（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的单相逆变器并联控制技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | 页 a bs t r a c t p a r a l l e lo p e r a t i o no fm u l t i - i n v e r t e r sp r o v i d e sag o o dw a yt oi n c r e a s et h ec a p a b i l i t ya n d r e d u n d a n to p e r a t i o n ，w h i c hm a k e st h ep a r a l l e lo p e r a t i o no fi n v e r t e r sm o r ea n dm o r ew i d e l y u s e d i na d d i t i o n , w i t hf a s td e v e l o p m e n to fd i g i t a lp o w e rc o n v e r t e rt e c h n i q u e ，d i 百t a lc o n t r o l s p w mi n v e r t e rh a sb e c o m et h em a i ns t r e a mo ft h ei n v e r t e r d i g i t a lc o n t r o lt e c h n i q u ea n d p a r a l l e lo p e r a t i o nt e c h n i q u eo fi n v e r t e rh a v ea t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o n s i n g l e - p h a s ef u l l b r i d g ei n v e r t e ra n di t sc o n t r o lm e t h o dh a v e b e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r n eo p e r a t i o np r i n c i p l eo fs i n g l e p h a s ef u l l - b r i d g ei n v e r t e rh a sb e e na n a l y z e d o p e nl o o p c h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l e - p h a s ef u l l b r i d g ei n v e r t e ra r eg i v e n ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f s p w mi n v e r t e ri se s t a b l i s h e da n dt h er e a s o n sf o rt h eo u t p u tv o l t a g ew a v e f o r md i s t o r t i o na r e r e s e a r c h e d b a s e do nw h i c h ，t r a n s f e rf u n c t i o no fs i n g l e p h a s ef u l l - b r i d g ei n v e r t e ri sd e r i v e d b a s e do nd o u b l ec l o s e d l o o pc o n t r o l ，c o n s i s t i n go fo u t e rv o l t a g el o o pa n di n n e ri n d u c t o r c u r r e n tl o o p ，a n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec l o s e d - l o o pi n v e r t e rw e r es t u d i e d f i n a l l y , s t e a d y s t a t ea n dt r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c so fd o u b l ec l o s e d - l o o pc o n t r o l l e ds i n g l e - - p h a s ef u l l b r i d g e i n v e r t e ra r er e s e a r c h e db ys i m u l a t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so fs i n g l e - p h a s ef u l l - b r i d g ei n v e r t e r , e q u i v a l e n tm o d e lo ft w o i n v e r t e rp a r a l l e ls y s t e mi se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h ee q u i v a l e n tm o d e l ，t h er e a s o n so f c i r c u l a t i o nc u r r e n ta r e a n a l y z e da n ds o m ef a c t o r s ，s u c ha sr e f e r e n c ev o l t a g e ，v o l t a g e f e e d b a c kc o e f f i c i e n t ，o u t p u tv o l t a g ea m p l i t u d e ，w h i c hi n f l u e n c ec i r c u l a t i o nc u r r e n t ，a r e d i s c u s s e d b a s e do nd o u b l e c l o s e d l o o pc o n t r o l l e di n v e r t e r , t h ep a r a l l e lo p e r a t i o no f m u l t i - i n v e r t e ri sa c h i e v e db ya d d i n ga i le x t e r n a lc u r r e n ts h a r i n gl o o p t h em a t h e m a t i c a l m o d e lo fp a r a l l e li n v e r t e rs y s t e mi sb u i l t ，t h e n ，t h es t a b i l i t ya n dv o l t a g er e g u l a t i o na b i l i t yo f t h ec u r r e n t - s h a r i n gc o n t r o l l e ri sa n a l y z e d b a s e do nw h i c h ，a ni m p r o v e dt w o - l o o pa v e r a g e c u r r e n t s h a r i n gc o n t r o ls c h e m ei sp r o p o s e di nt h i sp a p e r , a n do v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o nc a nb e a c h i e v e df o rd o u b l ec l o s e d - l o o pc o n t r o l l e di n v e r t e r sw h i c hc o n s i s t so fo u t e rv o l t a g el o o pa n d i n n e ri n d u c t o rc u r r e n tl o o p d e t a i l e da n a l y s e so ft h ea v e r a g ec i r c u i ta n ds y n c h r o n i z a t i o n c i r c u i tw i t ha v e r a g e c u r r e n t s h a r i n gs c h e m ea r ea c h i e v e d b a s e do nt h e o r ya n a l y s i s ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo f p a r a l l e li n v e r t e rs y s t e mi se s t a b l i s h e d b yp s i m ，s t e a d ys t a t ea n dt r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep a r a l l e li n v e r t e rs y s t e ma r e a n a l y z e db ys i m u l a t i o n t w olk we x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e sa r ed e s i g n e dw h i c hc o m p o s et h e p a r a l l e li n v e r t e rs y s t e m s o m es o f t w a r em o d u l e so fd i 百t a lc o n t r o ls y s t e mh a v ea l s ob e e n p e r f o r m e ds u c ha si n i t i a l i z a t i o nm o d u l e ，p ia l g o r i t h mm o d u l e ，s o f t - s t a r ta l g o r i t h mm o d u l e a n dd u t yc y c l es a t u r a t i o nm o d u l e s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a la r ep r e s e n t e dt ov e r i f yt h e r i g h to ft h ec o n t r o ls c h e m ea n dt h ed e s i g n e dp a r a m e t e r s k e yw o r d s i n v e r t e r , p a r a l l e l ，c i r c u l a t i n gc u r r e n t ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密回，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“扩) 学位敝作者签名：莉知 指导剖程轹 r 皂￥ 日期：扫p 年f 月畔日日期：弘p 年乡月移日 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 论文研究了单相逆变器s p w m ( s i n ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 及其控制方法，分析 了单相全桥逆变器的工作原理；建立了逆变器的连续状态空间模型；分析了单相逆变 器的开环特性，对逆变器输出波形畸变的原因进行了研究；研究了单相逆变器电压外 环、电流内环双闭环控制方法，对闭环特性进行了研究；对电压外环、电流内环双闭 环控制单相逆变器的稳态和瞬态工作特性进行仿真分析；分析了逆变电源并联系统的 工作原理和并联系统的环流特性；分析了参考电压、电压反馈系数、输出电压幅值以 及直流偏移等因素对环流的影响。在此基础上，改进了一种基于瞬时平均值电流控制 的逆变器并联控制策略，建立了并联系统的数学模型，针对该模型，对系统均流控制 器的稳定性和电压调节进行了分析。 在理论分析的基础上，建立了逆变器并联系统的p s i m 仿真模型，对并联逆变器 系统的稳态和瞬态工作特性进行了仿真分析，并基于d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 设 计了两台l k w 单相全桥逆变器组成的逆变器并联系统。通过仿真和实验验证了控制方 案和设计参数的可行性。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 藉争 日期：沙，、 哆 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 本文的研究背景 第1 章绪论 电力电子技术( p o w e re l e c t r o n i c s ) 的进步与电力电子器件的发展紧密相关，并以 其发展为基础。它是一门使用电力半导体器件及其应用电路，并综合利用控制理论知 识和电子技术知识，对电能进行变换和控制的技术1 1 3 1 。 逆变是对电能进行变换和控制的一种基本形式，现代逆变技术是一门综合了现代 电力电子开关器件的应用、现代功率变换、模拟和数字电子技术、p w m 技术、频率及 相位调制技术、开关电源技术和控制技术等综合实用设计技术，己被广泛应用于工业 和民用领域中的各种功率变换系统和装置中。 自从7 0 年代以来，各种电力电子设备和装置在电力系统、工业、交通、家庭中得 到广泛应用。随着电力电子技术的飞速发展和各行业对电气设备控制性能要求的提高， 逆变技术在许多领域的应用也越来越广泛，相应对逆变电源的性能要求也越来越高。 现在许多行业的用电设备都不是直接使用电网提供的交流电作为电源，而是通过各种 形式对电网交流电进行变换，从而得到各自所需的电能形式。一些重要的用电部门和 用电设备尤其是航空航天和舰艇对供电质量的要求越来越高，要求电压、频率、波形 准确完好，动态性能良好，不能受到电网的任何干扰，要求一个干净或净化的电源条 件。 随着电源负载的增加，由于单个电源组件的容量是有限的，通过多个逆变电源并 联以增大系统容量、提高系统可靠性已成为当前逆变电源系统设计的一种趋势，在航 空航天、大型计算机供电系统、通讯电源系统和银行电源系统等对电源可靠性要求较 高的领域具有广泛的应用前景。逆变电源的并联运行主要有以下三个好处：第一、多 个电源模块并联时，平均分担负载功率，可以降低各个模块中主功率器件的电流应力， 有利于功率器件的选择；第二、可以组成并联冗余系统以提高运行的可靠性，由n + 1 个逆变电源模块组成的电源系统以冗余并联运行方式时，当系统中任一个模块由于故 障而失效时，其余的n 个模块仍然可以继续提供1 0 0 负载功率，极大地提高了系统的 可靠性；第三、以模块化取代系列化，可以灵活地构成各种功率等级的电源系统，提 高电源模块的标准化程度，从而缩短开发研制和生产周期、降低成本、提高系统的可 维护性和可互换性。 另外，分布式供电系统的发展为逆变器并联技术提供了广阔应用空间，相对于集 中式供电而言，分布式供电系统以小规模、分散的方式布置在用户附近，可独立地输 出电能，作为对大电网的有益补充。尤其是大电网一旦出现瘫痪，会造成庞大的用电 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 损失，且电力中断还会引起一系列的连锁反应，给国民经济带来重大的损失。而分布 式供电，由于其规模不大，即使其出现故障断电，造成较少的直接和间接损失，影响 其安全运行的因素较少，控制较简单；另外在无法实现集中供电的情况下，以目前的 风能、太阳能等清洁能源，尚还不具备较大的规模，如何能够发挥供电系统的优势， 提升对能源综合利用的水平，是一个越来越受关注的课题。将分散的逆变器有机连接， 形成网络供电系统模式的逆变器的并联控制技术具有工程应用价值，有鉴于此，本文 将对单相逆变器系统的并联控制技术进行深入研究。 1 2 逆变器并联技术的发展趋势和研究现状 1 2 1 逆变器并联技术的发展趋势 目前，世界上许多逆变器生产商都在逆变器冗余并联方面做了大量工作，并有相 应产品批量生产，投入使用，综合其并联冗余控制技术，具有以下的特剧4 叫： ( 1 ) 可并联单元数目较多，并联控制方式多样化 从目前收集的资料来看，大部分逆变电源产品并不具备并联运行功能，几种知名 品牌的逆变电源可以并联但最大并联单元数不超过1 0 个。其中仅爱克赛公司生产的逆 变器为无互连线独立控制的并联方式，而其他公司的产品多以分散逻辑并联控制方式 为主。 ( 2 ) 在小功率逆变电源中用较低成本实现了较先进的并联策略 目前并联逆变电源多为中、大功率逆变电源，为实现其并联运行，控制电路成本 的增加对总成本影响不大。而普通小功率逆变电源的控制电路较为简单，性能比大功 率逆变电源差，因此在低成本情况下要实现其并联运行，电路的设计就比较困难。 ( 3 ) 采用新型的高性能电源系统设计方案 采用新型的高性能电源系统设计方案，可确保整个系统的可靠性和灵活性。这种 新型的电源系统设计方案既要满足大功率负载的需求和给电源系统提供一定的冗余， 又要以可靠性为依据，消除系统中任何一个单点故障的影响。因此，今后的电源系统 大多以多模块化并联运行均流控制模式为主，并采用热插拔，方便维修的方式提高整 个系统的工作性能。 ( 4 ) 采用高频链结构技术 为完成逆变电源的并联、提高逆变器的性能和减小逆变器模块的体积，各公司大 多采用高频链结构技术。逆变器中减少了工频变压器，装置的体积和重量大为减轻， 同时也节约了成本，减少了装置的复杂性。 ( 5 ) 采用新型的逆变电源控制技术 单台逆变器的控制技术对其输出性能至关重要。以往对逆变器的研究侧重于采用 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 新型功率器件来实现高频开关和s p w m 控制，减小滤波器的尺寸，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。随 着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和静态特性， 相应地提出了许多新的控制方法，如：在瞬时值电压控制基础上的电流前馈控制、基 于变结构理论的滑模控制、在三相逆变电源系统中采用空间矢量( s p a c e v e c t o r ) 控制、 基于微处理器的无差拍控制、滞环电流控制等。这些新型控制方法在很大程度上提高 了逆变器的各项性能指标。 ( 6 ) 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复杂算法，逆变电源的控制最好采用 全数字化控制方案，如采用单片机或d s p 来完成系统的检测、运算和控制。先进的控 制技术对改进变流电路的效率和性能是必不可少的关键技术之一，以往主要采用模拟 控制技术，但这种技术有较大的缺点，因为参数随温度的变化而产生较大的漂移，致 使不断地需要人工调节以控制参数的精度。而采用数字化控制即可避免这种缺点，因 此，变流电路控制技术的发展方向是数字化。由于计算机运行速度的提高以及现代控 制理论的应用，控制系统数字化的目标完全可以实现。继功率级新型半导体元件之后， 微电子学的发展也对控制器、信号的检测、数据的处理和传送等方面起到了巨大的促 进作用。虽然由于成本上的缘故，数字实时控制器部分需要一些信号处理器和变换器， 成本较高，但是数字控制使得各种复杂的控制算法容易实现，而且使设备的体积、重 量进一步减小，精度和性能更为提高。 1 2 2 逆变器并联的研究现状 与直流电源不同，逆变电源输出的是正弦波，并联时需要同时控制输出电压的幅 值和相角，即要求同频率、同相位和同幅值运行，如果各逆变模块输出电压幅值或相 位不一致，各模块之间会产生有功环流和无功环流。另外，即使各模块同频率、同相 位、同幅值运行，如果各自输出电压谐波含量较大，各模块之间会存在谐波环流。因 此，保证并联逆变器系统安全运行，需要满足以下条件： ( 1 ) 功率均分：并联系统中的各个逆变模块输出电压频率、相位、幅值、波形和 相序基本一致，各模块平均分担负载电流，使输出静态功率和瞬时功率分布平衡。 ( 2 ) 故障自动诊断：当单模块出现故障，并联系统能快速定位故障逆变器，将它 从并联系统中切除，并将其功率均匀分配给其它模块。 ( 3 ) 热插拔：待投入逆变模块控制自身输出电压与并联系统电压之间的频率、相 位、幅值和相序等参数差别小于允许误差时自动投入并联系统，投入时对并联系统冲击 小：任意模块发生故障或需要检修时能在线退出并联系统而不需断电。 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 到广泛应用；无连线并联技术中尤以p q 法研究的较多，由于控制方式的复杂性，较多 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 停留在研究阶段。综合目前的各种并联控制技术，主要有以下几种均流控制方式：自 整步法、外特性下垂法、主从式并联控制、无主从模块法、平均值电流控制法。 1 自整步法并联逆变运行1 7 j 自整步法并联逆变运行是假设并联逆变系统中各模块是等价的，通过模块之间的 均流线实现同步和均流。以两模块逆变器并联为例，其输出等效电路如图1 1 所示。 两个逆变器并联，相当于两个通道共同向负载供电。逆变器的输出端接有l c 滤波器， 我们把滤波电感上归入两通道并联时的差模阻抗( z 1 z 2 ) 中，而滤波电容归入负载阻 抗z i ，中。 图1 1 两模块并联时的输出等效电路 当两通道的输出电压存在幅度偏差和相位偏差时，两模块并联时的输出电压、电 流向量图如图1 2 所示。两模块的输出电压u l 和u 2 之间存在偏差电压“，“包含幅 度偏差和相位偏差“口。“m 与“1 、u 2 同相，血m 引起的偏差电流“滞后u l 和 “2 为9 0 。，如图1 2 ( a ) 所示。在相位偏差知p 较小时，血p 超前“l 和u 2 约9 0 。，血p 引起的偏差电流鸲滞后“p 为9 0 。，与“l 和u 2 基本同相，如图l 。2 ( b ) 所示。 ( a ) 幅度偏差( b ) 相位偏差 图1 2 两模块并联时的输出电压、电流向量图 从图1 2 可以看出，减小偏差电压“的方法是减小幅度偏差“m ( 或虬) 和相 位偏差“p ( 或铒) 。减小幅度偏差可以通过对偏差电流无功分量的控制，使两通道无 功功率达到平衡来实现。减小相位偏差可以通过对偏差电流有功分量的控制，使两通 道有功功率达到平衡来实现。由此可见，检测偏差电流并分离出无功分量和有功分量 是自然整步法并联逆变运行的基础。图1 3 和图1 - 4 分别给出了偏差电流的检测电路和 自整步法的控制框图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 图1 3 偏差电流的检测电路 到另外模块 电流检测环 负载总线 图1 - 4 自整步法的控制框图 从图1 3 可知， 和厶分别为电流互感器正l 和副边绕组的电流，r l 与r 2 为检 测电阻，最l 和危分别为流经r 1 和r 2 的电流。由于该电路是一个闭合环路，所以 厶，墨+ k 马= ( 一厶) 墨+ ( 厶一厶) 恐= 0 ( 1 - 1 ) 若取r l = r 2 ，则 厶= ( ，l + ，2 ) 2 ( 1 - 2 ) 由式( 1 2 ) 可知，厶表明逆变器并联运行时负载的均流值，斥l 和1 r 2 表明电流偏 差，将其分离成无功分量和有功分量，图1 4 所示的控制方案可实现无功功率和有功 功率的平衡。 自整步法的电流检测、无功分量和有功分量的分离以及控制方案的实现均比较复 杂，调节时间长，精度较低，一般仅适用于开环控制的低频调制逆变器的并联运行。 2 外特性下垂法 9 , 2 9 】 出发点类似于直流变换器并联均流的下垂法。模块间没有控制信号连线。它仅以 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 本模块有功功率、无功功率和失真功率为控制变量，使各模块独立工作，各模块有自 己的控制电路，各模块之间唯一的连接是各模块交流并联功率输出线。均流靠模块内 部的输出频率、电压和谐波电压分别随输出的有功功率、无功功率和失真功率呈下垂 特性，从而实现同步和均流。 如图1 5 所示，电流内环和电压外环控制的正弦波逆变器并联系统，a c 为公共负 载线，z l i n e 为输出端导线阻抗。 在逆变器电源并联系统中，如果逆变单元的频率和幅值完全相同，但存在一定的 相位差，则逆变单元之间会出现较大的环流，主要为有功环流，此时部分逆变电源将 工作在整流状态；如果频率和相位一致，幅值有差异，也会出现环流，此时部分逆变 单元吸收无功功率，另一部分逆变单元输出无功功率。此外，即使输出同相位、同频 率和同幅值的正弦波，因谐波含量有较大的差异，仍存在谐波环流。 电压频率下垂控制方式主要依靠调节开关频率的外部特性倾斜度，达到逆变电源 并联系统均流控制的目的，这种方式在直流电源并联均流控制中采用，可以自动实现 均流控制。逆变电源的并联运行时，同样可以通过电压频率下垂均流控制来达到逆变 电源并联系统输出有功和无功自动均分的目的，从而抑制并联环流。 ( 1 ) 线性负载的均流 令z l i n e 为纯感性，由图1 6 所示，可导出模块f ( i = 1 ，2 ) 的有功功率和无功功率 p = e i u i x s i n 点 q j = e ic o s 点x ( 1 3 ) 上式表明，两模块有功功率的均衡主要取决于功率角占l 和赴的一致性，而无功功率主 要取决于逆变器输出电压有效值e 1 和局的一致性。令各模块 缈= 鳓一m x p u = u o - n x q ( 1 4 ) 式中o 、u o 分别为空载时的角频率和电压有效值；m 、n 分别为0 9 和u 的下降率。 电压频率下垂特性均流控制使各模块的功率受控，两模块并联时，下垂特性使系 统的频率和电压跌落到新的工作点，使环流最小。 ( 2 ) 非线性负载的均流。 此时，视在功率s 增加了一项谐波电流造成的失真功率d s = p + q + d ( 1 5 ) 与基波无功功率不同，只调整逆变器输出电压的基波分量不会影响失真功率，解 决这一问题的方法之是作为失真功率的函数调整电压环增益，使电压环的增益和带宽 随谐波分量而降低，从而得到所需的输出阻抗特性，借此降低谐波电压分量，改善各 模块对谐波电流的均流，如图1 5 所示。 这一方案的关键环节是功率计算单元。算法必须能处理线性和非线性两种负载情 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 况。算法所需信息源于电感电流和输出电压，其基本思路是将电感电流谐波分解，然 后与输出电压相乘，从而得到各个功率分量。 该方案的优点是各模块仅在负载端相连，方便现场组成并联系统，特别适合于分 布式并联系统。缺点是下垂特性造成系统的频率和电压随负载而变，偏离理想工作点 ( 虽然理论上偏离可以很小) 。通过仿真和实验结果表明，均流效果不理想，特别是动 态过程和非线性负载时，算法实现较复杂。 图1 5 并联系统中一个模块的控制框图 j l xj 2 x 3 主从式并联控制1 0 l 图1 - 6 两逆变器并联向负载供电 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 量皇曼曼罾ii m , a i 曼曼曼量皇曼鼍皇量鼍 主从模块控制方式是选择一个模块作为主模块运行，其他各并联模块受主模块控 制，以实现各个模块均匀分配负载电流。由一个电压控制p w m 逆变器( v c p i ) 单元、 数个电流控制p w m 逆变器( c c p i ) 单元( 功率单元) 和功率分配中心( p d c ) 单元 组成并联系统。并联系统的基本结构如图1 7 所示，其基本结构包括： ( 1 ) 一个v c p i 主控单元，其电压调节器保证系统输出幅度、频率稳定的正弦电 压。 ( 2 ) n 个c c p i 从单元，设计其具有电流跟随器性质，分别跟随p d c 单元分配的 电流。 ( 3 ) p d c 单元检测负载电流，并平均分配给各c c p i 单元，且是同步的。 v c p i 单元通过锁相环( p l l ) 使其正弦输出电压与市电或自身产生的基准电压信 号同步，而输出电流取决于负载性质，它与常规的逆变器或u p s 无异。 c c p i 单元必须具备快速响应性能以跟随所分担的负载电流，不需要p l l 实现同 步，故可适应v c p i 输出频率的变化。输出电压被看作干扰输入，通过前馈加以补偿。 p d c 的主要功能是监控整个系统的工作状态，并按各单元的视在功率s 为各工作单元 分配电流。 该并联系统采用单一电压调节器，c c p i 单元无需同步电路，故系统稳定性好，易 于容量扩展，均流效果好。但是v c p i 、c c p i 和p d c 是不同性质的模块单元，构成复 杂，不能完全实现系统冗余，存在故障现象。 a cb u s 4 无主从模块法例 图1 7 主从式控制原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 无主从模块法并联逆变器的原理图如图1 8 所示。在主从控制方法中，指定一个 逆变器为主模块。而在无主从模块法中，通过硬件和软件设置，可将任一模块设定为 主模块，主模块自身的控制电路控制其输出电压的幅度、相位和频率，并为其他从模 块的输出电流提供参考电流厶，从模块的电压控制环不再起作用，当主模块发生故障时， 任一从模块可提升为主模块，无主从模块法可采用冗余技术来提高系统的可靠性。 a c 母线 图1 8 无主从模块法并联逆变器的原理图 5 同步开关控制法【3 0 】 同步开关控制法并联逆变器的原理图如图1 - 9 所示。同步开关控制法采用了一个 外部控制器来控制n 个逆变模块。个逆变器模块具有相同的额定输出功率。外部控 制器检测输出电压，产生p w m 信号，控制各个模块的功率开关管同步进行状态变换。 a c 母线 图1 - 9 同步开关法并联逆变器的原理图 同步开关控制法的特点如下： ( 1 ) 方法简单，勿需均流电路。 ( 2 ) 对模块电参数一致性的要求较高，模块参数不一致，特别是各模块输出阻抗 的不一致，会引起各模块的负载不平衡，造成均流精度较差。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 j wi !n! p 皇曼舅曼舅曼曼曼量曼量曼曼量量曼量曼曼舅璺曼曼曼曼曼曼曼曼曼 ( 3 ) 逆变器模块不能独立工作，外部控制器发生故障，会使系统无法工作。系统 的冗余性较差，模块间众多信号线产生的干扰，使其可靠性变差。 6 平均值电流控制法 坛j 平均值电流控制法并联逆变器的原理图如图1 1 0 所示。 来自市电电网或自 身 图1 1 0 平均值电流控制法并联逆变器的原理图 平均值电流控制法采用双环控制。外环为电压环，内环为电流环。由于各模块的 参考电压和参考电流均为平均值，且各模块的输出电流( 输出滤波器的电感电流) 跟 踪参考电流，属于电流型控制，所以该控制法称为平均值电流控制法。 在电压环中，参考电压为互相同步的各个模块的基准正弦波电压的平均值珥。， 而反馈电压为各个模块反馈信号的平均值f 。a v 。，；在电流内环中，参考电流为各个模 块电压调节器输出电流的平均值厶。副印而反馈电流为各个模块输出滤波器的电感电流。 因为参考电流为各个模块的输出电流的平均值，故可实现各个模块输出电流的均流。 1 3 数字控制系统概述 1 3 1 数字控制的意义 传统的逆变器并联技术采用模拟电路控制，目前从控制策略、建模分析、电路拓 扑等多角度对逆变器的并联技术的研究取得了长足的发展。然而，模拟控制电路所固 有的不足【1 2 】是： ( 1 ) 对开发人员来说，模拟控制完全是一种固定模式的黑盒应用，抑制了开发人 员发挥创造力的激情；同时模拟控制对电源进行同步跟踪、电压排序、故障诊断及适 应环境变化的能力比较差。 ( 2 ) 模拟控制需要通过无源器件产生的模拟信号进行设置和控制，即使是具有最 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 i - i _ , i i i 皇曼曼皇曼皇曼鼍 先进拓扑结构的高性能转换器，也需要使用外部电阻、电容来进行诸如启动时间、输 出电压及开关频率等参数的设定。这些电阻、电容都是设计调试时确定的，制造完成 后不可轻易更改，因此不可能实现自适应的电源管理；而且为实现更多功能，需要设 计更多的直接反馈电路，控制环路会变得非常复杂。 ( 3 ) 模拟控制使用元器件多，需要很大空间，且这些元器件本身的值还会随使用 时间、温度和其他环境条件的变化而变动，从而对系统稳定性和响应能力造成负面影 响。 ( 4 ) 模拟控制的控制响应特性是由分立元器件的值决定的，它总是面向一个范围 狭窄的特定负载，因此无法为所有输入电压值或负载点提供最优的控制响应。若需要 一个可以在很多产品中重复使用而不必更换部件的设计平台，则模拟方案难以胜任。 除此之外，模拟系统的测试和维修都非常困难。 随着i c 技术和现代电力电子技术的迅速发展，高速数字信号处理d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) 芯片的出现，使得数字化控制在更广阔的电气控制领域中的应用成为 可能，以d s p 为核心的数字控制技术已广泛应用于电力电子技术领域中，成为主要发 展趋势之一。 众所周知，数字控制电路【5 4 】具有如下优点： ( 1 ) 数字控制实现了数字和模拟技术的融合，提供了很强的适应性与灵活性，具 有易于进行监控、处理并适应系统条件的能力，能够满足几乎所有电源的控制要求。 ( 2 ) 数字控制可通过远程诊断以确保系统的可靠性，实现故障管理、过电压( 流) 保护等功能。 ( 3 ) 数字控制管理芯片易于在同步信号下进行多相并联应用，能减少e m i ，并简 化滤波电路设计。 ( 4 ) 数字控制的集成度很高，系统的复杂性不随功能的增加而增加，外围器件很 少( 数字电源的快速响应能力还可以降低对输出滤波电容的要求) ，减少了占板面积， 简化了设计制造流程，同时数字电源的自动诊断、调节能力使调试和维护工作变得轻 松。 ( 5 ) 数字控制的运算特性使它更易于实现非线性控制( 可改善电源的瞬态响应能 力) 和多环路控制等高级控制算法：更新软件即可实现新的控制算法，无须更改电源 板卡上的元器件参数。 ( 6 ) 数字控制的独特优势还包括在线可编程能力、更先进的控制算法、更好的效 率优化、更高的操作精确度和可靠性、优秀的系统管理和互联功能。 除了上述优点外，在每个并联运行的逆变电源单元模块实现了数字化后，还可更 方便自如地进行模块之间环流抑制的控制和多个逆变器模块之间的通讯或者在每一个 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 模块中完成复杂的均流控制算法，从而实现高可靠性、高冗余度的可实际应用的逆变 电源并联运行系统。 1 3 2 数字控制逆变器并联技术的发展 d s p 控制逆变器并联技术在国内外引起了广泛的关注，开展了大量的研究工作， 提出了一些经典的控制方法与算法。从目前国内外研究的现状来看，在这个领域的研 究主要集中在以下几个方面 5 4 】：控制芯片、控制算法和采样算法。 ( 1 ) 控制芯片的研究现状：数字控制技术的发展依赖于高性能的控制芯片d s p ( 数 字信号处理器) 作为硬件的基础。目前占市场份额较大的像t e x a si n s t r u m e n t s ， m o t o r o l a ，a d i 等知名公司，都有宜于逆变电源控制的d s p 芯片，在功能、性能 也不断地提升，中大功率电力电子应用场合下，d s p 己成为主流控制芯片。 ( 2 ) 控制算法的研究现状：在应用到s p w m 逆变器的各种数字控制策略里，其 中无差拍控制【1 列( d e a d b e a t ) 具有对精确数学模型依赖的缺点，通过给出精确计算的控制 量，使得受控量的偏差在一个采样周期时间内得到变更。逆变器重复控制的目的是为 了克服死区、非线性负载等引起的输出波形周期性畸变，但是其存在的显著缺点是其 控制的实时性不好，动态响应速度慢以及排除干扰对输出的影响的时间要多于一个参 考周期。滑模控制【1 4 】最大的优势是对参数变动和外部扰动不够灵敏，系统的鲁棒性特 别强。但是滑模控制不好确定理想滑模切换面、采样率会对控制效果有制约、高频抖 动现象也是个突出的问题，另外还具有在研发过程中需了解系统不明了性参数和扰动 的边际等缺陷。关于数字控制技术在逆变器中的应用文献和研发实践很多，除了上面 介绍的技术以外，国内外文献中还讲到了神经网络控制【2 l 】、模糊控制2 2 2 6 1 等等，但 这些技术尚未存在较成熟的应用在逆变器的数字控制中。各种控制算法都有它们的优 缺点，多种控制算法结合使用，相互取长补短，将是逆变器数字控制算法研究的中心 方向。 ( 3 ) 采样算法的研究现状：对采样算法而言，主要集中在对采样点选取的研究。 由于数字控制的根本在于d s p 芯片的性能，其内部a d 转换模块的转换速度使得要满 足实时检测与反馈有一定的难度。数字控制逆变器电路一般至少需要对三个模拟量进 行采样检测，即电感电流i l ，输出电流芘和输出电压u 。，其中电流采样点的选取最为 重要，采样点选取的不合适，会加重电流波形的畸变，甚至导致系统不稳定。大多数 文献采用的是每个周期采样一次的采样方法，即s s o p ( s i n g l es a m p l i n gi no n ep e r i o d ) 。 文献【l6 j 采用的是一种固定延迟采样的算法，以每个开关周期的起始时刻为起点，延迟 一定的时间后，a d 转换器开始采样。这种方法虽然能够避免采样点选取在振荡区， 但会导致在实际采样值和理想控制值之间产生较大的误差，最终使得控制效果不太理 想。文献l l7 j 使用改进的s s o p 算法，考虑开关开通、关断过程的噪声振荡时间和a d 采样保持时间，调节采样点的选取，使之每次采样时刻并不固定在某一点，避免了开 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 关噪声的影响，提高了基于平均电流模式控制的开关电源抗干扰性能，但该算法计算 量较大，实现起来比较复杂。 随着人们在数字控制逆变器并联领域进一步的深入的研究，一定能够更加完美地 解决在实际中出现的问题，进一步提高系统的动态响应速度，获得较好的控制效果。 1 4 本文主要研究内容 本文主要包括以下研究内容： ( 1 ) 对逆变并联系统进行了简要概述，讨论了逆变并联控制技术的发展方向，指 出数字控制技术是今后逆变并联控制技术的发展趋势。 ( 2 ) 分析了单相全桥逆变器的工作原理；建立了逆变器的连续状态空间模型；采 用电压外环电感电流内环的双闭环控制方法，以提高逆变器的动静态性能。并运用 p s i m 软件对理论分析结论进行了仿真验证。 ( 3 ) 分析了逆变电源并联系统工作原理，并详细研究了并联系统的环流特性；研 究了一种基于瞬时平均值电流控制的逆变器并联控制策略。建立了并联系统的模型， 针对该模型，对系统均流控制器的稳定性、阻抗特性和电压调节进行了分析。在此基 础上，提出了改进的平均值并联控制策略，对其控制策略进行了研究，采用以滤波电 感电流作为内环反馈的控制方案，可实现逆变器的过流保护；详细的介绍了控制方案 中的平均值电路和同步电路。 ( 4 ) 设计了逆变器的主电路参数，进行了数字控制器软件部分的程序设计，并给 出了控制器的关键部分的控制流程图。 ( 5 ) 建立了p s m 仿真模型，对各种算法进行了仿真比较分析，通过仿真分析验 证了理论分析的正确性。在设计的逆变器主电路的基础上，利用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 控 制器进行软件的调试，验证了仿真分析的正确性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 量曼曼曼皇曼曼曼量量曼皇曼量量曼曼量曼皇曼曼i i i ! l 皇鼍 2 1 引言 第2 章单相全桥逆变器研究 逆变器并联系统要获得理想的电压波形、良好的稳态精度和快速的动态响应速度， 必须对单台逆变模块进行设计，保证单台逆变器具有良好的稳态性能和较快的动态响 应速度，本章对s p w m 电压源逆变器进行了研究。 本章利用了状态空间平均的思想，对双极性s p w m 电压源逆变器的数学模型进行 了分析，推导出了连续域s p w m 逆变电源状态空间平均线性模型，对电压外环电流内 环的双闭环控制进行了研究，对其控制电路进行了设计，以使逆变器具有较快的动态 响应速度，并对其进行仿真验证。 2 2p w m 调制的基本原理 p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制技术即脉冲宽度调制的技术，是通过对一系 列脉冲的宽度进行调制，等效地获得所需要波形。p w m 控制技术【l 弘2 0 】在逆变电路中应 用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。目前应用的逆变电路，绝大部分均为p w m 型逆变电路。可以说p w m 控制技术正是依赖其在逆变电路中的应用，才发展得较为 成熟，确定了它在电力电子技术中的重要地位。 采样理论中一个重要的结论1 2 j ：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节 上时，其效果基本相同。冲量即窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同是指环节的 输出响应波形基本相同。如果把各输出波形进行傅里叶变换分析可知，输出响应波形 的低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 下面分析如何使用一系列等幅不等宽的脉冲来等效正弦波，如图2 1 所示的p w m 控制原理。正弦半波分成等份后，可把正弦半波看成由个彼此相连的脉冲序列组 成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于删，但幅值不等，且脉冲幅值按正弦规律变化， 不是水平直线。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅不等宽矩形脉冲代替，使矩 形脉冲的中点与相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波面积( 冲 量) 相等，可得如图2 1 所示的脉冲序