一種模塊化isos逆變器系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種模塊化ISOS逆變器系統(tǒng)，屬于電能變換裝置的直流-交流變換器領(lǐng)域。本發(fā)明的模塊化ISOS逆變器系統(tǒng)，包括n個輸入串聯(lián)、輸出串聯(lián)的逆變器模塊，n為大于等于2的整數(shù)；該模塊化ISOS逆變器系統(tǒng)還包括分別連接所述n個逆變器模塊的通信總線：輸出電壓基準母線、輸入均壓母線、輸出電壓平均母線、公共電流基準母線；每個逆變器模塊各有三個獨立的控制環(huán)路：輸出電壓環(huán)、輸入均壓環(huán)、電流內(nèi)環(huán)，三個環(huán)路配合作用實現(xiàn)了逆變器系統(tǒng)的輸入均壓及輸出均壓。本發(fā)明將均壓控制電路分散到各模塊中，使每個模塊都成為可獨立工作的標準模塊，可對任意數(shù)目的模塊進行串聯(lián)組合，模塊間則通過母線進行相互通信，從而實現(xiàn)了真正的模塊化。
【專利說明】—種模塊化ISOS逆變器系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)(isos)的逆變器系統(tǒng)，尤其涉及一種模塊化ISOS逆變器系統(tǒng)，屬于電能變換裝置的直流-交流變換器領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]標準化模塊的串并聯(lián)組合系統(tǒng)作為電力電子系統(tǒng)集成的重要分支，采用串并聯(lián)的組合連接方式，可以由多個小功率、低壓(輸入和輸出)的標準化模塊得到靈活多變的、任意輸入和輸出性能的功率變換系統(tǒng)。其中的輸入串聯(lián)型逆變器系統(tǒng)(包括ISOP和ISOS逆變器)，由于其輸入端采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每個模塊的輸入電壓將降低到原來的1/η (η為模塊數(shù))，更容易選擇合適的開關(guān)器件，因此非常適用于許多高直流輸入電壓的應(yīng)用場合。其中，ISOS逆變器系統(tǒng)還特別適用于輸出電壓較高的交流用電場合。
[0003]現(xiàn)有ISOS逆變器系統(tǒng)，由于采用集中式控制方法，各模塊共用一個輸出電壓調(diào)節(jié)器，各模塊的控制電路缺少獨立性，沒有實現(xiàn)控制電路的模塊化。在IPOP組合系統(tǒng)中，集中式控制策略使系統(tǒng)的靈活性和可靠性受到限制，而分布式控制策略卻能夠解決這些問題。若在ISOS逆變器系統(tǒng)中，采用分布式均壓控制方法，系統(tǒng)可由獨立工作的標準模塊組成，這將提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性，推動系統(tǒng)模塊化的發(fā)展。
[0004]對于ISOS逆變器系統(tǒng)，需要解決的關(guān)鍵問題是輸入均壓和輸出均壓，這里進一步地在已有集中式控制策略的基礎(chǔ)上，將控制電路分散到各模塊中去，實現(xiàn)分布式控制，進而實現(xiàn)系統(tǒng)的完全模塊化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有采用集中式控制方法的ISOS逆變器系統(tǒng)的不足，提供一種模塊化ISOS逆變器系統(tǒng)，通過采用分布式均壓控制方案，提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性，真正實現(xiàn)了 ISOS逆變器系統(tǒng)的模塊化。
[0006]本發(fā)明的模塊化ISOS逆變器系統(tǒng)，包括η個輸入串聯(lián)、輸出串聯(lián)的逆變器模塊，η為大于等于2的整數(shù)；該模塊化ISOS逆變器系統(tǒng)還包括分別連接所述η個逆變器模塊的通信總線:輸出電壓基準母線、輸入均壓母線、輸出電壓平均母線、公共電流基準母線；每個逆變器模塊各有三個獨立的控制環(huán)路:輸出電壓環(huán)、輸入均壓環(huán)、電流內(nèi)環(huán)；所述逆變器系統(tǒng)采用以下分布式均壓控制方法:
[0007]各逆變器模塊的輸出電壓采樣信號經(jīng)Κν。倍衰減后的求和取平均，得到所有模塊輸出電壓反饋信號的平均值vof_ave,Kvo。為輸出電壓環(huán)采樣系數(shù)，所有模塊輸出電壓反饋信號的平均值Vof_ ave與基準電壓VMf相減后再經(jīng)閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器GOVR所得信號量的總和取平均得到公共電流基準iref_ave;
[0008]各逆變器模塊的輸入電壓信號與輸入均壓母線信號Vin_ref相減得到誤差信號，經(jīng)Kvcd倍衰減后再經(jīng)均壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器GIVSR得到各逆變器模塊的直流誤差信號，Kvcd為輸入電壓衰減系數(shù)，各逆變器模塊的直流誤差信號均與公共電流基準iref_ave相乘后再與公共電流基準id—.疊加得到各逆變器模塊的電流基準；
[0009]各逆變器模塊的輸出濾波電容電流采樣信號均先經(jīng)Kci倍衰減后與相應(yīng)逆變器模塊的電流基準相減，再通過三態(tài)滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器得到各逆變器模塊的輸出濾波電容電流，Kcf為電流內(nèi)環(huán)采樣系數(shù)，各逆變器模塊的輸出濾波電容電流乘以l/SCf得到各逆變器模塊的輸出電壓，I/SCf為各逆變器模塊的輸出電容電流與輸出電壓之間的傳遞函數(shù)關(guān)系，將各逆變器模塊的輸出電壓相加即得到系統(tǒng)輸出電壓V。;
[0010]所述基準電壓vMf、輸入均壓母線信號Vin Mf、平均值Viave、公共電流基準iMf ave分別通過輸出電壓基準母線、輸入均壓母線、輸出電壓平均母線、公共電流基準母線傳輸至各逆變器模塊。
[0011]相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0012]1、實現(xiàn)了 ISOS逆變器系統(tǒng)的輸入均壓及輸出均壓。
[0013]2、將控制電路分散到各模塊中，使每個模塊都成為可獨立工作的標準模塊，實現(xiàn)了系統(tǒng)的模塊化。
[0014]3、各模塊控制環(huán)路中的輸入均壓環(huán)和輸出電壓環(huán)相互之間獨立工作，實現(xiàn)了解耦，有效簡化了系統(tǒng)的環(huán)路設(shè)計，對輸入均壓環(huán)和輸出電壓環(huán)可分別進行獨立設(shè)計，其效果并不影響系統(tǒng)的各項性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1 (a)為本發(fā)明模塊化ISOS逆變器系統(tǒng)的主電路拓撲圖，圖1 (b)為本發(fā)明模塊化ISOS逆變器系統(tǒng)的控制原理圖；
[0016]圖2為本發(fā)明模塊化ISOS逆變器系統(tǒng)的主電路簡化拓撲圖；
[0017]圖3為本發(fā)明模塊化ISOS逆變器系統(tǒng)的簡化控制原理圖；
[0018]圖4為各逆變器模塊輸出電壓閉環(huán)傳遞函數(shù)框圖；
[0019]圖中的符號含義如下:Cdl~Cdn為輸入分壓電容；Vedl~Vedn為輸入分壓電容電壓；Iinl~Iinn為各逆變器模塊的輸入電流Jm11~U為輸入分壓電容電流;vol~Vm為各逆變器模塊的輸出電壓。為系統(tǒng)輸出電流山?為系統(tǒng)輸入電流；Kvc;(1為輸入電壓衰減系數(shù)；Givse(S)為輸入均壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器；Vc;d EA1~EAn為各逆變器模塊的直流誤差信號；KV。為輸出電壓閉環(huán)采樣系數(shù)；V()fl~V-為個逆變器輸出電壓采樣值為所有模塊輸出電壓采樣總和的平均值;G0VR(s)為輸出電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器；iMfl~iMfn的總和求平均所得信號iref_aVe為共用電流基準信號；iEA1~iEAn為與iMf—同相位的正弦誤差信號；igl~ign為各逆變器模塊的電流基準信號~1-為各逆變器模塊的逆變級輸出電容電流信號；Krf為電流內(nèi)環(huán)采樣系數(shù)；ζω為系統(tǒng)阻性滿載。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明:
[0021]本發(fā)明模塊化ISOS逆變器系統(tǒng)的主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 (a)所示，包括電源電路和η個逆變器模塊,所述電源電路包括輸入源Vin和η個輸入分壓電容Cdl~Cdn, η個輸入分壓電容Cdl~Cdn依次串接后并聯(lián)于輸入源Vin的正負輸入端之間，η個逆變器模塊的輸入端分別并聯(lián)于相應(yīng)輸入分壓電容的兩端，第1#逆變器模塊的正輸出端通過負載連接第n#逆變器模塊的負輸出端，令i=2，3，...，n，第i#逆變器模塊的正輸出端連接第i_l#逆變器模塊的負輸出端。為滿足本系統(tǒng)輸入輸出端可進行串聯(lián)組合的要求，各逆變器模塊的主電路拓撲采用高頻隔離的兩級式結(jié)構(gòu)——直-直變換級I和直-交逆變級2。
[0022]本發(fā)明所提出的ISOS逆變器系統(tǒng)的分布式均壓控制方法的控制原理圖如圖1(b)所示。在該控制方案中，每個模塊都有三個獨立的控制環(huán)路:輸出電壓環(huán)、輸入均壓環(huán)、電流內(nèi)環(huán)。各模塊間通信是通過母線來實現(xiàn):輸出電壓基準母線、輸入均壓母線、輸出電壓平均母線、公共電流基準母線。
[0023]這里先分析本發(fā)明實現(xiàn)ISOS逆變器系統(tǒng)輸入輸出均壓的控制原理。
[0024]由于每個逆變器模塊的輸出電壓都是交流量，故必須保證所有模塊的輸出電壓幅值和相位都相等，才能實現(xiàn)輸出均壓。
[0025]本發(fā)明的模塊化ISOS逆變器系統(tǒng)的主電路簡化拓撲如圖2所示，假設(shè)每個逆變器模塊的變換效率均為100%，那么各逆變器模塊的輸入功率等于其輸出有功功率，即:
[0026]Pinj=Vcdj.Iinj=Voj.10.cos Θ J=Poj.(j=l...η)(I)
[0027]式(I)中:Pinj為各逆變器模塊的輸入功率；Ρ?！篂楦髂孀兤髂K的輸出有功功率；Voj為各逆變器模塊的輸出電壓有效值；1。為系統(tǒng)的輸出電流有效值；Θ J為各逆變器模塊…輸出功率因數(shù)角。
[0028]如果考慮在系統(tǒng)輸入端采用輸入均壓控制，在穩(wěn)態(tài)時，各逆變器模塊相應(yīng)的輸入分壓電容上的電流保持不變，其平均值為零，即:
[0029]Icdl=Icd2=-=Icdn=O(2)
[0030]進一步可得:
[0031]Iinl = I in2=—=Iinn=Iin(3)
[0032]由于采用輸入均壓控制，故可得:
[0033]Vcdl=Vcd2=-=Vcdn(4)
[0034]結(jié)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 )的基礎(chǔ)上同時控制各逆變器模塊輸出電壓的幅值或相位相同，即使以下兩式其中之一成立:
[0037]Vol =V02=…=Von(6)
[0038]Θ J= Θ 2=…=θ n(7)
[0039]若使式(5 )和式(6 )成立，則可得式(7 )成立，又或使式(5 )和式(7 )成立，則可得式(6)成立，這兩種情況最終都可得到各逆變器模塊輸出電壓的幅值及相位均分別相等，從而下式(8)成立，即輸出均壓。
[0040]V01=V02=…=Von(8)
[0041]通過以上分析可知，對于ISOS逆變器系統(tǒng)，若在系統(tǒng)輸入端控制其輸入均壓，則只能保證各逆變器模塊輸出有功功率的均衡，而無功功率未必均衡，也就不能保證輸出均壓；而如果在控制系統(tǒng)輸入均壓的基礎(chǔ)上，同時控制各逆變器模塊輸出電壓的幅值或相位相同，則可實現(xiàn)輸出均壓。
[0042]本發(fā)明采用的即是輸入端均壓結(jié)合輸出電壓同相位的控制方案，每個逆變器模塊各有三個獨立的控制環(huán)路:輸出電壓環(huán)、輸入均壓環(huán)、電流內(nèi)環(huán)。[0043]各模塊的輸出電壓環(huán)中，輸出電壓基準母線通過DSP來實現(xiàn)同步，其信號為VMf。而由各模塊輸出電壓反饋信號平均得到的輸出電壓平均母線，其信號跟蹤同步的基準電壓VMf，二者之誤差進入輸出電壓調(diào)節(jié)器以形成各模塊各自獨立的輸出電壓環(huán)。對于各模塊的電壓平均反饋信號_，經(jīng)推導(dǎo)易得:
[0044]Vof ave= (νο1.Κνο+νο2.Kvo+...+Von.KJ /η=ν0.Kvo/n(9)可見所有模塊輸出電壓總和的平均值跟蹤同步的基準電壓VMf，從而實現(xiàn)系統(tǒng)總輸出電壓正弦輸出。
[0045]在各模塊的輸入均壓環(huán)中，各逆變器模塊應(yīng)分配到的輸入電壓Vin/n與其實際輸入電壓'dj (j=l, 2...η)之差(即輸入電壓誤差信號)經(jīng)Kvm1倍衰減后送入PI調(diào)節(jié)器Givsk得到直流誤差信號'd—EAj (j=l，2...n)。由于輸入均壓環(huán)的輸出'd—EAj為直流誤差信號，而模塊輸出端各變量為交流信號，故此處引入了乘法器。將直流誤差Vmlew與交流量iMf—.相乘后得到與iMf—.同相位的正弦誤差信號iEAj (j=l，2...n)，各正弦誤差信號疊加在共用電流基準iMf—上以微調(diào)各模塊電流基準的幅值，以保證輸入均壓環(huán)用于微調(diào)基準電流的信號與原來公共基準電流iMf—保持相位相同，從而保證各模塊電流內(nèi)環(huán)的基準信號igj(j=l, 2...η)相位相同，而輸入均壓環(huán)僅微調(diào)其幅值。
[0046]各逆變器模塊的電流 內(nèi)環(huán)采用三態(tài)滯環(huán)控制，采樣的是各逆變器模塊的輸出濾波電容電流，各模塊電流基準信號L與Krf倍衰減后的電容電流之差送入三態(tài)滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器，三態(tài)滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器輸出的電容電流irfj (j=l, 2...η)與電容上電壓(即各模塊輸出電壓ν<υ_，j=l, 2...η)存在固有的傳遞函數(shù)關(guān)系l/sCf，s為拉氏變換因子，故將乘以l/sCf即得到各模塊輸出電壓~之和即為系統(tǒng)輸出電壓V。。由于各模塊的電流內(nèi)環(huán)采樣的是各模塊的電容電流，故上述輸入均壓環(huán)僅微調(diào)各模塊電容電流基準的幅值，而它們的相位始終保持相同，從而各模塊電容電流跟蹤基準也保持相位一致。進一步的，由于各模塊電容電流的方向與輸出電壓的方向相差η/2，所以上述控制也就保證了各模塊輸出電壓的相位一致，即有式(7)成立。輸入均壓環(huán)通過調(diào)節(jié)各逆變器模塊的輸出濾波電容電流irf，達到實現(xiàn)各模塊輸入電壓均衡的目的，從而有式(4)和式(5 )成立。而由式(5 )和式(7 )可得式(6)成立，并最終可得式(8)成立。結(jié)合式(4)和式(8)可知，本發(fā)明的模塊化ISOS逆變器系統(tǒng)在分布式控制策略下實現(xiàn)了輸入均壓和輸出均壓。
[0047]在圖1 (b)中，η個逆變器模塊的實際輸入電壓Vmu和η個逆變器模塊的輸出電壓Vty.，共η+η個變量需要控制。這些受控量之間表面看似乎相互關(guān)聯(lián)，若直接對系統(tǒng)進行分析和設(shè)計將十分困難，為此這里進一步分析研究各受控量之間的關(guān)系，以簡化系統(tǒng)的復(fù)雜程度。
[0048]在圖1 (b)中，各逆變器模塊的電流內(nèi)環(huán)采用三態(tài)滯環(huán)控制，由于逆變器開關(guān)頻率遠高于其輸出電壓頻率，故電流內(nèi)環(huán)可等效為電流跟隨器，且其放大倍數(shù)為1/Krf，于是可得到如圖3所示的簡化后的系統(tǒng)控制原理圖，由圖3可得:
>:me.^EAj) j^.^ - (” Kef _ave ^ \ ^KAi)^
[0049]" η (10)
[0050] 此處各模塊輸入均壓調(diào)節(jié)量iEW在輸出電壓環(huán)中可視為系統(tǒng)的擾動。根據(jù)圖1(b)可得:
【權(quán)利要求】
1.一種模塊化ISOS逆變器系統(tǒng),包括/7個輸入串聯(lián)、輸出串聯(lián)的逆變器模塊,/7為大于等于2的整數(shù)；其特征在于，該模塊化ISOS逆變器系統(tǒng)還包括分別連接所述/7個逆變器模塊的通信總線:輸出電壓基準母線、輸入均壓母線、輸出電壓平均母線、公共電流基準母線；每個逆變器模塊各有三個獨立的控制環(huán)路:輸出電壓環(huán)、輸入均壓環(huán)、電流內(nèi)環(huán)；所述逆變器系統(tǒng)采用以下分布式均壓控制方法: 各逆變器模塊的輸出電壓采樣信號經(jīng)U咅衰減后的求和取平均，得到所有模塊輸出電壓反饋信號的平均值vof—ave，Kvo為輸出電壓環(huán)采樣系數(shù)，所有模塊輸出電壓反饋信號的平均值tv—_與基準電壓匕-相減后再經(jīng)閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器所得信號量的總和取平均得到公共電流基準U 各逆變器模塊的輸入電壓信號與輸入均壓母線信號匕—w相減得到誤差信號，i^tKvcd倍衰減后再經(jīng)均壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器G謂得到各逆變器模塊的直流誤差信號，尤^為輸入電壓衰減系數(shù)，各逆變器模塊的直流誤差信號均與公共電流基準iref—ave相乘后再與公共電流基準iref—ave疊加得到各逆變器模塊的電流基準； 各逆變器模塊的輸出濾波電容電流采樣信號均先經(jīng)U咅衰減后與相應(yīng)逆變器模塊的電流基準相減，再通過三態(tài)滯環(huán)電流調(diào)節(jié)器得到各逆變器模塊的輸出濾波電容電流為電流內(nèi)環(huán)采樣系數(shù)，各逆變器模塊的輸出濾波電容電流乘以得到各逆變器模塊的輸出電壓，HsCf為各逆變器模塊的輸出電容電流與輸出電壓之間的傳遞函數(shù)關(guān)系，將各逆變器模塊的輸出電壓相加即得到系統(tǒng)輸出電壓K; 所述基準電壓輸入均壓母線信號匕、平均值tv—_、公共電流基準_分別通過輸出電壓基準母線、輸入均壓母線、輸出電壓平均母線、公共電流基準母線傳輸至各逆變器模塊。
2.如權(quán)利要求1所述模塊化ISOS逆變器系統(tǒng)，其特征在于，各逆變器模塊的主電路拓撲均為高頻隔離的兩級式結(jié)構(gòu)。`
【文檔編號】H02M7/48GK103516241SQ201310465658
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月8日
【發(fā)明者】方天治, 朱恒偉, 阮新波 申請人:南京航空航天大學(xué)