（电力电子与电力传动专业论文）10kw家用节电蓄能逆变装置设计.pdf

! 坚麴羔坚丝塑塑 d e s i g no f1 0 k w h o u s e h o l d - - u s ei n v e r t e re q u i p m e n tf o re n e r g ys a v e a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fg l o b a le c o n o m ya n dp e o p l es t a n d a r do fl i v i n gi m p r o v i n g ，i t c o m e st ob em u c hm o r ed i f f i c u l tf o re l e c t r i cs u p p l yd a yb yd a y p r o m o t i n ge x p l o i t a t i o na n d u t i l i z a t i o no ft h en e we n e r g y , e s p e c i a l l y ，h o wt oh i g he f f i c i e n tu t i l i z a t i o no ft h ee x i s t i n g e n e r g ys t r u c t u r es y s t e mb c c 咖ep e o p l ea t t e n t i o na n dr e s e a r c hh o t s p o tf o rt h i sr e a s o n ，an e w d e v e l o p m e n tp o t e n t i a le n e r g ys t o r a g ei n v e r ts y s t e mp r o p o s e di nt h ep a p e r , w h i c hi sb a t t e r y e n e r g ys t o r a g e t h i sp a p e ri sd e v o t e dt ot h es t u d yo ft h em a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i to f t h i ss y s t e m t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h el o a df e a t u r e so fh o u s e h o l de l e c t r i c a la p p l i a n c e s ，w h i c hi s d i v e r s i t ya n dv a r i e di r r e g u l a r l y t h ev o l t a g e - c u r r e n ti n s t s l l t a n c o l l jc o n t r o lt e c h n i q u ew a su s e d t oi nt h i sp a p e r u n d e rv a r i e sl o a dc o n d i t i o n s ，o u t p u tv o l t a g ew a v e f o r mh a sg o o ds i n u s o i d a l ， w h i c ha r ew i d e l yu s e di nt h ee n g i n e e r i n g p i dc o n t r o la l g o f i t h mw h i c hh a sb e e nw i d e l yi n e n g i n e e r i n gu s e df o ri m p r o v i n gb o t ht h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dt h es t a b i l i t yo f t h es y s t e m , a n da n a l y z e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o nw h i c hd e t e r m i n a t i o no f s y s t e mp a r a m e t e r s t h i s p a p e rp r e s e n t e d ac o m p a r i s o n s t u d y o fi n v e r t e r s y s t e m w i t hf i l t e r i n g c a p a c i t o r - c tf e e d b a c ko rf i l t e r i n gi n d u e t o r - c u r r e n tf e e d b a c ki n n e rl o o p , o u t p u tv o l t a g e o l i t e r l o o pf e e d b a c k t h es y s t e mc h a r a c t e r i s t i cw i t hs p w mi n s t s n t 出l c o u sc o n t r o lw a s o b t a i n e d a tt h es a l n et i m e ，b u i l d i n go fs i m u l a t i o nm o d e la n ds i m u l a t i o ns t u d yf o rt w oc o n t r o l s c h e m e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w , t h es t r a t e g yo fs p w mi n s t a n t a n c o u sc o n t r o lw i t h c a p a c i t o r - c u r r e n tf e e d b a c kh a st h ea d v a n t a g e so fg o o ds i n u s o i d a lo u t p u tw a v e f o r m , f a s t d y n a m i cr e s p o n s e ，t o u g ha 巾e m a lc h a r a c t e r i s t i co u t p u tv o l t a g e ，h i g hp r e c i s i o no fo u t p u t v o l t a g ea n da b i l i t yt oa d a p tn o n l i n e a rl o a d , e t c an o v e lb i a sm a g n e t i cc o n t r o ls c h e m ef o ra cp o w e rs u p p l i e si sp r o p o s e d t h ep r o p o s e d b i a sm a g n e t i cc o n t r o ls c h e m ei sb a s e do nh i g hp a s sf i l t e ri n s e r t e di nt h ef o r w a r dp a t ha n df e e d f o r w a r dc o n t r 0 1 w i t h o u td e t e c t i n gb i a sm a g n e t i co ft l a n s f o r m e r , t h i ss c h e m ec a ne l i m i n a t e b i a sm a g n e t i co f t r a n s f o r m e rc a u s e db yd cc o m p o n e n ti nt h er e f e r e n c eo rf e e d b a c ks i g n a i ，a n d t h ei n c o n s i s t e n to fd e a dt i m e ，e t c t h ep r o p o s e dm e t h o dh a st h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：n o 沈阳工业大学硕士学位论文 s e n s o r sa r eu s e d ；i ti ss i m p l et od e s i g na n di m p l e m e n t , a n di ti ss u i t a b l ef o rv a r i o u sp o w e r a p p l i c a t i o n s a c c o r d i n gt oo u ts p w n lw a v e f o n nc h a r a c t e r i s t i c so fi n v e r t e r ，t h ed i s c u s so nt h e d e s i g nm e t h o do f ad c a cc o n v e r t e r t h ep o i mt h a tt h et r a n s f o r m e ro f a cp o w e rs u p p l i e si s e a s yt ob ei ns a t u r a t i o nc o n d i t i o ni sc o n s i d e r e dw h e ns e l e c t i n gp a r a m e t e r s t h eo u t p u t w a v e f o r mo fi n e r t e rs y s t e mm u s tb es i n ew a v e s oi n v e r tl cf i l t e rc a nr e a c ht h eg o a la p a r a m e t e rd e s i g nm e t h o df o rl cf i l t e ri sa l s op r o p o s e d , t h ep a r a m e t e ro fl cf i l t e rc a nb e c a l c u l a t e dp r e c i s e l yt om e e tt h em a i nt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n s w i t ht h i sm e t h o d , n o to n l yt h e t h ds p e c i f i c a t i o no fl cf i l t e rc a nb em e t , a n dt h en ol o a di n p u tc u r r e n ts p e c i f i c a t i o no fl c f i l t e rc a nb em e t , e n s u r i i l gt h es t a b i l i t yo ft h ei n v e r t e rw h e nl o a di sc h a n g e da n dp e r f e c t h a r m o n i o u sc o m p o n e n to f o u t p u tw a v e f o r mo f v o l t a g e f i n a l l y ，a i m e da ts i n g l e - p h a s e1 0 k w , 2 2 0 v 5 0 h zh o u s e h o l du s e ds t o r a g ei n v e r t e rs y s t e m , a n dd e t a i l e dd e s i g no f i t sm a i nc i r c u i ta n dt h eh a r d w a r eo f c o n t r o lc i r c u i t , g i v e nt h ep a r a m e t e r o f d c - a cc o n v e r t e ra n dl cf i l t e r k e yw o r d s ：s t o r a g eb a t t e r y ，i n v e r t e r , d cm a g n e t i cb i - s , i n s t a n t a n e o u sc o n t r o l , c a p a c i t o re u r r e l m tf e e d b a c k - n i - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：熏茎型日期：缱：竺! ：丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，e p - 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：立扯导师签名：至掣日期：幽：堡丝 沈阳工业大学硕士s 啦论文 1 绪论 1 1 课题的背景及意义 1 1 1 家用蓄电池蓄能装置的提出 能源的开发和利用，仍属当今世界重大课题之一。不断开发新能源的同时，人类还 在研究如何更有效的利用现有能源，包括节能、蓄能技术的开发利用更为世人关注。近 年来，随着全球经济一体化步伐的加快和人民生活水平的不断提高，对电能的需求日益 增大，同时电力的供应却显得日益紧张，电力的供应逐渐成为制约经济发展和人民生活 水平提高的瓶颈，与之相随的是电网的高峰负荷增长很快，造成电网负荷率逐年下降， 电网峰谷差逐年拉大。 据相关报道我国的蜂谷比一般为1 ：0 7 ，美国的峰谷比1 ：o 2 5 ，日本、德国、英国、 法国和俄罗斯的峰谷比分别为：1 ：o 4 、l ：0 2 、1 ：0 3 5 和1 ：o 5 2 ，一般发展中国家的蜂谷 比是1 ：0 6 2 ( 1 1 。随着我国经济的高速发展，我国峰谷比的差距会更加拉大，我们面临的 电网运行压力和调峰任务压力也将日趋严峻。 为了缓解电能紧张，从上世纪7 0 年代起世界各国都不遗余力地进行了蓄能发电新 技术的研究。蓄能发电是指能够在电网低谷时将能量以各种能量形式储存起来，在用电 高峰时将能量返送回电网，进行调峰填谷，为缓解电力紧张起到了重要作用，同时蓄能 电站及蓄能装置的发展能够提高电网负荷率，充分利用电网资源，实现电网经济运行， 目前我国开始已经在一些地区在平均电价不变的情况下实行峰谷电价( 有的地方峰谷电 价之比达3 ：1 ) 以鼓励终端节能 2 1 。世界能源委员会的研究表明，“能源系统的供需关 系并不取决一次能源供应、贸易和能源市场，而是取决于终端能源服务。”这意味着向 消费者提供更多的选择机会；根据终端用户的需求和愿望以可接受的价格提供能源服 务；开发适合用户需要的低能耗、少污染的新产品；政府能源管理的重点从供应转向终 端消费。国家经贸委、国家计委颁布节约用电管理办法的第三章第十九条规定：加 速推广峰谷分时电价和丰枯电价，逐步拉大峰谷、丰枯电价差距，研究制定并推行可停 电负荷电价；第二十条指出：对采用国家重点项目的节约用电产品的电力用户，可申请 减免新增电力容量供电工程贴费【3 】。因此，基于“削峰填谷”的作用的蓄能技术越来越 1 0 k w 家用节电蓄能逆变装置设计 受到关注，“削峰填谷”的意义有两点：一是增加电网运行的效率和安全性；二是通过 电力系统的峰谷电差价获得一定的经济效益。 蓄电池蓄能b e s ( a a t t e r ye n e r g ys t o r a g e ) i e 是在这一前提和背景下提出的。 蓄电池蓄能供电装置由充电器、蓄电池组，逆变器、控制器等几大部分组成，充电 器完成了转化电网交流为合适的为蓄电池组充电的直流电；蓄电池组充电后就相当于发 电厂运行的发电机组，即把储存的能量以电能的形式发送出来；逆变器把蓄电池组发出 的直流电转化为工频5 0 h z 的交流电，然后再回馈给电网或是直接供给用电设备；控制 器则是根据外部用电情况合理调配上述三部分的工作。这样，在充电器、蓄电池组、逆 变器、控制器这几个基本部分的合力作用就完成了对电能的吸收一储存一释放一系列工 作，同时对各个部分的运行状况进行检测以保证系统安全合理的运行。 电两 、 甲 飞 l 死电需卜_ 词! 竺卜- 卅理磐磊i 图1 1 蓄电池蓄能系统示意图 f i g 1 1b a t t e r ye n e r g ys t o r a g es y s t e ms k e t c h 1 1 2 蓄能方式的简介 当前已经到工业应用的蓄能方式【4 】： ( 1 ) 机械蓄能方式。它包括：对转动动能进行储存的飞轮蓄能技术；储存位能的 抽水蓄能发电站；储存弹性能量的弹簧蓄能技术：储存压力能量的压缩空气蓄能发 电站。 ( 2 ) 热能蓄能方式。它包括：储存显热的显热蓄能技术；储存潜热的( 如蒸发、 熔解、升华等) 潜热蓄能技术。 ( 3 ) 电磁能量蓄能。它包括：用于储存电能的电感器；用于电磁能量储存的超导 蓄能电站。 ( 4 ) 化学能量蓄能。它包括：储存电气化学能量的蓄电池；储存化学能量的合成 燃料、化学蓄能技术等；储存物理化学能量( 如溶解、稀释、混合等) 的浓度差发电机。 上述蓄能技术的发展水平及其优缺点嘲： 目前，国内外抽水蓄能的应用已经到达一定的规模，具有启停灵活、增减出力快的 优点，从全停到满载发电约5 m i n ，从全停到满载抽水约l m i n 。它的综合效率为7 5 左 右。缺点是受地理条件限制，建造速度慢，建设周期长，此外不利于建设小型电站和不 能满足不同电力供应的需要。 压缩空气蓄能( c a e s ) 调峰电站在国外已经有了实际应用，美国和德国已建示范电 站，日本的试验电站正在建设中，以色列处于概念设计研究阶段。其发电成本比一般燃 气轮发电机组要低约1 3 ，废气排放量也将减少2 3 。可以迅速的满足各种变负荷的要求， 有良好的负荷跟踪和频率控制特性，需要大容量贮气的装置造价高、建设周期长，同时 需要油、气发电，我国没有得到推广，目前只有在工业发达国家才能够采用。 飞轮蓄能是一种机械蓄能方式，它的效率较高可达8 0 ，建设周期短，单位建设成 本约为抽水蓄能电站的一半，其最大有点就是能量储存和释放非常方便，可以任意时问 闻隔和以任意规模进行，不存在上诉两种蓄能技术的选址等问题，但功率和能量很有限， 一般不能做电网调峰用可以用于小范围的调峰调频场合。 超导电磁蓄能( s m e s - - s u p e r e o n d u e t i n gm a 耐i ce n e r g ys t o r a s e ) 技术，电能是由一 个超导磁环中的环流存储的，没有能量的转换到其他形式( 例如机械、化学) ，因为采用 超导体线圈，电流在其中流动几乎无损耗，能耗仅为保持超导冷却和少许辅助机械所用， 故效率高达9 0 以上；另外，s i v l e s 能够极快地响应从电网转储或输出电力；缺点是初 期投资大，技术不成熟，冷却系统复杂效率低导致安全性可靠性不高。 蓄电池蓄能b e g 具有技术成熟、可靠性高、寿命长、适用范围广、反应时间短、 费用少、受自然条件限制少、可以靠近负荷中心建设、控制精度高、能量密度大、效率 高等优点，b e s 还可以提高电网的供电可靠性，对剧烈波动负荷有很好的调节能力，可 1 0 k w 家用节电蓄能逆变装置设计 以分散分布集中管理，b e s 因其先进性、科学性日益成为一种切实可行的具有发展前景 的蓄能方法1 6 1 。 因此，进行蓄电池蓄能技术中的逆变器的研究具有重要的现实意义。 1 1 3 蓄电池蓄能技术的研究水平及发展状况 目前蓄电池蓄能技术在国外已经进入实用化阶段。日本东京电力公司与绝缘子公司 合作研发的6 m w 级n a - s 蓄电池蓄能己在一座变电所中投入运行，该系统由1 2 0 组5 0 k w 的电池组件和与电力系统联网的交直流变换装置等构成，可在深夜充电，以储存电能， 待白天高峰负荷时输出电能，来实现电力设备的高效运行。1 9 8 8 年美国南加州的爱迪生 公司在c h i n o 变电站投运了一座以电池为主的1 0 m w 蓄能设施。该工程耗资1 3 5 0 万美 元，厂房面积4 5 0 0 0 平方英尺，共有8 2 5 6 个铅，酸电池，同时采用了微处理器控制系统。 该电池蓄能设施在同类工程中是规模最大的，而且是第一次在2 0 0 0 v 下运行。在峰值期 间，其电池放电过程可使该设旌发出4 0 0 0 0 k w h 的电能，当电池完全充电时，它亦能在 1 0 m w 的最大容量下运行4 个小时。以色列还利用蓄电池蓄能电站的快速反应特性用于 孤立电力系统的调频，显示出了对剧烈波动负荷惊人的调节性能，英国氯化物公司拟用 1 8 0 万个钠硫电池储存1 0 0 m w 的电能用于平衡电网负荷，目前我国江门五邑大学己开 展锌溴电池的研制项目，珠海、中山等地进行高能电池研究也有突破1 7 , 引。 目前，我国在蓄电池蓄能方面比较落后美、日等发达国家，小容量蓄能用在电动车 上：大型电池蓄能处于研究阶段，尚无实际应用。 1 21 0 k w 蓄能装置蓄电池的选择依据 目前常用的蓄电池有多种，如：铅酸蓄电池，镍镉蓄电池，镍氢蓄电池和锂离子蓄 电池等。这些电池具有相同的功能就是能储存电能并为最终产品提供可补充的电能，但 不同的电池具有不同的特性，适用的对象和场合也是不同。 目前几种常用的蓄电池的性能是： ( 1 ) 免维护铅酸蓄电池的特点 9 1 。与普通蓄电池相比，免维护铅酸蓄电池具有一下特 点：由于是全密封结构，使用中不会发生漏液现象充电时几乎不产生酸雾或其它有害 气体，在寿命期内无需加液，真正做到了免维护；自放电速率也较小：有良好的放 沈阳工业大学硕士学位论文 电性能，放电倍率接近于中倍率镍镉电池的水平：使用寿命长，由于采用耐腐蚀的铅 钙合金板栅，其寿命与镍镉电池相当，一般5 0 a h 1 2 v 蓄电池浮充设计寿命可达5 年， 1 0 0a h 1 2 v 蓄电池浮充设计寿命可达7 年左右，3 0 0a h 1 2 v 蓄电池浮充设计寿命可达 1 0 - - , 1 5 年，铅酸蓄电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳定，电池管理技术成熟等特点。 ( 2 ) 锂离子蓄电池的特点【l o l 。锂电池是一种以金属锂或含有锂物质为负极的化学电源 的总称，是近十几年来获得发展的新型高比能量电池体系。锂离子电池有许多优越特性， 比如高能量，较高的安全性，工作温度范围宽、工作电压平稳、贮存寿命长、没有有害 废弃物等优点。其缺点是电池价格较高，低温放电率不高，电池管理技术有待发展。 ( 3 ) 镍镉、镍氢蓄电池【1 1 l 。镍镉电池主要是重金属镉的污染严重，有记忆效应，一次 性投资大于密封铅酸蓄电池，镍氢电池性能相对比较好，没有镍镉电池的记忆效应，但 在实际应用中镍氢电池充入容量会随着充放循环周期增加而减少，电池内阻也随着增 加，充电时电池内压、温度变化较大这是影响镍氢电池使用性能和寿命的主要因素，其 价格也较高。如果能解决这些问题，镍氢电池潜力很大，应用前景较好。 此外，日本、美国开发试运行的高性能钠硫电池，其能量密度高、效率高、耐久性 长的清洁电池、充放电效率高、无自放电、贮藏电能的效率高，可以完全封闭的单电池， 是目前用于蓄电池蓄能电站最好的蓄电池之一，钠硫蓄电池主要存在高温腐蚀严重，稳 定性及使用安全性不太理想等问题，随着发展钠硫电池会占有一定市场份额。正在试用 的、开发的高性能电池还有很多中，性能有待试验的验证。 选择蓄电池的主要依据是电池的能量密度、电池的容量及电压等级的选取，他们决 定了电池为负荷提供电能的速度和大小。密封铅酸蓄电池的内阻低可以提供较大的电 流，适合家庭用电负荷频繁启停的运行工况。以目前来看密封的铅酸蓄电池的价性比较 高，电池管理技术比较成熟，性能也较稳定，所以本课题采用密封铅酸蓄电池作为贮能 源。表1 1 是各种常用蓄电池的特性对比。 1 0 k w 家用节电蓄能逆变装置设计 1 3 家用蓄电池蓄能逆变装置控制技术发展与现状 1 3 1 逆变技术发展概况 一般认为，逆变技术的发展可分为如下两个阶段 9 - 1 6 】： 1 9 5 6 1 9 8 0 年为传统发展阶段。特点是：开关器件以低速开关器件为主，逆变器的 开关频率较低，波形改善以多重叠加为主，体积重量较大，逆变效率低，正弦波逆变器 开始出现。 1 9 8 0 年到现在为高频化新技术阶段，特点是，开关器件以高速期间为主，逆变器的 开关频率较高，波形改善以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) 为主，体积重量小， 逆变效率高。正弦逆变技术日趋完善。 在输出波形方面的发展过程中有初期的多重叠加法、消除特定谐波法发展到后来的 优化p w m 法及正弦波脉宽调制技术( s i n u s o i d a l - p w m ，简称s p w m ) ，使逆变器性能大大 提高，由s p w m 技术又拓展许多新的控制技术，如空间相量调制( s v m ) 、随机p w m 、 电流滞环p w m 、电流瞬时值p w m 、空间矢量p w m ( s v p w m ) 等，成为主导不同场合的 控制方式。至此，正弦波逆变技术发展基本完善。 1 3 2 常用控制策略 逆变( d c a c ) 技术是电力电子技术的重要组成部分，广泛应用于交流电机调速、感 应加热、不间断电源( u p s ) 、高压直流输电以及以直流发电机、蓄电池、太阳能电池和 沈阳工业大学硕士学位论文 燃料电池为主直流电源的场合，随着石油、煤和天然气等主要能源日益紧张，新能源的 开发和利用越来越得到人们的重视，利用新能源的关键技术逆变技术能将蓄电池、 太阳能电池和燃料电池等其他新能源转化为电能变换成交流电能与电网并网发电，因此 逆变技术在新能源的开发和利用领域中有着至关重要的地位。在控制方式上，逆变电源 控制从最早的开环控制发展到输出电压瞬时值反馈控制，再到输出电压、输出电流的瞬 时值双环反馈控制：由模拟控制逐渐发展到了数字控制。目前逆变器的控制一般采用反 馈控制，同时控制方法也可以采用模拟控制方式和数字控制方式以及模拟数字混合控制 方式，工程应用目前还是以混合控制方式为主。目前数字控制的研究方兴未艾，研究比 较多的主要有数字p i d 、无差拍控制、状态反馈控制、重复控制、滑模变结构控制、模 糊控制以及神经网络控制等。 p i d 控制是一种传统的控制方法，由于其算法简单成熟，设计过程中不过分依赖系 统参数，鲁棒性硬和可靠性高，在模拟控制的正弦波逆变电源系统中得到了广泛的应用。 随着处理器的速度的提高，各种数字p i d 算法不断出现。该算法具有较快的动、静态响 应特性【1 7 。1 9 1 。 无差拍控制是一种基于精确的p w m 逆变模型的控制方法，其控制的基本思想是： 将输出正弦参考波等间隔地划分为若干个取样周期，根据电路在每一取样周期的起始 值，用电路理论计算出关于取样周期中心对称的方波脉冲作用下，负载输出在取样周期 末尾时的值。本质上讲，无差拍控制是种基于理想电路方程的控制方法，对于固定线 性负载来说，该控制方式取得了良好的效果。但电路方程的形式与系数必然随着电路元 件的形式与系数的变化而变化，即该方法对系统参数反应灵敏。一旦系统参数发生变化 或系统模型建立不准确，系统将会出现振荡，且空载由于算法的不足出现十分严重的振 荡【2 0 埘1 。 状态反馈控制于1 9 9 4 年提出。此控制方法的数学模型与误差拍的一样，一般是根 据时域指标提出一组期望的极点，通过对反馈增益矩阵的设计，使闭环系统极点恰好处 于根平面上所期望的位置，以获得期望的动态特性即所谓的极点配置问题此控制方法可 实现系统极点的配置，所以克服了无差拍控制空载时振荡的缺点 2 2 , o l 。 l o k w 家用节电蓄能逆变装置设计 重复控制是一种十分有效的波形校正技术，是基于内模原理的控制技术。它对于消 除非线性负载及其它周期性干扰引起的波形畸变，具有非常明显的效果。系统稳定性和 鲁棒性都很好，但是由于存在一个周期轮空不调，系统动态性能较差阱0 5 1 。 滑模变结构控制理论始于五十年代。它最显著的特点是滑动模态具有完全自适应 性，对参数变动和外部扰动不敏感，非常适合用于闭环反馈控制的电能变换器。滑模变 结构控制的实质是一种非连续的开关控制方法，与系统参数变动及外部扰动无关，因此 系统有极强的鲁棒性。但是，变结构控制中存在抖动问题，使得波形跟踪质量较差，输 出波形不及重复控制和无差拍控制1 2 6 0 7 。 模糊控制的设计过程中不需要被控对象的精确数学模型，模糊控制器有着较强的鲁 棒性和自适应能力；查找模糊控制表只需要占用处理器很少的时间，因此可以采用较高 的采样频率来补偿模糊控制规则和实际经验的偏差：缺点是受到当前技术水平的限制， 模糊变量的量化等级和模糊规则都受到一定的限制，隶属函数的确定还没有统一的理论 指导，带有一定的人为因素，因此模糊控制器的精度有待于进一步提高脚捌。 人工神经网络控制关于神经网络在逆变器控制中的应用，在网络结构选择、训练方 法等方面已经有了一些理论研究成果智能控制的最大好处是不依赖控制对象的数学模 型，神经网络则是从微观的角度出发，模仿人的大脑神经网络对信息的处理能力但受制 于神经网络的实现技术，尚未见到具有在线学习能力、结构较为完善的人工神经网络成 功用于实际逆变器控制实例t 3 0 m l 。 1 3 3 蓄电池蓄能逆变装置的发展趋势及存在问题 早期的逆变电源，只需要其输出不问断电，稳压、稳频郎可。然而，今天的逆变电 源除这些要求外，还必须环保无污染，即绿色环保逆变电源，同时随着网络技术的发展， 对逆变电源的网络功能也提出了更高的要求。逆变电源的高性能主要体现在以下几个方 面：快速的动态响应，稳态精度高；稳定性高，效率高，可靠性高：输出电压谐 波含量低；低的电磁干扰；智能化：完善的网络功能。 现有的逆变电源一般采用电压闭环反馈的控制方式或是电压电流双闭环的控制方 式，往往仅仅侧重于以上一个或两个性能指标，现有的逆变电源多采用模拟的控制方式， 系统的控制精度不高，可移植性也差，但是技术成熟，价性比高，工程应用上比较多。 沈阳工业大学硕士学位论文 要达到精确、稳定、快速、谐波含量低这些高性能的要求，主要从控制策略的角度 出发，寻求更好的控制方法。另外采用数字控制方式，提高系统的精度，增加控制系统 的可移植性。 1 4 本文的研究目的及主要研究内容 1 4 1 本文研究的目的 本文研究目的主要表现在： ( 1 ) 通过理论分析和仿真比较，介绍和分析了电压外环、电流内环双闭环瞬时值反馈 控制策略的蓄电池蓄能逆变器中系统参数和性能的相互关系，说明采用电压外环、滤波 电容电流内环控制策略的优越性。 ( 2 ) 提出一种新的滤波器的设计，仿真验证这种设计对减小输出电压波动的显著作 用。 ( 3 ) 采用一种抗逆变变压器偏磁的方法，通过仿真证明这种方法的可行和有效性。 1 4 2 本文研究主要内容 本文从控制策略、主电路的参数设计和控制电路的参数设计入手，对高性能的蓄电 池蓄能逆变电源开展研究，并利用m a t l a b 进行系统的仿真，得出仿真结果，通过对 系统输出波形的分析，证明了控制方式以及的主电路参数对改善逆变电源的性能的作 用。 主要内容归纳如下：主电路的参数设计，包括滤波器的设计，逆变变压器的设计、 功率管的选取：控制策略的理论分析及仿真比较：逆变变压器直流偏磁的研究。 l o k w 家用节电蓄能逆变装置设计 2 瞬时值控制在单相s p 删逆变器应用的研究 2 1 电流瞬时值反馈工作原理 正弦脉宽调制( s p w m ) 的控制原理就是正弦调制波与三角载波进行比较由两者的交 点来确定逆变器开关的转换。如图2 1 的系统主电路中，在正弦调制波大于三角波的部 分，开关管v t l 和v t 4 导通产生出s p w m 的正脉冲；在正弦波小于三角波的部分开关管 v t 2 和v t 3 导通，产生出s p 帆4 的负脉冲。在正弦脉宽调制中，我们把调制正弦波的幅 值( u 。) 与三角载波的幅值( ) 的比值叫做调制比肘，膨= 器，把三角波的频率与调 制正弦波的频率的比叫做载波比n ，= 冬。开关管的开关频率就等于三角波的频率。 图2 1 逆变主电路 f i g 2 1t h e m a i n c i r c u i t o f i n v e r t e r s y s t e m 沈阳工业大学硕士学位论文 如图2 - 1 单相全桥逆变器主电路中，设功翠雷和电j 露之同的等效电阻之和为r ，日j 以定义电路的开关状态为： s = i 时，开关v t l 、v t 4 导通，v t 2 、v t ，关断； s = o 时，开关v l 、v l 导通，l 、4 关断： v t , 、v t 4 与v t 2 、v t ，两队开关管互补导通。 当s - l 时，警= e - - u o - - 吼，由于直流母线电压一般高于输出电压，而且吃较 小，所以这时电感上的电流线性增加。当s = o 时，粤= 一e 一一r i l ，这时电感电流 d t 线性减小。 考虑在一个三角波周期内，开关v t l 、v l 导通时间为t 。，v t 2 、v t 3 导通，：，并且 初始值为“，t l 后为0 ，t 2 后为也，则一个周期内，电感电流的变化a f l = 屯一；并 且等效电阻上的压降不变，有 i l l - - “= 鲤专趔 缸吨= 生字 ：a = y t = f l + f 2 ，设开关v t l 、j 占空比d = t _ r l 。可以得出公式： 瓴= 三f ( 2 d i ) e - - u - - r i l 如图2 2 的s p w m 控制采用双极性调制，根据图2 3 所示的载波交截原理，当三角 波的开关频率足够高时，即认为一个三角波周期内调制正弦波的幅值不变，所以开关管 的占空比可以表示为d = 麦# 十i 2 ，当把电流基准与电感电流的误差信号作为调制波时 就有： l o k w 家用节电蓄能逆变装置设计 d = 等吗 馘= 班筠e - u , , - 甄 ， 。工l诉 。j 从式( 2 1 ) 中可以看出，当巳= 一屯 堕菩盟u ，时，出。 o ，电感电流增加，同 理，当巳= 一t c i , k i 肛。 ( 2 4 ) 2 2 2 系统外特性分析 对电感电流反馈s p w m 控制进行外特性分析假设电压给定量为“= u s i n 耐，则 系统输出的稳态分量为。= u i g u ) i s i n 研( 耐+ 力，这样得到系统在空载条件下： 1 6 t o , ) l = ( 墨a k 。r 。c o ) 2 + ( 墨彳) 2 f ：m 2 ( 1 + k i a k , , f k 。一c 三珊2 ) 2 + ( k i a k , , f f u c k i a k 口d 0 2 ) 2 l o k w 家用节电蓄能逆变装置设计 在阻性负载条件下： 阮( ，) i _ ! 堡垒坠玉竺! ：! 堡尘： ( 2 6 ) 2 ( 1 + ! 警+ k i k ，瓦一c l ) 2 + 【k a k 。一i l + c k i a k 。2 ) 】2 稳态幅值误差占为： 扛紫=号制产小雕gr(两jo)u g ( j r o ) g 卜甄 。 )l 。il 。( ，国) l 。 其中： 1 瓦 【2 7 ) 从式( 2 7 ) 可以看出u 越大，滤波电容c 越大，则e 越小，艿越大，外特性越软。 2 2 3 电流误差变化率 滤波电感电流内环的引入一方面会提高逆变电源系统的性能，另一方面也会带来多 次相交问题。所谓多次相交问题是指在一个三角波载波周期中，信号波与三角波的相交 次数超过两次的现象。在正常情况下，在一个三角波载波周期中，信号波与三角波只相 交两次，这时逆变器开关器件的开关频率等于三角波载波的频率，而发生多次相交现象 时，在一个三角波载波周期中，信号波与三角波的相交将超过两次，此时逆变器开关器 件的开关频率将超过三角波载波的频率，开关频率将不再受控，开关损耗将剧增，失去 了三角波比较方式的优点，所以多次相交现象是一种不正常的现象，在逆变电源的实际 运行中，必须避免多次相交现象的发生。下面将分析多次相交现象产生的条件。有图2 4 可以看出，信号波e 的变化率为： 沈阳工业大学硕士学位论文 l 剖= k 陪一如剖 令= u o s i i l 耐，= s i i l ( 耐+ d ，鲁= m c o s ( 耐+ 卯 则警= 堕l 或堕= 竿 其中e 为输入直流电压即蓄电池组端电压，玑是输出电压幅值，是电流基准幅 值，一是电感电流与输出电压的之间夹角，设负载阻抗为i z i ，阻抗角为妒。则有 丘* 珞精壤嗣雌姚溯黼强煅恸： 为了保证在一个三角波周期内不发生重复交截现象必须满足： 俐一 i 剖 k 磁+ u f 焉啄雨 从式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 可以看出， 馈系数不能选的太大。 4 坼 在一定的频率下， ( 2 9 ) 系统的电流误差放大倍数和电流反 i | 型p 剖亘 岛f 一厂h小v 叮o“唾 1 0 k w 家用节电蓄能逆变装置设计 2 2 4 系统仿真 逆变电源是一个复杂的控制系统，逆变电源的控制方案多种多样，控制器参数及主 电路参数千变万化，对系统的理论分析不能完全预见系统的所有特性，有时进行理论分 析非常困难。如果不通过计算机仿真分析，仅仅通过试验方法来研究与设计逆变电源， 是非常费时费力又不经济的。计算机仿真在逆变电源的分析与设计中发挥着重要作用。 本文利用m a t l a b s i m u l i n k 软件对课题研究进行仿真p 5 , 3 6 1 。在m a t a l b 中建立 如图2 5 的电感电流内环瞬时值反馈控制系统仿真模型。该模型分为主电路模块，采样 滤波电路模块和控制电路模块。分别如图2 6 ，图2 7 和图2 8 所示。 图2 5 系统仿真模型 f i g 2 5m o d e lo f s y s t e ms i m u l a t i o n 图2 6 主电路仿真模型 f i g 2 6m o d e lo f p o w e rc i r c u i t 沈阳工业大学硕士学位论文 图2 7 采样滤波电路 f i g 2 7s a m p l ea n df i l t e rc i r c u i t 图2 8 控制电路模型 f 瑭2 8m o d e lo f c o n t r o lc i r c u i t 通过仿真，得到了逆变器输出仿真波形。具体仿真参数为：输入为4 8 v 直流电压， 输出为2 2 0 v 5 0 h z 交流电压，额定功率为1 0 k w ，k - - - - 3 ，气d i m s ，k = 0 0 4 7 ，k = 0 1 ， 变压器变比为1 6 ，波电感l = 1 5 m h ，滤波电容c - - - - 3 3 0 z f ，三角波幅值为1 5 v ，频率 为1 0 k h z 。仿真波形如图2 9 所示为突加突卸1 0 k w 阻性负载、图2 1 0 所示为1 0 k w 感 性负载( e o s 妒= o 7 5 ) 、图2 1 1 是1 0 k w 带容性负载( c o s 矿= - 0 7 5 ) 、图2 1 2 所示为非线 性负载，其中非线性负载为全桥整流性负载，可以看出系统在空载、阻性负载、感性负 载情况下，输出波形又很好的正弦性；突加突卸负载时波形波动不大，说明系统动态性 能较好；在带非线性负载时输出电压波形不够理想，波形正弦性不好，波形有较严重的 平头现象，还有振荡现象。 l o k w 家用节电蓄能逆变装置设计 图2 9 突加突卸1 0 k w 阻性负载的仿真波形 f i g 2 9s i m u l a t i o nw a v e f o r mw i t hs t e pl o a da n da n t i c l i m a c t i cl o a d 图2 1 0 带感性负载仿真波形图 f i g 2 1 0s i m u l a t i o nw a v e f o r mw j m i n d u c t i v el o a d - 2 0 - 图2 11 容性负载仿真波形图 f i g 2 i1s i m u l a t i o nw a v e f o r mw i t hc a p a c i t o rl o a d 图2 1 2 非线性负载仿真波形图 f i g 2 1 2s i m u l a t i o nw a v e f o r mw i t hn o n l i n e a rl o a d 在对仿真输出波形的总谐波畸变率f f h d ) 进行分析：阻性负载t h d = 0 8 0 3 ；感性负 载t h d = 0 9 8 7 ：容性负载t h d = 0 8 9 5 ：非线性负载n m = 1 0 8 8 4 ：空载时d = 1 7 9 8 。 一2 1 l o k w 家用节电蓄能逆变装置设计 这说明该系统控制性能很好，输出波形的正弦性很好，系统对谐波抑制能力很好；在突 加突卸满载阻性负载时，电压降是3 2 c l k 。肛d ( 2 ) 外特性分析：稳态幅值误差万为： 皓堡