（电力电子与电力传动专业论文）中小功率逆变电源并联技术研究.pdf

燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i ti ss i g n i f i c a n tf o rm o d u l a rs p w mi n v e r t e r sp a r a l l e ls y s t e m t oe x p a n dt h e c a p a b i l i t y a n d i m p r o v er e l i a b i l i t y o fp o w e r s y s t e m f u l l d i g i t a l c o n t r o l i m p r o v e sp e r f o r m a n c e so fs y s t e m s op a r a l l e lo p e r a t i o no f m o d u l a ri n v e r t e r s w i t h f u l l d i g i t a l c o n t r o li sad e v e l o p i n gt e n d e n c yo fp o w e rs u p p l y t h i s d i s s e r t a t i o nf o c u s e so np a r a l l e lo p e r a t i o na n dc o n t r o lo fm o d u l a ri n v e r t e r s s y s t e m _ t h ep a p e ra n a l y z e sp a r a l l e li n v e r t e r ss y s t e ma n ds i m u l a t i o n sa r em a d e ， b a s e do nw h i c kp a r a l l e lc o n d i t i o n sa n dm a j o rf a c t o r st h a ti m p a c tc i r c u l a t i n g c u r r e n ta r eg o t i no r d e rt oe n h a n c et h ea b i l i t yo fc a r r y i i l gr e c t i f y i n gl o a d ，t h e s t r a t e g y o fc o m b i n i n gp ic o n t r o lw i t hr e p e t i t i v ec o n t r o li s p r e s e n t e d a n d s i m u l a t i o n sa r ed o n e e x p e r i m e n t a ls t u d , sa r c c o m p l e t e da d o p t i n g d s p c o n t r o l l e rt ov a l i d a t et h ea r m e g y t h i s p a p e r s t u d i e s c i r c u l a t i n g c u r r e n ta n dp o w e rc h a r a c t e r i s t i c sa n d c l o s e d - l o o pr e g u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fo u t p u tv o r a g e b a s e do nt h a t ，a i m i n g a td i f f e r e n c eo fm o d u l a t i o nr a t i o s ，p h a s e ss h i f ta n dd e a d z o n e so f “v 吨， s i m u l a t i o n sa b o u tc i r c u l a t i n gc u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c so f p a r a l l e ls y s t e ma r eg i v e n s e c o n d l y o u t p u tv o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c su n d e r p ic o n t r o la n d r e p e t i t i v ec o n t r o l s e p a r a t e l y a r e s i m u l a t e d c o m p o u n d c o n t r o ls t r a t e g yi s s t u d i e d ，w h i c hi s a d o p t e da c c o r d i n gt o s i m u l a t i o n s t h ed e s i g n so fp a r a l k ls y s t e mb a s e do n v o l t a g e a n dc u r r e n ti n s t a n t a n e o u sv a l u e sf e e d b a c kc o n t r o l u t i l i z i n gh i g h p e r f o r m a n c ed s p c o n t r o l l e ra l eg i v e n e x p e r i m e n t so np a r a l l e ls y s t e mw i t h r e s i s t a n c ei o a dh a v e b e e n c o m p l e t e d t h i sp a p e rg i v e sa n a l y s e s a n d c o m p a r i s o n s o f v o l t a g e c h a r a c t e r i s t i cu n d e r o p e n - l o o pc o n t r o l , s i n g l e c l o s e d - l o o pc o n t r o la n d d o u b l e c l o s e d l o o p sc o n t r 0 1 s t u d y r e s u k si n d i c a t et h a t c o m p o u n d c o n t r o lc a nr e s t r a i n p e r i o d i c i n t e r f e r e n c e r e s u l t i n g f r o mr e c t i f y i n gl o a d e f f e c t i v e l y ，o u t p u tv o l t a g ec a n 1 t a b s t r a c t s t a b i l i z e q u i c k l y ；d o u b l ec l o s e d l o o p s c o n t r o lc a r ld i m i n i s ho u t p u tv o k a g e d i s t o r t i o ne f f e c t i v e l ya n de n s u r ew a v e f o r m q u a l i t y k e yw o r d ss p w mi n v e r t e r ；p a r a l l e lr e d u n d a n t ；l o a ds h a r i n g ；f u l l d i g i t a l c o n t r o l ；p i c o n t r o l ；r e p e t i t i v ec o n t r o l ；d o u b l ec l o s e d - l o o p s i n s t a n t a n e o u sv a l u ef e e d b a c kc o n t r 0 1 t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yag r a n tf r o mt h ek e y p i d g r m so f t h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n o f c h i n a ( n o 5 0 2 3 7 0 2 0 、 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的意义 随着科技的发展，逆变电源在人们生产实践中的应用越来越广泛。逆 变电源对于改善供电质量、提高供电效率、防止供电污染和提高供电的可 靠性等方面都有十分重要的意义。目前，电源系统的发展趋势是采用新型 功率器件实现高性能电源模块化，再通过并联进行扩容，从而充分利用新 型开关器件的高频优势，如减小系统体积、降低噪音、提高动态响应速度 等。 逆变电源的模块化及其最优化并联控制技术研究，是交流电源从传统 的集中式供电向分布式供电乃至全功能电源模块系统供电模式 1 1 发展过程 中必须解决的一个重大课题。逆变电源模块化和并联化运行，可大大提高 系统的灵活性，打破了逆变电源在功率等级上的局限，用户可根据需要任 意组合系统的功率，同时可方便的采用冗余设计，因而具有可靠性高、易 大功率化的优点，可降低不同容量电源的设计成本和重复投资，并减少生 产和维护费用。 以往的逆变电源多采用模拟控制技术。但是在这种控制方式中，参数 受温度影响较大，而采用数字化控制可避免这种缺点。随着高速数字信号 处理器d s p 的发展，以及计算机运行速度的提高和现代控制理论的应用， 正弦逆变电源控制方案已由模拟控制向全数字化方向发展。采用数字化控 制方案，完成系统的检测、运算和控制，能大大提高系统的性能。 所以，模块化逆变电源全数字化并联控制技术具有广阔的发展前景和 实用意义。 1 2 模块化电源系统的发展及其特点 科学技术的突飞猛进，促进了电源技术的迅速发展。电源系统的任务 是安全、可靠、不间断的供给计算机、通讯等电子设备所需的电能。由于 燕山大学工学硕士学位论文 电源系统应用领域的日益推广和扩大，人们对其基本性能也相应提出了更 高的要求，如能全面贯彻电磁兼容各项指标；可以大规模稳定生产或快捷 单件特殊生产：能组建大容量供电系统；可以使外形小型化，总体结构和 外形能适应各种场合的要求等 2 ，”。 这些要求是电源装置在更广泛领域应用的关键。实际上，这些要求都 与电源系统的设计方案密不可分。电源系统方案的确定，即供电方式的选 取在很大程度上决定了其性能和可靠性水平。随蓑新的电力电子器件和变 换控制技术在电源系统中的应用，电源系统的供电方式经历了集中式供电 方式、分布式供电方式和全功能电源供电方式三个阶段。 传统的集中式供电系统有其固有的缺陷：供电系统各个输出电压之间 的偏差以及由于供电传输距离的不同而降低了供电质量；应用单台电源供 电时，一旦发生故障则可能导致系统瘫痪，并导致不可估量的损失。因而 在八十年代，随着高频电源技术及新型功率器件的发展，分布式电源供电 ( d p s ，d i s t r i b u t e dp o w e rs u p p l y ) 技术成为电力电子学的研究热点。研究内 容包括：高频化电源变换技术、高功率密度封装技术、电源单元并联技术、 功率因数校正技术以及电源模块化和电源系统智能化技术【4 、卸等。 分布式供电是相对于集中式供电而言的，它是利用最新的电源理论和 技术，做成相对较小的电源功率模块来组合成积木式、智能化的大功率电 源系统的供电系统设计方式。分布式电源主要有以下优点【6 7 】： f 1 ) 供电质量高各供电单元最接近负载，改善了负载的静态和动态响 应性能。 ( 2 ) 提高了系统的灵活性可将模块电源的开关频率提高到兆赫级，提 高了系统的动力密度，使电源系统的体积减小、重量下降。 ( 3 ) 高效、节能减小了传输损耗，提高了系统效率，节约了能源。 绀) 可靠性高各个模块的功率半导体器件的电应力减小，而且容易组 成+ 1 冗余供电系统，提高了系统的可靠性。 ( 5 ) 使用维护方便积木式、智能化系统现场维护方便、快捷，而且容 易扩容。 由于分布式供电系统具有规范化、模块化设计，便于扩容，工作频率 2 第1 章绪论 可以做得较高，功率密度可以做得较大等特点，在航空航天、通讯、航运 等多个领域得到了广泛的应用。 近几年来，分布式电源系统采用模块化技术并加上冗余不间断供电功 能，构成了新型的全功能电源系统供电模式。这种全功能电源系统能克服 其它供电模式的缺陷，又能实现电力的冗余，是几乎具备所有电源功能优 点的电源系统，同时它还具有容错功能和网络监控功能，因而使电源系统 的可靠性大为提高。 1 3 逆变电源并联技术的现状与发展 1 3 1 并联技术的现状与发展 当今对供电系统要求的趋势一个是高可靠性，一个是大功率化，这两 者都与逆变电源的并联( 逆变电源之间或逆变电源与公共电网之间) 运行控 制密切相关。逆变电源并联运行可以灵活扩大逆变电源系统容量；可以组 成冗余以提高运行可靠性；具有极高的系统可维修性，在单元逆变器出现 故障时，可以方便的进行热插拔( h o t s w a p p a b l e ) 阻城维修。 逆变电源输出是交变的正弦量，并联时需同时控制输出正弦波的幅值 和相角，所以交流逆变电源并联系统的设计和运行控制有相当大的难度。 目前，世界上许多国家( 如日本、美国、德国、荷兰等国家) 的逆变器公 司在逆变器并联冗余控制技术方面已经做了大量的工作，并有一系列的产 品投入使用。这些品牌的逆变电源系统的并联控制技术的特点表现在以下 几个方面： ( 1 ) 可并联的单元数增多目前，几种知名品牌的逆变电源如西门子、 三菱、东芝等公司可实现并联运行，但是并联单元数不超过1 0 个，其中只 有e x i d e 公司为无互联的控制方式，而其他公司多以主从控制或是分散逻辑 控制方式为主【9 】。采用先进的控制方式，以多种途径实现高可靠性并联运 行是逆变电源并联控制的一大发展方向。 ( 2 ) 采用高频链结构技术为完成逆变器的并联、提高逆变器的性能和 减少逆变器模块的体积，大多采用高频链 1 0 , 1 1 1 结构技术。逆变器内减少了 燕山大学工学硕士学位论文 工频变压器，装置的体积减小，重量减轻，同时也节约了成本，简化了装 置的复杂性。 ( 3 ) 采用新型的逆变电源控制技术以往对逆变器的研究侧重于采用 新型功率器件实现高频开关和s p w m 控制，减小滤波器尺寸，通过滤波器 的优化设计，实现其输出低阻抗，从而达到抑制输出波形失真和改善负载 适应性的目的。在新型功率开关器件技术逐渐成熟以后，为了进一步提高 逆变器的动态性能和静态性能，相应提出了许多新的控制方法，如：采用 瞬时电压控制基础上的电流前馈控制、滞环电流控制、无差拍( d e a d b e a t ) 控制、在三相逆变系统中采用空间矢量( s p a c e v e e t o r ) 控$ 1 j 等 1 2 , 1 3 】，这些新 型的控制方法在很大程度上提高了逆变电源的各项性能指标。 ( 4 ) 采用数字化控制技术数字化技术具有运算速度高、硬件电路标准 化、可靠性高、控制软件灵活、更改容易等优点。微处理芯片运算速度和 存储容量的不断提高，使性能优异而复杂的控制策略有了实现的可能。总 之，数字化控制技术使各种复杂的控制技术得以实现，使设备体积、重量 进一步减小，性能更为提高。 我国在逆变电源系统并联技术的研究方面起步较晚，还没有形成国产 化的系列产品。因而，对于数字化逆变电源并联系统的运行和控制还需进 行深入细致的研究。 l _ 3 2 逆变电源并联均流方法概况 在逆变电源并联系统中，各个逆变模块必须同步运行，才能均分负载 电流，消除逆变电源之间的环流。除此以外，各不同( 或相同) 容量的模块应 根据各自容量来负担负载的有功功率和无功功率，实现功率均分。要实现 逆变电源的并联运行，必须保证各逆变模块在各种负载条件下，正弦输出 电压的幅值、频率与相位完全同步。若没有适当的控制，任何一个微小偏 差都将造成很大的环流，严重降低系统的效率甚至损坏模块。 目前，已有许多均流控制方法。从并联模块间关系密切性的角度分析， 可分为三类：集中式( 主从式) 、分布式和无互联线式。 集中式控制是在系统中设置专门的稳压及均流控制模块( 主模块) ，从模 4 第1 章绪论 块为电流跟随器性质的逆变模块，各种负载条件下及动态过程中均可很好 的实现均流，从而使模块之间实现功率冗余【1 4 ，l “。 文献【1 6 】提出采用电压瞬时值和滤波电感电流瞬时值双闭环反馈的控 制方法，通过公用电压调节器实现负载均分。均流精度与滤波电容参数和 电流调节器放大倍数的一致性有关。优点是无需考虑并联的各逆变器输出 波形是否一致；对于相同容量单元模块的并联，均流精度较高；系统输出 功率与并联模块数成正比。缺点是对于不同容量的逆变电源并联，此方法 还有待进一步改进。 文献 1 7 】以并联逆变电源输出功率特性为基础，采用自动主从策略实现 逆变电源的同步并联运行。文献中建立了数模混合型逆变电源并联系统， 采用带电容电流反馈的瞬时电压波形控制方案。各台逆变器之间以d s p 为核 心，结合瞬时功率理论，各电源模块根据自身的容量和输出的有功和无功 功率来调节电压和频率，实现负载电流的均分和环流的抑制。此方法的优 点是无需检测负载电流，并联运行的各个逆变器按照容量均分负载的有功 功率和无功功率，并且不受线路阻抗的影响。系统中设置的有功和无功总 线传递的信号基本为直流信号，且信号线的同频带宽不需要太高，可较长 距离铺设。而以往集中控制方法中的电流信号线传输的是交流信号，非线 性负载下含有高频谐波，不适用于长距离铺设和大容量u p s ( u n i m e r r u p t i b l e p o w e r s u p p l y ，不间断供电1 系统。 集中式控制虽然均流效果较好，但是需要公共的控制电路，如果这部 分失效，整个系统将无法运行。 分布式控制( 无主从控制) 是将均流控制分散在各个模块中，并通过模块 间的信号互联线交流信息，所有模块都相同，所以可以真正实现冗余，一 般基于平均电流法或最大电流法【1 8 】。文献 1 9 , 2 0 提出了种实现瞬时值均 流控制的方法，是基于平均电流法的。此方法分别将各模块的基准正弦信 号、输出电压反馈以及电感电流进行叠加平均，作为每个模块的给定和反 馈，采用3 条低频信号总线( 母线) 实现均流。该方法能有效的抑制模块输出 线路阻抗不一致对均流效果的影响，但模块间信号线较多。文献( 2 1 中只需 两条互联线，一条为电压基准相位线，各模块输出正弦电压的频率和相位 5 燕山大学工学硕士学位论文 与电压基准相位线上方波的频率和相位保持一致，用于实现输出电压的同 步；另一条为平均电流线，提供均流信息。该系统结构简单，易于模块化， 采用低通互联线，系统抗干扰性好。平均电流法示意图如图l - l ( a ) 。把平均 电流法加以改进，将图中a 、b 两点间电阻用一个二极管代替( a 点为阳极，b 点为阴极) ，即成为最大电流法，如图1 - 1 ( b ) 所示。正常情况下电流均衡， 二极管截止。当某个模块电流增大，使二极管导通，该模块成为主模块， 其余模块为从模块。由于二极管的正向压降，主模块均流有一定误差，从 模块均流效果较好。现在这种方法在直流电源并联系统中有所应用。 ( a ) 平均电流法 ( a ) m e t h o do f a v e r a g e c u r r e n tc o n t r o l 流 均 流 母 线 “b ( ”改进电路 ( ”m o d i f i e dc i r c u r 均 流 母 线 图1 - 1 平均电流法和改进电路示意图 f i g 1 - 1s k e t c hm a p so f a v e r a g e c u r r e n tc o n t r o la n dm o d i f i e dc i r c u i t 无互联线控制是基于外特性下垂法的。文献【2 2 】提出一种基本的电压下 垂法，各模块直接并联，无专门的控制环节，无需联线，可靠性较好。但 是属于开环控制，对参数一致性要求较高，均流效果比较差。文献( 2 3 】采用 非线性增益的电压下垂特性控制，为各个并联模块输出电流设定范围，用 以修正模块的参考电压( 空载电压) 。这种方法提高了均流精度，改善了电压 调节特性，一定程度上降低了对参数一致性的要求，理论上可用于不同的 输出特性斜率。文献 2 4 2 8 提出基于有功、无功均分的电压下垂特性。每 个模块根据自身有功功率变化量和无功功率变化量，相应调节自身输出电 压的相位( 频率) 和幅值，保证各模块输出功率相等，达到均流的目的。每 6 第1 章绪论 个模块各自按照给定电压幅值和频率进行调节，不需要与其它模块通信。 各并联模块只与上位机通信，由上位机执行监控功能，模块间无需通信， 可以实现无联线控制。文献 2 4 ，2 5 1 在负载电压、电感电流双闭环控制基础 上，采用有功、无功电流前馈补偿的方法补偿调节输出电压的基准相位和 幅值，使并联单元之间自动同步，对并联单元参数一致性没有特殊要求。 文献 2 6 】提出了一种根据参考电压的相位变化量、幅值变化量与输出电感 电流变化量的关系导出的新型控制策略。但这两种方法需要进行一些较为 复杂的计算和锁相控制，限制了系统的响应速度。 目前采用较多的是频率、电压外特性下垂控制。文献 2 7 在下垂特性 中引入功率的微分一积分项，实际上就是引入有功、无功的p d 、p i d 运算， 提高了系统动态响应速度和稳定性。这种方法在线性负载下均流效果良好。 在非线性负载条件下，由于波形畸变导致存在失真功率，仅仅依靠对电压 频率、幅值的控制无法实现功率均分。文献 2 8 】提出了一种方法：通过由 失真功率的大小调节电压增益，在增益与失真功率之间建立下垂特性关系， 使逆变器能均分失真功率。通常电压增益衰减越大，分担失真功率效果越 好，但也意味着带宽的减小与波形的恶化。 无互联线法的优点是模块间无互联线，适合组成分布式并联系统，容 量的扩展方便、灵活，易于实现热插拔。不足之处是算法复杂，应采用数 字化控制技术实现。 除此以外，文献 2 9 ，3 0 1 提出3 c ( c i r e u l a r c h a i n c o n t r 0 1 ) 控制法，又称循 环链控制法。这种方法是并联的每个模块都引入其它模块的信号，使整个 并联控制系统在信号上形成一个环形结构，在功率输出方面形成并联关系。 此方法强化了各模块之间的耦合关系，使常规方案难以控制，故采用h 。理 论设计控制器以解决稳定性问题。但h 。控制器比较复杂，且设计难度大， 必须采用数字控制。 总之，模块化逆变电源的并联运行控制可以保证电网供电的稳定性和 扩容的灵活性，可以组成并联冗余系统以提高运行的可靠性，同时也使得 整个系统具有极高的系统可维修性，如果逆变器单元出现故障，可方便的 进行热插拔更换或维修。因而，逆变电源并联运行系统在各种应用领域必 7 燕山大学工学硕士学位论文 将得到广泛的应用。 1 4 本课题的工作及目标 本课题主要完成以下几个方面的工作： ( 1 ) 在查阅大量国内外文献的基础上，分析s p w m 逆变电源并联运行 系统模型的结构特点，详细研究并联系统的数学模型以及环流特性和功率 特性。 ( 2 1 基于s p w m 逆变电源的基本工作原理和并联系统的基本要求，研 究s p w m 逆变电源的开环和闭环特性，对常见的并联控制方案进行分析比 较。 ( 3 ) 针对s p w m 逆变电源并联运行时的多种换流工作模式进行分析和 比较，并针对各逆变电源模块间由于相位、调制比差异以及s p w m 驱动信 号的死区等因素对并联系统交流特性的影响，进行仿真和分析。 ( 4 ) 对逆变电源并联系统带整流型负载的情况，提出p i 控制与重复控 制结合的复合控制方案，并用m a t l a b 仿真，验证p i 控制、重复控制及复 合控制下逆变电源系统的输出特性。 ( 5 ) 在理论分析和仿真基础上，设计基于d s p 控制的全数字化并联控制 系统，并进行详细的性能实验研究。 本课题的目标是通过对逆变电源特性的分析，掌握逆变电源并联的基 本原理，为实现多模块中小功率逆变电源并联运行提供理论支持；在现有 实验室条件基础上，选择可行的均流方案，进行仿真和实验研究，最终实 现2 个1k v a 单相逆变电源模块并联运行。 第2 章逆变电源并联运行系统模型分析 第2 章逆变电源并联运行系统模型分析 逆变电源模块并联运行组成的是交流供电系统，各模块输出为交流信 号，所以它们之间的并联要比直流电源并联运行复杂得多。全数字化的 s p w m 调制技术应用于逆变电源系统中时，所采用的调制方式的选取可能 影响整个系统的输出特性及运行的稳定性，这需要对s p w m 调制方式的选 取和实现进行优化和补偿。 在实际的逆变电源并联系统中，由于电路参数的差异和负载的经常变 化或由于控制系统的固有问题，各逆变电源模块间的输出电压的瞬时值往 往不可能完全相等，这样，势必存在一定的电压差，从而在系统内部形成 环流，而环流会使各逆变电源的功率器件以及输出滤波器发热，严重时会 烧毁这些器件。因而，在逆变电源并联运行系统中，必须分析和解决电压 同步和均流控制问题。 本章首先分析比较了s p w m 的调制方式，然后讨论了高频链逆变电源 及其控制技术，并详细分析了并联系统的数学模型和功率特性，为后续章 节的讨论提供一定的理论依据。 2 1s p w m 逆变电源及其控制技术简介 2 1 1s p w m 波生成方法 s p w m 波生成的基本方法是引用通信技术中的调制概念，以三角波作 为载波，以正弦波作为调制波，正弦波和三角波的交点作为开关点而形成 s p w m 脉冲波。这种方法称为自然采样法【3 ”。在交点时刻控制开关器件的 通断，就可以得到宽度正比于调制波幅值的脉冲，即各脉冲的宽度是符合 正弦规律变化的，在输出端经滤波器滤波，便可得到5 0h z 的正弦信号。 2 1 - 2 并联系统中的s p w m 调制方式 2 1 2 1 单极性调制和双极性调制根据载波极性的不同，s p w m 调制方 式可分为单极性调制和双极性调制3 2 】，原理图见图2 - 1 。 9 燕山大学工学硕士学位论文 设载波为u 。，信号波为“，。若在“，的半个周期内三角载波只在正极性 范围内变化，s p w m 波可得到u d 和零两种电平；若在“，的半个周期内 三角载波只在负极性范围内变化，u 。有一u 和零两种电平。这种在“，的半 个周期内三角载波只在一种极性范围内变化，所得到的s p w m 波只在单个 极性范围内变化的控制方式称为单极性控制方式，如图2 - 1 ( a ) 所示。若“，的 一个周期内三角载波有正负两种极性，得到的只有砜和一玑两种电平， 这种控制方式称为双极性控制方式，如图2 - 1 ( b ) 所示。 黼“ m 二 膝限 一 挺醚j ( a ) 单极性s p w m ( a ) s i n g l ep o l es p w m 1 f “ 诞 ，。 。 l 卜 。 ( b ) 双极性s p w m ( b ) d o u b l ep o l e ss p w m 图2 - 1s p w m 调制 f i g 2 - 1m o d u l a t i o no f s p w m 在电压型逆变电路的s p w m 控制中，同一相上下两个桥臂的驱动信号 是互补的，这是为了防止上下两个臂直通造成短路而击穿器件。在上下两 臂通断切换时要留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间口m 。所以需要 1 0 第2 章逆变电源并联运行系统模型分析 一对无重叠的s p w m 波正确的开启和关断这两个器件。死区时间使一个功 率器件开启前，另一个功率器件已完全关断。死区时间的长短主要由功率 开关器件的关断时间决定。死区时间将会给输出的电压波形带来影响，使 其稍稍偏离正弦波。所以，在保证输出波形质量的情况下，应使死区时间 尽量小。死区时间应大于器件的关断时间，一般为几个微秒。 2 1 2 2s p w m 同步调制和异步调制s p w m 逆变电源的性能与两个基本 参数有关，它们是调制比( 肌) 和载波比( ) ，其定义【3 4 】为： 式中 u 。、f o ( 。、t o 卜参考信号波的幅值、频率( 角频率、周期) ； u 。、工( 。、i 卜载波信号的幅值、频率( 角频率、周期) 。 在s p w m 方式中，u 。的值常保持不变，调制比聊的改变由改变。来 实现，它可实现对逆变电源输出电压的控制。载波比的变化取决于信号 波频率厶和载波频率z 的相对变化值。在信号波频率的调节控制过程中， 视载波比是否改变，可将s p w m 调制分为异步调制和同步调制。 ( 1 ) 异步调制指信号波频率厶变化时，载波频率无保持不变，即不使载 波角频率。和信号角频率0 2 。同步变化的调制方法，通常也称为非同步调 制。因为信号波频率变化时，载波比也在不断变化，所以在信号波的一 个周期时间内包含的载波脉冲数不是定值，而是随着输出频率的降低成反 比增加。 采用异步调制方式可改善开关动作频率跳变和输出频率特性不平滑等 情况，且选择载波频率的自由度大，开关频率可固定，便于开关频率谐波 的抑制。但是异步调制可能使值出现非整数，相位可能连续漂移，即信 号波的正、负半周的脉渖数和相位不髓随时都保证对称，这样必然导致输 出波形出现偶次谐波 3 5 , 3 6 1 。 ( 2 ) 同步调制指信号波频率工变化时，使载波比保持不变。所以，同 步调制方式下，载波角频率。和信号角频率c o 。成正比的同步变化，即在信 r 2 瓦 = 吐一一丘矗 = = m 燕山大学工学硕士学位论文 号波的一个周期时间内包含的载波脉冲数为常数。 采用同步调制的控制策略可以保证输出波形的对称性，即信号波的正、 负半周内的脉冲数和相位能随时保证对称，不会发生异步调制中相位连续 漂移和相位误差累积的现象；由于输出波形的对称性( 关于二分之一周期及 四分之一周期对称) ，输出波形中只有正弦分量的奇次谐波存在，不会存在 偶次谐波问题【3 7 ，8 1 。 基于同步调制的特点，常规的逆变电源大多是基于s p w m 同步调制的， 这样可保证其输出波形具有较好的特性。但是，由于在同步调制中要保持 载波比为常值，实现起来要复杂一些。 综上所述，在恒压恒频s p w m 逆变电源的调制方式上，采用同步调制 尽管在实现策略上复杂一些，但使输出波形有较好的对称性，不存在信号 波和载波的相位关系之间的不稳定性，因而其谐波特性或输出波形失真度 要优于异步调制。此外，在逆变电源并联运行时，同步调制没有相位差的 累积效应，因而可较好的抑制有功环流分量。 基于对s p w m 调制方式的分析，本系统采用双极性同步调制方式。 2 1 2 3 并联同步的s p w m 调制方式本文研究的逆变电源并联系统采用 t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型d s p 芯片产生s p w m 信号。调制信号和载波 信号均在d s p 内部进行控制。这种控制的特点是： ( 1 ) 利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 工作频率高的特点，提高调制比和开关频 率，进而抑制谐波的影响。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的时钟周期为3 3n s ，s p w m 调 制中载波频率由t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 中周期定对器确定为i 0k h z ，载波比 为2 0 0 。 ( 2 ) 正弦基准信号通过查表法由软件产生，将存储在程序空间的正弦波 形数据转化成标准的5 0h z 的正弦调制信号；采用双极性调制方式，利用 d s p 定时器的比较功能，形成三角波，提供载波信号。在d s p 中可以方便 的控制载波信号与调制信号的频率和相位。 ( 3 ) 由d s p 为并联运行的各模块提供同步的s p w m 驱动信号，并使输 出电压基准信号保持幅值、频率和相位一致，以保证各模块输出电压波形 的同步性，提高并联运行的可靠性。 第2 章逆变电源并联运行系统模型分析 2 1 3 高频链逆变技术简介 高频链逆变技术这一概念是1 9 7 7 年由p m e s p e l o g e 和b k r o s e 等 学者提出的 3 9 。它用高频变压器取代了传统逆变技术中的工频变压器，克 服了工频变压器体积大，对输入电压及负载的波动、系统的动态响应差等 缺点，显著提高了逆变器的特性。迄今为止，高频链逆变技术已取得了长 足进步，在u p s 等领域都得到了应用。 高频链逆变技术按照功率的传输方向可分为两大类：单向型 ( u n i d i r e c t i o n a lp o w e r f l o wm o d e ) 和双向型( b i - d i r e c t i o n a lp o w e rf l o wm o d e ) 高频链逆变器；如按功率变换器的类型可分为电压型和电流型两种。现在 的高频链逆变器大多属于电压型高频链逆变器【4 0 】。 单向电压型高频链技术就是在直流侧和逆变器之间插入一级d c d c 变 换器，使用高频变压器实现电压的调整和电气隔离( 见图2 2 ) 。其中d c d c 变换部分可采用传统的p w m ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ，脉宽调制) 技术或软 开关p w m 技术。而d c a c 逆变部分一般采用s p w m 逆变技术】。 高频逆变器整流器s p w m 逆变器 图2 - 2 单向电压源型高频链逆变器 f 蟾2 2u n i d i r e c t i o n a lv o y a g em o d eb i g h - f r e q u e n c yl i n ki n v e r t e r 2 1 4 逆变控制技术简介 逆变控制技术是u p s 系统的核心，直接关系到u p s 的输出特性。u p s 逆交器主电路最常用的结构有半桥和全桥两种，如图2 3 所示。 全桥逆变器中功率器件的所承受的电压是半桥逆变器中的一半。从逆 变器的输出性能来看，全桥优于半桥，适合于大容量场合。而半桥结构开 关数量少，驱动简单，成本低。同时从单个电源模块来看，在无输出变压 器的系统中，半桥的输出波形不含因开关控制信号、管压降和开关速度等 燕山大学工学硕士学位论文 的微小差异形成的直流分量，在中小容量场合仍为首选方案。 ( a ) 半桥变换器 ( a ) h a l f - b r i d g ec o n v e r t e r ( b ) 全桥变换器 ( b ) f d l - b r i 起ec o n v e r t e r 负 载 豳2 - 3 单相逆变器主电路结构 f i g 2 3m a i n c i r c u i ts t r u c t u r eo f s i n g l e - p h a s ei n v e r t e r 就逆变器控制方式而言，现在多采用脉宽调制p w m 技术。其中消除 谐波的p w m 技术，通过查表的方式控制开关角，有效降低电压谐波。但 需要微机实时控制，数据存储量大，实现起来较为复杂。另一种是正弦脉 宽调制技术s p w m ，由于控制技术简单，输出谐波可控，响应速度较快， 是目前逆变器获得正弦输出的一种常见的方法。 2 2 并联系统的数学模型 2 2 1 逆变电源并联原理 两台逆变电源并联等效电路如图2 - 4 所示 图2 4 两台逆变电源并联原理图 f i g 2 _ 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f t w op a r a l l e li n v e r t c r ss y s t e m 1 4 第2 章逆变电源并联运行系统模型分析 要实现逆变电源的并联运行，关键就在于各逆变器应共同负担负载电 流，即要实现均流控制。现以两台逆变电源并联运行为例进行分析( 为使分 析简明清晰，这里不考虑滤波器阻抗和线路阻抗) 。 图中，”，和“2 为逆变电源桥臂输出s p w m 电压；l 1 、l 2 、c 1 和c 2 为 滤波电感和电容；z 为公共负载。 根据图2 4 ，可以列出以下电路方程： u 】一j m i l l = u o u 2 一j c o l 2 i m = u o ，l l + i u = 1 。l + l 2 + 1 + l e 2 + i l 2 = u o z( 2 - 1 ) i c l j o d c l = u o 。2 j o c 2 = u o 当c 1 = c 2 = c ，上1 = l ：= l 时，式( 2 1 ) 可简化为： ，l 1 + i l 2 = ( 1 z + 2 j o 。c ) u o 又因为： 玩： 坚坠 2 + j c o l ( z + 2 j o u c ) 由以上三个方程可解得： jll-等+三吼(土+2jog)22z ( 2 - 2 )“ i 越 ”、7 屯=一等刈10(_122z + 2 j 旧 ( 2 - 3 )“ j 越 ” 。7、。 由式( 2 - 2 ) 、( 2 - 3 ) 可以看出，i l 。、也由两部分电流组成，一部分为负载 电流分量，一部分为环流分量。负载电流分量总是平衡的( 在输出滤波器系 统相同时) ，但环流分量的存在使各逆变器输出的总电流不相同。 当、u ：相位相同时，电压高的环流分量呈容性，电压低的环流分量 呈感性。 警 = u ，一 l r1 燕山大学工学硕士学位论文 当轨、u ，幅值相等时，相位超前者环流分量为正有功分量( 输出有功) ， 相位滞后的环流分量是负有功分量( 吸收有功) 。 当哦、虬幅值和相位都不相等时，环流分量中既有无功部分，又有有 功部分。 综上分析，实现逆变电源并联运行要重点解决以下几个问题： ( 1 ) 要使并联运行的逆变电源输出有功功率相等，所有逆变电源的输出 电压频率以及相位要严格同步。即使频率相同，微小的相位差也会使并联 运行的逆变电源输出有功严重不平衡，典型情况下l 度的相差可引起5 0 的功率差异【4 2 】。当输出功率较小或是相差较大时，某些逆变电源甚至可能 运行于整流状态。 ( 2 ) 并联运行的各台逆变电源输出电压的频率以及相位严格同步后，若 输出电压幅值不相同，则输出电流中含有无功环流分量，使每台逆变器输 出电流增加，增加运行损耗，甚至使逆变电源的过载保护和过流保护电路 动作，使逆变电源不能正常工作。 ( 3 ) 因为逆变电源的输出电压和电流为正弦量，需要采用快速的电压电 流检测及控制技术，保证各逆变电源模块输出电压质量，使各逆变电源均 分负载电流和功率。 2 2 2 并联系统的数学模型 当考虑滤波器线圈电阻和线路电阻时，两台逆变电源并联等效电路如 图2 5 所示。 图2 - 5s p w m 逆变电源并联等效电路 f i g , 2 - 5e q u i v a l e n tc i r c u i to fs p w n i i n v e r t e r sp a r a l l e l i n gs y s t e m 1 6 第2 章逆变电源并联运行系统模型分析 图中，r 。、r 。：、r ，、r ：为等效的电感内阻和线路阻抗，、“：为 逆变电源桥臂输出的s p w m 电压，“。，、“：为逆变电源滤波器输出正弦电 压，c ，、c ：、l ，、l ：为滤波电容和电感，r 。为负载( 可为纯阻性、感性、 容性或整流型) 。 4 x = 【f 。i 。：巩 2 2 r ，口= - 。u 2 r ，a = 1 ( r ，r ：+ r 。r 。+ r ：r 。) ， 由图2 5 可得并联系统的状态方程： 史= a x + b u ( 2 4 ) 式中： a = 。 l o 1 c l 0 o r l i 上， o 1 c ， b = 2 3 并联系统模型特性分析 2 3 1 并联系统的环流特性 一上o l o 上 l ( r 2 + r l ) r l a c lc 1 r l ( r 2 + r l ) c 2c 2 上o l o 土 上 oo oo 逆变电源并联系统中的环流是由于各电源模块输出特性之间的差异所 形成的。现以图2 5 所示逆变电源并联系统为例。设两台并联逆变电源为相 同的容量，它们在静态下的输出电压口。、0 ：为标准正弦量，不考虑波形 畸变的影响。 由图2 5 可知： 燕山大学工学硕士学位论文 u o = ( 1 1 + 1 2 ) r l = i o r l j ：旦! l 二旦q 1 r l j ：u 2 2 - u 0 r ， r | j ： 战- ( 1 一赤蛾+ ( 1 一赤炽z 定义环流： 厶= 半 若r l = r 2 = r ，且r u ：，则各逆变 电源的电压反馈调节过程为： u o 1 ，则最 o 2 10o o0 010 o 0 o 4 10o 00100 ) 0 0 0 60100l00 0 0 70 0o 】00 10 0 o 80 l0000 l0 0 0 90 010l000 0 l o001000 1o 0 0 1 100 io0 l0 0 o 0 o o 1 501oo0l0 0 0 0 1 60100000l 0 4 3 并联系统均流及环流特性分析 4 3 1 并联系统环流仿真 并联系统中各s p w m 逆变电源在全数字控制方式下，由于调制比、相 位差异及s p w m 驱动脉冲中死区的影响，各逆变电源输出电