CN104377723B - 一种用于静止式中频电源组网***的暂态过程控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于静止式中频电源组网***的模式切换暂态过程控制方法，在基于组网时模式开关先闭合，脱网时静态开关先分断的最优开关顺序的基础上，利用CAN总线传输数字量，并通过组网单元电流峰值的平均分配及峰值、相位的平滑调节，实现静止式中频电源组网***模式切换暂态过程的平稳过渡，保证组网单元及电网的安全、可靠、快速切换和稳定运行。本发明中采用闭环模式的电流峰值平均分配及峰值、相位的平滑调节控制算法，一方面，不需要外加专门的储能装置或者逻辑运算电路，保证了静止式中频电源组网***结构的完整性、易于实现且抗干扰能力强；另一方面，解决了模式切换暂态过程中电流幅值和相位突变，且环流冲击大导致组网失败的问题。

Description

一种用于静止式中频电源组网***的暂态过程控制方法

技术领域

本发明属于逆变器组网控制技术领域，具体涉及一种用于静止式中频电源组网***的模式切换暂态过程控制方法。

背景技术

静止式中频电源采用基于电力电子开关器件的电力电子变换器来产生所需的400Hz交流电，具有体积、重量小，电能变换效率高、供电层级少、噪音小、动态响应快、可靠性高等优点，且易于实现模块化、集成化。目前，静止式中频电源多用于航空和军事领域，随着军事和经济的发展，上述领域对于中频供电***的容量需求越来越大，而静止式中频电源的组网运行可以灵活地扩大***容量，方便地组成冗余***，互为备份，提高核心设备的供电可靠性和连续性。

然而，对于静止式中频电源组网***而言，模式切换暂态过程控制的好坏对组网***的稳定性和组网各单元设备的寿命有着至关重要的作用。组网单元与中频电网之间的无缝切换，可以保证组网单元内重要负荷的供电连续性，对电网的安全稳定运行也具有重要的作用，已经作为组网***的重要技术特征引起了广泛的重视。

图1详细示出了静止式中频电源组网、独立运行模式切换原理图。组网单元在独立模式时采用电压、电流双闭环比例谐振(PR)控制即电压源输出模式，在组网模式时采用单电流环PR控制即电流源输出模式，组网单元输出端与电网的连接通过静态开关控制，静态开关闭合为组网单元输出端接入电网，静态开关断开为组网单元脱离电网。上位机通过模式开关逻辑控制组网单元在双闭环PR控制模式和单电流环PR控制模式之间的切换。

在静止式中频电源组网或者脱网的模式切换暂态过程中，可能出现较大的电压或电流冲击，这对于中频电网、负载及中频电源本身都是不利的。理论上来讲，模式开关和静态开关同步切换时，冲击最小，但实际过程中，由于***及开关动作时延等因数，模式开关和静态开关几乎不可能实现同步，因此，在组网或者脱网过程中，必须进行有效、合理的暂态过程控制。

目前，对于模式切换暂态过程控制研究较多的集中在工频领域，主要表现为单台工频逆变器或微电网带本地负载时，与大电网之间的脱/组网切换过程。

唐西胜等人于2011年在论文“基于储能的微网并网/离网无缝切换技术”(电工技术学报，2011，26(1)：279-284)提出了一种基于储能的微网并网/离网无缝切换技术，该技术利用储能可以在电压控制模式和电流控制模式间灵活快速转换，完成电源组网和脱网的角色转换，但该方法对于高度弱阻尼的静止式中频电源不能直接适用，且增加了储能单元，***结构发生改变、可靠性和经济性降低、无法保证从机单元的无冲击并网。

陈晓等人于2012年在论文“独立/并网双工模式光伏逆变***的设计”(电力电子技术，2012，46(1)：56-60)提出了一种基于逻辑芯片UTC4053的硬件电路切换方法来实现逆变***并网和独立两种工作模式的切换。该方法是将并网运行控制方法和独立运行控制方法作为两个输入通道，然后由单片机给定模式选择信号并经UTC4053实现通道的选择，即并/脱网状态，这对于小功率、简单的工频逆变器效果较好，而大容量静止式中频电源***输出电流较大，且通道切换产生的延时对于相位同步控制影响加大，不但增加了额外的芯片，而且无法满足***电流峰值的平均分配及峰值、相位的平滑调节。

上述研究均是基于工频***，然而，对于静止式中频电源组网***而言，输出电压频率是工频的八倍，当开关频率为10kHz时，对于工频***，开关器件两次动作之间的相位差为1.8°，而中静止式中频电源组网***开关器件两次动作之间相位差为14.4°，组网***模式切换暂态控制的难度大大增加，现有的模式切换暂态过程控制对于静止式中频电源组网***而言将无能为力。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，提出一种用于静止式中频电源组网***的模式切换暂态过程控制方法，该控制方法可以解决模式切换暂态过程中电流幅值和相位突变，且环流冲击大导致组网失败的问题，保证组网单元在组网和脱网过程中以较小的电流冲击实现模式切换的平稳过渡。

为实现上述发明目的，本发明提供的静止式中频电源组网***的模式切换暂态过程控制方法，其步骤包括：

A模式，静止式中频电源组网单元独立运行切换到组网运行方法，按照以下步骤进行，

(1)静止式中频电源组网***上位机监测中频电网输出电压U_grid，并通过逻辑及数字运算模块UC&CG实时计算中频电网电压U_{grid_pk}、中频电网输出总电流I_{grid_pk}、中频网侧电流有效值I_{grid_RMS}，通过CAN总线将信息传输给各静止式中频电源组网单元；

(2)静止式中频电源组网单元内部通过离散化数字锁相环跟踪中频电网电压的相位；

(3)上位机判断中频电网输出电压U_grid是否满足组网条件以及静止式中频电源组网单元输出电压在幅值、相位上与中频电网输出电压U_grid是否匹配，如果满足上述条件，进入步骤(4)，否则转入步骤(1)；

其中，所述步骤(3)的判断条件优选为：

中频电网输出电压U_grid范围：113V～118V；

幅值差范围：-1V～+1V；

相位差范围：±π/360；

(4)静止式中频电源组网***上位机通过CAN总线发送组网指令UpCmd_1，组网从机单元一旦确认组网指令，首先闭合模式开关，将输出控制模式从独立模式双闭环PR控制转换为组网模式单电流环PR控制，组网从机单元输出电流给定初值I_{refn_pk}，然后，在电网电压过零点处闭合静态开关；

上述过程中，模式开关必须先于静态开关闭合；

(5)通过以下关系式同步调整静止式中频电源组网从机单元输出电流给定初值I_{refn_pk}和初始相位I_{refn_θ}，保证组网单元对中频电网的同步跟踪，直至组网***稳定运行；

首先，静止式中频电源组网从机单元的输出电流给定初值I_{refn_pk}由电网输出总电流I_{grid_pk}、组网主机单元输出电流峰值I_{1_pk}及组网从机单元输出电流峰值I_{n_pk}通过电流峰值调节器I_ad共同决定，具体调节方式如下：

$\begin{array}{cc}\begin{array}{c}{I}_{refn\_pk}=\frac{1}{n}{I}_{grid\_pk}+I_{pk\_offset}\\ I_{pk\_offset}=I_{1\_pk}-I_{n\_pk}\end{array}& \left\{\begin{array}{cc}{I}_{pk\_offset}=I_{pk\_offset},& |I_{1\_pk}-I_{n\_pk}|<{\mathrm{\&Delta;I}}_{pk}\\ I_{pk\_offset}=I_{pk\_offset}+I_{pk\_step},& |I_{1\_pk}-I_{n\_pk}|>{\mathrm{\&Delta;I}}_{pk}\end{array}\right.\end{array}$

上述式子中：n为静止式中频电源组网单元数量，I_{pk_offset}为静止式中频电源组网单元之间的峰值电流差，ΔI_pk为峰值电流差约束范围，其值可根据实际***需要进行设定，I_{pk_step}为峰值调节步长。

其次，静止式中频电源组网从机单元的初始相位I_{refn_θ}由离散化数字锁相环输出相位I_{pll_θ}和从机输出电压相位U_{n_θ}共同决定，具体调节方式如下：

$\begin{array}{cc}\begin{array}{c}{I}_{refn\_\mathrm{\&theta;}}=I_{pll\_\mathrm{\&theta;}}+I_{\mathrm{\&theta;}\_offset}\\ I_{\mathrm{\&theta;}\_offset}=U_{n\_\mathrm{\&theta;}}-I_{pll\_\mathrm{\&theta;}}\end{array}& \left\{\begin{array}{cc}{I}_{\mathrm{\&theta;}\_offset}=I_{\mathrm{\&theta;}\_offset},& |U_{n\_\mathrm{\&theta;}}-I_{pll\_\mathrm{\&theta;}}|<{\mathrm{\&Delta;I}}_{\mathrm{\&theta;}}\\ I_{\mathrm{\&theta;}\_offset}=I_{\mathrm{\&theta;}\_offset}+I_{\mathrm{\&theta;}\_step},& |U_{n\_\mathrm{\&theta;}}-I_{pll\_\mathrm{\&theta;}}|>{\mathrm{\&Delta;I}}_{\mathrm{\&theta;}}\end{array}\right.\end{array}$

上述式子中：I_{θ_offset}为静止式中频电源组网从机单元锁相输出相位与实际输出电压相位差，ΔI_θ为相位差约束范围，其值可根据实际***需要进行设定，I_{θ_step}为相位调节步长。

静止式中频电源组网单元组网运行切换到独立运行：

(1)静止式中频电源组网***上位机实时监测中频电网输出电压U_grid是否稳定，若稳定，则进入步骤(2)，否则，继续监测，直至中频电网输出电压U_grid稳定；

(2)静止式中频电源组网***上位机通过CAN总线发送脱网指令UpCmd_0，组网从机单元一旦确认脱网指令，组网从机单元立即将输出电流给定初值I_{refn_pk}降为本地负载电流，然后在电网电压过零点处分断静态开关；

(3)上位机判断静态开关是否分断，若分断，则进入步骤(4)，否则进入步骤(2)；

(4)模式开关断开，组网从机单元从单电流环PR控制模式转换为双闭环PR控制模式，给本地负载不间断供电，模式切换暂态过程结束。

上述过程中，静态开关必须先于模式开关断开；

本发明控制方法不需要外加专门的储能装置或者逻辑运算电路，仅利用CAN总线传输数字量，并通过组网单元电流峰值的平均分配及峰值、相位的平滑调节，即可实现静止式中频电源组网***模式切换暂态过程的平稳过渡，解决了电流幅值、相位突变，环流冲击大的问题，且输出电压波形和输入电流波形不受影响。具体而言，本发明相对于现有技术具有以下优点：

(1)由于采用上位机负责整个中频电网的监控、组网从机单元电流的分配以及主机运行模式的指定，既减轻了组网***主机和从机单元的运算负担，同时提高了静止式中频电源组网***的可靠性和冗余性。

(2)利用CAN总线节点配置的冗余性和较强的抗干扰性，实现静止式中频电源组网***上位机和主从机的数据交换。由于CAN总线主要负责传输主机指定指令、网侧电压、电流峰值及从机参考电流峰值等带宽较小的数字量，传输效率较高且传输距离大大提高。

(3)由于模式切换暂态过程控制中采用了闭环模式的电流峰值平均分配及峰值、相位的平滑调节，一方面，不需要另外增加逻辑运算电路，利用***内部的逻辑与数字运算模块以及电流调节器即可。另一方面，组网***内电网、主机及从机的电流互为共享，确保了电流峰值及相位的快速调节。因而，保证了静止式中频电源组网***结构的完整性、易于实现且抗干扰能力强。

(4)由于在脱网的模式切换暂态过程中，组网从机单元首先将输出电流参考值降为本地负载电流，减小了静态开关分断时组网从机单元馈入电网电流的冲击，因而，静止式中频电源组网***的输出电压波形较好。

(5)由于静止式中频电源组网***模式切换遵循组网时模式开关先闭合，脱网时静态开关先断开的原则，虽然负载电压突变次数较多，但因组网单元直流侧电压的幅值限制了输出电压的突变，抑制了***环流，不会威胁组网单元的安全，而且在暂态过程中电源工作相对稳定。

附图说明

图1为静止式中频电源组网、独立运行模式切换原理图。

图2为静止式中频电源组网***框图。

图3为静止式中频电源组网模式切换暂态过程控制流程图。

图4为静止式中频电源脱网模式切换暂态过程控制流程图。

图5为静止式中频电源组网***控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图2所示为静止式中频电源组网***框图。

由某一台静止式中频电源首先开机，构成一个中频供电网，当中频电网建立以后，由上位机检测电网的电压、电流，并判断其是否可以允许从机组网。若允许，则模式开关先闭合，进而静态开关合闸，组网***中所有的从机运行在单环(组网模式单电流环PR控制模式，简称单环)即电流环模式，同时给本地中频负载提供中频电能以及与中频电网交换能量；主机运行在双闭环(独立模式双闭环PR控制模式，简称双闭环)即电压、电流环模式，给组网从机提供参考相位及网侧电流幅值；上位机负责检测当前电网电压、电流值，对并网从机进行参考电流值的给定，同时，上位机负责检测主机状态，当主机出现故障脱网时，立即指定其余某个组网单元运行为主机模式，实现主从机电源的无缝切换。当单台从机需要脱网时，静态开关断开，脱网从机根据本地负载需要选择停机或运行在双闭环状态。

如图3所示为静止式中频电源组网模式切换暂态过程控制流程图。

以静止式中频电源组网单元2为例，当其由独立运行切换到组网运行时，模式切换暂态过程控制包括以下步骤：

(1)静止式中频电源组网***上位机监测中频电网输出电压U_grid和输出电流I_grid。

图5为静止式中频电源组网***控制框图。图中所示，上位机将检测到的中频电网输出电压U_grid和输出电流I_grid分别通过电网电压反馈增益模块K_U、电流反馈增益模块K_I、零阶保持器以及低通滤波器G_f，最后送入逻辑及数字运算模块UC&CG实时计算得到中频电网电压U_{grid_pk}、中频电网输出总电流I_{grid_pk}、相位以及中频电网网侧电流有效值I_{grid_RMS}，U_{grid_pk}、I_{grid_pk}、I_{grid_RMS}通过CAN总线传输给组网单元1和组网单元2，此时组网单元3未参与组网。

(2)组网单元2内部通过离散化数字锁相环D-DPLL跟踪电网电压相位，不但减轻了CAN总线的传输压力，而且保证输出电压在幅值、相位及频率上与中频电网输出电压U_grid相匹配；

(3)上位机判断中频电网输出电压U_grid是否满足组网条件以及静止式中频电源组网组网单元输出电压在幅值、相位上与中频电网输出电压U_grid是否匹配，如果满足上述条件，进入步骤(4)，否则转入步骤(1)；

所述判断条件具体为：中频电网输出电压U_grid范围：113V～118V；

幅值差范围：-1V～+1V；

相位差范围：±π/360；

(4)组网单元2执行上位机通过CAN总线发送的组网指令UpCmd_1。

如图5所示，组网单元2一旦确认组网指令，首先闭合模式开关，将输出控制模式从独立模式双闭环PR控制转换为组网模式单电流环PR控制，输出电流给定初值I_{ref2_pk}，然后，在电网电压过零点处闭合静态开关，此时，负载端电压虽会出现幅值过冲，但受直流侧电压幅值的限制，其过冲也会受到限制，且本地负载电流和网侧输出电流畸变程度有限。在上述过程中组网单元1依然工作在双闭环PR控制模式，其中G_PRV、G_PRI分别为电压外环和电流内环控制器。

(5)通过以下关系式同步调整静止式中频电源组网从机单元输出电流给定初值I_{ref2_pk}和初始相位I_{ref2_θ}，保证组网单元对中频电网的同步跟踪，组网单元1通过CAN总线将输出电流峰值I_{1_pk}实时传输给从机组网单元2；

首先，静止式中频电源组网从机单元的输出电流给定初值I_{ref2_pk}由电网输出总电流I_{grid_pk}、主机组网单元输出电流峰值I_{1_pk}及组网从机单元输出电流峰值I_{2_pk}通过电流峰值调节器I_ad共同决定，具体调节方式如下：

上述式子中：I_{pk_offset}为静止式中频电源组网单元之间的峰值电流差，ΔI_pk为峰值电流差约束范围，其值可根据实际***需要进行设定，I_{pk_step}

$\begin{array}{cc}\begin{array}{c}{I}_{ref2\_pk}=\frac{1}{n}{I}_{grid\_pk}+I_{pk\_offset}\\ I_{pk\_offset}=I_{1\_pk}-I_{2\_pk}\end{array}& \left\{\begin{array}{cc}{I}_{pk\_offset}=I_{pk\_offset},& |I_{1\_pk}-I_{2\_pk}|<{\mathrm{\&Delta;I}}_{pk}\\ I_{pk\_offset}=I_{pk\_offset}+I_{pk\_step},& |I_{1\_pk}-I_{2\_pk}|>{\mathrm{\&Delta;I}}_{pk}\end{array}\right.\end{array}$

为峰值调节步长，在实际DSP运算中相当于在峰值电流差大于约束范围时，对I_{pk_offset}进行PI调节，主要目的是保证电流幅值的平滑调节。上述过程即为组网过程中的无功调幅过程。

其次，组网单元2的初始相位I_{ref2_θ}由离散化数字锁相环D-DPLL输出相位I_{pll_θ}和从机输出电压相位U_{2_θ}共同决定，具体调节方式如下：

$\begin{array}{cc}\begin{array}{c}{I}_{ref2\_\mathrm{\&theta;}}=I_{pll\_\mathrm{\&theta;}}+I_{\mathrm{\&theta;}\_offset}\\ I_{\mathrm{\&theta;}\_offset}=U_{2\_\mathrm{\&theta;}}-I_{pll\_\mathrm{\&theta;}}\end{array}& \left\{\begin{array}{cc}{I}_{\mathrm{\&theta;}\_offset}=I_{\mathrm{\&theta;}\_offset},& |U_{2\_\mathrm{\&theta;}}-I_{pll\_\mathrm{\&theta;}}|<{\mathrm{\&Delta;I}}_{\mathrm{\&theta;}}\\ I_{\mathrm{\&theta;}\_offset}=I_{\mathrm{\&theta;}\_offset}+I_{\mathrm{\&theta;}\_step},& |U_{2\_\mathrm{\&theta;}}-I_{pll\_\mathrm{\&theta;}}|>{\mathrm{\&Delta;I}}_{\mathrm{\&theta;}}\end{array}\right.\end{array}$

上述式子中：I_{θ_offset}为静止式中频电源组网从机单元锁相输出相位与实际输出电压相位差，ΔI_θ为相位差约束范围，其值可根据实际***需要进行设定，I_{θ_step}为相位调节步长，在实际DSP运算中相当于在相位差大于约束范围时，对I_{θ_offset}进行PI调节，主要目的是保证相位的平滑调节。上述过程即为组网模式切换暂态过程中的有功调相过程。

如图4所示为静止式中频电源脱网模式切换暂态过程控制流程图。

以组网单元2为例，当其由组网运行切换到独立运行时，模式切换暂态过程控制包括以下步骤：

(1)静止式中频电源组网***上位机实时监测中频电网输出电压U_grid是否稳定，若稳定，则进入步骤(2)，否则，继续监测，直至中频电网输出电压U_grid稳定。

(2)静止式中频电源组网***上位机通过CAN总线发送脱网指令UpCmd_0，组网单元2一旦确认脱网指令，组网单元2立即将输出电流给定初值I_{ref2_pk}降为本地负载电流，然后在电网电压过零点处分断静态开关。

上述过程中组网单元2继续在电流源控制模式下工作，其输出电流全部灌入本地负载，负载端电压虽会出现幅值过冲，但受直流侧电压幅值的限制，其过冲也会受到限制，且本地负载电流和网侧输出电流畸变程度有限。

(3)上位机判断静态开关是否分断，若分断，则进入步骤(4)，否则进入步骤(2)；

(4)模式开关断开，组网单元2从单电流环PR控制模式转换为双闭环PR控制模式，独立给本地负载不间断供电，模式切换暂态过程结束。

显然，以上所述仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以根据组网***容量及数量的不同做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。

Claims (4)

1.一种用于静止式中频电源组网***的模式切换暂态过程控制方法，所述控制方法包括静止式中频电源组网单元由独立运行切换到组网运行方法以及由组网运行切换到独立运行方法，其中，

A：静止式中频电源组网单元由独立运行切换到组网运行方法按照下述步骤进行，

(1)静止式中频电源组网***上位机监测中频电网输出电压U_grid，并通过逻辑及数字运算模块实时计算中频电网电压U_{grid_pk}、中频电网输出总电流I_{grid_pk}、中频网侧电流有效值I_{grid_RMS}，通过CAN总线将信息传输给各静止式中频电源组网单元；

(2)静止式中频电源组网单元内部通过离散化数字锁相环跟踪中频电网电压的相位；

(3)上位机判断中频电网输出电压U_grid是否满足组网条件以及静止式中频电源组网单元输出电压在幅值、相位上与中频电网输出电压U_grid是否匹配，如果满足上述条件，进入步骤(4)，若不满足所述条件，则返回步骤(1)；

(4)静止式中频电源组网***上位机通过CAN总线发送组网指令UpCmd_1，组网单元一旦确认组网指令，首先，闭合模式开关，将输出控制模式从独立模式双闭环PR控制转换为组网模式单电流环PR控制，组网从机单元输出电流给定初值I_{refn_pk}，然后，闭合静态开关；

(5)同步调整静止式中频电源组网从机单元输出电流给定初值I_{refn_pk}和初始相位I_{refn_ θ}，保证组网单元对中频电网的同步跟踪，直至静止式中频电源组网***稳定运行；

B：静止式中频电源组网单元由组网运行切换到独立运行按照下述步骤进行，

(1)静止式中频电源组网***上位机实时监测中频电网输出电压U_grid是否稳定，若稳定，则进入步骤(2)，否则，继续监测，直至中频电网输出电压U_grid稳定；

(2)静止式中频电源组网***上位机通过CAN总线发送脱网指令UpCmd_0，组网从机单元一旦确认脱网指令，组网从机单元立即将输出电流给定初值I_{refn_pk}降为本地负载电流，然后分断静态开关；

(3)上位机判断静态开关是否分断，若分断，则进入步骤(4)，若未分断则返回步骤(2)；

(4)模式开关断开，组网单元从组网模式单电流环PR控制转换为独立模式双闭环PR控制，给本地负载不间断供电，模式切换暂态过程结束。

2.根据权利要求1所述的静止式中频电源组网***的模式切换暂态过程控制方法，其特征在于：所述A模式下，步骤(3)的判断条件为：

中频电网输出电压U_grid范围：113V～118V；

幅值差范围：-1V～+1V；

相位差范围：±π/360。

3.根据权利要求1所述的静止式中频电源组网***的模式切换暂态过程控制方法，其特征在于：所述静态开关闭合及分断均要求在输出电压过零点处。

4.根据权利要求1所述的静止式中频电源组网***的模式切换暂态过程控制方法，其特征在于：所述A模式下，步骤(5)中组网从机单元输出电流给定初值I_{refn_pk}和初始相位I_{refn_ θ}应遵循以下关系式：

首先，静止式中频电源组网从机单元的输出电流给定初值I_{refn_pk}由电网输出总电流I_{grid_pk}、组网主机单元输出电流峰值I_{1_pk}及组网从机单元输出电流峰值I_{n_pk}通过电流峰值调节器I_ad共同决定，具体调节方式如下：

上述式子中：n为静止式中频电源组网单元数量，I_{pk_offset}为静止式中频电源组网单元之间的峰值电流差，ΔI_pk为峰值电流差约束范围，I_{pk_step}为峰值调节步长；

其次，静止式中频电源组网从机单元的初始相位I_{refn_ θ}由离散化数字锁相环输出相位I_{pll_ θ}和从机输出电压相位U_{n_ θ}共同决定，具体调节方式如下：

上述式子中：I_{θ _offset}为静止式中频电源组网从机单元锁相输出相位与实际输出电压相位差，ΔI_θ为相位差约束范围，I_{θ _step}为相位调节步长。