)為各基準(zhǔn)相同，則控制框圖的輸入為共用的基準(zhǔn)電壓W。于是對于該并聯(lián)系統(tǒng)，可推導(dǎo)出其傳遞函數(shù)為
權(quán)利要求
1.一種高輸出電壓調(diào)整率的分布式并聯(lián)逆變器，其特征在于包括《個逆變器模塊主電路，η個逆變器模塊主電路的輸入輸出端并聯(lián)連接，η為正整數(shù)，其單個逆變器模塊的主電路拓?fù)洳捎酶哳l隔離的兩級式結(jié)構(gòu)，該兩級式結(jié)構(gòu)分為前級——直-直變換級(1)和后級——直-交逆變級O)，其中直-直變換級(1)采用全橋直流變換器，其電路包括4個開關(guān)管(Q1、Q2、Q3lQ4)、隔離變壓器(Tri)、4個整流管(D1、D2、D3、D4)、整流濾波電感(L1)、整流濾波電容(C1),第一開關(guān)管(Q1)的漏極和第三開關(guān)管Oi3)的漏極連接，同時與電源濾波電容 (Cdl)的正極和電源(Vin)的正極連接，第一開關(guān)管(Q1)的源極和第二開關(guān)管( )的漏極連接，第三開關(guān)管(Q3)的源極和第四開關(guān)管( )的漏極連接，第一開關(guān)管(Q1)和第二開關(guān)管( )的串聯(lián)點與隔離變壓器(Tri)原邊繞組的異名端連接，第三開關(guān)管(Q3)和第四開關(guān)管( )的串聯(lián)點與隔離變壓器(Tri)原邊繞組的同名端連接，第二開關(guān)管( )的源極和第四開關(guān)管( )的源極連接，同時與電源濾波電容(Cdl)的負(fù)極和電源的負(fù)極(Vin)連接，第一整流管(D1)的陽極和第二整流管(D2)的陰極連接，第三整流管(D3)的陽極和第四整流管(D4) 的陰極連接，第一整流管(D1)的陰極和第三整流管(D3)的陰極連接，同時與整流濾波電感 (L1)的一端連接，整流濾波電感(L1)的另一端與整流濾波電容(C1)的正極連接，第二整流管(D2)的陽極和第四整流管(D4)的陽極連接，同時與整流濾波電容(C1)的負(fù)極連接，第三整流管(D3)和第四整流管(D4)的串聯(lián)點與隔離變壓器(Tri)副邊繞組的異名端連接，第一整流管(D1)和第二整流管(D2)的串聯(lián)點與隔離變壓器(Tri)副邊繞組的同名端連接；直-交逆變級⑵采用全橋逆變器，其電路包括4個開關(guān)管(SpS2A3J4K輸出濾波電感(Lfl)、輸出濾波電容(Cfl)，其中第五開關(guān)管(S1)的發(fā)射極和第六開關(guān)管(S2)的集電極連接，第七開關(guān)管(S3)的發(fā)射極和第八開關(guān)管(S4)的集電極連接，第五開關(guān)管(S1)的集電極和第七開關(guān)管(S3)的集電極、整流濾波電容(C1)的正極連接，第六開關(guān)管(S2)的發(fā)射極和第八開關(guān)管 (S4)的發(fā)射極、整流濾波電容(C1)的負(fù)極連接，第五開關(guān)管(S1)的發(fā)射極與輸出濾波電感 (Lfl)的一端連接，輸出濾波電感(Lfl)的另一端和輸出濾波電容(Cfl)的正極、負(fù)載電阻(Z) 的正輸出端連接，第八開關(guān)管(S4)的集電極和輸出濾波電容(Cfl)的負(fù)極、負(fù)載電阻(Z)的負(fù)輸出端連接。
2.一種基于權(quán)利要求1所述的高輸出電壓調(diào)整率的分布式并聯(lián)逆變器的控制方法，其特征在于，逆變器并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓采樣信號經(jīng)Ay倍衰減得到的輸出電壓反饋與基準(zhǔn)電壓。相減后經(jīng)PI調(diào)節(jié)器。(s)得到各逆變器模塊的電流基準(zhǔn)各逆變器模塊的電流基準(zhǔn)作平均后得到各逆變器模塊共用的電流基準(zhǔn)信號Ig ；各逆變器模塊共用的電流基準(zhǔn)信號Ig與經(jīng)過尤j倍衰減后的電感電流之差送入三態(tài)滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器Glj (S)，Gij (S)輸出的電感電流ILfj與電容電流Icfj之差為各逆變器模塊的輸出電流Ioj,而各逆變器模塊輸出電流Ioj之和為系統(tǒng)的輸出電流I0,即為負(fù)載電流；同時從各逆變器模塊的輸出電流Ioj處引出負(fù)載電流前饋信號，經(jīng)Λ；,倍衰減后前饋至電流基準(zhǔn)平均點之前的B點，使逆變器并聯(lián)系統(tǒng)及單個逆變器模塊均能獲得高的輸出電壓調(diào)整率， 其中為各逆變器模塊輸出電壓閉環(huán)采樣系數(shù)知為各模塊電感電流采樣系數(shù)Xd為各模塊輸出電流采樣系數(shù);為正整數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高輸出電壓調(diào)整率的分布式并聯(lián)逆變器及其控制方法，屬電能變換裝置的直流-交流變換器。該并聯(lián)逆變器包括n個逆變器模塊主電路，n個逆變器模塊主電路的輸入輸出端并聯(lián)連接其單個逆變器模塊的主電路拓?fù)洳捎酶哳l隔離的兩級式結(jié)構(gòu)直-直變換級和直-交逆變級，其中直-直變換級采用全橋直流變換器，直-交逆變級采用全橋逆變器。該并聯(lián)逆變器引入負(fù)載電流前饋并將其前饋至電流基準(zhǔn)平均點之前，提高了輸出電壓調(diào)整率，同時保留了系統(tǒng)原有的均流效果及限流功能不變，并可實現(xiàn)系統(tǒng)的熱插拔與冗余控制。
文檔編號H02M7/5387GK102545684SQ20111041467
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月13日
發(fā)明者方天治, 肖嵐, 阮新波 申請人:南京航空航天大學(xué)