（电力电子与电力传动专业论文）逆变器模块并联技术的研究.pdf

浙江大学项l j 学位论文摘要 a b s t r a c t n o wt h em o d eo fp o w e rs u p p l yc o n v e r t si n t ot h ed i s t r i b u t e da n di n t e l l i g e n tf r o mt h e c e n t r a l i z e d t h ec o l ei sp a r a l l e lt e c h n i q u eo fm o d u l e s t h ei n v e r t e rp a r a l l e lo p e r a t i o nr e p r e s e n t s t h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ea c p o w e rs u p p l y t h e r e f o r e ，t h ep a p e rf o c u s e so nt h ep a r a l l e lo p e r a t i o no f i n v e r t e r m a n ys t r a t e g i e sa r ea p p l i e dt oi n v e r t e rp a r a l l e lo p e r a t i o n i ns h o r t ，i tc a db ec l a s s i f i e di n t o t w ok i n d s ：p a r a l l e lo p e r a t i o no fi n v e r t e mw i t hw i r ea n dp a r a l l e l o p e r a t i o no fi n v e r t e r s w i t h w i r e l e s s t h ep a p e ra n a l y z e sa l lk i n d so f p a r a l l e lt e c h n i q u ei nd e t a i l sa n dp o i n t so u tt h et e n d e n c y o fp a r a l l e lo p e r a t i o no f i n v e r t e r s f i n a l l yp a r a l l e lo p e r a t i o no f i n v e r t e r sw i t hn ow i r ei sa d o p t e d a n dr e s e a r c h e di nt h ep a p e r t h ep e r f o r m a n c eo fi n v e r t e ro p e r a t i o nw i l lw o r ko np a r a l l e lo p e r a t i o no fi n v e r t e r s i n v e r t e r i sf u l ld e s i g n e di nt h ec h a p t e r2 m a t hm o d e lo fi n v e r t e ri sc o n s t r u c t e da n dt h ep a r a m e t e r so ff i l t e r a n dc o n t r o l l e ro fi n v e r t e ra r ed e s i g n e di nt h es a l n ec h a p t e r t h ep a r a m e t e r sa r er a t i o n a lw i t ht h e m a t l a bs i m u l a t i o n t h ek e yo fp a r a l l e l o p e r a t i o n o fi n v e r t e r sw i t hw i r e l e s si ss u c hr e a l i z a t i o no fp o w e r r e g u l a t i o na sp o w e r c a l c u l a t i o na n d r e g u l a t i o n t oc a l c u l a t et h ep o w e re x a c t l y , p o w e rt h e o r yi sf u l l a n a l y z e d a n ds o m ef o r m u l a so fp o w e rc a l c u l a t i o na r ea c h i e v e d t h e d r o o pc o e f f i c i e n t s a r e a d e q u a t e l yd i s c u s s e di no r d e rt oi m p r o v et h er e g u l a t i o np r e c i s i o na n dd y n a m i cr e s p o n s e t h e p r o j a c ti sp r o v i d e da c c o r d i n g t ot h ea i mo f d e s i g u i ts h o w st h a ti ti sf e a s i b l et h r o u g ht h e p s i ms i m u l a t i o n s e v e r a li s s u e so nd s pa r ef i r s t l yd i s c u s s e db e c a u s et h ea l g o r i t h m i ci sr e a l i z e d t h r o u g hd s ef i n a l l yt h ef l o wc h a r to f p r o g r a m i sp r o v i d e da c c o r d i n gt ot h ea l g o r i t h m i c t ov a l i d a t et h ep r e v i o u sp r o j e c t ，ap a r a l l e ls y s t e mi sc o n s t r u c t e dw i t ht w oi n v e r t e r s t h e r e s u l to f e x p e r i m e n t ss h o w st h a ti t i sm o r es u i t e dl i n e a r i t yl o a d b u ti tw i l lp r o d u c es o m ee r r o r s w h e nt h es y s t e mi sc o n n e c t e dt ot h en o n l i n e a r i t y t or e s o l v et h ep r o b l e m ，an e wp r o j a c tb a s e do n c u r r e n td e c o m p o s e di sb r o u g h tf o r w a r d t h ep s i ms i m u l a t i o no nt h en e w p r o j a c ts h o w s t h a ti tc a n r e d u c et h ee r r o rg r e a t l y b u ti tn e e d ss o m ee x p e r i m e n tt oc o n f i r m k e y w o r d s ：i n v e r t e r ；p a r a l l e l w i t hw i r e l e s s ；p a r a l l e lw i t hw i r e ；p qr e g u l a t i o n ；c i r c u m f l u e n c e c u r r e n td e c o m p o s e d i i 浙“大学颂f 学位论文第一章绪论 箢一章绪论 本课题受困家门然科学基金资助( 项日批准号：5 0 2 3 7 0 3 0 ) ，其研究土题是电力电子系 统集成若干关键技术的研究。本文研究的丰要内容是逆变器模块的并联技术。通过多方收集 和广泛查阅逆变器并联方面的技术和文献，认为无连线并联技术具有重要的理论研究价值和 较好的席t _ 前景，冈而，本文对无连线并联技术进行了深入研究。本章首先介绍了课题研究 的理论价值和实际意义，然后针对目前的逆变器并联技术进行了详细分析，并系统地总结了 其研究现状。最后介绍了本文的研究内容。 l - l 课题研究的理论价值和实际意义 在交流电源并联中，无连线并联技术与传统的有连线并联技术相比，有着很强的优势。 冈而在的并联技术研究领域中，逆变器模块问的无连线并联将成为新的研究热点，目前无连 线并联技术中尚存在着诸多技术难点，值得进一步探索。 ( 1 ) 以u p s 为代表的分布式供电系统( d p s - - d i s t r i b u t e dp o w e rs y s t e m ) 将取代集中式 供电系统，其核心技术就是如何处理女，供电单元之间的功率分配，即供电单元的并联技术； ( 2 ) 并联是实现高可靠、大功率供电的关键技术。 ( 3 ) 多逆变器模块并联，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。 ( 4 ) 逆变器模块间的无连线并联，方便并联模块问的摆置，而且可有效解决因模块间的 均流母线带来的并联失败的问题。 1 2 并联技术研究现状及发展趋势 1 2 1 分类 目前在有连线并联技术中，对等式并联技术研究的比较充分，而且在实际中已得到j “泛 应用。无连线并联技术中的p q 法研究的较多，但由于均流性能不是很满意和控制方式较复 杂较多地停留在研究阶段。综合目前的各种并联技术的研究方案扔步作出如下分类。 浙江人学砸i 学位论文第一章绪论 尸例等剖僦燃，“f 靠蜚 厂c 薹蒸l 。銎甜一一法( 一p q f ) e 单环 l 较允分)( 集中研究jl 一 并联技一 l 电一一七景耋罨甄 i无连线并厂输卅串电阻c 借鉴直流并主? 控制 c 研究热点，l 功煮。塑节f 荤嚣箸法 p q 法i 一 ( 重点研究i - - p q d + 小信号注入法 l p q 模拟输出阻抗法 图1 1 主从式并联原理框图 2 浙江人学帧l j 学位论文第一章绪论 1 2 3 2 改进丰从式 模块问采用并联，主要目的是增加系统的可靠度，也即实现模块问的冗余。而上述的上 从方案f i ，主模块没有兀余，一旦主模块出现问题，可能导致整个系统的崩溃。目前在这种 方案的基础上提出一种主从式改进方案，通过采用自主模块法进行优化：当主模块出现问题 时，通过适当的控制，可将某一从模块作为主模块，从耐砰决主模块不能冗余的问题。目前 实现这种方案有诸多方法，f 面介绍两种比较典型的自主模块法。 ( 1 ) 状态通讯线法。通过一条状态通讯线来自动确定哪一个模块为主模块，而其它模块 为从模块。具体实现原理框阁见图1 2 。在这种有连线控制方案中，模块间的通讯线只有两 根，一根是实现均流功能的电流参考信号，另一根是决定本模块是否为主模块的状态通讯线。 vr 图1 2 状态通讯法原理图 ( 2 ) 最人电流法。在并联系统中的模块，谁的输出电流最大将成为主模块，而其余的模 块则为从模块，原理实现见图1 3 。 图1 3 最大法电流 浙江人学坝j 学位论文第审绪论 1 2 3 3 对等式 所有模块在整个并联系统中，没有丰从之分，故并联系统中所有模块可实现完全冗余， 这将人人增加系统的可靠度，但模块间尚须均流信号线相连。 这种控制方式与主从式相比，具有如下特点： ( 1 ) 模块闻没有丰从之分，因而消除了主从式中冈主模块故障而导致的系统崩溃问题； ( 2 ) 模块问的存在着多种变量作为通讯迮线，因而控制方式比主从式要多，而且更加 灵活。常见的控制变量包括：输电流、逆变器基准电压参考信号、反馈电流、 参考电流、输出有功功率、输出无功功率、输电压的频率及相位等。 由于这种方式基本解决了主从式的致命弱点因主模块故障而导致并联系统的崩溃， 而且它的控制方式比较灵活，所以目前研究的比较充分。这里土要介绍研究比较典型的j 种 控制方案。 ( 1 ) 均分控制法。这种控制法的设计思想是在各模块中设置同步和相府控制变量的平 均信号环节，通过模块问的控制信号连线，生成共同的基准电压、基准电流从而实现备逆 变模块的同步和均流。该设想思路清晰，但模块闻的通讯线比较多，不利丁多模块的并联。 其实现原理见图14 v 图1 4 均分控制法 ( 2 ) 功率均分控制法。从功率平衡的角度进行考虑，若要实现备模块间的均流，它们 的提供给负载的有功功率及无功功率应当平衡。具体方法为：利用输出电压的频率、输出的 有功功率及无功功率作为各模块间的信号线，实现模块问的功率分配，具体见图1 5 1 8 l 。 4 浙江大学坝 学位论文第一章绪论 i ，、 一 司 - 一幸 。十 与吁 “ dsp ttt|i 三l ! l 叫 r io r l 逆变蒜隔离j 电路l li l “8 。”j l 逆变器一2l 逆变器一ni 图1 5 功率均分控制法 ( 3 ) 电流权蘑控制法。采用电流权重分布控制策略，以实现电流均分。针对单逆变器 采用了三种控制环，电压外环控制实现系统的稳定性，电流内环控制提高系统的动态性能 电流权重分布控制取得相应的负载电流，实现模块问的电流均分【“1 。实现原理见图1 6 。 l l 上。j _ | 寄 ；= = = = c l t jl i 。亏： 7 |“h 产芝j = l _ 上i i l | j 唑! 塑型卜k 圣 删 l 逆变器l l 】一 v 一 逆变器一2 逆变器一n i 。 a cb u 8 图1 6 电流权重控制法 1 2 3 43 c ( c i r c u l a rc h a i nc o n t r 0 1 ) 式1 1 2 , 3 】 本模块跟踪上一个模块的输出电流，而自己的输出电流又作为下一个模块的电流参考 以此类推，各模块在电流反馈信号上形成一个环形结构，在功率输出上为并联关系。 浙江人学硕卜学位论文第一幸绪论 优点：人大减少了模块之间的信号连线，因为子模块只与上r 阿模块之间进行通讯， 1 m 与其它n 2 个模块无关。 缺点：在控制回路引入其它模块信号，加强了模块间的耦合，故常规控制方案难以实 现，使得控制复杂化。 1 2 3 5 有连线并联技术的综合 从上述各种有连线并联控制方式中町知，日前基于有连线模块并联技术主要集中在如f 儿个方面 1 - 2 1 i 。 1 2 3 5 1 直接控制法 直接控制法，一般包括直接对模块的输 电压、输出电流和频率进行控制，土要在以卜 几个方面进行研究。 ( 1 ) 采取何种方式进行均流控制，以增强均流线的抗干扰性和使得故障模块及时退出并 联系统而不影响到其它模块的正常工作，如上述文献i ”1 的权重电流分布控制； ( 2 ) 怎样实现各模块之间的输出电压的同步问题，可采用数字或模拟锁相环技术实现， 但要考虑其动态响应及控制精确度旧； ( 3 ) 采取合适的控制策略以提高系统的动态和稳态性能【l o 】1 1 4 1 “。 1 2 3 5 2 间接控制法 一般采用对模块的输出有功功率和输 l5 无功功率进行控制。当然，有时还辅助以输出的 频率进行控制”。由于涉及到多种算法，因而在这种控制策略中基本都采用d s p 技术。 凶此，今后有连线模块并联技术方案应具备如下几个特点。 ( 1 ) 系统的高可靠度。系统中各模块要能实现完全冗余，模块间的并联地位保持均等； ( 2 ) 系统中的模块可进行热插拔，而且故障模块应能很容易退出系统而不影响到其它模 块的正常t 作； ( 3 ) 模块间的通讯信号为数字信号，以增强抗外界干扰能力；但模块间的信号传输速率 不应影响剑系统的均流性能； ( 4 ) 采用先进的控制策略( 如瞬时值控制、鲁棒控制、模糊控制和滑模变结构控制等) 和d s p 技术，实现全数字化控制。 6 浙，i ：大学颂f 一学位论文第一章绪论 1 2 4 无连线并联技术 无连线并联技术一一通过借鉴同步发电机的自同步和电压下垂特性，实现模块间无信 号线的并联。其关键技术是通过调节模块自身的变量来实现系统中各模块间负载功率的分 配，而负载功率傲包括有功功率和无功功率( 若负载为非线性，还包括喈波功率) ，对它 们的调节，可以通过控制模块输出基波电压幅值和相位得以实现。 1 2 4 1 无连线并联技术的特点 ( 1 ) 并联系统中模块间相对完全独立，易实现冗余系统，这样司提高系统的可靠度； ( 2 ) 我们以目前应用比较j 1 。泛的u p s 为例米说明逆变器模块问无迮线并联技术的优势。 它能有效地解决目前存在于u p s 问因采用有连线并联方式而出现的两个主要问题。首先， u p s 间的均流线极大地限制了u p s 的摆放位置，尤其是在原有容量基础上进行扩容时，町 带来诸多不便；其次，l i p s 间的均流线易受外界干扰而使u p s 问的均流功能f 降，甚至导 致均流火败而影响到整个供电系统的安全； ( 3 ) 控制复杂。目前实现这种方案的控制方式都比较复杂。 1 2 4 2 无连线并联技术的研究现状 虽然无连线并联技术目前尚有诸多的技术难点，但它与有连线并联技术相比，具有更多 的优势，因而，很值得进一步研究。有关无连线并联技术的研究主要体现在以下几个方面。 ( 1 ) 由于研究的主要是电压型逆变器问的并联，因而在逆变器输出并联时，在逆变器与 系统负载之间应串有感性阻抗，一般采用如下两种方式：一种是直接在逆变器与负载问串电 感；另外一种是通过将隔离变乐器接在逆变模块与负载之间，但这种方案均流效果不太好， 而且很笨重( 因为输出隔离变压器为t 频) 。 ( 2 ) 模块成功并联，其输出电压的幅值、频率、相位应严格保持相同，也即模块间的功 率平衡。如何通过只检测本模块的自身变量而实现模块间的功率平衡成为这项技术的关键。 目前基本上是通过检测本模块输出的有功功率( p ) 、无功功率( q ) 来调整输出电压的幅值和 相位( 通过输出电压频率) 来实现的。 ( 3 ) 当并联系统接非线性负载时，r , q 法就很难实现谐波功率的平衡，进而引入谐波功 率( d ) 控制电压环的增益以调节模块间的谐波功率的平衡，但这会降低电压环的带宽和恶 化输出电压波形。 ( 4 ) 由于在输出端接有连线电感，而且还存在着输出线等连线阻抗的影响，这在很大程 度上影响了均流效果，如何减小引线( 包括输出电感和连线阻抗) 阻抗的影响，或者彻底消 7 浙江人学碳一学位论文第一章绪论 除它的影响。 ( 5 ) 如何快速而有效地检测出输出的有功功率、无功功率和谐波功率。 1 2 4 3 无连线并联技术的实现方案 1 2 4 3 1p q 法1 3 4 j 【3 6 ( 1 ) 基本方案：通过检测输出的有功功率( p ) 和无功功率( o ) 来调节输出电压的幅 值和频率，能较好地满足线性负载，见图j 7 。 ( 2 ) 改进方案：在基本方案的基础上，增加了谐波功率控制。它通过检测输出谐波功率 来调节电雎环的增益，实现谐波功率的均分，基本适应线性和非线性负载，见图1 8 。 v i n 图1 7 基本p q 方案 图1 8 改进p o 方案 8 u s 浙江人学硕i j 学位论丈第一章绪论 1 2 4 32 输出串电阻法 借鉴直流并联方案”l 。采h j 了另外一种先连线并联的控制策略，它是通过输出电压幅 值及频率随输出电流增大而改变的控制方法实现各模块间的均流。控制原理见r 图1 9 。 、t 。t 一 圈1 9 输山串电阻原理图 1 2 4 5 无连线并联技术的总结 综合上述无连线并联方案，有如下结论。 ( 1 ) 模块与负载之间通过电感或变压器相连。其目的是为抑制模块间的环流，但同时又 影响均流性能。而_ t 频变压器体积比较大，费用高，所咀目前很少有人采用。 ( 2 ) 模块成功并联，可通过如下两种途径实现。首先，直接并联法，通过控制各模块输 山屯压的幅值、频率和相位保持相同；其次，间接并联法，通过控制各模块的输m 功率平衡。 ( 3 ) p q 法能较好在线性负载下实现功率平衡。 ( 4 ) p q d 法解决了非线性负载的谐波功率分配问题，但会恶化输出波形，降低电压环 的增益。 ( 5 ) 部分研究考虑了连线阻抗的影响，但效果不是很理想。 ( 6 ) 控制复杂，一般采用d s p 进行处理控制。 1 3 数字控制技术3 9 1 3 1 数字控制特点 传统的电源一般都采用模拟控制，而模拟控制经过多年的发展，已经相当成熟。然而， 模拟控制有着固有的缺点：需要大量的分立元件和电路板，元器件数最很多，制造成本比较 高；大量的模拟元器件使其之间的连接相当复杂，从而使系统的故障检测与维修比较困难。 模拟器件的老化问题和不可补偿的温漂问题，以及易受环境( 如电磁噪声，t 作环境温度等) 干扰等因素都会影响控制系统的妖期稳定性。 9 浙江人学顺t 学忙论文 第一章绪论 专_ l j 模拟控制集成芯片的使_ l j 大大简化了控制系统，能方便实现一些电路控制功能，但 是其控制环路中的反馈控制网络仍需外接大量的电容电阻等模拟器件。除了存在以上所有模 拟控制的缺点外，专计】芯片还存在控制不够灵活，因而很难实现复杂、先进的控制算法。 数字控制电源是当今电源发展的方向，与传统模拟控制相比，数字控制可以简化硬件电 路，提高控制精度，易实现各种复杂的控制算法，且降低了电路成本，易实现大规模产品生 产。 高速的微处理器的出现如d s p ，使得数字控制技术实时性迅速提高，数字控制才得到更 广泛的应用。在基丁d s p 控制的电源产品中，d s p 将输出波形采样后和软件设定的参考信 号相比较，通过数字校正器，得到p w m 开关控制信号。用软件手段实现的反馈控制算法能 很好的解决控制系统由于元器件老化和温漂带来的问题，抗干扰能力也将人大地增强。此外， 控制系统的升级可以通过改变软件来实现，在不改变硬件的条件f 可提高系统的性能。 图1 1 0 为数字控制的电源系统的典型结构框图。系统包括模拟部分、数字部分阻及模拟 数字的接口电路。模拟部分主要是各种拓扑的变换电路及负载电路组成。数字部分为微处理 器芯片及其外没。接口电路包括从模拟部分到数字部分的采样网络及a d 转换器和从数字部 分到模拟部分的p w mn = ； e - 围电路、相应的门极驱动电路及d a 转换器或1 0i j ，l 周电路。 数字部分接口电路模拟部3 3 罂竺寸 ip w m l ：3 i 门极i 微处爿# 1 - 围 剖- b i g t 移j | 二= 主功 理器 电路i 电路l 率电 路 一；篮誓l i 爱镭l 1 蛩r | 警f 图1 1 0 数字控制的电源系统的典型结构框图 数字控制系统中要注意以下几个问题：a d 转换的精度和速度，采样频率的选取、p w m 频率及其精度，控制算法的延时，字k 效应，计算精度等。a d 转换器不可避免存在量化误 差而这种最化误差对系统米说是一个不利影响。选择高精度的a d 转换器无疑能提高系统 的控制精度，但也同时增加了系统的成本。根据采样定理信号的采样频率至少为被控电路 1 0 浙江人学硕i j 学位论土：第一章绪论 系统带宽的两倍，才不会山现混叠效应。提高采样频率能提高控制系统的实时性，但是这通 常要受到a d 采样芯片的速度及微处理器速度的限制。p w m 信号频率和精度对控制系统的 精度影响最大，一般来说，开关频率越高，控制间隔越小，精度也就越高，但同一系统开关 损耗也就越大。另外，在微处理器中，p w m 频率和数字控制所特有的量化误筹对p w m 精 度影响却足矛盾的，如对于d s p t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 而言，系统的时钟频率为铀 4 爿l ，当p w m 频率为2 5 胁时，定时器的置数为1 6 0 0 ，p w m 量化误差为o 6 2 5 ，而当p w m 频率为 j d t 月2 时，定时器的置数为8 0 0 ，p w m 量化误差为1 2 5 。控制算法的延时对系统影响很 大，不但影响系统的控制精度和实时肚，还可能造成系统不稳定。字k 效应及计算精度也是 影响系统控制精度指标一个重要因素。在运算过程中，数据最初来自a d 转换器，a d 转换 器的位数即采样的分辨率首先影响后面计算所能得到的最大精度。 1 3 2 数字信号处理器( d s p ) 4 0 5 】，【4 6 j 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 简称d s p ，原米是为信号处理而设计的， 但目前愈来愈多地应用于实时控制领域。d s p 芯片是从8 0 年大以后才发展起来的，1 9 8 1 年 美国贝尔实验室的d p s i 和n e c 公司的u7 7 2 0 p d 被认为是最早的d s t ，芯片，其广泛应用是 1 9 8 3 年t i 公司的t m s 3 2 0 系列开始的。t m s 3 2 0 f 2 4 0 是t i 公司专门用于电机控制的第一代定 点d s p 芯片。在t m s 3 2 0 f 2 4 0 以后，t i 公司推出2 4 x 一系州d s p 产品，用于不同场合的电机 控制和电源开发，某些方面的性能也得到了提高。如t m s 3 2 0 c 2 4 1 c 2 4 2 c 2 4 3 为第二代产品， 增加了控制器局域网络( c a n ) 模块，a d 转换速度也提高到8 0 0 n s ，第三代产品t m s 3 2 0 1 f 2 4 0 x 系列的应用更加广泛，它在t m s 3 2 0 系列d s p 的基础上，具有了如f 一些特点： ( 1 ) 采用高性能静态c m 。s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器的功耗；4 0 m 1 p s 的执行速度使得指令周期缩短到2 5 n s ( 4 0 i 吁i z ) ，从而提高了控制器的实时控制能力。 ( 2 ) 基于t m s 3 2 0 c 2 x x d s p 的c u p 核保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 代码利t m 3 2 0 系列d s p 代码兼容。 ( 3 ) 片内高达3 2 k 字的t l a s h 程序存储器，高达1 5 l 字的数据程序r a m ，5 4 4 字双1 5 1 r a m ( d a r i ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) 。 ( 4 ) 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定时器：8 个1 6 位的 脉宽调制( p w m ) 通道。它们能够实现：三相反相器控制；p 删的对称非对称波形：当外部 引脚p d p i n t x 出现低电平时快速关闭p w m 通道；可编程的p w m 死区控制以防止上f 桥臂同时 输出触发脉冲；3 个捕获单元；片内光电编码器接口电路；1 6 通道a i ) 转换器，事件管理模 块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁电机、步进电机、多级电机和逆变器。 1 1 浙江人学硕| j 学位论文 第一章绪论 ( 5 ) 可扩展的外部存储器( l f 2 4 0 7 ) 总共1 9 2 k 字：6 4 k 字程序存储器：6 4 1 字程序存 储器；6 4 1 ( 字数据存储器；6 4 k 宁i 0 寻址空间。 ( 6 ) 看门狗定时器模块( w d t ) 。 ( 7 ) 1 0 位a d 转换器最小转换日j 间为5 0 0 n s ，可选择由两个事件管理器米触发的两个8 通输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器。 ( 8 ) 控制器局域网络( c a n ) 2 0b 模块。 ( 9 ) 串行通信接口( s c i ) 。 ( 1 0 ) 1 6 位的串行外设接口模块( s p i ) 。 ( 1 1 ) 基于锁相环的时钟发生器。 ( 1 2 ) 高达4 0 个可单独编程或复用的通h j 输入输出引脚( g p l 0 ) 。 ( 1 3 ) 5 个外部中断( 电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) 。 ( 1 4 ) 电源管理包括3 种低功耗模式，并且能独立将外设器件转入低功耗模式。 1 4 论文研究内容 本文主要围绕国家自然基金资助项目一一电力电子系统集成若干关键技术研究中的逆变器 模块并联技术开展研究，还包括了作者在实际工作中的一些心得和体会。逆变器模块并联技 术研究的土要日的是提高供电的高可靠性。从前述我们可以看出，无连线并联技术相比于有 连线并联技术有着更多优势，因而本文采用无连线并联方案，从基本的理论、目前研究现状 和实际情况山发，对逆变器无连线并联技术进行了深入的研究和探索，最后给出相关实验波 形。 本文的研究上作主要有以下六个部分： ( 1 ) 绪论主要介绍了目前逆变电源并联技术的研究现状及论文研究的理论价值和现实 意义，对各种并联方案进行了简要分析，为后续研究工作中方案的选取提供参考。简单介绍 了数字控制的特点及优势，毋后给出本文的研究内容。 ( 2 ) 逆变器的设计( 第二章) 。逆变器的性能优劣和不同的控制方案将影响到系统的 并联性能，本章主要内容包括：逆变器的拓扑选择与数学建模、输出滤波器参数和控制参数 的设计，并用m a t l b a 进行仿真，验证参数设计的合理性。 ( 3 ) 无连线并联技术的基本原理( 第三章) 。主要包括功率理论的基本知识，潮流理论， p q 控制理论公式推导及环流理论的分析。 1 2 浙江大学颂i j 学位论文第一章绪论 ( 4 ) 方案仿真及算法的实现( 第四章) 。包括设计目标，方案的提及确立，系统仿 真及算法的软件设计等。 ( 5 ) 试验装置( 第五章) 。并联系统的整体结构及各部分硬件实现，最后给出各种负 载条件r 的实验波形进行验证。 ( 6 ) 基于电流分解的无连线并联方案( 第六章) 。针对前述方案中存在的问题，提出基丁 电流分解的无连线，i ：联方案。本章中首先详细介绍了电流分解理论，应用m a t l a b 仿真得山 分解参数；给山两个前提条件，提山新方案，并用仿真进行论证。 ( 6 ) 总结和展望( 第七章) 。对前面丁作进行总结，并提出有待改进的地方。 1 3 浙江人学硕卜学位论史第二章逆变器的设计 第二章逆变器的设计 3 9 , 4 0 , 4 1 4 2 , 4 3 , 4 4 1 2 1 主电路建模及滤波参数设计 2 i 1 卡电路建模 逆变器的主电路拓扑采用图2 1 的桥式拓扑结构。 l 广珥，i 酮。广焉 ! ；。a r 阻一怛 l - 1h l 型生兰射。4 l _ 一一 v 0 r 将电感。用厶表示，电容c 用二c s 表示，可推导出输出电压k ( s ) 和a b 两点电压( j ) ) 2 鬻2 茹i 一+ c s2 雨1 巧眩1 ) 当忽略滤波电感的等效阻抗r 时，式( 2 1 ) 可以简化为 g ( j ) 2 丙1c z j 2 + = s + 1 r 进 i 双极性s p v t m 调制时，e 可以表示为： h = e ( 2 s 一1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 其中，s 为开关函数。 当s 1 ( 或0 1 ) 、s 4 ( 或0 4 ) 导通时，s = 0 ： 当s 2 ( 或d 2 ) 、s 3 ( 或d 3 ) 导通时，s = i 。 显然，由于开关函数s 的存在，式( 2 3 ) 中”不连续。在一个开关周期内，采用状态 1 4 浙江人学硕i 学位论文第二章逆变器的设计 空间平均泫，川v 的平均值v ，代替其瞬时值。v ，的平均彳i i c v ，“j 以表示为 = e - d + ( 一e ) ( 1 一d ) = ( 2 d 一1 ) e 由于采用s p w m 调制，d 可以表示为 d ：三f l + 丘、 2 、 7扣半， 其中k 为参考止弦波信号，= s i n ( c o t ) ，为三角载波峰值。令 m ：生 k 。 其中m 为调制比，代入得 v , = ( 2 d - i ) e = 陋+ 半h 卜 用v j 代替v 可得到 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 陋i 删) - i e = 删 隰， v f z v 一一= m e s i n ( 硼2 毒恻卅= 瓦e ( 2s ) 从式( 2 8 ) 可以得到其频域公式为 联立式( 2 1 ) ，可得到 k ( s ) e v m ( j ) 。 ( 2 9 ) ：婴：婴掣：_ l 一旦 ( 2 。9 ：5 5 9 ：5 c l s 2 + ( 妻+ ，c ) s + 1 + 丢 。 这就是逆变器输入和输出的传递函数瓯( j ) ，根据传递函数的表达式，可以得到其等效 方框图如图2 2 所示。 1 5 浙江人学硕j 。学位论史第一审逆娈器的设计 图2 2 单相逆燹器等效框图 2 1 2 正弦波脉宽调制技术( s p 嘲) s p w m 的控制是根据三角载波与正弦调制波的交点来确定逆变器功率开关器件的开关 时刻。用d s p 通过软件生成s p w m 波形可以采用自然采样法、规则采样法和指定谐波消除 法。本系统采用规则采样法。 规则采样的原理如图2 3 所示。在三角载波每一周期的负峰值时刻找到正弦调制波上的 对应点，即削中的e 点，求得电压值k 。用此电压值对三角载波进行采样，得a 、b 两点， 从而确定脉宽时间1 2 。由_ 丁每个周期的采样时刻都是确定的，它所产，# 的s p w m 脉冲宽度 和位置都可预先计算出来。根据脉冲电压对三角载波的对称性，可得。r 面的计算公式： 7 乞2 号( i + 肘s 油吒) ( 2 1 1 ) 1 t 12 t 32 专( 乏一t 2 ) ( 2 1 2 ) 其中为止弦调制波的频率，即逆变器输出频率。 夕一衍纠 l 一一 f ；v 一 t ， 掉r ：* 2 图2 3 生成s p w m 波形的规姗采样法 逆变器输出电压未经滤波时，i 皆波主要分布在开关频率及其倍频附近，谐波频率 为： 五= 峨矽( 2 1 3 ) 其中z 为开关频率，f 为逆变器输出电压频率，m 、n 为整数。 1 6 浙t i 大学倾f j 学位论文第二章逆变器的设计 当输入电压不变时，逆变器输出i 乜压的基波分量v “以及各次谐波分鼍v 。h 满足下式 k ，2 = c o n s t ( 2 1 4 ) 所以当调制度变小，即输出电压基波分最变小时，谐波电压将有较大程度的提高，特别 是在开关频率及其附近。 2 1 3 输出滤波器参数设计 从上面分析可知，逆变器的输出电压中不仅包含丁5 0 h z 正弦波还包含了开关频率分 量及其倍数谐波。为了得到5 0 h z 的标准正弦波电压，需要在逆变器的输出端加低通滤波器， 滤掉高次谐波而得到纯正的5 0 h z 的正弦波电压。滤波器的种类很多，有一阶、。阶以及多 阶滤波器。设计中选用的为二阶l c 低通滤波器，如图2 1 所示。 在图2 1 中，忽略电感电阻，滤波器输出电压相对于滤波器输入电压的传递函数为： g = 篇= 南l c = 去 ( s ) j 2 + 土s + 上s 2 + 2 瓴j + 2 式中国：0 ：一无阻尼自然振荡角频率 n 4 l c 。 f = 去后一阻尼比； 这是一个典犁的二阶振荡系统，幅相频率特性为 g ( f l o ) 其中 4 ( ) = 鼬) - 一1 专 f2 f 旦 = a ( o ) e 7 9 。 ( 2 1 6 ) 南 ：靠 llllj 浙江人学碜! j 一学位论文第二章逆变器的设汁 。崩霉j 西； 霄薯苯惑翳， | | | 、警慕一 、 、t ，k 图2 4 滤波器传递函数伯德图 根据式( 2 1 6 ) ，可以求得对数幅频特性为： 上c甜，=2。，g爿c出，=之。kj【：|：i瓣 c ：t ， 在c a l r 的高频段，爿( 珊) j f 2 2 ( ) z - 4 0 1 9 v m 。所以，低频段渐近线是一条零分贝的水平线，而高频渐近线是一条斜率 为4 0 d b 的直线。这两条线相交处的交接频率为o ) n 。在交接频率附近，幅频特性与渐近线 之间存在一定的误差，其值取决于阻尼比的值，阻尼比愈小，则误差愈大。当f r 当并联系统中各模块的额定功率不一致时，卜- 垂系数必需满足如下的关系式【2 m l s = m 2 = = 埘s u 啊s = 1 , 1 2 s z = = r n 氏 而各逆变器间的连线阻抗应满足如下关系 x l s l = x 2 s 2 = = x n s n 3 8 ( 3 4 6 ) r 3 4 7 ) r 3 4 8 ) ( 3 4 9 ) 浙江夫学预l 。学位沦文第一二章无连线并联技术的皋奉理论 3 4 环流理论 3 4 1 基本原理 逆变器1 ，了q y j j _ 斗 态 ，0 l 、1 。么纷 逆变器2 图3 , 4 环流原理说明图 + 设逆变器1 与逆变器2 之间存在的环流为1 ，一般假设x 1 = x 2 = x ，根据图3 4 得环 流表达式为 ，j，vo-一vo_业_2(vol c o s p t - i , , 2c o s ( p 2 ) + j ( v o ls i n 】9 0 j - - v 0 2s i n ( 0 2 ) ( 3 5 0 ) 2 x2 x 、 j ( 1 ) 当仍= 仍= 仍圪1 吒2 - 则式( 3 5 0 ) 简化为 i ：竖j ( 圪, - v 0 2 ) c o s 4 , ( 3 5 0 2 x 由3 - 妒很小，墩s i n 0 ，c o s o “1 ，简化式( 3 5 1 ) 为 ?7 一圪： i h j 等 ( 3 ，5 2 ) 上式表明，当两逆变器输出电压中相位相同，而存在幅值差异时，环流主要为无功环流 且无功环流与两逆变器的幅值差异成正比，由幅值小的流向幅值人的。 ( 2 ) 设k i = 吒2 = 圪，仍仍，则式( 3 5 0 ) 时简化为 = 型掣一，竖篆型限s ， 由于锻( f = 1 , 2 ) 比较小，1 玟s i n 够= 识，c o s 锻= 】o = 1 ，2 ) ，式( 3 5 3 ) 简化为 = 鼍 ( 3 5 4 ) 上式表明，当两逆变器输出电压中幅值相同，却存在相位误差时，环流中主要为有功环 浙江大学硕f 学位论文始三章无连线并联技术的基本理论 流，有功环流与两逆变器的相位莘成正比，由相位超前的流向相位滞后的。 从式( 3 5 2 ) 和式( 3 5 4 ) 可以看出，当输山连线阻抗越人时，无功环流与有功环流就越 小，因瓶迮线阻抗能有效地起到抑制环流的作用。 3 5 本章小节 本章为后面的研究提供基本理论依据，主要包括三方面的内容。首先对功率理论的计 算和物理意义进行了详细分析，并给出各种负载情况下的计算公式；其次，以两个逆变器并 联j 二作为例，根据潮流理论，推导山p q 调节基本理论公式，并对r , q 调节中的下垂系数进 行相应的分析，为研究方案中下垂系数的选取提供理论依据；最后对并联系统中存在的环流 问题进行理论分析。明确了有功环流和无功环流与逆变器输出电压的棚位和幅值存在着一定 的关系。 4 0 浙江大学倾上学位论史第四章并联方案及算法实现 第四章并联方案及算法实现 在并联系统中，逆变器若要稳定_ 作，关键要使得各逆变器的输出功率基本均衡。由上 一章的理论分析可知，可以用检测来的功率调节逆变器自身的输出电压幅值和频率，以达到 实现各逆变器模块在系统中均分负载电流。因而，功率的获得和实时调节成为本方案设计的 关键之一。目前市场上的并联系统中，都要求模块能实现热插拔，这也是方案设计中考虑的 另一个问题。 4 1 并联方案2 4 , 2 5 , 3 4 , 3 6 4 1 1 方案的目标 ( 1 ) 本方案对线性负载能实现很好地调节，对非线性负载也能基本满足； ( 2 ) 模块在系统t 作中能实现热插拔而不影响其它模块的正常t ：作； ( 3 ) 设计中考虑因连线阻抗带来的负面影响，结合系统设计采取相应的措旌进行改善； ( 4 ) 改善常规p q 调节中的动态性能； ( 5 ) 将逆变器的控制和并联算法结合考虑，用d s p 进行实现。 4 1 2 并联方案 根据上述设计目标，提出如下设计方案。具体实现原理框图参见图4 1 。 v i 图4 1 并联方案原理框图 4 1 3 方案说明 为了能达到设计目标，对上述方案作如下说明。 4 l 浙江人学彻f 一学位论文 第凹章并联方案及算法实蚬 4 1 3 1 改进p q 调节方案 传统的p o 法控制中，其调肖方程为 2 一m + p 矿：v o - n * q ( 4 ，1 ) 为提高系统的动态性能，基于传统的p q 调节作如下改进 国= 珊一川p - m d 百d p ( 42 ) 矿= v * - n q 百d q ( 4 3 ) 4 132 参数选取 1 、电气参数 针对t 面提出的改进方案，具体见式( 4 2 ) 和( 43 ) ，如何确定调节式中的参数将 极大地影响并联性能。设研究的两逆变器的电器参数为：输出电压的有效值为2 2 0 v ， 频率为5 0 h z ，输出最人功率为1 0 0 0 v a