CN105471120B - 多逆变器并联的感应电能传输系统的恒流控制及环流抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多逆变器并联的感应电能传输系统的恒流控制及环流抑制方法。其主要作法是，借助各个并联逆变器支路电流和初级线圈电流的瞬时值，与参考正弦信号、参考余弦信号经过处理后得到初级线圈电流幅值、各个并联逆变器支路的有功电流值和无功电流功值作为PI调节器的反馈值。该方法的硬件电路简单，算法复杂程度低，得到的反馈值更准确，环流抑制效果好。

Description

多逆变器并联的感应电能传输系统的恒流控制及环流抑制 方法

技术领域

本发明涉及感应电能传输技术领域，尤其涉及多逆变器并联的感应电能传输系统环流抑制方法。

背景技术

感应电能传输技术已应用于轨道交通列车、电动汽车等移动设备供电。它与传统依靠导体直接物理接触的电能传输技术相比，其传输电能的过程不受污垢、冰、积水以及其他化学物质的影响，有效地提高了供电安全性和可靠性，有着良好的应用前景。

感应电能传输系统的结构和工作过程为：工频交流电经过整流器整流成直流电，直流电输入到高频逆变器装置后变换成高频的交流电；高频的交流电在初级线圈上激发高频磁场；与初级线圈并不直接接触的次级能量拾取线圈通过高频磁场近场耦合感应出同频交变电压，经过次级电路的电能变换装置变换成负载所需的电能形式供给负载，实现能量的非接触式传输。

近年来，越来越多的研究将感应电能传输系统应用到公共交通中，系统能量供给电源须要提供的功率要达到上百kVA或更大。在单逆变器装置作为能量供给电源的方案下，由于高耐压、高耐流和高频率的半导体器件相当昂贵或市场上根本不存在，因此，仅靠单逆变器装置方案无法实现。采用多逆变器并联构成的高频逆变器装置能提高系统能量供给电源的功率等级，但由于电子元器件的误差、以及逆变器输入直流电压的误差等因素，使得并联的高频逆变器之间存在差异，各个逆变器单元之间存在较大环流；该环流的存在会增加能量流过功率开关器件的电流，使得逆变器单元过流或过载，提供的功率不均等，降低感应电能传输系统的整体性能。为了简化感应电能传输系统的次级能量拾取端的控制，通过控制初级线圈电流达到设计值，使次级能量拾取端获得正比于初级线圈电流值的恒定电压输出。由此，需要对多逆变器并联的感应电能传输系统的恒流控制及环流抑制方法展开研究。

多逆变器并联感应电能传输系统中，已有的环流抑制方法有两种：方法一是通过检测电流幅值和相位(过零比较测量相位、最大值检测测量幅值)，将电流幅值和相位作为PI调节器的反馈量，通过逆变器输出电压的基波幅值调节和逆变器输出电压的移相调节实现多逆变器之间的环流抑制。其存在的问题是，硬件电路复杂，由于电流的高频特性，电流的相位检测容易受外界的干扰，并且当电流畸变时，硬件检测过零点得到的相位存在误差，控制器得到的电流反馈值不准确，进而导致环流抑制不理想。方法二是带锁相环的有功无功电流分解法，利用锁相后的正弦傅里叶变换和余弦傅里叶变换算出各个逆变器支路有功电流和无功电流，将有功电流和无功电流作为PI调节器的反馈量通过逆变器输出电压的基波幅值调节和逆变器输出电压的移相调节实现多逆变器之间的环流抑制。其存在的问题是，锁相环模块使得控制系统和硬件电路更复杂，若锁相环设计不当容易造成算出的逆变器支路有功电流无功电流存在误差，控制器得到的反馈值不准确，并联的高频逆变器之间仍存在较大的环流。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种多逆变器并联的感应电能传输系统的恒流控制及环流抑制方法，该方法的硬件电路简单，算法复杂程度低，得到的反馈值更准确，环流抑制效果好。

本发明所采用的技术方案是，一种多逆变器并联的感应电能传输系统的恒流控制及环流抑制方法，包括以下步骤：

A、电流采样器在一个系统工作周期T内，采集得到：初级线圈电流信号i(t)的离散值i(t_n)，t_n＝1T/N,2T/N,...,nT/N,...,NT/N和逆变器k的支路电流信号i_k(t)的离散值i_k(t_n)，t_n＝1T/N,2T/N,...,nT/N,...,NT/N；

其中：t为时间，N是一个系统工作周期T内电流采样器采集得到的初级线圈电流信号i(t)的离散值i(t_n)或逆变器k的支路电流信号i_k(t)的离散值i_k(t_n)的总数，t_n是初级线圈电流信号i(t)第n个离散值i(t_n)或逆变器k的支路电流信号i_k(t)第n个离散值i_k(t_n)对应的时刻，k是逆变器的序号、k＝1,2,3,...,K，K是逆变器的总数；

B、控制器同步给出参考正弦信号S(t)的离散值S(t_n)，S(t_n)＝sin(ωt_n)和参考余弦信号C(t)的离散值C(t_n)，C(t_n)＝cos(ωt_n)；其中，ω为系统工作频率，ω＝2π/T；

C、将A步的初级线圈电流信号i(t)的离散值i(t_n)与B步的参考正弦信号S(t)的离散值S(t_n)相乘得到初级线圈的参考正弦积离散值i^s(t_n)；将A步的初级线圈电流信号i(t)的离散值i(t_n)与B步的参考余弦信号C(t)的离散值C(t_n)相乘得到初级线圈的参考余弦积离散值i^c(t_n)；

将A步的逆变器k的支路电流信号i_k(t)的离散值i_k(t_n)与B步的参考正弦信号S(t)的离散值S(t_n)相乘得到逆变器k支路的参考正弦积离散值i^s _k(t_n)；将A步的逆变器k的支路电流信号i_k(t)的离散值i_k(t_n)与B步的参考余弦信号C(t)的离散值C(t_n)相乘得到逆变器k支路的参考余弦积离散值i^c _k(t_n)；

D、将一个系统工作周期T内的初级线圈所有的参考正弦积离散值i^s(t_n)和初级线圈所有的参考余弦积离散值i^c(t_n)分别经过截止频率为ω/10的数字低通滤波器滤除交流分量，相应得到初级线圈的参考正弦积直流分量i_s与初级线圈的参考余弦积直流分量i_c；

将一个系统工作周期T内的逆变器k支路所有的参考正弦积离散值i^s _k(t_n)和逆变器k支路所有的参考余弦积离散值i^c _k(t_n)分别经过截止频率为ω/10的数字低通滤波器滤除交流分量，相应得到逆变器k支路的参考正弦积直流分量i_sk与逆变器k支路的参考余弦积直流分量i_ck；

E、根据D步得到的初级线圈的参考正弦积直流分量i_s与初级线圈的参考余弦积直流分量i_c，算出初级线圈电流幅值I_m，

根据D步得到的逆变器k支路的参考正弦积直流分量i_sk、逆变器k支路的参考余弦积直流分量i_ck、初级线圈的参考正弦积直流分量i_s和初级线圈的参考余弦积直流分量i_c，分别算出逆变器k的支路虚拟有功值P_k，P_k＝2(i_si_sk+i_ci_ck)和逆变器k的支路虚拟无功值Q_k，Q_k＝2(i_ci_sk-i_si_ck)；

F、根据逆变器k的支路虚拟有功值P_k和初级线圈电流幅值I_m，算出逆变器k的支路有功电流值根据逆变器k的支路虚拟无功值Q_k和初级线圈电流幅值I_m，算出逆变器k的支路无功电流值

G、将F步骤的逆变器k的支路无功电流值作为PI调节器一的逆变器k环流抑制的支路无功电流反馈信号，将PI调节器一的逆变器k环流抑制的支路无功电流的给定值设为0，通过PI调节器一的调节得到逆变器k的支路无功电流放大误差再将该逆变器k的支路无功电流放大误差输入脉宽调制器，通过脉宽调制器实现对逆变器k输出电压的相位调节，从而对逆变器k的支路无功电流值进行抑制；

同时，将F步得到的所有逆变器k的支路有功电流值的平均值 作为PI调节器二的逆变器k支路有功电流的给定值，将F步的逆变器k的支路有功电流值作为PI调节器二的逆变器k的环流抑制的支路有功电流反馈信号，通过PI调节器二的调节得到逆变器k的支路有功电流放大误差

将逆变器k的支路有功电流放大误差与初级线圈电流幅值的系统设定值I_{m_ref}相加作为PI调节器三的初级线圈电流幅值给定值，将F步的初级线圈电流幅值I_m作为PI调节器三的初级线圈电流幅值反馈信号，通过PI调节器三的调节得到下一阶段的逆变器k输出电压基波幅值,输入脉宽调制器，通过脉宽调制器实现对逆变器k输出电压的基波幅值调节，从而对逆变器k的支路有功电流值进行均分控制。

本发明的主要工作原理是：

电流采集器采集初级线圈电流和各个并联逆变器支路电流的瞬时值，通过无锁相环的快速有功无功电流分解法得到初级线圈电流幅值、各个并联逆变器支路的有功电流值和无功电流功值作为PI调节器的反馈值，经PI调节器调节后作用于各个逆变器输出电压的基波幅值和各个逆变器输出电压的相位，经过反馈调节使初级线圈电流恒定，各个并联逆变器支路的有功电流均分，各个并联逆变器支路的无功电流得到抑制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

借助各个并联逆变器支路电流和初级线圈电流的瞬时值，与参考正弦信号、参考余弦信号经过处理后得到初级线圈电流幅值、各个并联逆变器支路的有功电流值和无功电流功值作为PI调节器的反馈值。这种无锁相环的快速有功无功电流分解法，减少了算法的复杂程度。并且，由于只需测量初级线圈电流和各个并联逆变器支路电流的瞬时值，而无需利用硬件电路(过零比较测量相位、最大值检测测量幅值)同时测量初级线圈电流和各个并联逆变器支路电流的幅值和相位，也无需借助锁相环节进行有功无功电流分解；从而简化了硬件电路，避免由于锁相环设计不当导致逆变器之间的环流抑制效果不佳；其得到的反馈值更加准确，环流抑制效果好，尤其适用于多逆变器并联的感应电能传输系统。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是一个多逆变器并联的感应电能传输系统使用本发明方法前的初级线圈电流、逆变器1支路电流、逆变器2支路电流波形图。

图2是一个多逆变器并联的感应电能传输系统使用本发明方法后的初级线圈电流、逆变器1支路电流、逆变器2支路电流波形图。

具体实施方式

实施例

一种多逆变器并联的感应电能传输系统的恒流控制及环流抑制方法，包括以下步骤：

A、电流采样器在一个系统工作周期T内，采集得到：初级线圈电流信号i(t)的离散值i(t_n)，t_n＝1T/N,2T/N,...,nT/N,...,NT/N和逆变器k的支路电流信号i_k(t)的离散值i_k(t_n)，t_n＝1T/N,2T/N,...,nT/N,...,NT/N；

其中：t为时间，N是一个系统工作周期T内电流采样器采集得到的初级线圈电流信号i(t)的离散值i(t_n)或逆变器k的支路电流信号i_k(t)的离散值i_k(t_n)的总数，t_n是初级线圈电流信号i(t)第n个离散值i(t_n)或逆变器k的支路电流信号i_k(t)第n个离散值i_k(t_n)对应的时刻，k是逆变器的序号、k＝1,2,3,...,K，K是逆变器的总数；

B、控制器同步给出参考正弦信号S(t)的离散值S(t_n)，S(t_n)＝sin(ωt_n)和参考余弦信号C(t)的离散值C(t_n)，C(t_n)＝cos(ωt_n)；其中，ω为系统工作频率，ω＝2π/T；

C、将A步的初级线圈电流信号i(t)的离散值i(t_n)与B步的参考正弦信号S(t)的离散值S(t_n)相乘得到初级线圈的参考正弦积离散值i^s(t_n)；将A步的初级线圈电流信号i(t)的离散值i(t_n)与B步的参考余弦信号C(t)的离散值C(t_n)相乘得到初级线圈的参考余弦积离散值i^c(t_n)；

将A步的逆变器k的支路电流信号i_k(t)的离散值i_k(t_n)与B步的参考正弦信号S(t)的离散值S(t_n)相乘得到逆变器k支路的参考正弦积离散值i^s _k(t_n)；将A步的逆变器k的支路电流信号i_k(t)的离散值i_k(t_n)与B步的参考余弦信号C(t)的离散值C(t_n)相乘得到逆变器k支路的参考余弦积离散值i^c _k(t_n)；

D、将一个系统工作周期T内的初级线圈所有的参考正弦积离散值i^s(t_n)和初级线圈所有的参考余弦积离散值i^c(t_n)分别经过截止频率为ω/10的数字低通滤波器滤除交流分量，相应得到初级线圈的参考正弦积直流分量i_s与初级线圈的参考余弦积直流分量i_c；

将一个系统工作周期T内的逆变器k支路所有的参考正弦积离散值i^s _k(t_n)和逆变器k支路所有的参考余弦积离散值i^c _k(t_n)分别经过截止频率为ω/10的数字低通滤波器滤除交流分量，相应得到逆变器k支路的参考正弦积直流分量i_sk与逆变器k支路的参考余弦积直流分量i_ck；

E、根据D步得到的初级线圈的参考正弦积直流分量i_s与初级线圈的参考余弦积直流分量i_c，算出初级线圈电流幅值I_m，

根据D步得到的逆变器k支路的参考正弦积直流分量i_sk、逆变器k支路的参考余弦积直流分量i_ck、初级线圈的参考正弦积直流分量i_s和初级线圈的参考余弦积直流分量i_c，分别算出逆变器k的支路虚拟有功值P_k，P_k＝2(i_si_sk+i_ci_ck)和逆变器k的支路虚拟无功值Q_k，Q_k＝2(i_ci_sk-i_si_ck)；

F、根据逆变器k的支路虚拟有功值P_k和初级线圈电流幅值I_m，算出逆变器k的支路有功电流值根据逆变器k的支路虚拟无功值Q_k和初级线圈电流幅值I_m，算出逆变器k的支路无功电流值

G、将F步骤的逆变器k的支路无功电流值作为PI调节器一的逆变器k环流抑制的支路无功电流反馈信号，将PI调节器一的逆变器k环流抑制的支路无功电流的给定值设为0，通过PI调节器一的调节得到逆变器k的支路无功电流放大误差再将该逆变器k的支路无功电流放大误差输入脉宽调制器，通过脉宽调制器实现对逆变器k输出电压的相位调节，从而对逆变器k的支路无功电流值进行抑制；

同时，将F步得到的所有逆变器k的支路有功电流值的平均值 作为PI调节器二的逆变器k支路有功电流的给定值，将F步的逆变器k的支路有功电流值作为PI调节器二的逆变器k的环流抑制的支路有功电流反馈信号，通过PI调节器二的调节得到逆变器k的支路有功电流放大误差

将逆变器k的支路有功电流放大误差与初级线圈电流幅值的系统设定值I_{m_ref}相加作为PI调节器三的初级线圈电流幅值给定值，将F步的初级线圈电流幅值I_m作为PI调节器三的初级线圈电流幅值反馈信号，通过PI调节器三的调节得到下一阶段的逆变器k输出电压基波幅值,输入脉宽调制器，通过脉宽调制器实现对逆变器k输出电压的基波幅值调节，从而对逆变器k的支路有功电流值进行均分控制。

图1是一个多逆变器并联的感应电能传输系统，使用本发明方法前的初级线圈电流、逆变器1支路电流、逆变器2支路电流波形图。从图1可以看出，未使用本发明的方法前，逆变器1的支路电流i₁与逆变器2的支路电流i₂存在明显的幅值不等和相角不等的情况，逆变器1与逆变器2之间存在显著的环流现象，在初级线圈电流幅值为12A的工况下，环流峰峰值大小为3A。

图2是一个多逆变器并联的感应电能传输系统，使用本发明方法后的初级线圈电流、逆变器1支路电流、逆变器2支路电流波形图。从图2可以看出，使用本发明方法后，逆变器1的支路电流i₁与逆变器2的支路电流i₂的幅值和相角在PI调节器作用下几乎完全相等(电流i₁的波形图和电流i₂的波形图几乎完全重合)，逆变器1与逆变器2之间的环流现象明显得到抑制，在初级线圈电流幅值为12A的工况下，环流峰峰值大小不超过为1A。

Claims (1)

1.一种多逆变器并联的感应电能传输系统的恒流控制及环流抑制方法，包括以下步骤：

A、电流采样器在一个系统工作周期T内，采集得到：初级线圈电流信号i(t)的离散值i(t_n)，t_n＝1T/N,2T/N,...,nT/N,...,NT/N和逆变器k的支路电流信号i_k(t)的离散值i_k(t_n)，t_n＝1T/N,2T/N,...,nT/N,...,NT/N；

其中：t为时间，N是一个系统工作周期T内电流采样器采集得到的初级线圈电流信号i(t)的离散值i(t_n)或逆变器k的支路电流信号i_k(t)的离散值i_k(t_n)的总数，t_n是初级线圈电流信号i(t)第n个离散值i(t_n)或逆变器k的支路电流信号i_k(t)第n个离散值i_k(t_n)对应的时刻，k是逆变器的序号、k＝1,2,3,...,K，K是逆变器的总数；

B、控制器同步给出参考正弦信号S(t)的离散值S(t_n)，S(t_n)＝sin(ωt_n)和参考余弦信号C(t)的离散值C(t_n)，C(t_n)＝cos(ωt_n)；其中，ω为系统工作频率，ω＝2π/T；

C、将A步的初级线圈电流信号i(t)的离散值i(t_n)与B步的参考正弦信号S(t)的离散值S(t_n)相乘得到初级线圈的参考正弦积离散值i^s(t_n)；将A步的初级线圈电流信号i(t)的离散值i(t_n)与B步的参考余弦信号C(t)的离散值C(t_n)相乘得到初级线圈的参考余弦积离散值i^c(t_n)；

将A步的逆变器k的支路电流信号i_k(t)的离散值i_k(t_n)与B步的参考正弦信号S(t)的离散值S(t_n)相乘得到逆变器k支路的参考正弦积离散值i^s _k(t_n)；将A步的逆变器k的支路电流信号i_k(t)的离散值i_k(t_n)与B步的参考余弦信号C(t)的离散值C(t_n)相乘得到逆变器k支路的参考余弦积离散值i^c _k(t_n)；

D、将一个系统工作周期T内的初级线圈所有的参考正弦积离散值i^s(t_n)和初级线圈所有的参考余弦积离散值i^c(t_n)分别经过截止频率为ω/10的数字低通滤波器滤除交流分量，相应得到初级线圈的参考正弦积直流分量i_s与初级线圈的参考余弦积直流分量i_c；

将一个系统工作周期T内的逆变器k支路所有的参考正弦积离散值i^s _k(t_n)和逆变器k支路所有的参考余弦积离散值i^c _k(t_n)分别经过截止频率为ω/10的数字低通滤波器滤除交流分量，相应得到逆变器k支路的参考正弦积直流分量i_sk与逆变器k支路的参考余弦积直流分量i_ck；

E、根据D步得到的初级线圈的参考正弦积直流分量i_s与初级线圈的参考余弦积直流分量i_c，算出初级线圈电流幅值I_m，

根据D步得到的逆变器k支路的参考正弦积直流分量i_sk、逆变器k支路的参考余弦积直流分量i_ck、初级线圈的参考正弦积直流分量i_s和初级线圈的参考余弦积直流分量i_c，分别算出逆变器k的支路虚拟有功值P_k，P_k＝2(i_si_sk+i_ci_ck)和逆变器k的支路虚拟无功值Q_k，Q_k＝2(i_ci_sk-i_si_ck)；

F、根据逆变器k的支路虚拟有功值P_k和初级线圈电流幅值I_m，算出逆变器k的支路有功电流值 根据逆变器k的支路虚拟无功值Q_k和初级线圈电流幅值I_m，算出逆变器k的支路无功电流值

G、将F步骤的逆变器k的支路无功电流值作为PI调节器一的逆变器k环流抑制的支路无功电流反馈信号，将PI调节器一的逆变器k环流抑制的支路无功电流的给定值设为0，通过PI调节器一的调节得到逆变器k的支路无功电流放大误差再将该逆变器k的支路无功电流放大误差输入脉宽调制器，通过脉宽调制器实现对逆变器k输出电压的相位调节，从而对逆变器k的支路无功电流值进行抑制；

同时，将F步得到的所有逆变器k的支路有功电流值的平均值 作为PI调节器二的逆变器k支路有功电流的给定值，将F步的逆变器k的支路有功电流值作为PI调节器二的逆变器k的环流抑制的支路有功电流反馈信号，通过PI调节器二的调节得到逆变器k的支路有功电流放大误差

将逆变器k的支路有功电流放大误差与初级线圈电流幅值的系统设定值I_{m_ref}相加作为PI调节器三的初级线圈电流幅值给定值，将F步的初级线圈电流幅值I_m作为PI调节器三的初级线圈电流幅值反馈信号，通过PI调节器三的调节得到下一阶段的逆变器k输出电压基波幅值,输入脉宽调制器，通过脉宽调制器实现对逆变器k输出电压的基波幅值调节，从而对逆变器k的支路有功电流值进行均分控制。