（电力电子与电力传动专业论文）单相逆变器无连线并联技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt o 锄s u r cr e d u n d a l l 啪e x p a n d a b i l i t y 锄dg o o dr e l i a b i l i t yo fap a w e rs 印p l ys y s t 锄，a p a r a l l e l - i r 雌向p o w e rs u p p l ys y s i s q u i 州g e r a l l y t h e f ea r et w ok i n d so fp a r a l l e l i n v e 她r p a w e rs u p p l ys y s t e m ：p a m l l e l - i n v e r t 盯s y s i e m 州mc o n n d li r i t e r c o n n e 甜sa n dp a r a l l e l i n v e r 垤t s y s t e mw 岫o u tc o r l 廿d li l l t e r c 咄c t i o 璐a st 1 1 el 甜e ri sm o 佗f l c ，( i b l e 锄de 够i e rt 0e x p a n d ，ni s s t u d i e dm o r em l dm o r en o w a d a y s i nt h i st 1 1 e s i s ，a l li n v e n e rc o r 曲0 l l e rc o m p o s e do fv o l t a g e 1 0 0 p 柚d 咖t t - l o o pw 嬲i i n r o d u c e d ， m e n 吐l ep 曲c i p ko f p a w e rd i s 乜曲i 砒o n ( p qd r o o pm e 也o d ) w 站眦8 l y 刹a r d 也e 如n c t 沁nt oc o n t 沁l t 1 1 eo u t p u tp o w e rw 鹊p m s e n t e d i l l f l u e n c e0 fc a b l ei m p e d 柚c e sd e v i 胡0 no nt l l ep o w e rd i s t 肋埘o n w 晒s 伽d i e di nt l l c o 叮卸d 州i d a t e db ys i m l l l a t i o n i i lo r d e r t ow c a k e nt l l i si 堋u e n c e ，咖i l l l p r o v e d d r o o pm e t l l o d ，h a n n o l l i ci n j e c t i o nm e t l l o d 锄do u 印u ti m p e d a i l c er e g m a t i o nm e t l l o d ，w 如i n 廿o d u c e d a n dan o v e li m p r o v e dd r o o pm 劬0 l ，p - qd | 0 0 pc o c 历c i e m g i l l a 土i o nm e t h o d ，w a sp r o p o s e d s i m u l a 廿o nr e s u 恼v a l i d a t e dt h i sp r o p 0 s e dm e t h o d a sm e t h o d sr n e m i o da b o v ec o u l do n l yd i g 缸b u t e a l t e m a d n gc u r r e n ad cc i r c 岫c u n n t 甜u a t o rw 够d e s i g 脯d i nm cf o l l o w i n gp a no ft i l i sp a p e lag e i l e m i i z c ds m a l i - s i 印a lm o d e lf o rp 跚_ a l l e l j n v e n e rp o w e r s u p p l ys y s t e mw 髂p r e s e n t e d w i mt i l es m a j l - s i g n a lm o d e l ，t i l es t a b i l i l yo f m es y s t c l nc o u l db es t t i d i e d 如dt l l ed r o o pc o e m c i e n t sb ec h o s c i ip r o p e r l y f i i l a l l y c x p e m e n tr e s u l t sw e r es l l o w e d ，w h i c hp r o v e dw h a th a ds t l l d i c di nm c o r ya n di n s i t n l 】1 a “o n k e y 啪r d s ：d i g i t a lc o n 删，w i r e l e s s 脚l 】e l i n v e n e r s ，p - qd r 0 0 pm 劬o d 锄a l l - s j g l l a lm o d e l ，o u t p l l t i m p e d a n c ed e s i g n ，h a m 砌ci n j e n i i 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 第一章绪论 随着工业技术的发展，设备的可靠性越来越受到人们的重视，如何给电子设备 提供商质量、高可靠性的电源己成为电力电子学科研究的一个主要方向。逆变器的 并联可实现电源系统的冗余，能大大提高电源系统的可靠性和容量，因此已成为电 力电子研究的一个热点。本章首先介绍了逆变器并联技术的研究意义，然后对逆变 器控制技术和并联技术的研究现状进行了概述，最后介绍了本文的研究内容。 1 1 逆变器并联技术的研究意义h 卅 现代工业界对电源系统的可靠性提出了更高的要求，单台逆变器能提供高质量 的电源，但是一旦电源发生故障，整个供电设备就会瘫痪。调查显示，电源系统已 成为电子设备最大的故障源。1 9 9 6 年美国电源学会的统计资料表明，美国计算机系 统4 5 以上的数据丢失是由电源故障引起的，远远高于2 的软硬件故障和3 的人 为故障。提高逆变电源可靠性可通过多台逆变器并联运行来实现，由多台逆变器给 电子设备供电，当其中一台或多台逆变器出现故障时，故障机自动退出供电系统， 而其它逆变器仍能给设备正常供电。具体而言，逆变器并联供电具有以下优点： ( 1 ) 通过并联可以提高供电电源的稳定性和可靠性。 ( 2 ) 通过并联可以构成更大功率的供电系统。 ( 3 ) 通过并联可以灵活构成各种功率容量，以模块化取代系列化，缩短研制周 期，提高各类开关电源的标准化程度及可维护性等。 1 2 逆变器控制技术0 1 。2 1 1 7 1 1 l 要实现并联，各逆变器的闭环控制器设计很重要，设计不当就不能稳定可靠的 并联运行。目前逆变器主要采用脉宽调制控制( p w m ) ，闭环控制器主要采用双环 反馈控制。双环反馈控制包括：瞬时值内环平均值外环反馈双环控制和电压外环电 流内环的双闭环控制。 瞬时值内环平均值外环反馈双环控制图如图1 1 所示，内环为瞬时值环，外环采 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 用平均值环控制。相比外环，内环速度快，在正弦给定的情况下，瞬时值内环反馈 能使输出电压波形尽量接近正弦波，从而减小输出的电压畸变率。外环为平均值环， 采用p i 调节器，速度较慢。有了平均值外环，可以保证输出电压有较高的精度。 图1 1 瞬时值内环平均值外环反馈控制框图 电压外环电流内环的双闭环控制最先用在直流调速系统中，是目前用得比较普 遍的一种逆变器控制方法。电流调节器实现电流跟随，过电流自动保护和及时抑制 电压扰动。逆变器通过采样输出电感电流或电容电流和输出电容电压，将外环电压 误差的控制信号去控制电流，通过调节电流使得输出电压跟踪参考电压值，提高系 统的动态响应。其控制框图如下： 图l 、2 电压外环电流内环反馈控制框图 1 3 逆变器并联技术概述i 蟛i 按照并联的各逆变器间是否有信号连线，可以将并联方案分为无连线并联与有 连线并联。有连线并联的逆变器除输出端连接到母线上外，相互间还通过信号线相 连，以获取其它逆变器的电流、电压和功率等信息。无连线并联的逆变器的输出端 直接连接到交流母线上，逆变器相互之间不存在信号连线。相比有连线的并联系统， 无连线并联系统中各逆变器的摆置更方便，而且可以有效地解决均流母线带来的并 淅江大学硬士学位论文1 绪论 联失败的问题。 1 3 1 有连线逆变器并联系统均流控制方法闭1 1 圳 有连线的逆交器并联系统均流控制方法主要有集中控制、主从控制和分布式控 制。 1 3 1 1 集中控制 在逆变器并联技术发展的早期，并联一般采用带有集中控制器的集中并联方 法。并联控制单元检测市电的频率和相位，给每个逆变电源发出同步脉冲。在没有 市电的时候，同步脉冲由并联控制单元产生，各个逆变器的锁相环电路用于保证其 输出电压频率和相位与同步信号相同。并联控制单元检测总负载电流，将负载电流 除以并联单元的个数作为各台逆变电源的电流指令，同时各台逆变电源检测自身的 实际输出电流，求出电流偏差。在有锁相环的情况下，各并联模块单元有一个同步 信号控制时输出电压频率和相位偏差不大，可以认为各并联单元的电流偏差是由电 压幅值的不一致造成的。所以这种控制方式之中把电流偏差作为电压环基准的补偿 量，用于消除电流的不平衡。 1 3 1 2 主从控制 为了避免集中控制器故障而引起系统的崩溃，有学者提出了一种主从并联。将 并联控制器放到每台逆变器中，通过一定的逻辑选择来确定台主机( 如最先启动 的一台为主机或将主机确定为固定的某台逆变器) 。当主机出现故障时，自动退出 系统，一台从机自动的切换为主机，执行主机的控制功能。这种控制方法的原理与 集中控制是一样的，但避免了控制器出现故障时整个系统的崩溃，提高了系统的可 靠性。典型的主从控制并联系统中，正常运行时只有主机的内部存在电压环，从机 内部没有电压环，从机接收主机的电压环输出作为电流环的电流基准，因此从机中 只有电流环起作用，主机是电压型逆变电源，而从机是电流型逆变电源。主从控制 解决了单个逆变器故障的问题，但是由于存在主从切换的问题，其可靠性也就打了 一定的折扣，一旦主从切换失败，系统将会瘫痪。 1 3 1 - 3 分布式并联控制 为了实现逆变电源的真正冗余，即并联系统中的每一台逆变器的运行都不依赖 于其余的逆变器，提出了一种分布式并联控制方式。它在逆交器的均流控制电路中 浙江大学硕士学位论丈l - 绪论 加入了一个求平均值电路，通过这个电路，逆变器之间的反馈电压巧，参考电压k 及反馈电流订的平均值都被用于每个逆变器的控制，各个逆变器的控制功能完全 致，加入或者去掉一个逆变器模块对系统来说也就不需要额外的逻辑判断了，较适 合冗余系统的维护。在分布式控制中，整个系统中各台逆交器的地位是相等的。当 某台逆变器一旦发生故障，该台逆变器就自动的退出系统，而其余的逆变器不受影 响。分布式控制的并联系统解决了集中控制和主从控制中存在的单台逆变器故障导 致整个系统瘫痪的缺点，使并联系统的可靠性大大的提高。 分布式控制方案虽然使系统以较高的可靠性得以运行。但是随着并联系统中逆 变器数量的增加，逆变器之间的相互连线将变得复杂。同时随着各台逆变器之间距 离的扩大，将导致联线的困难，干扰也比较的严重。而随着连线的增长和增多，也 进一步降低了系统的可靠性。特别是在采用模拟控制时，由于连线距离较远，干扰 较为严重。因此有的公司专门研制了采用光纤进行通讯的完全无电气互连线的并联 方式，这种方法提高了分布式并联控制的可靠性，但同时也提高了系统的成本。 1 3 2 无连线逆变器并联系统均流控制方法 无连线的逆变器并联系统均流控制方法主要有以下几种： 1 3 2 1 耦合电感控制法1 2 1 j 各逆变器的输出通过一个耦合电感连接到负载上。文献【2 1 】的分析表明，耦合 电感抑制环流的能力优于普通电感，用耦合电感抑制环流可使环流减小为用普通电 感并联时的( - 1 ) ，其中为逆变器并联系统的模块数，并且耦合电感不影响逆变 器并联系统输出电压的稳态精度。 1 3 2 2 电压幅值频率下垂控制法( 基本p q 法) 陷撕1 各逆变器检测各自的输出电压和电流，计算输出的有功功率和无功功率，根据 有功、无功功率调节各自的输出电压幅值和相位，控制方程如下： = 哝一埘 尸1 y ：k 一疗 qf ( 1 1 ) 其中嚷和屹为空载时的频率和电压幅值，m 和玎为下垂系数。控制框图如图1 3 所示。 4 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 图l - 3p o 法均流控制不意图 1 3 2 3 基于电流分解的无连线并联控制p j 基本p q 法只对有功功率和无功功率的均分进行控制，为了使带非线性负载时 的谐波功率也能有效地均分，文献【3 】提出了基于电流分解的无连线并联方法，控制 框图如图1 4 所示。基波有功无功功率的均分还按基于p q 下垂法控制，但电路中 加入了计算输出电流谐波分量部分，电压环h 的输出k n 与负载电流的谐波分量“ 合成电流环的参考量k f ，j 。f 作为电流环p i 控制器的输出，通过p i 控制生成p w m 驱动信号控制功率管。 1 3 2 4 引入功率微分环节的无连线并联控制心 文献【4 提出了有功功率、无功功率共同调节逆变器输出电压频率和幅值的均流 控制方法。并且为了提高数字控制的并联系统的动态响应性能，在对基本p q 下垂 法进行实验的基础上加入了微分环节以提高系统的动态性能。并联控制方程为： = 吃一t 尸+ 乞。q 一七一d p d fl 矿：_ 一 ，+ j p 一+ q 一。d q d f f a 2 ) 濒汪夫学硬士学位论文 | 绪论 图1 4 基于电流分解黪无连线势联控制框图 l _ 3 2 5 谐波注入控制法渊鲫 在参考电压信号中注入谐波来调熬输出的无功功率和谐波功宰，可以使弗联系 统实瑰无功翡率和谐波渤率豹均分，露功功率静玛分仍透过频率下垂法实魂。这种 控制方法可以减小引线魄阻对系统的影响，稳定时系统各逆变器问的电压差和频率 差都较小。织是输出电艨波形中谐波分蠹增大了，朔b 较大。系统中单台逆变器舱 控销框图如豳1 5 所示。 1 3 2 6 输出l 驵抗调整法l 捧龇l 在传统的逆变器 l l 环按嚣器外弓l 入一个虚拟阻抗月来调节逆变器静等效输蹬阻 抗，通过对输出阻抗的调节实现无功功率的均分。对有功功率骢均分氇与阻黼的下 垂法不一样，它根据有功功率的交流分盈来调节逆变器的输出电眶频率，从黼做到 了稳态时邀变嚣频率与空载时相同。这秘方法带 线性受载时壤愿畸变小，蔼晨戆 出电压无凝察下降，毽怒溪同时采样电容电流和输嬲电流，增加了硬件成本。 6 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 图1 ，5 谐波注入控制法示意图 1 4 本文研究的内容 本文对逆变器进行了建模分析，设计了电流内环和电压外环补偿网络以提高逆 变器的稳态性能和动态响应；介绍了p q 下垂均流控制原理，分析了连线阻抗大小 不等对电流均分的影响；利用并联系统的小信号模型分析了下垂系数对并联系统稳 定性的影响；对谐波注入法和逆变器输出阻抗控制法进行研究，并提出了一种改进 的控制方程，提高了并联系统的均流度。 本文的内容包括： 第二章介绍了电压外环电流内环逆变器的双闭环控制器的设计，分析了逆变器 的稳态特性、输出阻抗和动态性能。 第三章着重介绍了电压幅值频率下垂法均流控制的基本原理，分析了各种连线 阻抗条件下均流控制方程的变化，逆变器与负载间连线阻抗差异对均流效果的影响。 提出了改进的下垂控制方程以提高并联系统的均流度。 第四章建立了基于下垂法的小信号模型，分析了系统稳定性，介绍了基于并联 系统小信号模型的下垂系数选取方法。 7 浙江大学硕士学位论文1 绪论 第五章介绍了并联系统的具体实现方法和实验结果。 第六章是本文的总结和展望。 浙江大学硕士学位论文 2 逆变器闭环控制器的设计 第二章逆变器闭环控制器的设计 逆变器实现并联，要求逆变器应具有较快的动态响应，能对电流突变做出快速 调整。由第一章分析可知，电压外环电流内环的双环反馈控制器具有较高的稳定性 和较快的动态性能，能满足实际应用中人们对电源质量的要求和并联系统对逆变器 动态响应的要求。本章首先介绍了s p 咖全桥逆变器的数学模型，然后在数学模型的 基础上设计了电压外环电流内环的双闭环反馈控制器，最后分析了逆交器的输出阻 抗。 2 1s p 咖单相全桥逆变器的数学模型 2 1 1 逆变器平均状态空间模型 单相全桥逆变器的主电路图如图2 1 所示，其中为直流母线电压，和c 分 别为输出滤波电感和滤波电容，屹为滤波电感的等效串联电阻，r 是逆变器的负载， 埘为输出p 胁f 电压的占空比，这样川k 。就是开关周期内的平均输出电压。 得： 图2 1 单相全桥逆变器主电路 以电感电流和电容电压为状态变量可列以下方程： 譬= m 吃一v d 一帆 ( 2 1 ) m ” c 孕：t 一如 ( 2 2 ) 出 “ 一7 其中t 为滤波电感电流，v o 为滤波电容电压，岛是负载电流。由上面两式可解 9 激汪夫学硬士学搜论文 2 逆嶷器霞环控爱i 器缒竣谛 工c 笔十屹c 誓十v 。= m k 一扔k 一哮 ( 2 3 ) 设逆燮器的参考电雁= s i n 泓) ，开环控制时埘s i n ( 耐) 2 薏， 搬玩= 每2 甄，蒸中墨2 苦必壹滚母线壤蹑与参考滚悉蟮篷之魄。控裁 框图如图2 2 所示： 图2 2 逆燮器开环控制橇图 这撵驳埝入( s ) 嚣岛霆对传雳辩，s 域里邀交器斡毫毯辍凌夔应关系式零表 示为： 啦扣赫一最褥) ( 2 国 2 1 2 逆变器等效输出阻抗模型 式( 2 。) 冒楚写必： k ( 5 ) = 瓯( s ) 一乞o k ( s ) ( 2 5 ) 舯啪净面专忑饭灯祧鹾黪抛鼬麟龇堋 、 三二c 厄o ) = ：；耘具有阻抗的量纲，反映了输出电压随负载电流下降的趋 、 互c 7 势。根据戴维宁定理，乞o ) 可等效为逆变器的输出阻抗，等效魄路模型如图2 3 所 示。 o 浙江大学硕士学位论文 2 逆变器闭环控制器的设计 z 捌0 ) 图2 - 3 逆变器输出阻抗等效电路模型 2 2 逆变器闭环控制器的设计 电压、电流环分别加入控制器后，系统的控制框图如图2 4 所示。 v 图2 4 逆变器闭环控制示意图 其中q 。( 5 ) 和瓯( s ) 分别为电压外环和电流内环控制器。输出电压与参考电压相 比较，所得的误差信号经过电压外环控制器处理，输出电感电流的参考量0 ，0 减 去采样回来的电感电流所得的误差信号作为电流内环控制器的输入，电流误差信号 经电流环控制器处理后的输出为p w m 信号珊，再经驱动电路控制功率管的通断。 2 2 1 电流内环控制器的设计 设逆变器负载为r ，则输出电流( s ) = v o ( j ) 胄，对图2 4 作等效变换可得： 图2 5 逆变器带负载时闭环控制框图 由图2 5 可求出电流环的开环传递函数为： 浙江大学硕士学位论文 2 逆变器闭环控制器的设计 g i o ：睾赢葛蕊 亿6 ) 电流环开环零点为z j = - 1 2 5 0 ，极点为只= ( m 6 7 5 7 8 8 j ) x 1 0 3 ，系统的b o d e 图 如图2 6 所示： h * 【 ”厂t 墨曩可_ 1 卜一j _ 附；一一；一；j ；j j 复2 。l ；一j ；王；蠢一；一；一 ；l ；j ； l 斗专甍精h 删一 1 。l ：o = ：；量乏一= ：= o 崮* 鼍 p 竹 ： k 浙江大学硕士学位论文2 逆变器闭环控制器的设计 图2 7 电流环加入控制器后的开环及闭环波特图 2 2 2 电压外环控制器的设计 将电流内环控制器的表达式瓯：鱼丝代入图2 5 所示的控制框图，可 s 以得到不加电压外环控制器时电压环的开环传递函数： 寺2 两瓦丽而雨兹等箫笺再瓦面丽丽亿s )( 三c + 吆胛) ，+ ( 吒船+ 三+ 虬+ 向e ) s 2 + ( 五+ 吒+ k + 屯船h + ” 电压环的开环零极点为： 五。2 = ( 一o 6 7 2 7 8 8 j ) 1 0 3 只】。2 = ( _ 0 6 7 3 7 8 8 j ) 1 0 3 ，只3 = 一7 3 0 图2 8 电压环未加控制器时开环波特图 即 帅 0 基ixbx 新江夫学疆警靛论文 2 逆嶷嚣麓拜控裁器辩设计 图2 g 为未加电压外环控制器时的圈，从图中w 以看出，其交越频率过磷。由 于系统零点鸯极点中熬茭撬复棂可抵滚撼，电压夕 臻控隶器可鼹p | 控裁器来实现， 其零点设在7 3 0 附近。要使系统交越颓率设为1 0 k 勰d ，s ，电压外环控制器可设计为 ! ：竺! 唑即 s g 。鳌三塾犯8 ) 瓯= 卫2 ( 2 8 ) 其中k o 4 ，b 一3 0 0 。加入电愿环控制器厝的系统开环殿闭环波特图如图 2 。9 掰示。 “r 。_ 一i f 可_ 1 一可i f _ _ 可；i 7 1 1 、。j _ = ；=i， 闭帮 = ；、h 、 ii 。二翌二：= = ：皇二：! ：! 。一二三二l 上- o 二_ 二：2 = = ；二二 。一；i f “f 一一i 、 圈2 9 电压环加入控制器后开环及闭环波特图 2 。3 逆变器输窭阻抗分析嘲 由图2 4 可知 掰。半f 华e 吲一q ss 。 l 联立式( 2 1 h 2 3 ) 可得： 0 ) = g 埘、0 0 ) 一瓦( s ) ( 2 1o ) 其孛： g h 。一一一： 坠叠! ! 鱼巍：生笙! 生生叠竺筮歉 。”( 屯c + 五c 弦4 + ( k k + c + 吒c ，妒+ ( k k + + 吒c + 1 ，琢) s 2 + ( b 乏彳焉瓦矗j j 石i 7 一五，3 嵇；+ 吃，强耷2 + 氛菩 k 3 面瓦面历再面再丽百丽河面衰专意瓦寿弼酽巧忑瓦丽 1 4 浙江大学硕士学位论文 2 逆变器闭环控制器的设计 瓦为闭环控制的逆变器的输出阻抗，其波特图如图2 1 0 所示。 从图中可以看出，5 0 h z 时逆变器的输出阻抗角约为8 8 。，可认为是纯感性， 大小约为o 5 q 。一般来说，输出阻抗越大对并联后的均流越好，但是过大的输出阻 抗会使逆变器带负载运行时产生较大的电压降，因此设计逆变器时必须折中考虑。 图2 1 0 闭环控制的逆变器输出阻抗 2 4 本章小节 本章首先介绍了逆变器的数学模型和逆变器输出阻抗等效电路图。然后详细介 绍了逆变器电流内环和电压外环的设计步骤，选取了适当的控制系数。最后分析了 双环控制逆变器的输出阻抗，得知其输出阻抗在5 0 h z 时可认为是纯感性的，大小 约o 5 q 。 习消硼 鬻一 啊影一 一一一霪 一i；-， 浙江大学硕士学位论文 3 逆变器并联系统的均流分析 第三章逆变器并联系统的均流分析 “世界上没有两片相同的叶子”，同样，世上也不可能有两台相同的逆交器。由 于a d 采样存在误差，电子元器件个体间也有差异，逆交器与负载间连线阻抗各不 相同，环境温度等的变化也会对逆变器的输出产生影响，如果不加均流控制器，并 联的逆变器间会产生较大的环流甚至不能并联运行。并联系统的环流包括交流环流 和直流环流。交流环流是输出电压的幅值或相位不一致的结果，可通过调节输出电 压的幅值或相位来控制；直流环流则是各逆变器输出电压的直流分量不一致造成的， 可通过调节输出电压的直流偏置进行控制。 无连线并联系统中由于不存在信号连线，每台逆变器只能检测到自己的输出功 率而无法得知其它逆变器的输出功率和负载大小，一般用电压幅值频率下垂法( p o 下垂法) 进行交流环流的控制。本章首先介绍了电压幅值频率下垂法的基本原理和 不同阻抗条件下的下垂控制方程，然后分析了各逆变器连线阻抗的差异对电流均分 度的影响，并提出了改进的均流控制方程以提高并联系统的均流度，最后介绍了消 除直流环流的方法。 3 1 电压幅值频率下垂法的原理 取两台逆变器并联为例，其简化的原理图如图3 1 所示。逆变器1 输出阻抗与 连线阻抗之和为+ 瞄= 恐，么仡。，逆变器2 输出阻抗与连线阻抗之和为 吒+ 成= 吃2 z 纯2 。 图3 1 逆变器并联简化原理图 1 6 浙扛大学硕士学位论文3 逆变器并联系统的均流分析 建爻器雅( 萨l ，2 ) 的输出电流为： = 鬻 ( 3 t ) 输出功率： 最：么：只+ j 1 幺( 3 2 ) 其中只为逆交器糟的输出有功功率，q 为逆交器押的输出无功功率。 e 2 去孵c o s 一k k c o s ( + ) 】 ( 3 3 ) q = 去孵s i n 一k 圪s 瓤+ ) 】 ( 3 4 ) 图3 2 为连线阻抗角仡取不同值时有功功率只、无功功率q 对输出电压幅值k 和相位角纯的变化曲线。 电压幅值：v a 无功功率对输出电压幅值的变化曲线 电压幅值：v m 1 卿 釜 辱“ 嚣。 藩m - 1 咖 1 蜘 ： 、专 、 、 ，仡 = u 、二 v ? 一x 1 卵 i ： 、盼6 0 、弋妒毒：、， - 、 电压相位( 仍) ：度 b 无功功率对输出电压相位的变化曲线 c 有功功率对输出电压幅值的变化曲线d 有功功率对输出电压相位的变化曲线 图3 2 讫取不同值时、幺对和纯的变化曲线 浙扛大学硕士学位论文 3 逆变器并联系统的均流分析 从图中可以看出，连线阻抗角伤不同时，只、g 对输出电压的幅值或相位 角的变化率不一样。仍越靠近9 0 。，无功功率q h 对输出电压幅值k 的变化率越 快，对输出电压相位角的变化率则越慢，当仡= 9 0 6 时，2 几乎不随纯而变 化，只随k 变化。讫越靠近o 。，无功功率q 对输出电压相位角织的变化率越 快，对输出电压幅值圪的变化率则越慢，当仡= 0 。时，q 几乎不随k 而变化， 只随纯变化。有功功率只与电压幅值和相位角的关系也有类似的特点，不同的 是当仡靠近9 0 。时，的变化主要取决于依的变化，而当仡靠近o 。时只主要 随e 而变。下面从理论上对此进行分析： 3 1 1 连线阻抗为纯感性时的均流控制方程p 川阐i 蚋7 1 此时伊矗= 9 0 。，由式( 3 3 ) 和式( 3 4 ) 可得 只= 警 幺= 平 ( 3 5 ) 一般情况f ，连线阻抗远小于负载阻抗，见伽= 1 ，2 ) 非常小，司作如f 近似： s i n 纯2 c o s 1 所以： 只= 等s i n m 等纯 印 研2 半一鼍导 ， 逆变器输出有功功率是其输出电压幅值和功率角的函数，式( 3 6 ) 两边取微分 可得： 蛾= 砉( 圪+ 体- k + 纯) ( 3 8 ) 由于口( 行= 1 ，2 ) 很，j 、，有 k k k k 吼 式( 3 8 ) 可化简为： 1 8 浙江大学硕士学位论文 3 逆变器并联系统的均流分析 瓴= 警蛾 ( 3 9 ) 式( 3 9 ) 说明有功功率随输出电压相位角的变化而变，输出电压幅值对有功功 率的影响不大，与图3 2 ( c ) 和图3 2 ( d ) 中，= 9 0 。时有功功率对电压幅值和 相位角的变化曲线相符。 同理，对式( 3 6 ) 两边取微分，可得 鲺：三警“ ( 3 1 0 ) 1 h 式( 3 1 0 ) 说明无功功率主要随输出电压幅值的变化而变，输出电压相位角对 无功功率的影响较小，也与图3 2 ( a ) 和图3 2 ( b ) 中，= 9 伊时无功功率对电 压幅值和相位角的变化曲线相符。 从式( 3 9 ) 和式( 3 1 0 ) 可看出，输出电压相位超前的逆变器输出的有功功率较 大，输出电压幅值较大的逆变器输出的无功功率也较大，因此可以通过使有功功 率大的逆变器的输出电压相位滞后的办法来调节有功功率的分配；通过使无功功 率大的逆变器的输出电压幅值减小的办法来实现无功功率的平均分配。具体控制 方程如下： q = 国一k 。只 k ：儿q ( 3 1 1 ) 其中+ 和旷分别为空载时的输出频率和电压幅值。 3 1 2 连线阻抗为阻性时的均流控制方程 此时尹n = o 。，由式( 3 3 ) 和式( 3 4 ) 得 p ：鲨= 匕匕! ! ! 终 “ 屯 q = 警 分别对式( 3 1 2 ) 和式( 3 1 3 ) 两边取微分可得： 瓴：型丛屹 g 。= 一警奉 1 9 ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) 浙江大学硕士学位论文3 逆变器并联系统的均流分析 上两式说明有功功率主要随输出电压幅值而变，电压幅值越大的逆变器输出 有功功率也越大；无功功率主要随输出电压相位而变，相位超前的逆变器输出的 无功功率较小。这也与图3 2 相符。相应地，此时均流控制方程应为： q = 国+ q ( 3 1 6 ) 吒= 旷一屯，只 ( 3 1 7 ) 3 1 3 普通连线阻抗的控制方程 普通连线阻抗的感性分量和阻性分量均不可忽略，此时0 。 伊。 0 ，这说明岛大于0 0 0 8 1 时系统会不稳 定。与岛。选取分析类似，k = o o o l 5 时系统有较好的稳定性和较快的动态响应。 4 3 浙江太学硕士学位论文4 逆变器并联系统的稳定性分析 盏 善 f s ( a ) = o m o l ，= = o ， 南w 。o 0 0 0 l 0 0 1 ( b ) = 0 0 0 1 3 ，k = 二0 ，k = 0 0 0 0 l 0 0 1 l ；! ! 。沙 一书6 0 0 i 谬 酒“l 箭百 天 阳 | 蕊k r n r s ( c ) 山= o 0 0 1 3 ，岛e 2 0 0 0 1 5 ， m = 0 ，k = 0 0 0 0 l 加0 1 r e d s ( d ) 与m _ o 0 0 1 3 ，= o j d 0 1 5 ，k = o 肿0 5 ， 七。扩o m o l 0 0 l h 矗 俨 砧 、拍 ，m h 8 目 s ( e ) r l = 5 0 m l ( 箭头方向为对应的系数由小到大变化时特征根的变化方向) 图4 1 并联系统的根轨迹图 图4 1 ( c ) 是岛。= o 0 0 1 3 ，詹扩o 0 0 1 5 ，岛。= o ，从o 0 0 0 l 变化到o o l 的 根轨迹图，图4 1 ( d ) 是如变化时的根轨迹图。根据各自根轨迹图，选取如= 0 0 0 0 5 ，丘。= 0 0 0 0 5 。 通过上述四个下垂系数的选取，系统的6 个特征根为： 。= 一1 4 1 0 6 ， 产 “ 黜蘩 浙江大学硕士学位论文 4 逆变罂并联系统的稳定性分析 一1 4 0 ，入3 - 一1 0 8 6 6 ，xf o ，凡5 i 一7 1 4 7 十j 9 6 5 ，xe = 一7 1 4 7 一j 9 6 5 。 图4 1 ( e ) 是负载变化时的根轨迹图。由图可知，当负载变化时系统的特征 根变化不大，能够保证负载切换时系统的稳定性要求。 4 3 本章小节 本章建立了基于电压幅值频率下垂法的逆变器并联系统的统一小信号模型， 利用小信号模型分析了下垂系数的变化对系统稳定性及动态特性的影响，从而选 取了合适的下垂系数，在保证系统稳定的前提下实现最好的均流效果。 4 5 浙江大学硕士学位论文5 逆变器并联系统的实现及实验结果 第五章逆变器并联系统的实现及实验结果 为验证理论分析和仿真结果的正确性，建立了由两台1 k 逆变器构成的并 联系统。该逆变器并联系统的结构如图5 1 所示，逆变器主电路采用全桥拓扑， 采样及控制芯片采用1 1 的1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ( d s p ) 。为了使共直流源的逆变器能 直接并联，输出滤波器采用l c l 结构，这样不同逆变器的功率管间都有滤 波电感隔离。输出的电感电流和电容电压经d s p 片内a d 采样后转化为数字量， d s p 再根据电流电压量进行功率计算，均流控制和逆变器双环控制。 逆变器的输出功率计算、p q 下垂控制、逆变器双环控制及逆变器并机启动 控制是系统的实现中比较关键的几个部份，本章对上述几个关键部份的实现作了 详细说明，并给出了实验结果。 图5 1 逆变器并联系统结构图 4 6 浙江大学硕士学位论文 5 逆变器并联系统的实现及实验结果 5 1 逆变器的输出功率计算 逆变器的输出功率计算中都包含有低通滤波器。对于单相系统，参照i e e e 为仪表设计而制定的试用版1 4 5 9 2 0 0 0 中功率测量( i e e e 聪“u s 乜m d a r d d e f i n i t i o n sf o r 也em e 船u r e m e n to fe l e 曲沁p o w e rq 1 瑚_ t i ! t i e su n d e rs i i m s o i d a l ， n o n s i d 吐b a l a n c c d ，o ru n b a l 缸l c ec 伽m t i o n s ：i e e es c d ，1 4 5 9 - 2 0 0 0 ) ，得到如 下的功率计算公式： p = v f p = 吉r 础，q = 台r i 【p 协 ( 5 1 ) 式中，v 表示输出电压，f 表示输出电流，p 表示瞬时功率，尸表示输出有 功功率，q 表示输出无功功率。式( 5 1 ) 中所计算式是适用于各种具有周期性波 形的功率计算，其数字实现有两种方法，一种是将电压与电流相乘得到瞬时功 率，再将个周期内的瞬时功率相累加求平均值就可得到逆变器在该周期内的 平均输出功率：另一种方法是设计一个数字滤波器，将瞬时功率进行滤波，滤 波器输出的直流分量即为逆变器的平均输出功率。 5 1 1 功率计算的周期求平均值法实现 设逆变器的输出电压为正弦波： v = 矿c o s ( 耐) 电压的积分可表示为： p = 肛s ( 耐瑚= 三c 。s ( 耐一争 将式( 5 3 ) 代入式( 5 1 ) 并离散化可得： 尸= 专鼢硪的 q = 专扣t + 争 ( 5 2 ) ( 5 3 ) ( 5 4 ) 式中，= r i 表示一个周期内采样点数。由式( 5 4 ) 可见，有功功率即为瞬 时采样电压与采样电流相乘，经过累加后取平均值；无功功率则为当前电流与 l 4 周期前的电压乘积的平均值。由数字信号处理知识可知，对信号进行取平均 值相当于对其进行低通滤波，当采样周期为5 0 s ，n = 4 0 0 时，有功功率的计算 4 7 浙江大学硕士学位论文5 逆变嚣并联系统的实现及实验结果 式可表不为： p ( i 一o p ( 七) = 韭而一 在z 域内，输出平均功率与输入瞬时功率间的传递函数为： = 器= 丝竽 其频率响应为： ( 5 5 ) ( 5 6 ) 缈，：攀：篙 ， 妒) 2 寺5 赢色酉 ) 频谱特性如图5 2 所示，q = l = o 0 0 7 时增益为o 7 0 7 。所以滤波器的截 止频率为= q t = o 0 0 7 o 0 0 0 0 5 = 1 4 0 ( m d s ) 。 1 0 9 0 8 ：07 气q 6 盘o6 * 口4 0 3 0 2 0 0 曲e ( ( 1 o x p 叩i 叼h 帕e x p “x ) ) ) i 川 ，- -一_- 7 一f ：弋。 7弋。 7 vv矿弋 - 00 5 _ 00 4m _ 0 吐- 00 1 o0 0 t0 m0 0 叫00 5 j ：q = z ( r 耐) 图5 2 功率计算传递函数的频率响应特性图 5 1 2 功率计算的数字滤波器法实现 将电流与电压的乘积作为低通滤波器的输入，滤波器的输出即为所求的平均 功率，这种方法中低通滤波器的设计尤其关键。如果滤波器的截止频率越低，输 出的功率越精确，抖动越小，但是对功率变化反应慢；截止频率越高，对输出变 化的响应越快，但是输出功率精度越低，输出抖动越大。提高滤波器的阶数也可 浙江大学硕士学位论文 5 逆变器并联系统的实现及实验结果 提高对输入变化的响应速度，但运算量也大大增加了，且容易发散。综合考虑， 可选择二阶1 i r 滤波器，截止频率选为1 8 h z 。 i i r 数字滤波器可通过将模拟滤波器离散化得到，截止频率为l8 h z 的二阶 巴特沃兹低通滤波器的表达式为： = 万高 ( 5 s ) 将上式离散化后得： 、7 9 6 2 5 1 9 5 4 3 1 0 4 + 1 5 9 2 5 0 3 9 0 8 6 l o 。z 。1 + 7 9 6 2 5 1 9 5 4 3 1 0 6 z 、 爿2 i 两函砸函丽丽丽而蕊丁一( 5 。9 ) 需要注意的是保证上式中各次项前的系数精度很重要，如果精度不够，滤波 出来的结果会与模拟滤波器有偏差，甚至可能发散。图5 3 为采用低通滤波器进 行功率计算的仿真结果，从图中可以看出数字滤波器的输出与模拟滤波器输出几 乎样。图5 4 为数字滤波器系数精度不够时的计算结果，此时数字滤波器的计 算输出与模拟滤波器已有了一定偏差，其数字滤波器的表达式为式( 5 1 0 ) 。 日= 巡塑笔篙筹篙荸坠坚 ( 5 1 0 ) 爿2 f 两面而历猫一 ( 5 _ lo ) a 线性负载时的功率计算结果 浙江大学硕士学位论文s 逆变器并联系统的实现及实验结果 b 非线性负载时的功率计算结果 图5 _ 3 基于数字滤波器的功率计算结果 a 线性负载时的功率计算结果 浙江大学硕士学位论文 5 逆变器并联系统的实现及实验结果 b 非线性负载时的功率计算结果 图5 4 数字滤波器系数精度不够时的功率计算结果 采用数字低通滤波器计算功率时并联系统可做到每个开关周期都作p q 下垂 调节，系统的响应快，但数字滤波器要占用大量的c p u 处理时间，对主频较高 的c p u ( 如1 1 的t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 ) 可考虑使用这种方法。用开关周期求平均值 法计算功率时，由于计算出的功率每个开关周期输出一次，p q 下垂调节也只能 是每个工频周期进行一次，系统的响应较慢，但用这种方法c p u 的运算量大大 减少了。实验中使用的c p u 为t i 的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，主频为4 0 m h z ，只能使 用工频周期求平均法计算逆变器输出功率。 5 2 p q 下垂控制的实现 均流控制采用的是“p q 下垂系数调整法”，控制方程如式( 5 1 1 ) 所示。 q = 一七只+ 心。q1 = 矿+ 一n 只一n q ( 5 1 1 ) 吒n = 屯r ( 1 + 屺) ，屯n = 乞，( 1 + 七q ) j 由于n 和气n 分别随只和q 而变，如果负载变化很大，克，珊和屯。也会变 化很大，而未达到稳定时逆变器间输出功率可能存在较大差异，| j ，砌和吒蜥也会 偏离稳定值很大，如果对吒。和吒。的变化不加限制可能使系统不稳定，因此对 浙江大学硕士学位论文5 逆变器并联系统的实现及实验结果 七，。和砌每次调整的变化量应进行限幅，同时对七，。和吒。的调整频度也不宜 过快，应使系统在当前的下垂系数控制下达到稳定后再对下垂系数进行调整。实 验发现每隔6 4 个工频周期对下垂系数作一次调整效果比较好，用作下垂系数调 节的有功功率和无功功率为6 4 个工频周期内逆变器输出有功、无功功率的平均 值只和q 。如果逆变器的稳态输出功率较大，| j ，n 和气。也会较大，从而会造 成系统较大的压降，因此根据系统压降的要求对i ，。和吒h 进行限幅也是必要 的。综合上面的描述，可以画出下垂系数调整的流程图如图5 5 所示。 浙江大学硕士学位论文 5 逆变器并联系统的实现及实验结果 图5 5 下垂系数调整的流程图 浙江大学硕士学位论文5 逆变器并联系统的实现及实验结果 图5 5 ( 续) 下垂系数调整的流程图 5 3 逆变器的双环控制 逆变器采用电压外环电流内环双环控制，电压外环控制方程如式( 2 8 ) 所示， 为方便分析，重写为式( 5 1 2 ) 如下： 瓯= 学= + 争 ( 5 1 2 ) s j 电流内环的控制方程也重写为： 瓯： ：望警堕：峪+ + 益 ( 5 1 3 ) l f 什 s 。 s 、。 为使用d s p 实现数字控制，必须把控制方程离散化。连续系统的离散化方 法有很多种，本文采用后向欧拉法，现以电流环控制方程为例说明离散化过程。 浙江大学硕士学位论文 5 逆变器并联系统的实现及实验结果 式( 5 1 3 ) 写成差分方崔的形式为： t ( 后) ：奠尘喜世生+ 。( 七) + 屯正壹，( 甩) ( 5 1 4 ) t ( i 一1 ) = 叠墅二旦亨艘+ o ( 七一1 ) + 岛z 芝o ( 玎) ( 5 1 5 ) 其中z 为采样周期。式( 5 1 4 ) 减去式( 5 1 5 ) 得： f l