专利名称：恢复外特性下垂方法中电压幅值和相位的装置和方法
技术领域：
本发明涉及以单相逆变器为核心的电源系统，特别涉及采用外特性下垂方法的单相逆变器并联运行系统中电压幅值和相位无效下垂的消除方法。
背景技术：
以单相逆变器为核心的特种电源已经广泛应用于诸如计算机系统、通讯系统、医疗设备以及航空航天设备等系统中，随着对于这种电源的容量和稳定性要求的日益增高，使用多台单相逆变器并联运行是一个很好的工程实施方案。但是由于单相逆变器输出电压的交变性，各台单相逆变器输出的交流电压在幅值和相位上都有可能不同，因此很容易产生在各电源单元之间流动的电流，为了区别于负载电流，这种在各电源单元之间流动的电流被称作环流。由于环流的存在，会导致供电效率的降低，在严重的情况下甚至会导致整个电源系统的崩溃。
为了消除单相逆变器并联运行系统中的环流，一种称作外特性下垂方法的控制方法，已经公开多年。例如，Ernane Antonio Alves Coelho，Porfirio Cabaleiro Cortizo，和Pedro Francisco Donoso Garcia在IEEE工业应用学报(IEEE Transactions onIndustrial Applications)，2002年第38卷、第21期所著的“在独立的交流电源系统中并联连接的逆变器的小信号稳定性(Small-signal stability forparallel-connected inverters in standalone ac supply systems)”。该方法源于如下理论单相逆变器并联运行系统中，各单相逆变器的输出功率可以分为无功功率和有功功率，而所述各单相逆变器输出电压之间幅值上的差异将产生额外的无功功率，且具有越大的输出电压幅值的单相逆变器将产生越多的额外无功功率，具有越小的输出电压幅值的单相逆变器将产生越少的额外无功功率；而各单相逆变器输出电压之间相位上的差异将产生额外的有功功率，且具有越大的输出电压相位的单相逆变器将产生越多的额外有功功率，具有越小的输出电压相位的单相逆变器将产生越少的额外有功功率。
图1所示的是两台单相逆变器并联运行的示意图，单相逆变器10和单相逆变器14分别通过线路阻抗11和13连接到负载12，由于两个单相逆变器的输出电压的差异，就会在两台单相逆变器之间产生环流15。两台单相逆变器并联系统在运行时，负载12要消耗一定的无功功率和有功功率，但是环流15也会产生额外的无功功率和有功功率，额外的无功功率和有功功率在单相逆变器并联运行系统中是应该尽量避免的。图1中假定环流由单相逆变器10流向单相逆变器14的方向为正方向，即由单相逆变器流出的环流的数值为正值，而流入单相逆变器的环流的数值为负值。
图2所示的是现有技术中使用外特性下垂方法的单相逆变器结构的示意图。单相逆变器22给负载24供电，电流传感器23和电压传感器25分别感测单相逆变器22的输出电流和输出电压，并将感测到的输出电流反馈信号26和输出电压反馈信号27传送给控制器20。在控制器20中执行如图4所示的方法，产生PWM(脉宽调制)信号21，并将该PWM信号21传送给单相逆变器22，用于控制单相逆变器22中各开关的动作，以得到与给定电压一致的输出电压波形。控制器20的硬件结构如图3所示，图中数字信号处理器35是控制器20的核心。模/数转换器30分别将输出电流反馈信号26和输出电压反馈信号27转换成数字信号31和32，并传送给数字信号处理器35。晶振33将频率与想要的输出电压频率一致的方波提供给数字信号处理器35，用于产生图4中基准电压50的相位52。数字信号处理器35从只读存储器得到基准电压50的幅值51。基于得到的各种信号，数字信号处理器35通过执行如图4所示的方法，产生开关动作信号36，进而通过PWM信号生成电路39可以得到PWM信号21。在控制器20中执行的如图4所示的方法的原理如下功率计算部分56根据单相逆变器输出电流反馈信号26和输出电压反馈信号27的数字信号31和32计算出该单相逆变器输出的无功功率57和有功功率58，将无功功率57和有功功率58分别乘以比例系数m和n后，分别反相叠加到基准电压50的幅值51和相位52上实现给定电压幅值和相位的下垂，进一步的用下垂后的给定电压幅值64和相位65通过正弦值计算部分53产生单相逆变器的给定电压54。输出电压控制部分55根据给定电压54产生开关动作信号36，进而通过PWM信号生成电路39可以得到PWM信号21，进而控制单相逆变器22，使单相逆变器22的输出电压无差的跟随给定电压信号54的变化。这样做就可以使单相逆变器的给定电压的幅值和相位随着其输出无功功率和有功功率的增大而下降，从而使其输出电压的幅值和相位随着其输出无功功率和有功功率的增大而下降。当多台单相逆变器并联运行时，如果每台单相逆变器都采用图4所示的控制方法，在并联运行的初始阶段，输出电压幅值较大的单相逆变器将产生较多的无功功率，由于所述外特性下垂方法的作用，其幅值就会下降的多一些；而输出电压幅值较小的单相逆变器将产生较少的无功功率，由于外特性下垂方法的作用，其幅值就会下降的少一些，这样具有不同初始输出电压幅值的各个单相逆变器的输出电压幅值会下降到同样的数值，从而消除了额外的无功功率。同样，在并联系统中，输出电压相位较大的单相逆变器将产生较多有功功率，由于外特性下垂方法的作用，其相位就会下降的多一些；而输出电压相位较小的单相逆变器将产生较少的有功功率，由于所述外特性下垂方法的作用，其相位就会下降的少一些，这样具有不同初始输出电压相位的各个单相逆变器的输出电压相位会下降到同样的数值，从而消除了额外有功功率。既然消除了额外的无功功率和有功功率，在各逆变器之间流动的环流自然也就被消除了。
该方法的优点是每个单相逆变器的控制都是独立的，不需要知道其他单相逆变器的信息，也就避免了各个单相逆变器之间的通讯连线。但是由于采用所述外特性下垂方法的单相逆变器控制器只能获得其自身的信息而无法获得其他单相逆变器的任何信息，也就无法区别其输出的无功功率57和有功功率58中哪些是环流造成的额外无功功率和额外有功功率，哪些是负载24需要的无功功率和有功功率，其只能采用单相逆变器输出的总的无功功率57和有功功率58而不是环流造成的额外无功功率和额外有功功率来实现输出电压幅值和相位的下垂，这样做的直接结果就是在输出电压幅值的降低量中只有一小部分是由于环流造成的下降，而大部分是由负载所需的无功功率产生的下垂，且负载无功功率越大幅值下降的越多；而在输出电压相位的降低量中也只有一小部分是由于环流造成的下降，而大部分是由负载所需的有功功率产生的下垂，且负载有功功率越大相位下降的越多。这样就造成了由负载所需的无功功率和有功功率导致的单相逆变器输出电压幅值和相位的无效下垂，且该无效下垂在现有技术中的外特性下垂方法中是无法避免的，这就会引起单相逆变器并联运行系统工作电压的幅值和相位的不稳定。所以需要一个既不需要各个单相逆变器之间的通讯连线，又能有效消除这种无效下垂的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种装置和方法，只需要检测每个单相逆变器自身的输出电流和电压，而不需要其他单相逆变器的任何信息，仍然能够保持各单相逆变器控制的独立性。本发明可在使用外特性下垂方法的单相逆变器并联运行系统中，恢复被外特性下垂方法降低了的给定电压幅值和相位，且仍保持外特性下垂方法不需要各个单相逆变器之间的通讯连线这一优点。
本发明装置采用与图2现有技术相同的单相逆变器，主要包括控制器、单向逆变器、负载、电流传感器、电压传感器。其中的控制器包括数字信号处理器、模/数转换器、晶振、只读存储器、PWM信号生成电路，还包括另外一个模/数转换器、锁相环电路(PLL)、低通滤波电路、整流电路以及变量寄存器。数字信号处理器是控制器的核心，其分别与两个模/数转换器、只读存储器、PWM信号生成电路、晶振以及变量寄存器相连接，两个模/数转换器中的一个分别与锁相环电路以及低通滤波电路相连，低通滤波电路的前端还连接有整流电路。
模/数转换器分别将输出电流反馈信号和输出电压反馈信号转换成数字信号，并传送给数字信号处理器。晶振将频率与想要的输出电压频率一致的方波提供给数字信号处理器，用于产生基准电压的相位。数字信号处理器从只读存储器可以得到基准电压的幅值。只读存储器除了给数字信号处理器提供基准电压的幅值以外，还要提供幅值误差预定阈值、相位误差预定阈值、功率误差预定阈值、幅值恢复值和相位恢复值。输出电压反馈信号经过锁相环电路得到当前输出电压的相位，经过模/数转换器以后可以得到数字量形式的当前输出电压的相位。另外，输出电压反馈信号依次经过整流电路和低通滤波电路后得到当前输出电压的幅值，经过模/数转换器以后可以得到数字量形式的当前输出电压的幅值。数字信号处理器与变量寄存器互相交换的数据有幅值误差比较结果、相位误差比较结果、功率误差比较结果、无功功率以及有功功率。
本发明方法在现有使用外特性下垂方法的单相逆变器并联运行系统的正弦值计算部分之前添加了幅值和相位恢复部分，用以恢复被下垂方法降低了的给定电压幅值和相位。幅值和相位恢复部分首先获得当前输出电压的幅值和相位，以及单相逆变器当前的基准电压的幅值和相位，进而用输出电压的幅值和相位分别减去基准电压的幅值和相位，得到输出电压的幅值误差和相位误差。然后进一步获得该单相逆变器当前输出的无功功率和有功功率，并从变量寄存器中读取上一拍输出的无功功率和有功功率，进而将当前输出的无功功率和有功功率分别减去上一拍输出的无功功率和有功功率得到无功功率和有功功率的变化率。再将得到的所述输出电压的幅值误差和相位误差与从只读存储器读出的输出电压的幅值误差和相位误差的预定阈值相比较，以判断当前的输出电压的幅值和相位与基准电压幅值和相位的误差是否在预定的阈值之内，如果所述幅值误差大于幅值误差的预定阈值则设定幅值误差比较结果为“是”，否则为“否”，并将结果存储在变量寄存器中；如果所述相位误差大于相位误差的预定阈值则设定相位误差比较结果为“是”，否则为“否”，并将结果存储在变量寄存器中。然后将得到的无功功率和有功功率的变化率分别与从只读存储器读出的功率变化率的预定阈值相比较，以判断整个系统是否已达到稳态，如果无功功率变化率小于功率变化率的预定阈值且有功功率变化率小于功率变化率的预定阈值，则设定功率变化率比较结果为“是”，否则为“否”，并将功率变化率比较结果存储在变量寄存器中。然后数字信号处理器从变量寄存器中读出幅值误差比较结果、相位误差比较结果和功率变化率比较结果，当幅值误差比较结果为“是”且功率变化率比较结果为“是”时，说明此时系统已达到稳态，且外特性下垂方法使该单相逆变器的输出电压幅值产生了较多的下降，于是使下垂后的给定电压幅值增加一个从只读存储器读出的幅值恢复预定值后，得到新的给定电压幅值，以使该单相逆变器的输出电压的幅值恢复一定的数值，否则保持新的给定电压幅值与下垂后的给定电压幅值一致；当相位误差比较结果为“是”且功率变化率比较结果为“是”时，说明此时系统己达到稳态，且外特性下垂方法使该单相逆变器的输出相位产生了较多的下降，于是使下垂后的给定电压相位增加一个从只读存储器读出的相位恢复预定值后，得到新的给定电压相位，以使该单相逆变器的输出电压的相位恢复一定的数值，否则保持新的给定电压相位与下垂后的给定电压相位一致。循环执行上述各步骤，直到所述电压的幅值和相位与基准电压幅值和相位的误差到达预定阈值的范围内。
本发明在每个单相逆变器由于外特性下垂方法的作用导致输出电压幅值和相位下降以后，能够逐渐恢复下降的电压的幅值和相位，使电压的幅值和相位与基准电压幅值和相位的误差到达预定阈值的范围内。
以下结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。
图1是两台单相逆变器并联运行的示意图；图2是使用外特性下垂方法的单相逆变器结构的示意图；图3是使用外特性下垂方法的单相逆变器的控制器的硬件结构图；图4是使用外特性下垂方法的单相逆变器的原理图；图5是使用本发明方法的单相逆变器的原理图；图6是使用本发明方法的单相逆变器的控制器的硬件结构图；图7是本发明恢复外特性下垂方法中的电压幅值和相位方法的流程框图。
具体实施例方式
以下以如图2所示的单相逆变器为例进一步说明本发明。
图2所示的单相逆变器主要包括控制器20、单向逆变器22、负载24、电流传感器23、电压传感器25。单相逆变器22给负载24供电，电流传感器23和电压传感器25分别感测单相逆变器22的输出电流和输出电压，并将感测到的输出电流反馈信号26和输出电压反馈信号27传送给控制器20。在控制器20产生PWM信号21，并将该PWM信号21传送给单相逆变器22。
如图6所示，本发明装置中的控制器20包括数字信号处理器35、模/数转换器30、晶振33、只读存储器38、PWM信号生成电路39，还包括模/数转换器96、锁相环电路(PLL)90、低通滤波电路92、整流电路91以及变量寄存器93。数字信号处理器35是控制器20的核心，其分别与模/数转换器30、模/数转换器96、只读存储器38、PWM信号生成电路39、晶振33以及变量寄存器93相连接，模/数转换器96分别与锁相环电路90以及低通滤波电路92相连，低通滤波电路92的前端还连接有整流电路91。
只读存储器38除了给数字信号处理器35提供基准电压50的幅值51以外，还要提供幅值误差预定阈值70、相位误差预定阈值71、功率误差预定阈值72、幅值恢复值94和相位恢复值95。模/数转换器30分别将输出电流反馈信号26和输出电压反馈信号27转换成数字信号31和32，并传送给数字信号处理器35。输出电压反馈信号27经过锁相环电路90得到当前输出电压的相位，经过模/数转换器96以后可以得到数字量形式的当前输出电压的相位74；另外，输出电压反馈信号27依次经过整流电路91和低通滤波电路92后得到当前输出电压的幅值，经过模/数转换器96以后可以得到数字量形式的当前输出电压的幅值73。晶振33将频率与想要的输出电压频率一致的方波34提供给数字信号处理器35，用于产生图5中基准电压50的相位52。变量寄存器93供数字信号处理器35临时存储和读取幅值误差比较结果75、相位误差比较结果76、功率变化率比较结果77、上一拍输出的无功功率78以及上一拍输出的有功功率79。基于得到的各种信号，数字信号处理器35通过执行如图5所示的方法，产生开关动作信号36，进而通过PWM信号生成电路39可以得到PWM信号21。
图5所示为本发明方法的原理，与图4所示的现有技术的原理图相比，本发明在正弦值计算部分之前添加了幅值和相位恢复部分61，用以恢复被下垂方法降低了的给定电压幅值和相位。
功率计算部分56根据单相逆变器输出电流反馈信号26和输出电压反馈信号27的数字信号31和32计算出该单相逆变器输出的无功功率57和有功功率58，将无功功率57和有功功率58分别乘以比例系数m和n后，分别反相叠加到基准电压50的幅值51和相位52上，得到了下垂后的给定电压幅值64和相位65。然后，幅值和相位恢复部分61根据基准电压50的幅值51和相位52、无功功率57和有功功率58以及输出电压32，通过执行图7中流程图所示的方法，决定是否在下垂后的给定电压幅值64和相位65上叠加幅值恢复预定值94和相位恢复预定值95，并得到新的给定电压幅值62和相位63。接下来，用新的给定电压幅值62和相位63通过正弦值计算部分53产生逆变器的给定电压54。输出电压控制部分55根据给定电压54产生开关动作信号36，进而通过PWM信号生成电路39可以得到PWM信号21，进而控制单相逆变器22，使单相逆变器22的输出电压无差的跟随给定电压信号54的变化。
图7是本发明恢复被外特性下垂方法降低了的给定电压幅值和相位方法的流程框图。如图7所示，首先执行步骤80，幅值和相位恢复部分61获得单相逆变器22当前输出电压的幅值73和相位74，以及单相逆变器22当前的基准电压50的幅值51和相位52。然后执行步骤81，用输出电压的幅值73和相位74分别减去基准电压50的幅值51和相位52，得到输出电压的幅值误差和相位误差。之后，执行步骤100，获得该单相逆变器当前输出的无功功率57和有功功率58，并从变量寄存器93中读取上一拍输出的无功功率78和有功功率79。然后在步骤82中，将当前输出的无功功率57和有功功率58分别减去上一拍输出的无功功率78和有功功率79得到无功功率和有功功率的变化率，并将当前拍输出的无功功率57和有功功率58存入变量寄存器93中，作为下一个周期的上一拍输出的无功功率78和有功功率79使用。随后，在步骤83中将在步骤81中计算出的输出电压的幅值误差与从只读存储器38读出的输出电压的幅值误差的预定阈值70相比较，以判断当前的输出电压的幅值73与基准电压幅值51的误差是否在幅值误差的预定阈值70之内，如果所述幅值误差大于幅值误差的预定阈值70则设定幅值误差比较结果75为“是”，否则为“否”，并将幅值误差比较结果75存储在变量寄存器93中。下一步执行步骤84，将在步骤81中计算出的输出电压的相位误差与从只读存储器38读出的输出电压的相位误差的预定阈值71相比较，以判断当前的输出电压相位74与基准电压相位52的误差是否在相位误差的预定阈值71之内，如果所述相位误差大于相位误差的预定阈值71则设定相位误差比较结果76为“是”，否则为“否”，并将相位误差比较结果76存储在变量寄存器93中。步骤83和84中得到的幅值误差比较结果75和相位误差比较结果76可以用来判断当前的输出电压稳定度是否满足技术要求。再下一步执行步骤85，将在步骤82中得到的无功功率和有功功率的变化率分别与从只读存储器38读出的功率变化率的预定阈值72相比较，如果无功功率变化率小于功率变化率的预定阈值72且有功功率变化率小于功率变化率的预定阈值72，则设定功率变化率比较结果77为“是”，否则为“否”，并将功率变化率比较结果77存储在变量寄存器93中。在步骤85中得到的功率变化率比较结果77可以用以判断整个系统是否已达到稳态。接着，执行步骤86，从变量寄存器93中读出幅值误差比较结果75和功率变化率比较结果77，判断幅值误差比较结果75是否为“是”，且功率变化率比较结果77是否为“是”，若判断结果为“是”，说明此时单相逆变器的幅值调整已达到稳态，并且外特性下垂方法使该单相逆变器的输出电压的幅值产生了较多的下降，已经不能满足技术要求，于是执行步骤87，使下垂后的给定电压幅值64增加一个从只读存储器38读出的幅值恢复预定值94，并得到新的给定电压幅值62，以使该单相逆变器的输出电压的幅值恢复一定的数值。若步骤86的判断结果为“否”，则保持新的给定电压幅值62与下垂后的给定电压幅值64一致，并执行步骤88，从变量寄存器93中读出相位误差比较结果76和功率变化率比较结果77，判断相位误差比较结果76是否为“是”，且功率变化率比较结果77是否为“是”。若步骤88的判断结果为“是”，说明此时单相逆变器的相位调整已达到稳态，且外特性下垂方法使该单相逆变器的输出相位产生了较多的下降，已经不能满足技术要求，于是执行步骤89，使下垂后的给定电压相位65增加一个从只读存储器38读出的相位恢复预定值95后，得到新的给定电压相位63，以使该单相逆变器的输出电压的相位恢复一定的数值，然后重新返回步骤80，准备执行下一个循环。若步骤88的判断结果为“否”，则保持新的给定电压相位63与下垂后的给定电压相位65一致，并返回步骤80，准备执行下一个循环。通过不断的循环执行上述各步骤，直到所述输出电压的幅值73和相位74与基准电压幅值51和相位52的误差到达预定阈值的范围内。
图1所示的单相逆变器10和单相逆变器14均可使用本发明。
以下说明两台并联运行的单相逆变器同时执行本发明的工作过程。
首先描述逆变器输出电压幅值的变化，两台并联运行的单相逆变器系统在动态过程中，单相逆变器10的控制器20中的幅值和相位恢复部分61判断出的功率变化率比较结果77一定为“否”，这时相位恢复部分61将保持给定电压的幅值62和相位63与下垂后的基准电压的幅值64和相位65一致，即两台单相逆变器均使用现有技术的外特性下垂方法来消除环流15。如果单相逆变器10的控制器20中的幅值和相位恢复部分61判断出幅值误差比较结果75为“是”且功率变化率比较结果77也为“是”，说明此时单相逆变器10的幅值调整已达到稳态，且外特性下垂方法使该单相逆变器的输出电压的幅值产生了较多的下降，已不能满足技术要求，此时幅值和相位恢复部分61执行步骤87，使下垂后的给定电压幅值64增加一个从只读存储器38读出的幅值恢复预定值94，并得到新的给定电压幅值62，使该单相逆变器的输出电压的幅值升高一定的数值。此时单相逆变器14的输出电压幅值可能也通过执行同样的方法使幅值有所上升，也有可能没有上升。首先考虑不利的情况，即单相逆变器14的输出电压幅值没有上升，由于单相逆变器10的输出电压幅值已上升了一定数值，由此会产生一定的无功环流，该无功环流对于单相逆变器10来说是正值，而导致其总无功电流增大，通过外特性下垂方法的作用，单相逆变器10的输出电压幅值又会有所降低；而该无功环流对于单相逆变器14来说是负值，而导致其总无功电流减小，通过外特性下垂方法的作用，单相逆变器14的输出电压幅值就会有所上升。那么再达到稳态时整个单相逆变器并联运行系统的电压幅值就有所上升了。再考虑当单相逆变器10的电压幅值升高一定数值时，单相逆变器14的电压幅值也通过根据本发明的方法升高了一定数值的情况，如果此时两台单相逆变器的输出电压幅值升高的幅度相同，则继续执行根据本发明的方法；如果两台单相逆变器的输出电压幅值升高的数值不同，由于外特性下垂方法的作用又会使电压幅值升高得多一些的逆变器的输出电压幅值有所降低，而电压幅值升高得少一些的逆变器的输出电压幅值有所升高，直至两台单相逆变器达到具有相同的幅值，很明显，此时整个单相逆变器并联运行系统的电压幅值也所上升了。两台单相逆变器就照此，只要单相逆变器10的控制器20中的幅值和相位恢复部分61判断出幅值误差比较结果75为“是”，且功率变化率比较结果77也为“是”，就使下垂后的给定电压幅值64叠加上幅值恢复预定值94，作为新的给定电压幅值62；而当判断出幅值误差比较结果75为“否”或功率变化率比较结果77为“否”时，保持给定电压的幅值62与下垂后的基准电压的幅值64一致，直至输出电压幅值达到技术要求，即幅值误差小于幅值误差的预定阈值70。
逆变器输出电压相位的变化如下述。单相逆变器并联运行系统在动态过程中，单相逆变器10的控制器20中的幅值和相位恢复部分61判断出的功率变化率比较结果77一定为“否”，这时相位恢复部分61将保持给定电压的幅值62和相位63与下垂后的基准电压的幅值64和相位65一致，即两台单相逆变器均使用现有技术的外特性下垂方法来消除环流15。如果单相逆变器10的控制器20中的幅值和相位恢复部分61判断出相位误差比较结果76为“是”且功率变化率比较结果77也为“是”，说明此时单相逆变器10的相位调整已达到稳态，且外特性下垂方法使该单相逆变器的输出电压的相位产生了较多的下降，已不能满足技术要求，此时幅值和相位恢复部分61执行步骤89，使下垂后的给定电压相位65增加一个从只读存储器38读出的相位恢复预定值95，并得到新的给定电压相位63，使该单相逆变器的输出电压的相位升高一定的数值。此时单相逆变器14的输出电压相位可能也通过执行同样的方法使相位有所增大，也有可能没有增大。首先考虑不利的情况，即单相逆变器14的输出电压相位没有增大，由于单相逆变器10的输出电压相位已增大了一定数值，由此会产生一定的有功环流，该有功环流对于单相逆变器10来说是正值，而导致其总有功电流增大，通过外特性下垂方法的作用，单相逆变器10的输出电压相位又会有所减小；而该有功环流对于单相逆变器14来说是负值，而导致其总有功电流减小，通过外特性下垂方法的作用，单相逆变器14的输出电压相位就会有所增大。那么再达到稳态时整个单相逆变器并联运行系统的电压相位就有所增大了。再考虑当单相逆变器10的电压相位增大一定数值时，单相逆变器14的电压相位也通过根据本发明的方法增大了一定数值的情况，如果此时两台单相逆变器的输出电压相位增大的幅度相同，则继续执行根据本发明的方法，如果两台单相逆变器的输出电压幅值升高的数值不同，由于外特性下垂方法的作用又会使电压相位增大得多一些的逆变器的输出电压相位有所减小，而电压相位增大得少一些的逆变器的输出电压相位有所增大，直至两台单相逆变器达到具有相同的相位，很明显，此时整个单相逆变器并联运行系统的电压相位也所上升了。两台单相逆变器就照此，只要单相逆变器10的控制器20中的幅值和相位恢复部分61判断出相位误差比较结果76为“是”，且功率变化率比较结果77也为“是”，就使下垂后的给定电压相位65叠加上相位恢复预定值95，作为新的给定电压相位63；而当判断出相位误差比较结果76为“否”或功率变化率比较结果77为“否”时，保持给定电压的相位63与下垂后的基准电压的相位65一致，直至输出电压相位达到技术要求，即相位误差小于相位误差的预定阈值71。
本发明可以基本上避免由负载电流导致的幅值和相位下降，大大降低了由现有技术的外特性下垂方法造成的输出电压波动，保证了电源系统电压幅值和相位的稳定性。并且本发明只需要检测每个单相逆变器自身的输出电流和输出电压，而不需要其他单相逆变器的任何信息，便可实现每个单相逆变器的独立控制。
本发明适用于多台单相逆变器的并联运行系统，不受并联逆变器数量的限制。
权利要求
1.一种恢复外特性下垂方法中电压幅值和相位的装置，包括控制器[20]、单向逆变器[22]、负载[24]、电流传感器[23]、电压传感器[25]，控制器[20]包括数字信号处理器[35]、模/数转换器[30]、晶振[33]、只读存储器[38]、PWM信号生成电路[39]，其特征在于还包括模/数转换器[96]、锁相环电路(PLL)[90]、低通滤波电路[92]、整流电路[91]以及变量寄存器[93]；数字信号处理器[35]分别与模/数转换器[30]、模/数转换器[96]、只读存储器[38]、PWM信号生成电路[39]、晶振[33]以及变量寄存器[93]相连接，模/数转换器[96]分别与锁相环电路[90]以及低通滤波电路[92]相连，低通滤波电路[92]的前端连接整流电路[91]。
2.一种恢复外特性下垂方法中电压幅值和相位的方法，其特征在于在现有使用外特性下垂方法的单相逆变器并联运行系统的正弦值计算部分[53]之前增加了幅值和相位恢复部分[61]，用以恢复被下垂方法降低了的给定电压幅值和相位；功率计算部分[56]根据单相逆变器输出电流反馈信号[26]和输出电压反馈信号[27]的数字信号[31]和[32]，计算出单相逆变器输出的无功功率[57]和有功功率[58]，将无功功率[57]和有功功率[58]分别乘以比例系数m和n后，分别反相叠加到基准电压[50]的幅值[51]和相位[52]上，得到了下垂后的给定电压幅值[64]和相位[65]；然后，幅值和相位恢复部分[61]根据基准电压[50]的幅值[51]和相位[52]、无功功率[57]和有功功率[58]以及输出电压[32]，决定是否在下垂后的给定电压幅值[64]和相位[65]上叠加幅值恢复预定值[94]和相位恢复预定值[95]，并得到新的给定电压幅值[62]和相位[63]；接下来，用新的给定电压幅值[62]和相位[63]通过正弦值计算部分[53]产生逆变器的给定电压[54]；输出电压控制部分[55]根据给定电压[54]产生开关动作信号[36]，进而通过PWM信号生成电路[39]可以得到PWM信号[21]，进而控制单相逆变器[22]，使单相逆变器[22]的输出电压无差的跟随给定电压信号[54]的变化。
3.根据权利要求2所述的恢复外特性下垂方法中电压幅值和相位的方法，其特征在于幅值和相位恢复部分[61]执行以下步骤首先执行步骤80，幅值和相位恢复部分[61]获得当前输出电压的幅值[73]和相位[74]，以及单相逆变器[22]当前的基准电压[50]的幅值[51]和相位[52]；然后执行步骤81，用输出电压的幅值[73]和相位[74]分别减去基准电压[50]的幅值[51]和相位[52]，得到输出电压的幅值误差和相位误差；之后，执行步骤[100]，获得该单相逆变器当前输出的无功功率[57]和有功功率[58]，并从变量寄存器[93]中读取上一拍输出的无功功率[78]和有功功率[79]；然后在步骤82中，将当前输出的无功功率[57]和有功功率[58]分别减去上一拍输出的无功功率[78]和有功功率[79]，得到无功功率和有功功率的变化率，并将当前拍输出的无功功率[57]和有功功率[58]存入变量寄存器[93]中，作为下一个周期的上一拍输出的无功功率[78]和有功功率[79]使用；随后，在步骤83中将在步骤81中计算出的输出电压的幅值误差与从只读存储器[38]读出的输出电压的幅值误差的预定阈值[70]比较，以判断当前的输出电压的幅值[73]与基准电压幅值[51]误差是否在幅值误差的预定阈值[70]之内，如果所述幅值误差大于幅值误差的预定阈值[70]则设定幅值误差比较结果[75]为“是”，否则为“否”，并将幅值误差比较结果[75]存储在变量寄存器[93]中；下一步执行步骤84，将在步骤81中计算出的输出电压的相位误差与从只读存储器[38]读出的输出电压的相位误差的预定阈值[71]比较，以判断当前的输出电压相位[74]与基准电压相位[52]的误差是否在相位误差的预定阈值[71]之内，如果所述相位误差大于相位误差的预定阈值[71]则设定相位误差比较结果[76]为“是”，否则为“否”，并将相位误差比较结果[76]存储在变量寄存器[93]中；步骤83和84中得到的幅值误差比较结果[75]和相位误差比较结果[76]可以用来判断当前的输出电压稳定度是否满足技术要求；再下一步执行步骤85，将在步骤82中得到的无功功率和有功功率的变化率分别与从只读存储器[38]读出的功率变化率的预定阈值[72]相比较，如果无功功率变化率小于功率变化率的预定阈值[72]且有功功率变化率小于功率变化率的预定阈值[72]，则设定功率变化率比较结果[77]为“是”，否则为“否”，并将功率变化率比较结果[77]存储在变量寄存器[93]中；在步骤85中得到的功率变化率比较结果[77]可以用以判断整个系统是否已达到稳态；接着，执行步骤86，从变量寄存器[93]中读出幅值误差比较结果[75]和功率变化率比较结果[77]，判断幅值误差比较结果[75]是否为“是”，且功率变化率比较结果[77]是否为“是”，若判断结果为“是”，说明此时单相逆变器的幅值调整已达到稳态，并且外特性下垂方法使该单相逆变器的输出电压的幅值产生了较多的下降，已经不能满足技术要求，于是执行步骤87，使下垂后的给定电压幅值[64]增加一个从只读存储器[38]读出的幅值恢复预定值[94]，并得到新的给定电压幅值[62]，以使该单相逆变器的输出电压的幅值恢复一定的数值；若步骤86的判断结果为“否”，则保持新的给定电压幅值[62]与下垂后的给定电压幅值[64]一致，并执行步骤88，从变量寄存器[93]中读出相位误差比较结果[76]和功率变化率比较结果[77]，判断相位误差比较结果[76]是否为“是”，且功率变化率比较结果[77]是否为“是”；若步骤88的判断结果为“是”，说明此时单相逆变器的相位调整已达到稳态，且外特性下垂方法使该单相逆变器的输出相位产生了较多的下降，已经不能满足技术要求，于是执行步骤89，使下垂后的给定电压相位[65]增加一个从只读存储器[38]读出的相位恢复预定值[95]后，得到新的给定电压相位[63]，以使该单相逆变器的输出电压的相位恢复一定的数值，然后重新返回步骤80，准备执行下一个循环；若步骤88的判断结果为“否”，则保持新的给定电压相位[63]与下垂后的给定电压相位[65]一致，并返回步骤80，准备执行下一个循环；通过不断的循环执行上述各步骤，直到所述输出电压的幅值[73]和相位[74]与基准电压幅值[51]和相位[52]的误差到达预定阈值的范围内。
全文摘要
一种在使用外特性下垂方法的单相逆变器并联运行系统中，恢复电压幅值和相位的装置，其控制器[20]包括数字信号处理器[35]、模/数转换器[30]、晶振[33]、只读存储器[38]、PWM信号生成电路[39]，模/数转换器[96]、锁相环电路[90]、低通滤波电路[92]、整流电路[91]和变量寄存器[93]。恢复外特性下垂方法中电压幅值和相位的方法主要是检测单相逆变器的输出电压的幅值误差和相位误差及其输出的无功功率和有功功率的变化率，通过比较得到幅值误差比较结果、相位误差比较结果以及功率变化率比较结果，并根据比较结果对给定电压信号的幅值和相位进行恢复；循环执行上述步骤可以使单相逆变器输出电压的幅值和相位与基准电压幅值和相位的误差保持在预定阈值的范围内。
文档编号H02M7/48GK1972061SQ200510086938
公开日2007年5月30日 申请日期2005年11月21日 优先权日2005年11月21日
发明者谢孟, 李耀华, 蔡昆, 王平, 胜晓松, 陈敏洁, 王时毅 申请人:中国科学院电工研究所