（电力电子与电力传动专业论文）可并联逆变电源控制技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t ra c t p o w e rc o n v e r t e rm o d u l e s w o r k i n gi np a r a l l e ls t a t ei sa n e ww a yt oe x p a n ds u p p l y s y s t e mc a p a c i t ya n di ti so n eo ft h ev i t a lr e g i o n si np o w e re l e c t r o n i c s e a c hp a r a l l e l m o d u l et a k e si t ss h a r eo ft h e1 0 a d , s ot h ec u r r e n ts t r e s sf o rp o w e rs w i t c hr e d u c e d g r e a t l y h i g h e rr e l i a b l i l i t y , l o w e rc o s ta n dh i g h e rp o w e rd e n s i t yc a nb ea c h i e v e db y t h i sw a yf o rl a r g ec a p a c i t yp o w e rs y s t e ma n da l s os y s t e mc o n f i g u r a t i o nb e c o m e s m o r ef l e x i b l e o nt h eb a s i so fd e e pa n a l y s i so fp a r a l l e lo p e r a t i o nt h e o r i e sa n dt e c h n o l o g y , a p a r a l l e lo p e r a t i o na n a l y s i so fp a r a l l e ls y s t e ma b o u tm o d u l a ri n v e r t e ri sd e s i g n e df o r e n g i n e e r i n gp r a c t i c a lp r o j e c ta p p l i c a t i o n s o f ts w i t c ht e c h n o l o g ya n dd s p ( d i g i t a l s i g n a lp l d c e s s 砌w i l lb ea d o p t e di nt h i ss y s t e me s p e c i a l l y f i r s t , t h ep a p e ra n a l y z e st h ep r i n c i p l eo fp a r a l l e li n v e r t e rs y s t e ma n dd e v e l o p s m a t h e m a t i c a lm o d e l sa b o u ti t b a s e do ni ta f t e rs e v e r a lm o d e sa r ep r o p o s e di n c l u d i n g s h a r i n gc u r r e n tc o n t r o l ，p a r a l l e lc o n t r o ls t r a t e g ya n dc h a r a c t e r so fl o o p - c u r r e n t , a r e l i a b l es o l u t i o no fr e s t r a i n i n gl o o p - c u r r e n ti sd e s i g n e d a st os o m ed i s a d v a n t a g eo f t r a d i t i o n a lt r a n s f o r m e ro fc i t y f r e n q u e n c y a n ds o m e t y p i c a ld c f d c ( d i r e c t c u r r e n t d i r e c tc u r r e n t ) m o d e ，t w op h a s ec o n t r o lp a t t e r no fd c d ca n dd c a ci s a d o p t e d i nt h ed i s s e r t a t i o nd c d cc i r c u i to fh a l fb r i d g eh a ss o m ec h a r a c t e r so fs o f t s w i t c ha n dc u r r e n tl o o pm e a s u r e i n t e g r a t e dc o n t r o ls t r a t e g y , w h i c hc o m b i n e st h ec o n t r o lt h e o r yo fs p w ma n d h i g h - p o w e r e dd s p , i sd e s i g n e di n c l u d i n gs i n g l ep o l a r i t yd o u b l ef f e n q u e n c ys p w m , c l o s el o o po fi n s t a n t a n e o u sv o l t a g e , a n di n t e l l i g e n tp ia d j u s t e ri no r d e rt oa c c o m p l i s h d c a cc o n v e r s i o n o nt h es e c o n dt h o u g h t si ta v o i d ss o m es h o r t c o m i n go f c o m p f i c a t e da n a l o gp ia d j u s t e r i nt h es y s t e mw es e tu pd o u b l es a f e g u a r do fs o f t p r o g r a m m ea n dh a r d w a r et oa d v a n c et h ed e p e n d a b i l i t yo ft h ei n v e r t e r s a f e rt h e t h e o r yo ft r a c k i n gp h a s ei sa n a l y z e d , t h i sc o n t r o ls t y l e i nw h i c ht h e r ea r en o6 x e d m a s t e r - s l a v em o d u l e sa n dn os y n c h r o n a ls i g n a lw i r e ，m a k e st h o s ep a r a l l e li n v e r t e r so f s y s t e ms y n c h r o n a lw e l l ，a n ds y n c h r o n i z e st h ei n v e r t e r sa n dt h ec i t ye l e c t r i c i t y an o v e lp a r a l l e lo p e r a t i o ns y s t e mb a s e do nc a na n dd s p , w h i c hi su s e db yl o a d s 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 o l l i n g , i sp r o p o s e di n t h i sd i s s e r t a t i o n a u x i l i a r y p o w e rs o u r c ei sd e s i g n e di nt h ec h i po fu c 3 8 4 6 t h i sd i s s e r t a t i o na l s ow o r k si n t o 武汉理工大学硕士学位论文 e m ci nr e l a t i o nt ot h ed e s i g no far e a ls y s t e m k e yw o r d s ：i n v c n e r ，d s p , l o a ds h a r i n g , s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：盔爱日期：兰2 堡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 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守此规定) 研究生签名：组导师签名：庭盗红日期：竺翌兰 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 由于电力通信，航空以及大型信息，数据中心等行业高端设备对供电电 源系统容量和质量的要求越来越高，其中“大容量”“高可靠性”和“不间断”供电 的特征，集中体现了高端设备对其动力系统共同和基本要求。传统的集中式供 电方式和传统的电源设备己经远远不能满足上述要求，近几年发展起来的分布 式多逆变模块并联的供电方式受到市场的欢迎和电源行业的高度重视，逆变模 块并联技术成为现代电源技术发展的主流，是电力，电子和控制学科研究的重 要内容。 1 。2 可并联逆变电源背景及应用前景 1 2 1 逆变电源模块并联冗余技术背景 对供电系统电源设备可靠性要求的一个非常重要的指标就是m t b f ( m e a n t i m eb e t w e e nf a i l u r e ) 。b f 越大，则设备可靠性越高。受元器件制造工艺及单 机电源制造工艺的限制。电源设备的可用性非常重要的两个指标：m t r r ( m e 姐 t i m et or e p a i r , ) 和m t s p ( m o a nt i m eo f s e r v i n gp e r i o d ) 。m t r r 即设备发生故障后通 过维修而重新投入使用所需的平均时间。m t s p 即在不更换设备的前提下，该设 备的平均单次服役周期，为m t b f 与m t r r 的和，b p m t s p = m t b f + m t t r 。而可 用性= m t b f m t s p ，m t b f - - - , 8 时，可用性一1 0 0 ；m r i r 加时，可用性一1 0 0 ： 逆变电源模块并联可以提高m t b f ，从而提高其系统可用性。可用性与平均 修复时问( m t r r ) 的关系，见图1 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 4 “ 扣4 。7 一：6 二= j a 3 。二孤 厂 户y ro - 一 厂 。一 、 芦 一 图1 1 可用性与平均修复时间的关系 1 2 2 可并联逆变电源应用前景 由于电力电予技术和控制技术的进步，可并联逆变电源技术已经成熟，可以 采用+ 殉冗余并联的形式。在发达的欧美国家，通信、电力以及军队等重要行 业和领域已经大量采用了由( n + x ) 模块并联逆变电源的供电方案。与其它方 案相比较，( n + x ) 模块并联逆变电源具有以下明显的优点： ( 1 ) 增加了系统的灵活性 模块化逆变电源系统包含三种功能单元，即智能化逆变模块、静态旁路开关 模块和监测模块。以上单元均采用了模块化并联技术，可以根据用户的不同要 求进行配置，这样大大增加了系统的灵活性。 ( 2 ) 提高了系统的可靠性 可靠性是电源系统的基本要求，采用( n + x ) 模块并联逆变电源，在任何部 分出现故障的时候，都不会造成系统发生停电事故。这种可靠性是其它任何不 问断电源系统都无法比拟的。这种供电方案，逆变电源与直流设备共用机房的 电池组，对于机房的直流屏系统，一般都有专门的监控和定期的维护，可靠性 大大提高。同时，( n + x ) 模块并联逆变电源中，不同的模块可以由不同的直 流屏供电，这样大大提高了供电系统的可靠性。 ( 3 ) 方便了系统的可维护性 逆变电源的产品理念为免服务思想。如果个别模块发生故障时，无需厂家到 现场进行维护工作，在不停电的情况下用户可以方便的自行热插拔模块，进行 更换故障的模块即可，大大的方便了系统的维护工作。 ( 4 ) 降低了维修费用 2 一一一一一ll ， 武汉理工大学硕士学位论文 传统的电源设备出现了故障，用户一般要等待供应商技术人员上门维修，并 承受相关维修费用，费时、费事，费钱，而( n + x ) 模块化逆变电源则可避免 上述问题发生，降低了维修费用。 ( 5 ) 便于通信、电力机房内安装 逆变电源设计为标准1 9 英寸模块，安装在1 9 英寸机架内，与通信、电力机房 内的其它设备在物理结构上匹配，便于摆放安装。 与传统的电源设备相比，由于( n + x ) 模块并联逆变电源具有以上优势现在 已成为电力、通信、航空，交通以及军队等重要领域供电系统中首选的不间断 供电电源设备，市场前景十分可观。 1 3 逆变器控制技术及其并联技术现状与发展趋势 早期的方波逆变器【1 1 、阶梯波合成逆变器【2 垮，其体积和重量尺寸较大，其 输出电流的谐波含量大，对电网产生的谐波污染严重，其应用受到限制。随着 电力电子器件及其控制技术的不断发展，正弦脉冲宽度调制( s p w m ) p 】技术的成 功应用，作为逆变电源系统核心的逆变器性能有了很大的提高，各种控制模式 的高性能逆变器不断推陈出新，应用领域越来越广泛，逆变器的并联控制技术 也得到了极大发展，大致可以分为集中控制、主从控制、分散控制和无互联线独 立控制四种方案1 4 j 1 5 j1 6 j 集中控制方式：集中控制方式中设置了一个并联控制单元，它检测市电的频率 和相位，并给每个并联逆变电源发出同步脉冲。没有市电时，同步脉冲由晶振 产生，各个逆变电源的锁相环电路保证其输出电压频率和相位与同步信号同步。 并联控制单元检测总负载电流，除以并联单元数作为各个逆变电源的电流给定， 各个逆变电源检测各自的实际输出的电流，求出电流偏差。在采用同一同步信 号的时候，可以认为电流偏差是电压幅值的不一致造成的，因此可直接把电流 偏差作为电压的补偿，以消除电流的不平衡。 主从控制方式：在以上介绍的集中控制方式基础上，稍加改进，将并联的中央 控制单元做到每个逆变模块中，通过工作开关选择模块的工作模式( 主模块或 从模块) ，便构成主从控制方式。主从工作方式当一台逆变电源的并联控制单 元有故障时，只要其他部分仍能正常工作，可开关切换为另一台逆变电源做主 机即可并联运行。这种并联系统仍存在这一些固有的缺陷，如同步基准信号仍 3 武汉理工大学硕士学位论文 为公共集中同步信号，一旦主机有故障，则在切换过程中会有一段时间所有的 模块失去同步而可能出现更大范围的模块失效。 分散逻辑控制方式i 刀：是在各个逆变电源中，把并联系统中的每个电源模块的 电流及频率信号进行综合，得出各自频率及电压的补偿信号。这种控制方式与 直流电源中目前较流行的均流方式思想是一致的，只是实现起来较困难。 无互联线独立控制方式i s l ：要实现比较完善的并联系统中逆变模块的独立控 制，并且在不同容量、不同结构的电压型逆变模块之间或逆变电源与公共电网 之间实现并联运行控制及负载均分控制，则取消逆变模块间的均流互联线是最 理想的解决办法，即采用“无互联线的并联控制”技术。无互联线的逆变电源并联 控制系统的同步控制和均流控制依赖于各个模块内的系统控制策略，并联的各 逆变模块之间的控制无电气联系，而是有一个控制算法单元，实时检测各逆变 模块的输出电压电流，通过对频率和电压进行调节，控制模块本身的输出，使 各逆变模块均分负载，从而达到同步和均流的目的。这种控制方式使系统安装 或维修更加简便、快速，并联运行更加可靠，容量的扩展也更加容易和方便。 但是这种控制方式的实现必须要有很高的检测和控制精度，而且速度要快。 1 4 国内外逆变电源并联技术的特点与发展趋势 世界上许多国家( 如日本、美国、德国、荷兰等国家) 的电源公司在逆变电源 的并联冗余控制技术方面已经做了大量的工作，并有一系列的产品投入了使用。 目前这些品牌的逆变电源并联控制技术的特点及发展表现在以下几个方面： ( 1 ) 可并联单元数增多，以多种途径实现高可靠并联运行1 9 1 。 目前，几种知名品牌的逆变电源如梅兰日兰、e x i d e 、v i c r o n ( 畅电) 、西力、 西门子、三菱、东芝、a p c 等公司可以实现并联运行，最大并联单元数都在1 0 个以上，而且并联数量还在增多。而并联控制方式呈现多样化，其中仅e x i d e 公 司为无互连线独立控制的并联方式 而其他公司多以主从控制或分散逻辑控制 方式为主。 ( 2 ) 在小功率逆变电源中用较低成本实现较先进的并联策略【1 0 l 。 目前可并联逆变电源多为三相中、大功率，因此实现并联运行，控制电路成 本增加对总成本影响并不大。对于普通小功率不问断电源，其控制电路一般较 为简单，因此并联控制电路的设计要综合考虑控制电路特性和成本的关系。这 4 武汉理工大学硕士学位论文 方面各大公司都有一些独特的经验，如采用同一规格的电源模块和控制电路以 适应不同容量的客户要求以及实现不同的控制功能。 ( 3 ) 采用高频链控制技术 为了减小逆变电源模块的体积，高频链控制技术被广泛采用，使装置的体积 和重量大大减轻，逆变电源的性能得到提高。 ( 4 ) 采用全数字化控制技术 采用数字化控制方案，如应用单片机和d s p 完成系统的检测、运算，实现并 联控制的复杂算法，可以有效提高系统的控制性能。 逆变电源并联技术是近几年发展起来的一项新技术，发展速度很快，随着各 种控制策略的完善和软硬件基础技术的提高，逆变电源的各项性能将会进一步 得到提高【l q 【明【堋。 1 5 选题意义和主要内容 1 5 1 选题意义 逆变电源的并联控制是交流电源系统从传统的集中式供电向分布式供电发 展的一个重要课题。逆变电源并联运行，可以提高系统配置的灵活性，打破逆 变电源在功率等级上的局限，满足用户组合系统的不同功率需求，可大大降低 不同容量电源的设计成本和重复投资，减少生产和维护费用；采用并联控制的 冗余结构，可以提高逆变电源系统具有高可靠性，为各种高端用电设备提供高 品质的供电电源；并联控制技术在改善电网质量、控制谐波污染，提高供电效 率等方面有着重要的实际应用价值。 所以，逆变电源并联控制技术的研究具有重要的社会效益和经济效益，是 现代电源控制技术的发展主流。 1 5 2 主要内容 由于逆变器并联工作时，其单逆变模块的交流输出存在着幅值，相位和频率的 差异，若不采取均流措施或均流措施不当，则会在并联的单模块之间形成巨大 环流 把并联模块各个击穿。因此逆变器并联控制的核心即是研究逆变器的并联 均流技术。本文针对产品实际和逆变器并联特点，采用了两级变换的控制方案， 5 武汉理工大学硕士学位论文 即前一级为直流隔离升压，采用了u c 3 8 4 6 电流脉宽型芯片和软开关技术，后一 级为全桥逆变控制，采用了性能优越的数字处理芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和单极性倍 频s p w m 脉宽可调技术；在深入研究了国内外逆变电源模块并联控制技术和理论 的基础上，针对两级变换的特点，设计了以高性能控制器d s p 为核心构建的逆变 电源并联控制系统，在产品实际应用中取得了较好的效果。全文具体有以下几 大部分： 1 首先分析了逆变电源并联系统的控制原理和数学模型，接着系统阐述了均 流控制方法，并联控制策略以及环流，最后设计了抑制环流的策略，为逆变电 源模块并联提供了理论基础。 2 设计了逆变电源模块的方案，在分析了几种常用的直流隔离电路的拓扑结 构，设计了一种高效的直流升压隔离电路，为逆变电源模块的后级逆变部分提 供了基础。 3 对可并联逆变电源的逆变进行了详细的设计，并给出了相应的控制策略。 4 同步控制是逆变电源并联的前提条件之一，文中分析了同步锁相控制原理 后，设计了一种内同步和外同步相结合的无主从控制模块的同步控制方式，且 无同步控制母线，使逆变电源更加简洁可靠。 5 运用数字信号处理芯片和c a n 技术，为并联逆变电源模块提供均流策略， 并通过仿真给出了相应的结果 6 最后设计了逆变电源并联所需的辅助电源，给出了详细的设计方案并 针对可并联逆变电源设计中的抗干扰技术也进行了研究。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章可并联逆变电源运行的理论基础 2 1 逆变模块并联控制原理 由于逆变电源模块并联输出为交流电压，它们之间的并联要比直流的并联运 行要复杂得多f 1 1 1 。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【1 2 1 1 1 3 1 。 从理论上讲d c a c 逆变模块的并联条件是：各模块输出电压的频率、相位 和幅值以及内阻完全相同，才能实现并联运行，并联模块输出的电流、功率完 全均衡【1 4 1 【堋。实际系统中，由于各模块硬件的分散性是不可避免的，各模块的 基准正弦信号的频率和幅值也会有微小差异；以上差异都会导致各模块输出电 压的相位和幅值不等；相位差会引起模块之间产生有功环流，幅值差会引起模 块间产生无功环流【垌。下面就两个模块输出的相位、频率和幅值进行分析 图2 - 1 两逆变模块并联供电原理图 设图2 - 1 所示两个并联供电的逆变模块容量相同。乩，u ：表示模块输出的基 波电压；l 1 ，c l ，l ：，c ：分别代表两个模块的输出滤波器；z 为公共负载；以为 负载两端电压；，。，。，工：，。：分别为两模块流经滤波电感和滤波电容的电流； 如，l z ：分别为两逆变模块输出到负载的电流。根据图2 - 1 ，可以列出以下方程组： u l j 砚l i l l 一u o 【，2 一j 缸2 i l 2 一u o i n + l l 2 。l c l + l z l + i c 2 l z 2 ( 2 - - 1 、 iz l + iz t - u o z i c l j o , q u 。 l c z j o , c 2 一u 。 当c l c 2 - c ，l l - l 2 一l 时，求解式( 2 - 1 ) 得： 7 武汉理工大学硕士学位论文 i n 。哪l u 0 | 2 j 在正+ u o 氇z 2 j l ) 2 ( 2 - - 2 ) ，2 一一g ，1 一u 2 ) 2 j t o l + 【，。( 1 z + 2 j o n l ) 2 由式( 2 - - 2 ) 可见，两个逆变电源模块的输出电流，u ，。分别由两部分组成： 即负载电流分量( 后一项) 和环流分量( 前一项) 。 同时可见，当u 。，u ：相位相同而幅值不同时，电压高的“环流”分量是容性的， 电压低的“环流”分量是感性的；当u ，c ，：幅值相等时，相位超前者环流分量为正 有功分量( 输出有功) ；相位滞后的环流分量为负有功分量( 吸收有功) ；而在大多 数情况下，【厂。，巩既不同相又不相等时，那么这时，环流分量中既有无功分量， 又有有功分量。 由上述分析可知：逆变电源并联运行的关键是减少“环流”，那么就必须尽量 保证各逆变模块输出电压同频率、同相位和幅值相等。 ：一 2 2 并联等效数学模型 三台电流型逆变器的等效电路如果2 - 2 所示其中r 工。、屯。、r 工，、，l 、，2 、b 为 等效的电感内阻及线路阻抗，u 。、u ：、u ，为逆变器桥臂输出s p w m 调制电压 厶、工：、，、c l 、c 2 、c 3 为滤波电感和电容，民为负载( 可为感性，容性或纯 阻性) 。 r - 一r 矿 m l r节。”矿 图2 2 三台等效逆变电源并联的等效电路图 若令 z 也么么q 。q ， u 也v 2 计 且设口- 百雨面鬲1 西丽，2 + ，3 + ，2 勺+ ，l “+ r 2 “+ r 3 f 8 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 武汉理工大学硕士学位论文 由图( 2 2 ) 可分析得并联系统的状态方程为： x - a x + 口【，( 2 5 ) 其中：a - 丑_ 一生0 1 一 厶厶 。一蔓o l 2 oo 1 0 c l o 上 c 2 r l a o c 3 i 1 0 o 厶 0 土。 工2 00 土 岛 ooo o0o 气， 工， ( ，2 + 见) 4 c 1 也+ 凡 c 2 1 c 3 0 1 工2 0 ( r 3 + 吃弘 c 1 r l a c 2 “+ 兄弘 g 2 3 可并联逆变电源均流控制方法 o 0 1 l r l a c l “+ 也p c ( ，2 + r 上弦 c 3 ( 2 6 ) 逆变电源的并联不同于直流电源的并联，逆变电源输出的是正弦波，并联时 需要同时控制输出正弦波的幅值和相角，即通常所说的同频率、相位、同幅值。 逆变电源的安全并联，必须瞬时地满足以下两点要求【1 7 l ： ( 1 ) 各个逆交电源输出电压的频率和相位的同步。 ( 2 ) 输出电压和电流的平衡。 目前，虽然许多的公司已经推出了其具有并联功能的逆变电源产品，但控制 策略却是各有千秋。以下对将逆变电源并联控制通常用的控制方法进行概述。 ( 1 ) 有功、无功控制【1 8 】1 1 9 1 有功、无功并联控制，即功率偏差并联控制。通过逆变电源单元检测各自输 出的有功和无功，并把各自的有功无功值送给其它电源单元，每个电源单元根 9 武汉理工大学硕士学位论文 据自己和其它模块的有功无功情况，算出本单元功率的偏差，再通过调节每个 逆变电源单元的输出电压的幅值和相位来调节各自的输出的有功和无功，保证 每个逆变电源单元输出的有功和无功相等，即有功无功偏差趋近于零，以致于 达到均流的目的。以三个逆变电源单元并联为例，如图( 2 3 ) 所示： 图2 3三个逆变电源单元并联 图2 3 中x 为线路阻抗，由于线路阻抗很小，而认为x 为感性，v 为并联 系统的输出电压，e 1 ，e 2 ，e 3 为并联模块的输出电压。 逆变电源1 输出的功率为： s l - 置4 - j q l - l 式中，。墨塑! 鱼! ! 墅塑二兰 弘 所犏s , - v 业气笋皑 得到输出的有功功率和无功功率： 只。等咖岛 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) q l e l y _ c o s j r 6 1 - 一v 2 ( 2 - - 1 1 ) 同样道理可得逆变电源2 、3 的输出有功功率和无功功率： 最譬s i n 6 ： x q ：e 2 v c o 厂s 6 2 - p 2 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 只- 兰二s i n 氐( 2 - - 1 4 ) 五 。 q 3 e 3 v c o s 丁6 3 一- v 2 ( 2 1 5 ) a 由式( 2 - - 7 ) ( 2 - - 1 5 ) 可见，有功的大小主要取决于功率角反、6 ：和以， 无功的大小主要取决于逆变电源输出的电压幅值e 和e ：，因此，可以通过调节功 率角最、6 ：和以来调节输出有功的大小，通过调节逆变电源输出电压的幅值 e 和e ：来调节输出无功的大小，从而可以实现各输出电源模块的均流。 事实上，应用有关的功率理论进行逆变电源控制，从均流的角度而言，其动 态均流性能是有限的。因为逆变电源的内阻很小，逆变电源的控制环路响应速 度比较快，对于瞬投、卸载、非线性负载、系统的干扰等，慢速的均流调节将 会引入严重的输出畸变，严重时甚至于导致系统的破坏一： ( 2 ) 电压和频率下垂控制【2 d l 下垂均流控制就是调节开关变换器的外特性倾斜度( 即调节输出阻抗) ，以 达到并联的逆变电源接近均流控制的目的【2 1 lf 蠲。直流电源通过下垂均流控制， 可以自动实现并联输出均流；逆变电源也可以通过电压频率下垂均流控制来达 到并联输出的有功和无功的自动均分控制。通过人为引入逆变电源的电压和频 率下垂特性，就可以达到并联逆变电源输出的均流控制，从而控制并联“环流” 基于预先的下垂特性，可以得到下式： w - w o 一册p ( 2 1 6 ) yi-r+q(2-17) 式中：是空载时的频率； k 是空载时的电压幅值； m 是频率w w 的下垂系数； n 是电压幅值v 的下垂系数 为了确保每个逆变电源能够根据其额定容量分担负载，下垂系统选择如下： m l s l - m 2 s 2 一一m 。s ( 2 1 8 ) 露l s l n 2 s 2 。n s 。 ( 2 1 9 ) 式中，墨，s ：，& 为并联的逆变电源的额定容量。 由上述下垂特性可知，各个并联逆变电源单元的输出电压和频率将下降到 某一个值，以便抑制“环流”，从而达到均流的目的。这种均流控制的一个突出优 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 点就是各并联的逆变电源模块之间不需要通讯线交换均流控制信息。但缺点也 是明显的：1 ) 均流实际上是通过牺牲系统电压、频率的精度实现的，过软的输 出特性对某些负载的运行不利；2 ) 调整精度有限，而且受到各模块性能不一致 的影响，均流效果不理想。 ( 3 ) 瞬时调制控制技术【驯 当并联逆变电源采用瞬时调制的并联控制技术时，就要求在每一个开关脉 冲必须获取并联操作的“环流”信息，部分的信息可以是测量逆变电源输出的有功 无功的结果。在某些情况下，这种控制有可能简化控制系统，使控制器仅仅控 制无功就可以达到均流的目的；例如，可以通过同步锁相电路使的逆变电源系 统的各个逆变电源单元输出电压的频率同步、相位一致，然后检测各自输出的 电流差值来调节输出电压，从而使得各逆变电源的输出均流。，： i 采用瞬时调制的均流控制技术，逆变电源模块的控制系统在每个开关周期 都瞬时地获取系统的均流信息，进行调节以减少模块间的环流。正是由于该控 制策略的均流控制调节很快，而逆变电源输出的是时变、交变的正弦波，如果 不很好地控制逆变电源模块单元间的输出电压和相位，在加入均流控制策略后， 也可能很容易导致系统的并联失败。 2 4 逆变电源的并联控制策略分析 逆变电源并联系统的控制是复杂的，因为逆变电源输出的电压瞬时变化是 比较快的：a v a ta ，y os i n ( 埘) ( 2 2 0 ) 显然，对于5 0 i - l z , 2 2 0 v 输出的逆变电源，其相当于： , i v a t - 3 1 1 3 1 4 一l o o h n , s ( 2 2 1 ) 即使输出电压在稳态时幅值、相位、频率一致，但在参数变化、外界扰动 的情况下，它们的动态调整过程肯定不会一致，从而不可避免地存在电压差， 形成“环流”。在采用先进的并联控制策略进行控制时，不可避免地要引入输出电 压的反馈控制，即采用电压闭环控制技术。但是，引入电压闭环后存在一个复 杂的问题：逆变电源并联后，由于逆变电源模块间存在差异必然导致输出的差 异，不可避免地就会有“环流”的存在，而这时公共连接点的电压，并不是某个模 块的电压，而是所有并联模块输出电压的综合。输出电压稍高的，会被拉低， 输出电压稍低的，会被抬高，如果这时将输出电压反馈，那么会使得输出电压 武汉理工大学硕士学位论文 高的模块继续抬高输出电压，输出电压低的模块继续降低输出电压，如果2 _ 4 所 示。 图2 4 多个模块并联原理图 墨，l 。( f = 1 ，2 ，一) 为第i 个模块单元的线路等效电阻和等效电感 当n 个独立模块并联时，令： r 1 - r 2 一e - r ，l l 二l 2 - - 工一l ( 2 - - 2 2 ) 那么可以得到系统输出电压为： p v 0 。赢彘以+ + ”+ k ) ( 2 2 3 ) 模块n 单元中的“环流”分量为： k 一一三( f i + 屯+ + + ) 一上r + s l 阢一 形+ 吒+ + k ) 1 ( 2 2 4 ) 由式( 2 2 3 ) 可见，负载上的电压是并联系统的每个并联的模块单元的输 出电压的综合。式( 2 - - 2 4 ) 也说明通过加大线路上的阻抗来减小“环流”是有效 的，但加大了系统的损耗，降低了系统的输出电能质量。由此得出结论：逆变 电源模块单元的控制系统中的电压反馈调节环节应该不能够太快( 相对于“环流” 调节而言) ，而且调节范围应该限制。 2 5 逆变电源模块并联的环流分析与抑制 通过上述分析并联的逆变电源模块工作在相位和频率相同情况下，各逆变模 块输出幅值不同，就会产生“环流”分量，输出幅值高的逆变模块工作在逆变状态， 输出幅值低的逆变模块工作在整流状态。下面就逆变模块工作于整流和逆变状 武汉理工大学硕士学位论文 态的条件进行分析。 2 5 1 逆变模块工作于整流和逆变状态分析 对于逆变电源模块并联时工作于整流j 重变状态，其主电路的工作状态可分别 由图2 5 、2 - 6 、2 - 7 的各个状态图进行说明。 l l l r 。 一 图2 5 图2 - 6 一 ，帚二l 参站l 图2 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 5 、2 - 6 、2 - 7 中的工作状态图是对正半周母线电压( 这里指逆变电源模 块并联后输出的交流电压，以下同) 的进行描述的，对于负半周交流电压，也 可作相同分析。 图2 - 5 表示t 1 、t 4 导通，直流侧能量馈入母线电压，电流i l 以图中箭头所 示的方向增加。 图2 - 6 表示，n 、码导通，直流侧能量对电容c 进行充电，电感l 储存能 量通过t 1 及d 3 组成回路与母线电压进行能量交换。如电流i l 的绝对值减小， 表示主电路工作于逆变状态，电感i l 储能减小；反之，则表示主电路工作于可 控整流状态，电感i l 储能增加。 图2 - 7 表示t 2 、t 3 导通，电感l 的储能通过d 2 、d 3 或t 2 、t 3 与直流侧 电源串联组成的回路与母线电压进行能量交换，此时电流i l 以图中箭头所示的 方向减小。 图2 - 7 的状态发生在母线交流电压过零点附近。图2 - 5 、2 - 6 、2 - 7 的状态表 示逆变桥输出电压分别为正、零和负，此3 状态经过s p w m 调制后，通过电感 l 滤除载波高频分量后，使馈入母线上的电流波形为正弦波。 2 5 2 主功率管驱动波形分析 由2 5 1 分析可知，逆变电源模块逆变主电路是一个能量可进行双向流动的 变换器。当能量由直流侧馈入交流侧时，变换器是降压型的b u c k 变换器，当能 量由交流侧馈入直流侧时，变换器为升压型的b o o s t 变换器。 在不考虑线路各种器件损耗的情况下，功率器件的占空比d 与直流电压u s 、 交流母线电压瞬时值u 间存在如下关系： u 5x d - 疗2 + ( n 也，【) 2 s i n ( a x + 妒) ( 2 2 5 ) 矿一t g - l 警( 2 - 2 6 ) 为母线电压的角频率，由( 1 ) 式可求得： d 壁堂雩塑 ( 2 u 。 、7 当电流i l 的平均值等于0 时，可求得： u u jx d 武汉理工大学硕士学位论文 d u s i n t o t 玑 ( 2 2 8 ) 式( 2 2 8 ) 可以写为 dmsinwt(2-29) 其中m 为脉宽调制比 ( 2 2 7 ) 与( 2 2 8 ) 式表明： 当直流电压电压不变时，占空比应跟随母线电压呈正弦变化，且随着逆变电 流的增大而增加。 当占空比低于到由( 2 2 8 ) 所决定的占空比时，电路工作于可控整流状态。 母线电压通过变换器的升压功能提高直流侧的电压，过小的占空比将产生很 高的直流电压，导致主电路功率器件的损坏；因此，一定要对过小的占空比加 以限制。 2 6 环流分量的抑制 由上述分析可知，当直流电压不变时，要使逆变电源模块输出一固定2 2 0 v 交流电压，输出脉宽调制比应该大于或者等于一个固定脉宽调制比m 。在逆变 电源模块并联时，如果某一个逆变模块输出脉宽调制比低于一个固定脉宽调制 比m ，其输出就处于整流状态，吸收其它逆变模块的功率分量，从而产生环流 分量。 2 7 小结 本章首先分析了逆变电源并联系统的控制原理和数学模型，得出逆变电源并 联的两个关键条件是：逆变电源模块输出电压要同步，输出幅值大小相同：系 统阐述了均流控制方法，并联控制策略以及抑制环流的策略，为逆变电源模块 并联提供了理论基础。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章逆变电源并联方案与直流升压设计 3 1 逆变电源并联方案设计 可并联逆变电源系统包含三种功能单元，即可并联逆变模块、静态旁路开关 模块和监测模块，电气原理图如图3 1 所示。其中可并联逆变模块是可并联逆变 电源系统的的关键和核心部件，是本文研究和设计的重点。 4 l v 1 1 0 v 2 2 0 v d c 输入 市电a c 笠o 、，猁翌 图3 1 可并联逆变电源电气原理图 可并联逆变电源采用高频变压器代替传统逆变器中笨重的工频变压器，大 大减小了逆变器的体积和重量，使用无主控方式的数字相位同步锁定技术，逆 变电源各模块完全自主均流，当某一模块出现故障，故障模块即自动退出，并 发出报警，而剩余模块自动均分负载。并联电源内部电路拓扑结构采用全高频 数字化、智能软件控制，结合相应的硬件电路，反馈响应速度及过流、短路保 护速度快速准确，有效地保护末级功率器件，使整机可靠性大为提高。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 图3 2 逆变模块原理图 逆交模块原理框图如图3 2 ，直流电源提供的电压经保险丝、继电器、滤波 器加到高频升压部分，将直流输入2 2 0 v 提丹至4 0 0 v 直流，以满足逆变输出要 求。高频逆变部分将4 0 0 v 直流逆变为2 2 0 v 、5 0 h z 的交流电，经滤波后通过继 电器到输出端。控制器控制输入及输出继电器的通断，( 当设备内部或外围出现 故障时，继电器断开，正常时闭合。) 同时调节控制高频升压及高频逆变的工作 状态及输出。滤波器将设备内部的高频成份滤出，使之与输入、输出端隔离， 不影响与其联接的其它外部设备。本文所设计的可并联逆变电源单模块输出电 压2 2 0 v 5 ，功率4 k v ，效率大于8 4 。 3 2 直流升压电路设计 3 2 1 常用d c d c 拓扑结构分析 ( 1 ) 单端反激电路 图3 - 3 的单端反激电路多用于输出电路与输入电路电气绝缘，或者希望多路 输出的场合1 2 4 11 2 s l 。反激式变换器中的变压器起着电感和变压器的双重作用。在 主功率管导通时，将能量储存在变压器中。在主功率管关断期间，变压器储存 的能量通过整流二极管传递给输出端。但是，这种间接传送能量的变换器不适 合大功率的场合中。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - - 3 单端反激电路 单端正激电路 如图3 4 的单端正激电路形式上与反激类似。与单端反激电路的不同点是： 该拓扑是直接传送能量，可以应用的功率场合较反激电路大。但是，当主功率 管 关断时必须给变压器提供能量释放回路，这也带来了各种磁复位的问翘硐 2 7 1 2 8 1 l 铆。单端正激电路变压器的磁利用率低、开关管电压应力高等缺点也限制了它 在大功率场合中的应用。 图3 4 单端正激电路 ( 3 ) 半桥电路 图3 - 5 的半桥电路可以做为单相逆变器或直流变换器主电路拓扑。半桥电 路相对于单端正激电路而言，开关管电压应力减小为输入电压u i n ，变压器磁芯 利用率提高了一倍1 3 0 1 3 1 1 。但是，半桥电路的缺点是：c 1 ，c 2 电容电压不对称可能 引起变压器偏磁。 图3 5 半桥电路 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 全桥电路 如图3 - 6 ，全桥电路的优点： 主功率管电压应力较小，为输入电压u i n ： 相同的功率等级流过功率管的电流是半桥电路的一半； 变压器磁芯利用率高。 缺点： 开关管的压降或驱动脉冲的不对称，会引起变压器铁心的偏磁； 相当于两个功率管串联使用，导通损耗大； 存在功率管直通问题。总之，全桥电路比较适用于高压输入的大功率场 合。 图3 6 全桥电路 双管正激电路 如图3 7 ，双管正激电路的优点： 主功率管的电压应力较单端正激电路小； 桥臂上串联的二极管具有箱位主功率管电压尖蜂和为变压器提供磁复位 通路的作用； 从结构上消除了桥臂直通现象，可靠性高。 当然这种电路拓扑也存在缺点： 为了保证可靠的磁复位，其工作占空比只能小于0 5 ； 为保证获得更高的输出电压，须提高变压器的变比，从而使变压器副边 续流二极管的电压应力增大。所以。它特别适用于输入电压较高，输出电压不 太高的中大功率场合。 l 三v j 武汉理工大学硕士学位论文 j 在一l 墟4 j 一c j 庄 图3 7 双管正激电路 ( 6 ) 推挽电路 如图3 8 ，推挽电路拓扑的优点： 结构简单，只需要两个主功率管： 驱动电路不要隔离，电路简单： 原边绕组可以自动磁复位。 缺点： 对变压器绕制的对称性和功率器件参数及其驱动脉冲宽度的一致性要求 较高，容易产生磁芯饱和现象； 在开关管关断时，漏感能量在开关管上会引起高的电压尖峰