CN108336763B - 基于有功无功解耦控制的h桥级联型岸电电源的并联方法 - Google Patents

基于有功无功解耦控制的h桥级联型岸电电源的并联方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于有功无功解耦控制的H桥级联型岸电电源的并联方法，可以实现若干个高‑高岸电电源之间的并联，以扩大岸电电源的容量。并且在整个过程中，能实现电流快速跟踪，功率有效均分，避免了环流现象的产生，有效稳定直流母线电压，提高了***的运行可靠性。

Description

基于有功无功解耦控制的H桥级联型岸电电源的并联方法
技术领域
本发明涉及一种基于有功无功解耦控制的H桥级联型岸电电源的并联方法，属于高压岸电电源并联控制技术领域。
背景技术
岸电***主要分为低压岸电***和高压岸电***，高压岸电***应用最为广泛。高压岸电***通常采用两种供电方式实现，一种是高-低-高电源方案，这种方案建设成本低，但效率较低，谐波污染严重，成本比较高，为早期高压岸电***不成熟时常采用的方案。另一种是直接采用H桥级联的高-高岸电电源方案。随着港口对岸电电源利用的需要，岸电电源容量的需求也在不断的增加，为节约成本，提高岸电电源的利用率，常采用两个或多个高-高岸电电源并联来满足需求。这种方式下，岸电电源既可以单独供电使用，又可以并联组合供电使用，方便灵活。
但高-高岸电电源的并联成为新的技术难点，由于高-高岸电电源采取了H桥级联的拓扑结构，为降低设备成本，整流侧采用二极管整流的方式，在并联中出线环流就很容易发生直流电压过压的问题，导致高-高岸电电源并联后的输出不稳定，给负载和电网都带来了很大的影响。
发明内容
本发明为了解决现有技术的上述不足，提供了一种基于有功无功解耦控制的H桥级联型岸电电源的并联方法，可以实现若干个高-高岸电电源之间的并联，以扩大岸电电源的容量。并且在整个过程中，能实现电流快速跟踪，功率有效均分，避免了环流现象的产生，有效稳定直流母线电压，提高了***的运行可靠性。
本发明的上述目的通过以下的技术方案来实现：一种基于有功无功解耦控制的H桥级联型岸电电源的并联方法，其主回路为基于H桥级联的高-高岸电变频电源，包括并网开关G1、预充电模块M1、整流环节、直流电压环节、交流逆变环节、输出滤波环节以及电压电流检测与控制环节；其中整流环节包括移相变压器T1、不控整流单元1-18；直流电压环节包括直流电压单元1-18、斩波单元1-18，交流逆变环节包括H桥级联逆变单元1-18；输出滤波环节包括隔离变压器T2、滤波电容C1-C3、滤波电抗L1-L3、输出开关G2；
所述电压电流检测与控制环节包括主电源模块及从电源模块的控制环节，其中主电源模块的控制环节包括主模块电压电流检测及恒压恒频控制器；从电源模块的控制环节包括从模块电压电流检测、有功无功解耦控制器及电流内环控制器；
所述整流环节采用移相变压器整流技术，为交流逆变环节提供稳定的直流母线电压，降低谐波；其包括预充电模块、移相变压器T1模块，预充电模块负责为母线电容平缓充电，避免快速充电带来的冲击电流影响；
所述直流电压环节，是在直流电压过压时能够快速动作，稳定直流电压，包括直流侧电压检测模块、斩波单元模块；
所述交流逆变环节，是采用H桥级联拓扑结构，为负载提供稳定的电源输出，包括载波移相SVPWM调制器、滤波单元模块，载波移相SVPWM调制配合H桥级联的拓扑结构使用，提高等效开关频率，并且减少了谐波污染；
所述电压电流检测与控制环节采用主从控制方法，主电源模块采用恒压恒频控制方法，输出稳定电压，从电源模块被设计为电流跟随器，跟踪主电源模块的输出电流，从而控制输出功率，实现两者同步并联。具体的控制过程如下：
(1)主电源模块首先启动运行，电压设定值Vref及频率设定值Fref作为控制目标，建立输出电压，同时检测输出电压Ua、Ub、Uc与给定值形成闭环，以控制输出侧电压及频率稳定；
(2)从模块检测开关外侧输出电压建立，则采集电压及电流信号，首先根据输出侧电压信号相位及幅值，同步检测主模块的电流值，计算得到主从模块总输出功率；
(3)当总输出功率大于并联功率启动值P_upSet，从模块根据实时测得的总有功无功功率值的一半作为功率控制指令启动运行，以实现并联运行的功率均分；
(4)为提高对重负荷投入时的响应速度，在总输出功率小于并联功率启动值P_upSet时，若总输出功率的变化率大于P_detaSet时，从模块也会立即启动，以实时测得的总有功无功功率值的一半作为功率控制指令运行，以提高对重载或冲击性负载投入时的响应；
(5)主模块恒电压运行，从模块根据主模块的实时功率值调节输出功率运行，当检测到从模块直流电压升高超过直流电压过限值Vdc_upset或总输出功率降低至并联退出设定值P_downSet值以下时，从模块封锁输出脉冲，进入待机状态。
本发明与现有技术相比的优点是：本发明所包含的主从模块均采用了级联H桥拓扑结构，弥补了功率器件耐受力不足的缺陷，同时降低了成本，提高了后期维护的效率。在确保所需功率满足的前提下，整流单元采用移相变压器技术，逆变单元模块采用载波移相SVPWM技术，降低了对电网的谐波影响。在并联技术上采用有功无功解耦与直流电压复合抑制的控制策略，能够快速跟踪负载及主电源变化，有效实现功率均分，降低冲击性负载的影响，提高了供电可靠性。
附图说明
图1是H桥级联型岸电变频电源结构图；
图2是基于有功无功解耦控制的H桥级联型岸电电源并联控制框图；
图3是主电源模块的恒压恒频控制框图；
图4是从电源模块的有功无功控制框图；
图5是直流侧的母线电压波形；
图6是主电源模块的输出电流波形；
图7是从电源模块的输出电流波形。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步详述。
本发明的一种基于有功无功解耦控制的H桥级联型岸电电源的并联方法，其主回路为基于H桥级联的高-高岸电变频电源，包括并网开关G1、预充电模块M1、整流环节、直流电压环节、交流逆变环节、输出滤波环节以及电压电流检测与控制环节。其中整流环节包括移相变压器T1、不控整流单元1-18；直流电压环节包括直流电压单元1-18、斩波单元1-18，交流逆变环节包括H桥级联逆变单元1-18；输出滤波环节包括隔离变压器T2、滤波电容C1-C3、滤波电抗L1-L3、输出开关G2。
电压电流检测与控制环节包括主电源模块及从电源模块的控制环节，其中主电源模块的控制环节包括主模块电压电流检测及恒压恒频控制器；从电源模块的控制环节包括从模块电压电流检测、有功无功解耦控制器及电流内环控制器。
主电源模块的电压环调节作为整个并联***的电压控制器，用于控制并联***的输出电压。主电源模块的输出电流信号作为各个从电源模块的电流参考信号，各个从模块电压控制器不再参与调节作用，电流内环调节均采用了瞬时电流控制，随时跟踪主电源模块的电流变化。
所述整流环节采用移相变压器整流技术，为交流逆变环节提供稳定的直流母线电压，降低谐波。其包括预充电模块、移相变压器T1模块，预充电模块负责为母线电容平缓充电，避免快速充电带来的冲击电流影响。
所述直流电压环节，是在直流电压过压时能够快速动作，稳定直流电压，包括直流侧电压检测模块、斩波单元模块。
所述交流逆变环节，是采用H桥级联拓扑结构，为负载提供稳定的电源输出，包括载波移相SVPWM调制器、滤波单元模块，载波移相SVPWM调制配合H桥级联的拓扑结构使用，提高等效开关频率，并且减少了谐波污染。
所述电压电流检测与控制环节采用主从控制方法，主电源模块采用恒压恒频控制方法，输出稳定电压，从电源模块被设计为电流跟随器，跟踪主电源模块的输出电流，从而控制输出功率，实现两者同步并联。具体的控制过程如下：
1、主电源模块首先启动运行，电压设定值Vref及频率设定值Fref作为控制目标，建立输出电压，同时检测输出电压Ua、Ub、Uc与给定值形成闭环，以控制输出侧电压及频率稳定；主电源模块获取频率输出给定指令fref，输出电压给定值
Figure GDA0002796044890000061
Uq *＝0。通过电压检测模块，获取电压实测值。实测值通过Clark和Park变化后得到的电压值，与电压给定值
Figure GDA0002796044890000062
和Uq *比较，再经过电压控制器后，构成电流给定值Idref、Iqref，具体地，公式为：
Figure GDA0002796044890000071
其中，kpu为电压控制器的比例系数，kiu为电压控制器的积分系数。
通过电流检测模块，获取电流实测值，实测值通过Clark和Park变化后得到的电流值，与电流给定值Idref和Iqref比较，再经过电流控制器，构成调制电压，输出到SVPWM调制器中产生相应的控制脉冲,公式为：
Figure GDA0002796044890000072
其中，kpi为电流控制器的比例系数，kii为电流控制器的积分系数。
2、从模块检测开关外侧输出电压建立，则采集电压及电流信号，首先根据输出侧电压信号相位及幅值，同步检测主模块的电流值，计算得到主从模块总输出功率；
3、当总输出功率大于并联功率启动值P_upSet，从模块根据实时测得的总有功无功功率值的一半作为功率控制指令启动运行，以实现并联运行的功率均分；从电源模块从主电源模块输出处获得电流给定值Iref。通过从电源模块的电流检测模块，获取电流实测值。实测值通过Clark和Park变化后得到的电流值，与电流给定值Iref比较，再通过电流控制器，构成调制电压，输出到SVPWM调制器中产生相应的控制脉冲。
4、为提高对重负荷投入时的响应速度，在总输出功率小于并联功率启动值P_upSet时，若总输出功率的变化率大于P_detaSet时，从模块也会立即启动，以实时测得的总有功无功功率值的一半作为功率控制指令运行，以提高对重载或冲击性负载投入时的响应；
5、主模块恒电压运行，从模块根据主模块的实时功率值调节输出功率运行，当检测到从模块直流电压升高超过直流电压过限值Vdc_upset或总输出功率降低至并联退出设定值P_downSet值以下时，从模块封锁输出脉冲，进入待机状态；
所述的基于主从控制的高-高岸电电源并联***的实验波形如图5、图6、图7所示，其中图5为直流侧的母线电压波形，可以看到主从模块在并联时刻的直流电压仅有较小的变化，满足直流侧电压的稳定性要求。图6为主电源模块的输出电流波形，图7为从电源模块的输出电流波形，可以看出从模块的响应速度较快，且可以较好的均分总负荷电流，输出的电压和电流波形符合电能质量要求。
本发明所述的高-高岸电电源并联***采用上述控制方式，通过直流电压控制，能为交流变换环节提供稳定的直流母线电压。通过主从控制方式，在岸电电源之间的并联时，减少了冲击电流的影响，抑制了环流现象的发生，同时降低了冲击性负载带来的影响，提供稳定的电源输出，提高了***供电的可靠性。
上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本发明，不能理解为是对本发明包括范围的限制；只要是根据本发明所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本发明包括的范围。

Claims (1)

1.一种基于有功无功解耦控制的H桥级联型岸电电源的并联方法，其主回路为基于H桥级联的高-高岸电变频电源，包括并网开关G1、预充电模块M1、整流环节、直流电压环节、交流逆变环节、输出滤波环节以及电压电流检测与控制环节；其中整流环节包括移相变压器T1、不控整流单元1-18；直流电压环节包括直流电压单元1-18、斩波单元1-18，交流逆变环节包括H桥级联逆变单元1-18；输出滤波环节包括隔离变压器T2、滤波电容C1-C3、滤波电抗L1-L3、输出开关G2；
所述电压电流检测与控制环节包括主电源模块及从电源模块的控制环节，其中主电源模块的控制环节包括主模块电压电流检测及恒压恒频控制器；从电源模块的控制环节包括从模块电压电流检测、有功无功解耦控制器及电流内环控制器；
所述整流环节采用移相变压器整流技术，为交流逆变环节提供稳定的直流母线电压，降低谐波；其包括预充电模块、移相变压器T1模块，预充电模块负责为母线电容平缓充电，避免快速充电带来的冲击电流影响；
所述直流电压环节，是在直流电压过压时能够快速动作，稳定直流电压，包括直流侧电压检测模块、斩波单元模块；
所述交流逆变环节，是采用H桥级联拓扑结构，为负载提供稳定的电源输出，包括载波移相SVPWM调制器、滤波单元模块，载波移相SVPWM调制配合H桥级联的拓扑结构使用，提高等效开关频率，并且减少了谐波污染；
所述电压电流检测与控制环节采用主从控制方法，主电源模块采用恒压恒频控制方法，输出稳定电压，从电源模块被设计为电流跟随器，跟踪主电源模块的输出电流，从而控制输出功率，实现两者同步并联；具体的控制过程如下：
(1)主电源模块首先启动运行，电压设定值Vref及频率设定值Fref作为控制目标，建立输出电压，同时检测输出电压Ua、Ub、Uc与给定值形成闭环，以控制输出侧电压及频率稳定；
(2)从模块检测开关外侧输出电压建立，则采集电压及电流信号，首先根据输出侧电压信号相位及幅值，同步检测主模块的电流值，计算得到主从模块总输出功率；
(3)当总输出功率大于并联功率启动值P_upSet，从模块根据实时测得的总有功无功功率值的一半作为功率控制指令启动运行，以实现并联运行的功率均分；
(4)为提高对重负荷投入时的响应速度，在总输出功率小于并联功率启动值P_upSet时，若总输出功率的变化率大于P_detaSet时，从模块也会立即启动，以实时测得的总有功无功功率值的一半作为功率控制指令运行，以提高对重载或冲击性负载投入时的响应；
(5)主模块恒电压运行，从模块根据主模块的实时功率值调节输出功率运行，当检测到从模块直流电压升高超过直流电压过限值Vdc_upset或总输出功率降低至并联退出设定值P_downSet值以下时，从模块封锁输出脉冲，进入待机状态。
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