（电力电子与电力传动专业论文）基于can总线的主从式三相逆变电源并联控制技术研究.pdf

燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i - m o d u l ep a r a l l e l i n gi sc o n s i d e r e d o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t i nt h ef i e l do fi n v e r t e rt e c h n o l o g y t h em u l t i m o d u l ep a r a l l e li n v e r t e rs y s t e m c a l ln o to n l yf l e x i b l yb eu s e dt oe x p a n dp o w e rs y s t e mc a p a c i t i e sb u tb u i l tu p p a r a l l e lr e d u n d a n ts y s t e m st oi m p r o v et h er e l i a b i l i t y f i r s t l y , o nt h e b a s i so fa r i a l y s i so fp a r a l l e l o p e r a t i o nt h e o r i e sa n d t e c h n o l o g y , t h ep a p e rd e v e l o p sm a t h e m a t i c a lm o d e l sa b o u tt h r e e - p h a s ei n v e r t e r a n a l y z e s t h e p r i n c i p l e o fp a r a l l e li n v e r t e r s y s t e ma n dp r o p o s e sp o w e r c h a r a c t e r i s t i c sa n dc h a r a c t e r i s t i c sa b o u tc l o s e dl o o p r e g u l a t i o n o fv o r a g e s e c o n d l y , t h ep a p e rs t u d i e st h ei n v e r t e rc o n t r o lm e t h o d d u a ll o o po nv o l t a g e a n di n d u c t o r - c u r r e n tf e e d b a c kw i t ha no u t e ra v e r a g ev o l t a g ei o o p ”，i n u o d u c e s t h ec h a r a c t e r i s t i co fc a n b u s ，d e s i g n st h eh a r d w a r ea n ds o f i w a r ef o rt h ek e y t e c h n o l o g yo f t h ep a r a l l e ls y s t e m ：l o a ds h a r i n ga n ds y n c h r o n i z a t i o nc o n t r 0 1 am a s t e r - s l a v e p a r a l l e lc o n t r o lt h r e e - p h a s ei n v e r t e rs y s t e mp r o t o t y p e b a s e do nc a nb u si sc o n s t r u c t e d t h e o r e t i c a l l y ，t h en e w l yd e s i g n e ds y s t e m h a st h ef o l l o w i n gm e r i t s ：t h eu s i n go fd s pi sa d o p t e dt or e a l i z ef u l l d i g k a l c o n t r o l ；t h es y s t e mi sd e s i g n e du n d e rr o t a t i n gc o o r d i n a t e ，s ot h eo u t p u to f p a r a l l e ls y s t e m c a nf o l l o wt h er e f e r e n c ew i t h o u ts t a t i c e r r o r ；t h e c o m m u n i c a t i o ni sa c h i e v e db yc a nb u s ，w i t hl e s sm u t u a lw i r e s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u r s v e r i 毋t h ep a r a l l e ls t r a t e g y t h er e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tt h em a s t e r - s l a v ep a r a l l e lc o n t r o lt e c h n o l o g yo ft h r e e - p h a s e i n v e r t e rb a s e do nc a nb u sh a sg o o dd y n a m i cc u r r e n t s h a r i n gp e r f o r m a n c ea n d s t a b l es y n c h r o n i z a t i o n b e s i d e s ，f u l ld i g i t a lc o n t r o lr e d u c e dt h ec o m p l e x i t yo f t h ep a r a l l e ls y s t e ma n di m p r o v e di t sr e l i a b i l i t ya n df e a s i b i l i t y k e y w o r d st h r e e p h a s ei n v e r t e r ；p a r a l l e lc o n t r o l ；c u r r e n ts h a r i n g ；d i g i t a l c o n t r o l ；c a nb u s 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 ck e yp r o g a 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 q o 5 0 2 3 7 0 2 0 ) 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于c a n 总线的主从式 三相逆变电源并联控制技术研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读 硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已 注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结 果将完全由本人承担。 作者签字耜哥，日期：硝年争月弦日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 基于c a n 总线的主从式三相逆变电源并联控制技术研究系本人在 燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的 研究成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位 及相关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅 和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文，可以公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密翻。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：耘总 导师签名 翔翔椭 日期：) 粕年审月日 日期：z “6 m 钥) o 日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 随着社会经济的发展，用电设备不断增加，对供电系统的容量、性能 和可靠性要求也越来越高。大功率供电系统可有两种构成方式：一是采用 集中式供电方式；另一种是采用分布式供电方式。集中式供电方式采用单 模块大功率系统，这种方式已越来越不实用，因为它的成本高，体积大， 安装困难，运行可靠性差，单点故障就会使整个系统瘫痪。 分布式供电系统中的多模块并联实现大容量电源是当今电源变换技术 发展的重要方向之一i l j 。分布式供电系统利用最新电源理论和技术将相对 较小的电源功率模块组合成积木式、智能化的大功率电源系统，它具有单 模块大功率系统无可比拟的优点： ( 1 ) 电源系统采用模块化的设计方法，可根据用户的需求任意组合模 块，大大提高了系统的灵活性，并且打破了功率的局限； ( 2 ) 系统可采用冗余设计，当某一模块发生故障时，可以更换此模块， 其他模块则平均分摊故障模块的负载，不影响系统的正常工作，从而提高 了系统的安全性； ( 3 ) 系统可由标准化的模块组合而成，电源产品的种类也可减少，便于 规范化，这样既可降低不同容量电源的设计成本和重复投资，还可减少生 产和维护费用。 所以，模块化电源为实现大功率、高可靠度的电源系统提供了可能， 在航空航天、船舶、计算机、通讯和医疗等需要不间断高可靠供电领域有 着广阔的应用前景。在模块化分布电源系统中，为了实现稳定可靠的冗余 电源系统，模块化电源的并联技术显得尤为重要。并联技术可有效地解决 集中工作方式存在的问题，实现n + i 冗余供电，提高电源供电可靠性和维 修性，保证不中断供电。多个电源模块并联工作，分担负载功率，各个模 块中主开关器件的电流应力大大降低，开关频率可以提高，可从根本上提 燕山大学工学硕士学位论文 高可靠性和功率密度，降低成本。 1 2 逆变电源控制技术概述 1 2 1 三相逆变电源的基本结构 目前三相逆变电源的主电路拓扑主要有三相桥式逆变电源，组合式三 相逆变电源和三相四桥臂逆变电源。 ( 1 ) z 相桥式逆变电源三相桥式逆变电源具有电路拓扑简洁，功率器 件少，功率开关电压应力低等优点，是目前三相逆变电源普遍应用的一种 电路拓扑，本文三相逆变电源并联的主电路就采用了这种拓扑结构。 ( 2 ) 组合式三相逆变电源组合式三相逆变电源由三个单相逆变电源 组合而成，每相逆变电源相互独立，只要控制三相基准正弦波互差1 2 0 0 ， 将三台输出的地连在一起作为中线，就可以实现三相四线制的输出。但组 合式三相逆变电源需要三个工频变压器，体积较大。 ( 3 ) - - - - - 相四桥臂逆变电源三相四桥臂逆变电源 2 3 是在三相桥式逆变电 源的基础上增加一个桥臂，该桥臂可直接控制中性点电压，减小不平衡负 载时三相输出的不对称度。 1 2 2 逆变电源控制技术 控制技术对逆变电源模块的输出起着关键性的作用，也决定着逆变电 源并联系统的结构形式和性能。因此，研究并联技术，必须首先分析研究 逆变电源的控制技术。目前，逆变电源的控制技术主要可分为两大类： ( 1 ) 瞬时值反馈控制技术瞬时值反馈控制主要包括电压瞬时值p i d 控 制、电压电流反馈的双闭环控制、线性多变量状态反馈控制和无差拍控制 等。 电压瞬时值p i d 控制p 1 是工程实践中应用最为广泛的一种控制方式，设 计和实现都比较简单，常应用于逆变电源的输出波形控制。但是由于p i d 控制只限于线性定常系统，即可用线性常微分方程描述的系统，因而它对 非线性负载条件下波形畸变的抑制有一定的局限性。 第1 章绪论 电压电流双闭环控制”删是在逆变电源的电压单环基础上增设电流内 环，利用电流内环快速、及时的抗扰性来有效地抑制负载扰动。同时，得 益于内环对原有控制对象的改造作用，电压外环的设计可以大大简化，甚 至只需比例控制即可。 线性多变量状态反馈控制【1 是将输出反馈改为状态反馈来改善控制效 果。状态反馈控制的最大优点是可以大大改善系统的动态品质，因为它可 以任意配置闭环系统的极点。不过，由于建立逆变器状态模型时很难将负 载的动态特性考虑在内，反馈控制只能针对空载和假定阻性负载进行。如 果不采取有针对型的措施，则负载的变化将导致稳态偏差的出现和动态特 性的改变。 无差拍控制口，9 】是一种基于电路方程的控制方式。如果系统模型预测的 非常准确，无差拍控制的逆变电源输出波形质量好，总谐波畸变率( t h d ) 低，动态响应速度快。此控制器也存在非常明显的缺点：首先，由于采样 时间和计算延时的影响，输出脉冲宽度受到限制，造成直流电压利用率不 高；其次，由于无法对系统模型做出精确的估计，而且系统模型随负载不 同而变化，实际中并不能保证跟踪无误差，一旦系统模型不准，很容易使 系统进入不稳定区域造成振荡。因此，无差拍控制的逆变电源的稳态性能， 尤其是非线性负载时波形失真仍很显著。 ( 2 ) 智能控制技术智能控制技术主要包括重复控制【1 0 】，滑模变结构控 制，模糊控制1 “，神经网络控制【1 3 】等。 重复控制具有稳态特性好，控制鲁棒性强，负载适应能力好等优点， 但是重复控制实时性差，动态响应速度慢。滑模变结构控制的显著特点是 对参数变动和外部扰动不敏感，系统的鲁棒性强，但是采用这种控制理想 的滑模切换面比较难以确定，而且对采样频率的要求也限制了其实用性。 文献【1 0 】和文献 1 1 】分别采用了重复控制和滑模变结构控制，都取得了优良 的控制效果。 模糊控制能根据实际情况变动控制器参数，可以提高控制系统的鲁棒 性，改善逆变电源对非线形负载的适应能力。目前用于逆变电源的模糊控 制主要是p i d 控制。神经网络控制是模仿人的大脑对系统进行控制，其控 3 燕山大学工学硕士学位论文 裁蔑撵的获褥不依赖予系统弱模鍪，嚣莛系统熬鲁耱牲能也滋较婷，这嚣 种控制技术目前正在进行深入研究阶段。 三耀逆变嗽源的控制技术譬繁主要舂鼹大类，一类是在三相a b c 静止坐 标系中对三相瞬时变量进行瞬时缎反馈控翻1 1 “，另一裟则是基于p a r k 变换， 在d q 0 旋转坐标祭下对d 、q 轴的瞬时变量进行反馈控制【i o ”j 。 1 3 逆变电源并联技术概况 当今供电系统的发震趋势一个是高可靠性，一个是大功窀化，这两者 都与逆变电源的并联( 逆变电源之间或与公共电网之间) 运行控制密切相 关。逆变电源静并联运毒亍主要寿戳下谯点h h ：第一、霹戬瘸采灵活戆扩大 逆变电源系统的容量；第二、易于实现逆变电源模块化，组成并联冗余系 统以掇离运行的可靠性：第三、单台逆变电源的功率开关电流应力小；第 四、袋膏较高静系统可缎修性能，在单逆燮器出现教簿时，可敬校方德的 进行热插拔更换或维修。然而逆变电源的并联不同于直流电源的并联，逆 交窀淫输出静凳对交懿、交交鹣垂弦渡，势联对需要强对控裁输鑫正羰渡 的幅值和相角，即同频攀、同相位、同幅慎。逆变器的并联也不同于同步 发电搬驰黉联，网步发电枫荠联供电系统，输出电压频率和相位可鱼同步， 而逆变器并联系统不具备这种自耐步能力，需要从控制电路解决电压同步、 稳态和动态均流、n + i 冗余与热切换等技术。由于上述原因使得对于逆变 器并联系统豹遮行控裁鞫设诗仍鬟有耪当夹的难瘦。 1 3 1 逆变电源并联趋势 世界上许多国家( 如臼本、美围、德国、荷兰等) 的逆变嚣公司在逆变 电源的并联控制技术方筒已经做了大量的工作，并布一系列的产品投入_ 实焉。目前，这些箍稗的逆变电源并联控制技术的特点及发灌表现在| ；王下 几个方面： ( 1 ) 可劳联攀元数增多，鞋多静途径实瑗裹可靠势联运行基蔻，几穆 知名晶牌的逆变电源如梅兰日兰、e x i d e ( 艾克赛) 、v i c t r o n ( 畅电) 、西门子、 三菱、东芝、a p c 等公司可以实现抟联运舒，但最大并联单元数不超过l o 第1 章绪论 个：褥p e l e c t r o n i c s 公司声称胃并联1 0 0 个激主，函瑟并联攀元鼗熬增多 是今尉的发展趋势1 ”。而并联系统控制方式呈现多样化，其中只有少数公 司产晶采用无蕊联线独立控刽的磐联方式，藤其德公司多畎主从控铡或分 散逻辑控制方式为主。 ( 2 ) 采用新型的逆变电源控制策略以往对遴变电源模块的研究侧重 于新溅功率器件实现高频开关翔s p w m 控镱，减少滤渡器尺寸，通过滤渡 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 载逶瘦睦的薹麴，在豢麓砖率嚣荚器簧技术逐淫威熬之石，为了进一步提 高逆变电源的动态和静态特性，相应提出了许多新的控制方法，如瞬时电 压控制基础上黪电滤兹馈控制 1 9 , 2 0 1 、滞环电流控制# ”、无差拍控制等，这 些新溅控制方法在很大程度上提高了逆变器的各项性能指标。 ( 3 ) 采用高频链结构技术为完成逆变电源的并联、提高逆变电源的性 能和攮枣遵变电源模块翡傣获，太多采熹频链结梅技术。道变电源内减少 了工频变压器，装置的体积重量大为减轻，同时也节约了成本，减少了装 置的簸杂性。 ( 4 1 采用全数字化控制技术为了提高系统的控制性能和完成并联控 制的簸杂算法，逆变电源的控制一般应采用全数字化控制方褰 2 2 “】，如应 用单片祝或数字信号照理器d s p 完成系统静检测、运算和控制。数字化控 制技术使得各种复杂的拄制策略容易实现，而且使设备的体积、重量进一 步藏小，注筑蹩菇提熹。 我国在逆变电源并联技术方面的研究起步甚晚，而且还没有形成国产 的系# 化产基，大多以会资的形式投入市场。因此在逆变电源的著联理论 和控制策略的研究方面遥需要做大量的工作。 1 3 2 遂变瘫灌蒡联控裁繁酶 遒变电源并联控制方式般分为集中控制、主从控制、分散逻辑控制 帮无蓬连线独寰控毒l 霸耱控裁繁潦。 1 3 2 1 集中控制方式集中控制方式需露专门设霞公共的同步和均流模 块0 5 0 “，各模块的锼胡环电路用寒保证其输出电压、频率和相位与嗣步信 燕山大学工学硕士学位论文 号蘑步。透过公共均流模块硷测慧受载奄流豫鞋著袋单元鼗终必各台遵变 电源模块的电流基准，各逆变电源模块检测备模块实际输出电流，求出电 滠壤差。在冬个模块透过镁胡环傻得输出鼹压之闻鳇相位德整很小的媾提 下，可以认为各模块输出电流与基准电压的误差都鼹由于各模块输出电压 幅值的不一致所引起的，敞这种控制方式炱接把电溅偏差作为电压指令的 补偿量发送到各逆变电潦申，用潋漕除龟流静不平衡。集中控黼静摇謦貊 图1 1 所示，图中虚线框内为集中控制单元。 图1 一】集中控制系统框图 f i g 1 - ic o n t r o lb l o c kd i a g r a mo f c e n t r a l i z a t i o n 集中控制方式结构简单，均流效果较好，但是一量公共控制电路失效， 整个并联系统就无法工作，因此可靠性不高。 1 3 。2 。2 圭获羧剿方式圭麸控翻方式是一糖出瑶鞍荦懿薯联控糕方式。 台湾学者j i a r m f u l lc h c n l 2 7 , 2 8 1 研究主从并联系统由一个电压控制逆变器主 模块f v c h ) 、数个电流控镥逆变器从模块( c c p i ) 和一个功率分怒中，t ：, ( p d c ) 组成。主模块控制整个并联系统的输出电压幅值和频率，执模块输出的电 流跟随参考电流的变化来实现负载均分。功率分配中心检测负载电流，并 分磊每个默模块酶参考毫流。嚣为参考电流疆隧受载电流，魏荭鼠模块静 输出电流按输出电压频率跟随负载电流，无需锁相环电路来实现同步控制， 嚷应速度缀抉。圭鼠控铡方式翦结麴框匿魏墨1 2 ( a ) 痰示。主麸雾联控镶l 方 式中电压控制邀变器模块、电流控制逆变器模块均脊独立的控制环，系统 稳定性好，易于察量扩展，能实现很好的负载均流，假是主模块一旦失效， 6 釜! 塞丝鲨 一 从模块将无法工作，系统没有实现冗余，可靠性低。图1 - 2 ( b ) 是改进的主 觚并联控翻方式8 9 。1 的结构糕蛰。 ( a )( b ) 篷l 。2 圭扶控l 遵变器并联系缱框墅 f i g 1 - 2m a s t e r - s l a v ep a r a l l e ls y s t e mb l o c kd i a g r a m 改进的主从并联控制方式可以应用于n 个捌同的模块并联工作。通过 璎徉开关逸择或软件设置将经一电源模浃设置为主模块，主模联靛糊输出 电压并且主模块的输出电流作为从模块的电流纂准，使得从模块的输出电 浚与主模块戆输出毫滤耜疑，哥鞋壤辩瓣实现静态均流。警主模块鼗痒鞋， 任从模块上升为藏模块，就可以实现并联系缆冗余控制，提高了系统的 可靠性。 1 3 2 3 分散逻辑羧铷分散逻辑并联控制技术 ”嘲是种独立并联控制 方式，不存在公共控制电路，它将均流控制分散在各个并联模块中，并通 避模涣阁翁互连线交挟信意。强1 3 为分散逻嚣控靠l 框图。 莲1 3 分数逻辑控潮方式蘸骥框銎 送至其 他模块 送至箕 他模块 h g 卜3 c o n t r o l b l o c kd i a g r a m o f d i s t r i b u t e d l o g i cc o n f i g u r a t i o n 7 燕山大学工学硕士学位论文 各逆变电源模块检测自身的输出电压、输出电流和直流母线电流，计 算出本模块的输出无功功率和有功功率。将无功功率信号发送到公共母线 上进行综合，并从公共母线上取回综合信号，作为各模块的无功基准q ，。 同样，各逆变电源模块发出同步频率信号，到同步母线上进行综合，综合 后的信号即为同步基准信号舻，。利用所获得的信息对逆变电源输出电压的 幅值、相位作出相应的调节，实现输出电压的同步、无功功率和有功功率 的均衡控制。 分散逻辑并联控制方式可以提高系统的可靠性，真正的实现冗余并联 控制，但是分散逻辑并联系统中各个逆变电源之间的互连线较多，并且大 容量设备之间的距离一般较远，使得并联信号线上引入的干扰较多。虽然 一些厂家开发了采用光纤进行通讯的完全无电气互连线的逆变器并联系统 ( 如意大利西力公司) ，但是这种方法在提高系统可靠性的同时提高了系统 的成本，并且使得控制系统更加复杂。 1 3 2 4 无互连线并联控制为了减少并联模块间互连线的数目，近年来 提出了无互连线控制方式日”1 。控制框图如图1 4 所示。 图i - 4 无互联线独立控制方式原理框 f i g 1 - 4c o n h o b r o c kd i a g r a mo f w i r e l e s sc o n f i g u r a t i o n 各模块间除了输出负载线外，没有其他信号线相互连接。这种并联控 制方式基于逆变器输出的外特性下垂特性，假设并联系统的各逆变模块相 位、幅值相差足够小的时候，可以认为并联系统的有功环流和输出电压相 位差有关，而无功环流则跟输出电压幅值差有关。利用逆变器输出的软特 性，各模块以自身的有功和无功功率为依据，调整自身输出电压的频率( 相 g 第1 章绪论 位) 和幅值以达到各台逆变器的均流运行。无互连线控制方式在各并联模块 间无通讯线独立控制，可以实现并联冗余控制，提高了并联系统的可靠性， 并且并联方式简单。但是由于逆变器的输出特性必须设计为软特性，即输 出电压和频率随着负载的大小而变化，稳态时会造成逆变器输出电压幅值、 频率发生偏离，而且这种控制方法仅能缩小有功和无功的差异，当初始偏 差较大时均流的误差也较大，并且这种方法存在稳态均流精度和动态调节 速度之间的矛盾，所以距离实用化还有很大的差距。 1 4 本文选题的意义及主要研究内容 1 4 1 本文选题的意义 多模块并联实现大容量电源被公认为当今电源变换技术发展的重要方 向之一。多个电源模块并联，分担负载功率，各个模块中主开关器件的电 流应力大大减小，从根本上提高可靠性、降低成本。逆变电源的模块化和 并联化运行，可大大提高系统的灵活性，打破了逆变器在功率等级上的局 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， 因而具有高可靠性、易于大功率化的优点。 逆变电源的模块化及其并联控制技术，是交流电源系统从传统的集中 式供电向分布式供电乃至智能电源系统供电模式发展过程中必须解决的一 个关键技术。现今，使用特种电源供电的装备日趋增多，用逆变电源并联 系统供电，可以改善供电质量、提高供电效率、防止供电污染。有关资料 表明逆变电源并联技术在国外的发展已有相当一段时间，但仍存在许多不 足之处；在我国逆变电源并联控制技术的研究起步甚晚，近几年来，许多 科研单位和院校也开始涉足这一领域，因此，逆变电源并联控制技术的研 究具有深远的社会影响和社会效益。 1 4 2 本文研究的主要内容 本课题来源于国家自然科学基金重点资助项目一新型高频中小功率逆 变电源的控制技术和拓扑技术研究，在深入细致地研究了国内外逆变电源 9 燕山大学工学硕士学位论文 模块并联控制技术理论的基础上，结合现今先进微电子技术的发展，系统 地研究、设计一种基于c a n 总线的主从式三相逆变电源并联控制系统。对 三相逆变电源并联控制技术作了较为详细的理论分析，并在理论分析和仿 真验证的基础上进行了实验研究。本课题主要内容如下： ( 1 ) 系统地论述了逆变电源并联的发展、现状以及应用前景，并对几种 典型并联系统控制方式进行了比较分析。 ( 2 ) 建立了三相逆变电源并联系统数学模型，并深入分析了逆变电源并 联原理，详细探究了逆变电源并联系统中的功率特性、电压闭环调节特性， 为本文并联系统的设计和实现奠定了理论基础。 ( 3 ) 针对单逆变电源模块和并联的特点，利用高性能d s p 控制器和c a n 总线设计开发了共用电压调节器的主从式三相逆变电源并联控制系统，介 绍了该控制方法的原理并给出了仿真结果。 ( 4 ) 采用德州仪器公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 定点d s p ( 数字信号处理器、 作为主控芯片，根据控制需要，编制了基于c a n 总线的主从式三相逆变电 源并联系统的主控程序。 ( 5 ) 对三相逆变电源并联控制进行了两台逆变电源的并联实验研究，给 出了实验波形，并对实验数据进行了分析讨论。 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 2 1 引言 由于逆变电源并联运行组成的是交流电源供电系统，各模块输出为交 流信号，要实现两台或多台逆变电源的并联运行，不但要求它们的输出电 压的幅值趋于相等，而且要求输出电压信号的频率与相位严格一致，因而， 逆变电源之间的并联要比直流并联运行复杂得多。 在本章中，我们首先建立三相逆变电源单台以及并联系统的数学模型， 分析逆变电源并联系统的工作原理，并对并联系统进行特性分析为本文后 续章节的讨论提供理论依据。 2 2 三相逆变电源的数学模型 2 2 1 三相逆变电源模型建立 三相逆变电源主电路结构如图2 1 所示，它由三相i g b t 逆变桥、输出 l c 滤波电路组成。 v n 图2 - i 三相d c a c 逆变器主电路 f i g 2 - 1c i r c u i td i a g r a mo f t h r c ep h a s ed c a ci n v e r t e r 定义开关量、，其中代表a 相桥臂上下两个开关管的导通 情况，当s o = i i 对，代表a 相桥臂上桥臂开关管开通；s o = o 时，代表a 相桥 燕山大学工学硕士学位论文 臂下桥臂开关管开通。同理，岛、分别代表b 相和c 相桥臂上下两个开 关管的导通情况。 根据基尔霍夫电压电流定律可以得到三相逆变器状态方程： 等邯。一半心飞 c 出l i m b = ( s 。一! 学) v 。一v 。一v 。 争一半h 嘞嘞 陋。， 警= i o 一 孥= 。 等= i c - - 。 v a n ，v b n ，v c n 分别为逆变器的三相输出电压： ，i 。，i 。分别为逆变器输出滤波电感上的电流； v 。为滤波器电容中点与直流母线中点之间的电位差。 v ：= 1 ( v + v b n + v “) ( 2 - 2 ) j 、为非线性开关量，分别定义a 、b 、e - - 个桥臂等效平均开 关函数为击、凼、盔如式( 2 3 ) 1 3 8 ： 如：一s o + s b + s 。 3 击= 一s a + 了s b + 一s c ( 2 - 3 ) 破：一s + s b + s o 3 丢 1 = 圭 耋 v 。一圭 i 三 一圭 i ；三 c z 。， 工 e 三 c c c 第2 章逆变电源并联运行系统模型分析 2 2 2 并联三相逆变电源模型建立 ( 2 - 5 ) 三相逆变电源并联系统的主回路如图2 - 2 所示。以两台三相逆变电源并 联系统为例，可以看到逆变e g n m 由三相逆变桥、滤波电感厶、滤波电容c l 组成，逆变电源2 由三相逆变桥、滤波电感厶、滤波电容c 。组成。为了方 便建模，设负载为阻性负载且。 丢医 = 去 塞斗v 。一去 最 一去 i c z 咖 1j k k k l 一c 一 1j kb0 1 一c = 1j 州 肼 l 三w 三j d 一出 燕山大学工学硕士学位论文 鲁隆 = 去 兰兰 一去 递 一专区 料去卧硐f 笔 o j j 一志圈 式中v 。，v 。，v c 分别为逆变电源的三相输出电压； ( 2 7 ) ( 2 - g ) i 。，i 。分别为逆变电源1 上输出滤波电感上的电流； i ：，t ：分别为逆变电源2 上输出滤波电感上的电流； d 以。，d 。为逆变电源1 的a 、b 、c 三个桥臂等效平均开关函数； 屯：，d d 。：为逆变电源2 的a 、b 、c - - 个桥臂等效平均开关函数 v 。为滤波器电容中点与直流母线中点之间的电位差。 2 3 并联系统的工作原理及特性分析 要实现两台或多台三相逆变电源的并联系统运行，不但要求它们每一 相的输出电压的幅值趋于相等，而且要求输出电压信号的频率与相位严格 一致，即： u l = u 2 ；= ；妒1 = 妒2( 2 - 9 ) u 。、 、吼分别为逆变电源i 的输出电压幅值、频率、相位； u ：、 、驴：分别为逆变电源2 的输出电压幅值、频率、相位。 当逆变电源的输出电压幅值相等，频率相等和相位一致，电压差为零 时，并联工作为晟理想状态。但是，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特性问题，各逆 变电源间的输出电压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，而环流对各逆变器的功率器件以及输出滤波器 有一定的影响p 。因而，在逆变器并联运行系统中，必须分析和解决电压 同步与均流控制问题。在本节中为了便于分析，以两台单相逆变电源为例 分析逆变电源的并联工作原理并利用建立的逆变电源数学模型对并联系统 进行一些特性分析。 1 4 第2 章遂交电源势联运行系统横垄分轿 2 3 1逆变电源并联工住原理 图2 3 悬两台逆变电源并联运行时的等效电路f 3 2 l ，其中玩，驴，代表两 个逆变电源输出p w m 波形的基波电压，r z ，、r l ，为电感内阻、逆变携死区 等因素的等效阻尼电阻，、r 2 为线路阻抗，厶、c t 、厶、c 分g h 代表两 个逆变电源的输出滤波电感和电容，霞。为公共负载( 可为感性，容性或纯 阻秣) 。为了德纯势轿两台递交模块著联运行时酶电流情况，可美先忽略线 路阻抗、一和电感内阻。、o ，影响。 鹫2 3 嚣台递交宅源弗联运存等效电籍 f i g 2 - 3e q u i v a l e n tc i r c u i to f t w oi n v e r t e r sp a r a l l e lc o n n e c t i o n 根据图2 - 3 可列出以下电路基本方裁： u 1 一，m 矗t = u 。 聍2 一j c 2 j 2 = 以 i n i l l = i c l + c i 斗 m 七i 如+ l 2t 吼r , ( 2 - 1 0 ) 毛j o 。= 0 0 i c 2 沁c t = 毽。 当c l = g = c ，厶= 上2 = l 时，式( 2 - 1 0 ) 可简化为： 疗l 一，砒t 丘1 。疗。 吼一，毗：厶：= 吼 i l l + 毛：= 畴埘旧岛( 2 q 1 ) 。+ i = d ，r k l c t = i c 2 = u o ；c 燕山大学工学硕士学位论文 式中厶。、：分别是流过电容c l 、c 2 中的电流。 由此可推出： l 也= 等 t 。+ t ：= 生等尝= ( + 2 j o c ) u o i ( o l ( 2 _ 1 2 ) a ， 蜘历觋u i + ；了u 2 两 由以上三个方程可解得 由式( 2 - 1 3 ) 可以看出，”t ，由两部分电流组成，一部分为负载电流 分量，一部分为环流分量例。负载电流分量总是平衡的( 在输出滤波器相同 时) ，但环流分量的存在使各逆变器输出的总电流不相同。 综上分析，对逆变电源来说，要实现并联运行比直流电源困难得多 要重点解决以下一些问题： ( 1 ) 要想使并联运行的逆变电源输出有功相等，所有逆变电源的输出电 压频率及相位要严格同步： ( 2 ) 要想使并联运行的逆变电源输出无功相等，所有逆变电源的输出电 压要保持幅值相等。 微小的相位差会使并联运行的逆变电源输出有功严重不平衡，当输出 功率较小或相差较大时，某些逆变电源甚至可能运行于整流状态；若输出 电压幅值不相同，则输出电流中会含有无功的环流分量，使每台逆变电源 的输出电流增加，轻则增加运行损耗，严重时会使逆变电源的过载或过流 保护电路动作，使逆变电源不能正常工作。在参考文献【4 0 】中提到：千分 之一的相位误差引起的有功环流为额定负载电流的3 1 4 ，干分之一的幅 一 第2 章逆交电源并联运行系毓模型分析 值误差引起的有功环流为额定负载电流的5 。因此要实现负载电流的均 分，盛矮摄赢遂交电源穗霞靼幅篷蘸控锚精凄，茏萁是稽位戆控翻精度。 2 3 2 逆变电源并联系统的功率特性分桥 逆变电源并联系统与常舰的同步发电机构成的电网系统有较大的差 异，主要表现在以下几个方面j ： ( 1 ) 同步发电机眈逆变电潆有更高的输出隧抗，因丽粪有输崮下差特性 而自动均流； ( 萄囝步发电规森赣出囊攀对毒降低电瓤转速熬趋彝，嚣遵变嚣矧不具 有相似的功能； ( 3 ) n 步发电机出于采用励磁电流控制，动淼响应慢，电压控制带竟较 窄，而逆变器则兵膏离带宽静电压控制特性； ( 4 ) 同步发电机的连接电缆通常为电感性的，而逆变电源组成的系统的 纛联线剿受多建表袋为疆往。 因而逆变电源并联电网系统的运行特性较常规电网臻复杂，控制上相 应更加困难。用交流发电机供电的系绫，它的输出电压频率帮相位有可能 秘同步，丽采用功率开关器件的s p w l m 逆变器则不具有这种同步能力，需 要在控制策略上实现并联时的电压同步和电流均衡1 4 2 。闽样以两台逆变电 澡模头淘瓣一受载供窀为瓣避行分氍，翔图2 4 掰示，萁审x 为等效疆莸， u o 为并联电网电压。 u 。 a ) 并联系统电路圈 矢量鞠 ( a ) t h ec i r c u i to f p a r a l l e ts y s t e m ( ”t h ev e c t o rd i a g r a m 周知4 逆变电源并联系统 f i g , 2 - 4p a r a l l e ls y s t e mo f i n v e r t e r s 逆变器1 供给负载的复功率为： 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 输出电流为 s 1 = e + jq l = u o ，l( 2 - 1 4 ) 卜盟等掣 故： s = 堕坠学r 由此可得到逆变器1 输出有功功率和无功功率分别为： k ：坠竖! ! 塑 j 1 z iq 1 = 塑晋盥 r 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 、 r 2 1 7 ) 由于一般逆变器输出电压寸。和系统电压驴。间的相位差很小，即 s i n q 14 吼，令u l = k 1 ，则可得： 上：k l u 2 q 9 1 1 ，2 ( 2 - 1 8 ) q 1 ：坠掣 ” 令u ：= t ，v o ，则同理逆变- , 器2 f f j 输出功率为 屯明妒： 工 ( 如c o s2 ( 2 - 1 9 ) 由式( 2 - 1 8 ) 和( 2 1 9 ) 司r 以看出逆变电源的输出有功功率主要取决于功 率角9 。和妒：，而输出无功功率则主要取决于输出电压幅值u ，和，因此， 可以用改变逆变电源的输出电压幅值来控制无功功率，由改变相位差来控 制有功功率o ”。 2 3 3 逆变电源并联系统的电压闭环特性分析 由于逆变电源输出电压是时变的，即使电源的输出在稳态时的幅值、 i i = 慢 慨 第2 章逆变电源并联运行系统模型分析 频率和相位一致，但由于电路参数以及外界扰动( 如负载变化) 的影响，它 们的动态调节过程也不可能完全一致，不可避免瞬时电压差u 形成环流。 为抑制环流，通常采用电压闭环控制技术。 2 3 3 1 并联逆变电源对输出电压调节的影响在逆变电源并联运行时， 逆变电源的反馈取样点通常在输出端或负载两端，并联逆变电源反馈取样 点的电压不再是单台逆变电源的输出电压，而是并联共同作用的结果，这 将导致各逆变电源输出电压的差别加大，其原因在于：在逆变电源并联运 行时，由于各模块问输出特性间的差异而形成了一定的环流，而各逆变控 制器把检测到的并联电网电压作为自己的输出电压，在电网电压较低时， 控制器会误以为是本模块内输出电压过低而加大控制量，以提高逆变器输 出电压，从而使逆变器与并联电网间的电压差进一步增大，而电网电压是 多台电源共同作用的结果，进而形成各模块间输出电压的差别进一步加大， 造成比开环控制时大得多的环流。反之，在电网电压较高时，逆变电器也 会发生类似的误调节。以下分析两台逆变器并联时闭环运行特性。 对于图2 3 所示的两台并联系统，如不考虑波形畸变的影响，并且认为 各逆变电源输出电压u 、在控制系统的调节下已经同步了，在电压反 馈环节的作用下，输出电压跟踪各自给定电压。逆变电源并联运行时的电 路模型如图2 5 所示，其中g 1 、g 2 为各单台逆变电源的开环传递函数。g 、 g 为输出电压及环流的综合传输比。 图2 5 逆变电源并联运行的闭环控制模型 f i g 2 - 5c l o s el o o pc o n t r o lm o d e lo f p a r a l l e ls y s t e m 由逆变电源并联运行等效电路图2 - 3 和闭环控制模型图2 5 可知，在 燕山大学工学硕士学位论文 = r 2 = ，时，输出电压和环流分别为： u 。2 j 蠹( u + u 2 ) = g 3 ( u + u 2 ) ( 2 - 2 0 ) ：掣i ：譬兰：g 4 ( u l u 2 ) ( 2 - 2 1 ) 若并联前u 】略大于u 2 ，则并联时由式( 2 2 0 ) 、( 2 2 1 ) 可知u 1 u 0 u 2 ， 即各逆变电源的电压反馈调节过程为： 0 ) u 。 u l ( u 9 1 一u f j ) r o l 。 r 选择1 4 ”。 2 3 3 3 加入均流反馈环节的并联逆变系统为了确保逆变电源并联时负 载电流的均分，可将逆变电源的输出电流与平均负载电流的偏差值，即环 流值，。作为反馈信号引入控制系统。设两台逆变电源的均流反馈系数分别 为t 。k 。则加入环流反馈信号的并联逆变系统模型如图2 7 所示。其中 4 、4 ，为各单台逆变电源的闭环传递函数。g 、g 为输出电压及环流的 综合传输比。 图2 - 7 带环流抑制的逆变电源并联系统模型 f i g 2 7m o d e lo f p a r a l l e ls y