CN102355195A

CN102355195A - 一种用于传动***的多逆变模块并联变频装置及控制策略

Info

Publication number: CN102355195A
Application number: CN2011103239716A
Authority: CN
Inventors: 乔鸣忠; 张晓锋; 魏永清
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2012-02-15

Abstract

本发明涉及一种用于传动***的多逆变模块并联变频装置及控制策略，其中装置包括整流器、逆变器、制动装置、冷却***、保护装置、接口等设备，其特征在于逆变器并联结构实现了较高的功率因数；通过多个整流模块的并联，以及多个逆变单元的并联，提高了逆变器的输出容量，减小了输入、输出谐波；控制箱通过控制变频器工作，驱动电机运转；熔断器组和控制电源则对***进行故障保护及为各部分提供电源；控制策略采用主从模块分级控制的电机驱动模式，通过主控制模块对从控制模块进行同步，解决了带电机负载时多个逆变器同频率、同相位输出难的问题；通过监测各逆变模块(多个逆变模块)的电流，动态调整各逆变模块的输出，突破了并联的多个逆变模块输出均流的关键技术，实现了较高静、动态性能的逆变器并联变频调速控制方法；实现了用于传动***多逆变模块并联变频装置的大功率化。

Description

一种用于传动***的多逆变模块并联变频装置及控制策略

技术领域

本发明涉及一种并联变频装置及控制策略，具体涉及一种用于传动***的多逆变模块并联变频装置及相关的控制策略。

背景技术

大容量推进逆变器是电力推进***的核心设备之一，而大容量推进逆变器的研制技术国内还不成熟，尚没有能力自行研制大容量的船用推进逆变器。扩大逆变器容量的技术途径主要有：多相化技术、多电平技术和逆变器并联运行技术。其中多相化技术要解决多相推进电机的控制策略问题，***较为复杂；多电平技术随着电平数量的增加，其拓扑结构愈加复杂，常用的扩容方式是采用三电平和多相化相结合；逆变器并联运行技术立足于成熟的三相推进***控制技术，并联多个逆变器以扩大***容量，即采用多个逆变模块并联推进三相电机。通过多模块并联分担负载功率，可以使各模块主开关器件的电流应力大大减小，从根本上提高可靠性，降低成本，其难点在于多个逆变器的并联协调控制。

逆变器并联技术的研究最早用于UPS电源领域，目的是为了提高电源***的容量，以及增加***的冗余性。多模块并联实现大容量电源被公认为当今电源变换技术发展的重要方向之一，并联逆变器构成的电源***可以并网运行，也可以作为独立电源运行，其负载类型既可以是电阻、电感或者电容等线性负载，也可以是整流等非线性负载。近十几年来，逆变器并联技术逐渐扩展应用到其它领域，如太阳能电池、有源电力滤波器等供电设备及交流调速、超导储能等。

并联逆变器用于任何领域都要求输出电压同步和均分负载，然而并联逆变器用于电机推进***有着不同于CVCF电源***的特点，主要体现在：

(1)组成结构不同。当并联逆变器用于恒压恒频的电源***时，不管供电***是工频还是400Hz中频电源，电压的输出频率是恒定的，所以逆变器的输出端加入LC滤波器用以滤除开关频率及其倍数高次谐波。而并联逆变器用于电机传动***时，电机转速是可调的，因而逆变器输出电压的频率是变化的，而且考虑到滤波电容可能会与电机电感发生谐振，因此输出端没有LC滤波器。各逆变器输出端通过电抗器并联在一起以抑制环流，其输出电压和电流的谐波抑制是通过算法或者逆变器的调制策略实现的。

(2)控制对象及目标不同。当并联逆变器用于电源***时，控制***是以逆变器本身为控制对象，所以不管对逆变器的输出电压、电流进行直接控制，还是对逆变器的输出有功功率和输出无功功率进行间接控制，都是期望在任何负载条件下都能保证跟踪电网电压，而且并联的电源模块实现有功、无功负载功率甚至谐波负载功率的均分。而并联逆变器用于电机传动***时，控制***是以负载电机为控制对象，在电机具有良好的动态和稳定性能的前提下，完成并联逆变器的协调控制，这需要将并联逆变器的均流及同步控制与电机的控制策略结合起来。

(3)控制***结构不同。当并联逆变器用于电源***时，要求输出幅值恒定的正弦波，因此并联逆变器采用电压电流瞬时值反馈的双闭环控制，瞬时电压闭环使逆变器的输出电压受所带负载影响较小，而且保证其波形畸变率较小。同步锁相技术使各并联逆变器以电网电压或公共参考电压作为电压基准，各逆变器取电容电压作为反馈信号以实现各逆变器跟踪同一基准。逆变器采用电压反馈控制后，***控制参数及电路参数影响各个逆变电源的等效输出阻抗，各并联逆变器的等效输出阻抗存在差异时就会产生环流。而并联逆变器用于电机传动***时，控制***通过改变并联逆变器的输出电压实现电机调速，并联逆变器以电机控制得到的给定电压作为参考信号，并未进行逆变器的电压闭环控制，因此逆变器实际等效为比例环节，而且并联逆变器的等效输出阻抗与控制参数无关，仅与均流电抗器电路参数有关。

总之，逆变器并联控制的直接目的是消除环流，而当并联逆变器用于不同领域时，由于其控制对象不同，使得控制***的结构、功能以及参数设计方法都会不同，因此需要针对研究。在逆变电源的并联研究上，国外品牌的逆变电源如三菱、东芝、梅兰日兰、Simens、Powerware和Silcon等都具有并联功能，但并联的台数有差别。其中三菱公司宣称其并联台数不受限制，可以组成目前世界上最大容量的不间断电源***，Silcon可直接并联9台，Siemens可以并联8台，容量可达2400KVA。在2001年之前，中国的并联逆变器市场基本上是进口产品的天下。为打破进口产品垄断的局面，面向通信、电力、铁道、国防、太阳能/风力发电等要求高可靠不间断供电的场合，国内的西安交通大学、中国科学院电工研究所、华中科技大学、南京航空航天大学还有一些电气公司致力于并联逆变器的研究，提出了多种控制方式，而新的均流控制技术、***稳定性等方面的研究仍在不断深入。国内很多公司已经推出成熟的产品，不仅支持模块热插拔，而且输出为纯正弦波，波形失真小。

目前在并联型逆变器用于大功率传动领域中，国外变频调速设备主要供应商ABB、Siemens、ALSTOM等的2～10MW级船用电力推进***等都采用模块并联的方式扩大变频器容量，比如：(1)ABB公司的back-to-back三电平电压源变频器ACS6000系列是采用直接转矩控制的中压变频器，逆变器主电路采用二极管箝位的三电平结构，单个模块的容量只有3MVA，模块并联后变频器容量可达27MVA。(2)Siemens公司的6SE71系列690V低压变频器模块并联后容量可达到2300KW，SIMOVERT MV系列中压变频器的单个模块容量为400HP，并联后变频器容量达到8000HP。国外很多造纸厂和炼钢厂的MW级主传动装置也都采用模块并联的变频器结构。

但是，国内尚未开展并联型逆变器用于大功率传动领域的研究，也少见公开发表的文献。因此，对多逆变模块并联变频器控制技术及运行性能进行研究，可以为并联传动***提供技术保障以及早日实现电力推进***国产化，具有重要研究意义。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明构建了一种带电机负载的四逆变模块并联输出调速控制***，解决了带电机负载时四个逆变器同频率、同相位输出难的问题，实现了较高静、动态性能的逆变器并联变频调速控制方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明为一种传动***用多逆变模块并联变频装置及控制策略，其中，装置包括整流器、逆变器、制动装置、冷却***、保护装置、接口等设备；控制策略是按照多逆变模块并联变频器控制***的要求，电机控制采用转子磁场定向的矢量控制，将逆变器同步技术和均流技术与电机的矢量控制技术结合应用，适应电机变频调速控制的需要。

本发明通过将两个整流模块的并联，不仅提高输出电流，同时减小输出谐波；四个逆变单元并联，提高逆变器的输出容量；控制策略采用主从模块分级控制的电机驱动模式，通过主控制模块对从控制模块进行同步，解决了带电机负载时四个逆变器同频率、同相位输出难的问题；通过监测各逆变模块(四个逆变模块)的电流，动态调整各逆变模块的输出，突破了并联的四个逆变模块输出均流的关键技术，实现了较高静、动态性能的逆变器并联变频调速控制方法。

为了抑制电网电压的突变和电流的冲击，本发明在网侧进线处加装电抗器，也可减小整流单元的谐波电流，减小换向缺口，同时可以平衡并联的电流。

为了从根本上提高可靠性，增加冗余度，降低成本，本发明采用多个逆变模块并联，每个模块分担的电流只有电机相电流的1/4，特别是对上兆瓦级的电力推进，并联可以使各模块主开关器件的电流应力大大减小。同时，逆变模块并联结构用于大功率传动***中，***有快速的速度响应，可以实现四象限操作，但逆变器并联结构功率因数高，可达到0.98，这点比交-交变频器有优势。

本发明中，为保证***安全可靠，在变频器工作之前先通过二极管三相整流桥和充电电阻对逆变器的支撑电容进行充电，待支持电容电压稳定后，启动可控硅整流，***便可正常运行；为确保操作人员的人身安全，在变频器停止工作后，应立即对支撑电容进行放电。放电之前必须先断开主开关，切断变频器的输入，按动面板上“放电”按钮，支撑电容通过放电电阻逐渐放电。

此外，本发明中，变频器能同时遥控和本地进行操作控制，由变频控制柜的远程/本地转换开关进行选择，在本地操控时，操作人员通过变频控制柜上的操作面板进行起/停、转速设定和监视速度、电压、电流等参数；在遥控操控时，变频控制柜通过网络接收驾驶室和集控室送来的控制命令和控制量，变频控制柜同时将运行参数上传。

本发明的原理如下：本发明在工作时，先由交流侧经由变压器供电给整流单元，当整流单元起动时，通过充电电阻给电容充电。电容电压上升到一定值后，充电模块被短路，半控整流桥开始工作。逆变器四个单元的电路结构相同，每个逆变单元的三个桥臂中点接输出电抗器，而且四个电抗器之间没有电磁耦合。出线电抗器作用是阻止各支路电流的变化，减小电流的差异，实现负载电流平衡。

变频器的输出端与电机定子相连，进行能量传递。电机调速以及并联模块间的正常工作均由控制***完成。双DSP板是控制单元的核心，它根据总控单元的信息(转矩、转向指令)和电机电压、电流及速度的反馈，实时计算并发出PWM脉冲，输出给脉冲输出板，控制逆变器的IGBT工作，驱动电动机运转。该板由TMS320F2407定点DSP和TMS320VC33浮点DSP为核心，TMS320F2407完成测量电机转速，与总控单元交换控制信息，输出PWM脉冲；TMS320VC33控制A/D板采样电机电压、电流，实时快速计算PWM脉冲，其控制周期仅20us，能很好地保证控制精度和响应快速性。

脉冲输出板是控制单元的最后环节，实现PWM电平信号到信号的转换，输出给功率开关元件的驱动板，当逆变器发生过压、过流、过热等故障时，该控制板能及时封锁PWM脉冲，保护功率元件，其脉冲信号通过光纤输出。

并联变频器的输出频率为0～50Hz，电压公共基准信号是通过对电机负载实时计算得到的，这点与恒压恒频的逆变器并联是不同的。将逆变器同步技术与均流技术同矢量控制技术结合应用，使其适应变频调速控制的需要。按照多逆变模块并联变频器控制***的要求，电机控制采用转子磁场定向的矢量控制策略。以转子磁场矢量的方向作为坐标轴的参考方向，采用坐标变换手段，将定子电流分解成相互垂直的励磁电流分量i_d和转矩电流分量i_q，并使两分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节，实现交流电机转速和磁链的完全解耦。4个逆变单元输出电流分别与给定电流比较，作为均流控制环节调节矢量控制的输出电压，消除了由于开关管差异等原因引起的环流，实现负载电流的均衡控制。

有益效果：本发明的一种用于传动***的多逆变模块并联变频装置及控制策略，与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明将多逆变模块并联与电机调速相结合，并将均流控制理论融进电机的控制理论中，构建了基于矢量控制的逆变器并联调速***；

2、本发明提出了主从模块分级控制的电机驱动模式，通过主控制模块对从控制模块进行同步，解决了带电机负载时四个逆变器同频率、同相位输出难的问题；

3、本发明解决了船用推进逆变器并联运行时，各逆变块稳态和动态均流技术，实现了较高静、动态性能的逆变器并联变频调速控制方法；

4、本发明提出了多逆变模块并联变频器信号接口技术及电路实现形式；

5、本发明将逆变器同步技术与均流技术同矢量控制技术结合应用，适应了变频调速控制的需要；

6、本发明中多逆变模块并联之后，使得整个变频装置拥有较高的功率因数，达0.98；额定负载时的效率高达98％。

附图说明

图1为变频器装置结构示意图

图2为变频器设计结构图；

图3为操控面板主流程图；

图4为外部中断0基本流程图；

图5为串口中断流程图；

图6为总控单元与逆变控制器的接口；

图7为并联逆变模块同步控制流程图；

图8为并联模块均流控制框图；

图9为逆变器并联的感应电机矢量控制框图；

图10整个***的基本控制流程如图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明的一种用于传动***的多逆变模块并联变频装置及控制策略，其中多逆变模块变频装置放置在变频柜23中，包括整流器1、逆变器2、制动装置3、保护装置、接口设计等设备，变压器副边4、直流熔断器组5、进线电抗器6、整流装置1、充电模块7、充电电阻8、逆变装置2等依次连接。电网电压通过一台3/6相变压器接至整流器1，变压器副边4输出与整流器1之间安装有电抗器6，可抑制电网电压的突变和电流的冲击，减小了整流单元1的谐波电流，也减小了换向缺口，同时可以平衡并联的电流。整流器1采用两个三相半控整流单元并联，整流单元所用器件为二极管9，整流单元的容量相同；控制电源22保证控制***的正常工作。

逆变器2共有四个单元，每个逆变器单元功率相同，输出三相交流电，四个逆变器单元输出通过平衡电抗器10连接。逆变单元所用元器件为IGBT器件11。

制动单元3并在直流母线12上，用于电机调速时是可选装置。直流母线间安装有电压传感器14和电流传感器15。

变频器的操作和参数设置采用西门子的OPIS操作面板13，OPIS安装在变频器的正面面板上，提供***的工作状态、参数设定值、实际值、故障分析等信息，操作面板13的指令到达控制箱16后，其内部的上位机17、AD板18、OUT板19，DSP板20等发出的控制指令到达驱动单元21，最终引开关器件的开关动作，输出想要的电压波形。

图3为操控面板的主流程图，操控面板上电后首先进行变量、常量的定义和定时器、串口的初始化，随后打开中断进入主循环，并等待相应外部中断和定时器、串口中断。外部中断0主要用于和逆变控制器(DSP)进行数据交换；外部中断1负责在遥控状态下与PROFIBUS控制器进行数据交换，接收Profibus总线发来的指令，并反馈状态信息；定时器中断负载现地控制状态下接收操控面板的键盘输入；串口中断主要和总控单元通讯，读取各逆变模块电压、电流等数据，校验并将最后的数据保存到指定的区域。外部中断0基本流程图和串口中断流程图如图4和图5所示。

总控单元和逆变模块控制器是变频器的核心控制部件，它们通过总控单元电路板上的双口RAM交换数据。其中总控单元主要完成整个变频调速***的管理功能，它依据采集到电机转速控制信号向四个逆变模块控制器发送转矩和转向等指令，协调四个逆变模块控制器工作，总控单元与逆变控制器的接口如图6所示。

逆变器并联技术面临的问题可以归结为同步和均流两方面的内容。同步保证了各个逆变器之间同频率、同相位的输出电压，在电力推进***中，当电机转速发生变化时，同步基准信号要及时跟随转速且同步各逆变模块的输出电压。在同步控制方案中，每个控制器通过CAN总线发送和接收同步基准信号，各控制器发送的同步信号中包含有自己的模块号信息，这样就可以按模块号来定义各控制器发送同步信号的优先级。当模块检测到有比自己优先级高的同步信号时只接收不发送同步信号，如果在一段时间内没有接收到比自己优先级高的同步信号，则该模块发送同步信号，各模块的同步控制流程如图7所示

均流控制方案如图8所示，每个模块的输出电流与负载电流的平均值进行比较后得到的差值作为该模块参考电流的偏移量，各模块的参考电流是根据主模块矢量控制计算出来的，参考电流加上偏移量经PI调节控制逆变器的工作，使得各模块的输出电流与负载电流的平均值相等，即使在电机转速和负载发生变化时，也能快速调节各模块的输出电流跟随负载电流的平均值，从而达到动态均分负载电流的目的。

按照多逆变模块并联变频器控制***的要求，电机控制采用转子磁场定向的矢量控制策略。矢量控制调速范围大转速精度高，可用在高动态性能的场合。基本思想是：以转子磁场矢量的方向作为坐标轴的参考方向，采用坐标变换手段，将定子电流分解成相互垂直的励磁电流分量i_d和转矩电流分量i_q，并使两分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节，实现交流电机转速和磁链的完全解耦。

矢量控制技术的关键是转子磁场精确定向，使转子磁链与旋转坐标d轴重合。在转子参数准确的情况下，转子磁场定向是准确的。

根据电机矢量方程式，可以得到定子电流表示的电机转子磁链模型。

ω_s是定子的角频率，ω_r是转子的机械角频率，ω₂是转差频率。

其中，

τ_r＝L_r/R_r

矢量控制框图如图9所示。

控制***由速度环、和两个电流环组成。由速度环和电机定子电流闭环实现转子磁场定向的矢量控制，得到逆变器的电压公共基准信号。如果直接将这个电压公共基准信号作为给定送给逆变器，会导致由于开关管开关时间、输出阻抗不同等原因造成环流。所以，通过每个逆变器的输出电流同计算得到的给定电流相比较，减小/增加输出电压瞬时值的方式来减小/增加自身的输出电流，实现负载电流的均衡控制。

在控制回路中加入均流环节后，导致四个逆变器的控制信号脉冲宽度可能不同，也正因为这样，在每个开关周期内环流得到明显减小。

整个***的基本控制流程如图10所示。

从***流程图可见，控制方案选择转子磁场定向的矢量控制，通过坐标旋转变换，实现了励磁电流和转矩电流的解耦。4个逆变单元输出电流分别与给定电流比较，作为均流控制环节调节矢量控制的输出电压，消除了由于开关管差异等原因引起的环流，实现负载电流的均衡控制。

Claims

1.一种用于传动***的多逆变模块并联变频装置及控制策略，其特征在于：样机装置包括整流器、逆变器、制动装置、冷却***、保护装置、接口等设备；控制策略是将逆变器同步技术和均流技术与电机的矢量控制技术结合应用，解决了样机装置中带电机负载时四个逆变器同频率、同相位输出难的问题，实现了较高静、动态性能的逆变器并联变频调速控制方法，适应电机变频调速控制的需要。

2.根据权利要求1所述的用于传动***的多逆变模块并联变频装置，其特征在于：逆变模块并联结构用于大功率传动***中，***有快速的速度响应，可以实现四象限操作，而且此种逆变器并联结构通过适当的控制其功率因数更高，达到0.98。

3.根据权利要求1所述的用于传动***的多逆变模块并联变频装置，其特征在于：电网电压通过一台3/6相变压器接至整流器，网侧进线与整流器之间安装有电抗器。整流变压器的一次侧接成Δ接法，二次侧的两个绕组分别接成Y接法和Δ接法，其线电压相同，容量相等，但相位则相差30°角。整流器采用两个三相半控整流单元并联，整流单元的容量相同。

4.根据权利要求2所述的整流装置，其特征在于：当整流单元起动时，通过充电电阻给电容充电。当电容电压上升到一定值后，充电模块被短路，半控整流桥开始工作。整流器中的晶闸管采用MFC90模块。网侧进线电抗器可抑制电网电压的突变和电流的冲击，减小了整流单元的谐波电流，也减小了换向缺口，同时可以平衡并联的电流。使用2％的网侧进线电抗器。

5.根据权利要求1所述的逆变装置，其特征在于：样机装置中逆变器共有四个单元，每个逆变器单元功率相同，输出三相交流电，四个逆变器单元输出通过平衡电抗器连接。

逆变器四个单元的电路结构相同，每个逆变单元的三个桥臂中点接输出电抗器，而且四个电抗器之间没有电磁耦合。出线电抗器作用是阻止各支路电流的变化，减小电流的差异，实现负载电流平衡。通过逆变模块并联，每个模块分担的电流只有电机相电流的1/4，特别是对上兆瓦级的电力推进，并联可以使各模块主开关器件的电流应力大大减小，从根本上提高可靠性，降低成本。

6.根据权利要求1所述的接口装置，其特征在于：变频器与监控装置接口包括带开放式现场总线Profibus的通讯板和本身具有接口模块的可编程控制器。

操控面板与总控单元接口的特征在于，变频器的操作和参数设置采用西门子的OPIS操作面板，OPIS安装在变频器的正面面板上，提供***的工作状态、参数设定值、实际值、故障分析等信息。在OPIS操作面板的背后，有一个9针的串口插头。操作面板和带控制软件的PC都可以通过串口与变频器控制箱的上位机板进行通信。

总控单元与逆变控制器接口的特征在于：总控单元和逆变模块控制器是变频器的核心控制部件，它们通过总控单元电路板上的双口RAM交换数据。其中总控单元主要完成整个变频调速***的管理功能，它依据采集到电机转速控制信号向四个逆变模块控制器发送转矩和转向等指令，协调四个逆变模块控制器工作。

7.根据权利要求1所述的保护装置，其特征在于：变频器设有制动斩波单元。当检测到直流母线电压高于设定值时，制动斩波单元就开始工作，支撑电容放电使母线电压下降，若母线电压继续上升，则断开主开关；为了避免出现短路故障，逆变器主开关器件的PWM信号经脉冲分配、死区限制、上下桥臂互锁、最小脉宽限制、逻辑保护、光电转换等电路处理后，并经光纤隔离送到门极驱动电路，驱动IGBT工作；当***发生过载、缺相等一般性故障时，控制单元根据检测到的信号进行判断和处理，一般情况先封锁主开关器件IGBT的触发脉冲，然后根据情况决定是否断开IGBT。

8.根据权利要求1所述的同步控制策略，其特征在于：在同步控制方案中，每个控制器通过CAN总线发送和接收同步基准信号，各控制器发送的同步信号中包含有自己的模块号信息，这样就可以按模块号来定义各控制器发送同步信号的优先级。当模块检测到有比自己优先级高的同步信号时只接收不发送同步信号，如果在一段时间内没有接收到比自己优先级高的同步信号，则该模块发送同步信号。

9.根据权利要求1所述的均流控制策略，其特征在于：每个模块的输出电流与负载电流的平均值进行比较后得到的差值作为该模块参考电流的偏移量，各模块的参考电流是根据主模块矢量控制计算出来的，参考电流加上偏移量经PI调节控制逆变器的工作，使得各模块的输出电流与负载电流的平均值相等，即使在电机转速和负载发生变化时，也能快速调节各模块的输出电流跟随负载电流的平均值，从而达到动态均分负载电流的目的。

10.根据权利要求1所述的同步均流与矢量控制相结合的策略，其特征在于：按照多逆变模块并联变频器控制***的要求，电机控制采用转子磁场定向的矢量控制策略。控制***由速度环、和两个电流环组成。由速度环和电机定子电流闭环实现转子磁场定向的矢量控制，得到逆变器的电压公共基准信号。如果直接将这个电压公共基准信号作为给定送给逆变器，会导致由于开关管开关时间、输出阻抗不同等原因造成环流。所以，通过每个逆变器的输出电流同计算得到的给定电流相比较，减小/增加输出电压瞬时值的方式来减小/增加自身的输出电流，实现负载电流的均衡控制。

控制方案选择转子磁场定向的矢量控制，通过坐标旋转变换，实现了励磁电流和转矩电流的解耦。4个逆变单元输出电流分别与给定电流比较，作为均流控制环节调节矢量控制的输出电压，消除了由于开关管差异等原因引起的环流，实现负载电流的均衡控制。