一种交流驱动逆变器并联控制系统及方法与流程

本发明涉及逆变器并联控制领域，具体涉及一种交流驱动逆变器并联控制系统及方法。

背景技术：

交流逆变驱动调速系统已经成熟广泛地应用于各工业生产领域，在大功率调速系统中，随着功率的增大，在电压一定的情况下，所需电流也会大幅增加。由于材料和工艺的限制，大功率开关器件电流容量往往难以满足要求。逆变器并联技术是将容量较小的变频/逆变模块，通过并联的方式，分担负载功率，降低单台设备开关管的电流负荷。该技术采用模块并联的方式，一方面，可以通过改变并联模块数目灵活的调整调速系统的容量；另一方面，在单台变频器出现故障时，可以单独切除故障模块，其他模块可以组成降额系统继续投入运行，提高了系统的冗余和可维护性。

逆变器并联技术在逆变电源和ups领域中有较多的研究，但其输出对象一般为恒频恒压的电网电源，其主要控制目标是实现功率分配和可靠传输。但在交流电机驱动领域，其控制对象为交流电机，逆变驱动单元电压幅值、频率是随着电机的不同运行工况而不断变化的，且其控制目标一般为转速和转矩。由于控制对象和控制目标不同，逆变器电源领域的并联技术方案不能直接应用到交流驱动领域。

在交流驱动领域，较为传统的逆变器并联方案一般为硬件级别的功率扩展，即直接扩展功率模块，然后接受统一的驱动脉冲信号，通过相同的物理路径和驱动器件保证各逆变模块间驱动信号一致，进而实现各功率模块间的均流。该方法中，对于并联逆变模块参数存在差异引起的环流，不能进行有效的抑制，对于系统由于偶发因素引起的环流，也不能及时的进行消除。

在逆变器并联驱动系统中，信号同步主要有两个方面：1、主控制单元下发到各并联模块单元的驱动使能禁止控制命令的一致性。具体的，如：在主控单元下发驱动使能/禁止命令时，可能出现部分并联模块已经使能驱动，而另一部分并联模块仍处于驱动封锁状态。2、各从控制模块驱动信号相位一致性。具体的，如：单台逆变器中从控制模块驱动信号周期主要由载波频率和各模块的计数器/晶振确定，在并联逆变系统中，各并联模块控制板发波晶振的差异，会导致其计数器之间存在累计误差。这样，即使在发波占空比给定相同的情况下，也可能出现并联模块间相同桥臂上驱动信号较大的电平误差。上述问题都有可能导致并联系统产生较大环流。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种交流驱动逆变器并联控制系统及方法。

本发明系统的技术方案为一种交流驱动逆变器并联控制系统，其特征在于，包括：主控制单元、多台并联模块单元、并联输出电抗器；主控制单元包括主控制单元控制板和主控制单元通信转接板；并联模块单元包括并联模块通信转接板、并联模块控制板和并联模块功率单元；

所述主控制单元控制板与所述主控制单元通信转接板通过导线连接；所述的并联模块通信转接板、并联模块控制板、并联模块功率单元通过导线依次串联连接或所述主控制单元通信转接板分别与所述的多个并联模块单元中并联模块通信转接板通过通信线依次连接；所述主控制单元通信转接板与所述的多个并联模块单元中并联模块通信转接板通过通信线依次串联连接。

作为优选，所述主控制单元控制板用于实现速度控制控制运算处理、电流控制控制运算处理、电压控制控制运算处理；

作为优选，所述主控制单元控制板用于实现n台并联模块单元的母线电压、三相输出电流值的集中计算处理功能；

作为优选，所述主控制单元控制板用于下发各并联模块单元的发波电压值即第j(j∈[1,n])台并联模块单元的三相驱动电压比较值cmprabc_j，下发第j(j∈[1,n])台并联模块单元的控制命令即第j(j∈[1,n])台并联模块单元的发波使能/禁止命令，cmprabc表示n台并联模块单元生成的总的三相电压比较值，cmprabc_j表示第j(j∈[1,n])台并联模块单元的三相驱动电压比较值，取k＝a，b，c表示逆变模块三相变量，cmprabc_j(k)表示第j(j∈[1,n])台并联模块单元的三相电压中第k相比较值；

作为优选，所述主控制单元通信转接板用于主控制单元与各并联模块单元的信息传输，接收各并联模块单元上传的运行信息即母线电压udc、三相电流iabc、功率模块温度、运行/停止状态，下发各并联模块单元的发波电压值即第j(j∈[1,n])台并联模块单元的三相驱动电压比较值cmprabc_j，下发第j(j∈[1,n])台并联模块单元的控制命令即第j(j∈[1,n])台并联模块单元的发波使能/禁止命令；

作为优选，所述并联模块控制板用于实现并联模块单元中母线电压udc、三相电流iabc、功率模块温度、硬件过压故障信号、硬件过流故障信号采集、硬件过压故障保护处理、硬件过流故障保护处理；经由所述并联模块通信转接板，接收主控制单元发送的各并联模块单元的发波电压值即第j(j∈[1,n])台并联模块单元的三相驱动电压比较值cmprabc_j，下发第j(j∈[1,n])台并联模块单元的控制命令即第j(j∈[1,n])台并联模块单元的发波使能/禁止命令；上传第j(j∈[1,n])台并联模块单元的运行状态信息；生成驱动发波信号以驱动所述并联模块功率单元；

作为优选，所述并联模块通信转接板用于第j(j∈[1,n])台并联模块单元与主控制单元间的信息传输；第j(j∈[1,n])台并联模块单元的运行信息包括母线电压udc、三相电流iabc、功率模块温度采样值，故障保护动作状态，运行/停机状态，接收所述主控制单元下发下发各并联模块单元的发波电压值即第j(j∈[1,n])台并联模块单元的三相驱动电压比较值cmprabc_j，下发第j(j∈[1,n])台并联模块单元的控制命令即第j(j∈[1,n])台并联模块单元的发波使能/禁止命令。

本发明方法的技术方案为一种交流驱动逆变器并联控制方法，其特征在于，包括：信号采样阶段控制、计算控制阶段控制、命令下发阶段控制、信号同步处理以及环流抑制处理。

作为优选，所述信号采样阶段控制为：

所述第j(j∈[1,n])台并联模块单元的并联模块控制板采集并联模块的母线电压、三相电流、功率模块温度，结合编号信息j，发送给所述并联模块通信转接板，发送至所述主控制单元通信转接板，通过所述主控制单元通信转接板发送到所述主控制单元控制板；

作为优选，所述计算控制阶段控制为：

所述主控制单元控制板将接受到的各并联模块单元的母线电压udc以及三相电流iabc进行汇总，由n台并联模块单元总的三相输出电流值iabc_total和母线电压udc，具体处理计算公式如下：

其中，iabc_j为第j(j∈[1,n])台并联模块单元的三相输出电流值，iabc_total为n台并联模块单元总的三相输出电流值，iabc_avg为n台并联模块单元的三相平均电流值，err_iabc_j为第j(j∈[1,n])台并联模块单元的三相环流值，udc表示母线电压，udc_j为第j(j∈[1,n])台并联模块单元的母线电压值，udc_avg为n台并联模块单元的母线电压平均值，err_udc_j为第j(j∈[1,n])台并联模块单元的母线电压与n台并联模块单元的母线电压平均值的差值；然后将其作为速度控制运算、电流控制运算、电压控制运算；

作为优选，命令下发阶段控制为：

所述主控制单元控制板将各并联模块单元的发波电压值即第j(j∈[1,n])台并联模块单元的三相驱动电压比较值cmprabc_j，以及第j(j∈[1,n])台并联模块单元的控制命令即第j(j∈[1,n])台并联模块单元的发波使能/禁止命令结合并联编号信息j，一起下发到主控制单元通信转接板，发送到对应所述第j(j∈[1,n])台并联模块单元的并联模块通信转接板，经过所述并联模块通信转接板中转，最终将上述控制信息发送到并联模块控制板中；

所述并联模块控制板基于第j(j∈[1,n])台并联模块单元的三相驱动电压比较值cmprabc_j，以及第j(j∈[1,n])台并联模块单元的控制命令即第j(j∈[1,n])台并联模块单元的发波使能/禁止命令，生成驱动信号用于驱动所述并联模块功率单元实现驱动控制。

作为优选，所述信号同步处理为：

将所述主控制单元控制板的载波同步信号作为所述主控制单元、所述多台并联模块单元的同步时钟信号，载波同步信号通过主控制单元通信转接板发送至所述多台并联模块单元的并联模块通信转接板，载波同步信号由所述并联模块通信转接板发送至各并联模块控制板，进而实现并联驱动系统中有一个共同的时钟参考基准；在并联驱动系统中，一方面将载波同步信号作为并联系统程序/命令更新周期触发来源，另一方面将载波同步信号作为控制芯片驱动脉宽调制发波模块计数周期基准来源。

作为优选，所述环流抑制处理为：

环流抑制中驱动信号脉宽调整通过调整第j(j∈[1,n])台并联模块单元的驱动电压比较值cmprabc_j实现：

cmprabc_j(k)＝cmprabc(k)+k*err_iabc_j(k)

其中，j＝1，……，n表示系统并联逆变模块编码,k＝a，b，c表示逆变模块三相变量，cmprabc表示n台并联模块单元生成的总体的三相电压比较值，cmprabc(k)表示三相电压中第k相比较值，cmprabc_j(k)表示为经过环流抑制处理后第j(j∈[1,n])台并联模块单元的第k相的驱动电压比较值，err_iabc_j(k)表示第j(j∈[1,n])台并联模块单元的第k相环流，k为环流抑制系数。

本发明优点在于：

主控制单元与各并联模块单元实现了分离，两者之间通过通信线进行数据交互。这样就可以通过通信端口的拓展，实现并联模块单元的增减，进而实现模块化并联系统的目的。通信方式可以选择为星型拓扑连接方式，也可以选择为链式拓扑连接方式。

上述设计中，从软硬件功能层面对主控制单元和并联模块控制单元的分工进行了划分。软件层面上，主控单元实现了交流逆变驱动系统所有控制层面的功能，故在实际应用中，整个逆变器并联系统与单台逆变器表现一致，保证了逆变器并联系统的统一性。在硬件层面，并联模块通过自身的控制板进行信号采集、故障保护及驱动信号生成，这种相对独立的处理方式保证了并联系统的模块化特性。

采用同步处理后，控制一致性层面，实现并机系统各并联模块相同控制周期内控制命令的基本一致；驱动信号相位一致性方面，每次发波周期，各并联模块都以该同步时钟信号为基准对控制芯片驱动脉宽发波模块计数器进行校正，进而保证了驱动发波脉冲信号相位一致性。

当某一并联逆变模块其中一相环流增大时，并联逆变模块会基于环流增大而增加驱动电压比较值，这会降低该相上管桥臂输出占空比，降低该相桥臂等效输出电压，进而降低该模块中对应相支路中的环流。

附图说明

图1：本发明逆变器并联系统方案结构图；

图2：本发明并联系统电流计算模块；

图3：本发明逆变器并联系统环流抑制策略示意图；

图4：本发明不同转速下w相输出电流及电流差值；

图5：本发明不同工况下总输出电流和环流值有效值；

图6：不同环流抑制w相输出电流及电流差值。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明中，提出了图1的两种连接方案，其主要区别在于最终选取的通信方式。前者适用于如sci、spi点对点通信模式，后者适用于如以太网链式连接方式。在本发明的实施例中，采用图1中通信方式星型拓扑连接的连接方案进行实现。

本发明实方式中系统为一种交流驱动逆变器并联控制系统，其特征在于，包括：主控制单元、多台并联模块单元、并联输出电抗器；主控制单元包括主控制单元控制板和主控制单元通信转接板；并联模块单元包括并联模块通信转接板、并联模块控制板和并联模块功率单元；

所述主控制单元控制板与所述主控制单元通信转接板通过导线连接；所述主控制单元通信转接板分别与所述的多个并联模块单元中并联模块通信转接板通过通信线依次连接；所述主控制单元通信转接板与所述的多个并联模块单元中并联模块通信转接板通过通信线依次串联连接。

所述主控制单元控制板用于实现速度控制控制运算处理、电流控制控制运算处理、电压控制控制运算处理；

所述主控制单元控制板用于实现n台并联模块单元的母线电压、三相输出电流值的集中计算处理功能；

所述主控制单元控制板用于下发各并联模块单元的发波电压值即第j(j∈[1,n])台并联模块单元的三相驱动电压比较值cmprabc_j，下发第j(j∈[1,n])台并联模块单元的控制命令即第j(j∈[1,n])台并联模块单元的发波使能/禁止命令，cmprabc表示n台并联模块单元生成的总的三相电压比较值，cmprabc_j表示第j(j∈[1,n])台并联模块单元的三相驱动电压比较值，取k＝a，b，c表示逆变模块三相变量，cmprabc_j(k)表示第j(j∈[1,n])台并联模块单元的三相电压中第k相比较值；

所述主控制单元通信转接板用于主控制单元与各并联模块单元的信息传输，接收各并联模块单元上传的运行信息即母线电压udc、三相电流iabc、功率模块温度、运行/停止状态，下发各并联模块单元的发波电压值即第j(j∈[1,n])台并联模块单元的三相驱动电压比较值cmprabc_j，下发第j(j∈[1,n])台并联模块单元的控制命令即第j(j∈[1,n])台并联模块单元的发波使能/禁止命令；

所述并联模块控制板用于实现并联模块单元中母线电压udc、三相电流iabc、功率模块温度、硬件过压故障信号、硬件过流故障信号采集、硬件过压故障保护处理、硬件过流故障保护处理；经由所述并联模块通信转接板，接收主控制单元发送的各并联模块单元的发波电压值即第j(j∈[1,n])台并联模块单元的三相驱动电压比较值cmprabc_j，下发第j(j∈[1,n])台并联模块单元的控制命令即第j(j∈[1,n])台并联模块单元的发波使能/禁止命令；上传第j(j∈[1,n])台并联模块单元的运行状态信息；生成驱动发波信号以驱动所述并联模块功率单元；

本实施例中，所述主控制单元和所述多台并联模块单元间采用sci通信；所述多台并联模块单元的数量为n＝2；所述主控制单元控制板采用ti公司f28m36型号芯片作为主控芯片，该芯片有四个sci通信模块，可同时支持四路sci通信；所述并联模块控制板采用ti公司tms2833x芯片作为主控芯片，该芯片有sci通信模块，所述并联模块控制板的数量为n＝2；采用光纤作为所述主控制单元和所述多并联模块单元间sci通信的传输介质；所述并联模块功率单元为两台额定容量为2.2kw逆变器组成，其额定电压380v，额定电流7.9a；所述并联输出电抗器采用1mh、0.5mh，控制对象为额7.5kw交流异步电机，交流异步电机额定电压380v，额定电流16.2a，额定频率50hz，极对数2，额定转速1440r/min，并拖动15kw直流电机的对拖机组。

下面结合图1至图6介绍本发明的实施方式，具体实施方式为：

本发明实施方式包括：信号采样阶段控制、计算控制阶段控制、命令下发阶段控制、信号同步处理以及环流抑制处理。

所述信号采样阶段控制为：

所述第j(j∈[1,n])台并联模块单元的并联模块控制板采集并联模块的母线电压、三相电流、功率模块温度，结合编号信息j，发送给所述并联模块通信转接板，发送至所述主控制单元通信转接板，通过所述主控制单元通信转接板发送到所述主控制单元控制板；

所述计算控制阶段控制为：

所述主控制单元控制板将接受到的各并联模块单元的母线电压udc以及三相电流iabc进行汇总，由n台并联模块单元总的三相输出电流值iabc_total和母线电压udc，具体处理计算公式如下：

其中，iabc_j为第j(j∈[1,n])台并联模块单元的三相输出电流值，iabc_total为n台并联模块单元总的三相输出电流值，iabc_avg为n台并联模块单元的三相平均电流值，err_iabc_j为第j(j∈[1,n])台并联模块单元的三相环流值，udc表示母线电压，udc_j为第j(j∈[1,n])台并联模块单元的母线电压值，udc_avg为n台并联模块单元的母线电压平均值，err_udc_j为第j(j∈[1,n])台并联模块单元的母线电压与n台并联模块单元的母线电压平均值的差值；然后将其作为速度控制运算、电流控制运算、电压控制运算；

所述命令下发阶段控制为：

所述主控制单元控制板将各并联模块单元的发波电压值即第j(j∈[1,n])台并联模块单元的三相驱动电压比较值cmprabc_j，以及第j(j∈[1,n])台并联模块单元的控制命令即第j(j∈[1,n])台并联模块单元的发波使能/禁止命令结合并联编号信息j，一起下发到主控制单元通信转接板，发送到对应所述第j(j∈[1,n])台并联模块单元的并联模块通信转接板，经过所述并联模块通信转接板中转，最终将上述控制信息发送到并联模块控制板中；

所述并联模块控制板基于第j(j∈[1,n])台并联模块单元的三相驱动电压比较值cmprabc_j，以及第j(j∈[1,n])台并联模块单元的控制命令即第j(j∈[1,n])台并联模块单元的发波使能/禁止命令，生成驱动信号用于驱动所述并联模块功率单元实现驱动控制。

所述信号同步处理为：

将所述主控制单元控制板的载波同步信号作为所述主控制单元、所述多台并联模块单元的同步时钟信号，载波同步信号通过主控制单元通信转接板发送至所述多台并联模块单元的并联模块通信转接板，载波同步信号由所述并联模块通信转接板发送至各并联模块控制板，进而实现并联驱动系统中有一个共同的时钟参考基准；在并联驱动系统中，一方面将载波同步信号作为并联系统程序/命令更新周期触发来源，另一方面将载波同步信号作为控制芯片驱动脉宽调制发波模块计数周期基准来源。

所述环流抑制处理为：

环流抑制中驱动信号脉宽调整通过调整第j(j∈[1,n])台并联模块单元的驱动电压比较值cmprabc_j实现：

cmprabc_j(k)＝cmprabc(k)+k*err_iabc_j(k)

其中，j＝1，……，n表示系统并联逆变模块编码,k＝a，b，c表示逆变模块三相变量，cmprabc表示n台并联模块单元生成的总体的三相电压比较值，cmprabc(k)表示三相电压中第k相比较值，cmprabc_j(k)表示为经过环流抑制处理后第j(j∈[1,n])台并联模块单元的第k相的驱动电压比较值，err_iabc_j(k)表示第j(j∈[1,n])台并联模块单元的第k相环流，k为环流抑制系数。

环流抑制处理，逆变器并联系统中，系统的电流由各并联模块采样得到，通过通信发送到主控单元控制板进行集中计算，各模块平均输出电流以及各模块与平均电流间的差值即为当其并联系统各模块的环流，并联系统电流计算模块如图2所示，其环流抑制策略如图3所示。

在上述逆变器并联测试系统中，并联均流电抗器采用1mh，控制模式采用闭环矢量控制，给定速度分别设为10％、50％、100％，分别录取其空载和带载工况下的运行电流波形如图4所示，将不同运行工况下输出电流和环流值结果整理如图5所示。

由上述测试结果可以看出，采用本方案的逆变器并联系统中，在上述不同的运行工况下都能在较小的系统环流下稳定运行。

为了验证系统的环流抑制能力，在上述两台逆变器并联系统中，将输出并联均流电抗器由原来的两个均为1mh，改接为一个采用1mh，一个采用0.5mh，在该模式下运行并联系统，录取禁止环流抑制和使能环流抑制两种工况下的波形如图6所示。

从图6中可以看出，当并联逆变系统元件参数不一致(输出并联均流电抗器电感值不等)时，系统图出现了较大的基波环流(有效值约1.38a)，当引入环流抑制系统后，系统环流值得到了明显的抑制(有效值约为0.5a)。这说明了当前系统中环流抑制处理的有效性。

测试结果显示，采用该发明中方法搭建的逆变器并联系统，可以实现正常的交流驱动运行与有效的环流抑制，是一种实用的交流系统逆变器并联方法。

尽管本文较多地使用了主控制单元、多台并联模块单元、并联输出电抗器、主控制单元控制板、主控制单元通信转接板、并联模块通信转接板、并联模块控制板、并联模块功率单元等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。