（电力电子与电力传动专业论文）无互联线并联逆变器控制技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p a r i n gw i t hs i n g l ei n v e r t e r , 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 sc a na c h i e v e h u g ec a p a b i l i t ya n dr e d u n d a n c yp o w e rs u p p l y i t a l s oi m p r o v e st h ep o w e rs u p p l y a g i l i t y a n ds t a b i l i t y , t h e r e f o r ei tw a sc o n s i d e r e dt ob eo n eo ft h es i g n i f i c a n t d e v e l o p m e n t a ld i r e c t i o n so fc u r r e n ti n v e r t e rt e c h n o l o g y f r o mt h ev i e wo ft h e o r ya n d p r a c t i c e ，t h e r ea r es o m ep r o b l e m st ob es o l v e do ni n v e r t e rp a r a l l e lo p e r a t i o n ，t h u st h i s p a p e rt a k e si n v e r t e rp a r a l l e lo p e r a t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g ya st h er e s e a r c hc o n t e n t a c c o r d i n gt ot h ei n v e r t e rp a r a l l e lo p e r a t i o nw i t hw i r eo rn o t ，c l a s s i f i e dc o n t r o l m o d ea n dc o m p a r e dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sr e s p e c t i v e l y , a n dt h e ni t g a i n e dt h ec o n c l u s i o nt h a tp a r a l l e lo p e r a t i o nt e c h n o l o g yo fi n v e r t e rw i t hw i r e l e s s t a k e st h ea d v a n t a g e so fr e s i s t i n gd i s t u r b a n c e ，e n l a r g i n g c a p a b i l i t y , m a i n t a i n i n g e x p e d i e n t l ya n do p e r a t i n gr e l i a b l y c o n f i r m e dp a r a l l e lo p e r a t i o nt e c h n o l o g y o f i n v e r t e rw i t hw i r e l e s st ob et h er e s e a r c he m p h a s e s i n v e r t e rm o d u l ec h a r a c t e r i s t i ca f f e c t s p a r a l l e lo p e r a t i o ns y s t e mc r u c i a l l y , a c c o r d i n g l yt h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ed e s i g no fd o u b l el o o pc o n t r o ls p w m c o n v e r t e r w i t hv o l t a g eo u t e rl o o pa n dc u r r e n ti n n e rl o o pw h i c hb a s e do nt h ep r a c t i c a ls y s t e m r e q u i r e m e n t s i n v e r t e rm a t h e m a t i c a lm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，d e s i g n e dt h ef i l t e r i n d u c t a n c e ，c a p a c i t a n c e a n dv a r i o u sc o n t r o l l e r p a r a m e t e r s c o n s t r u c t e d t h e e m u l a t i o n a lm o d e lo fd o u b l el o o pc o n t r o ls p w mc o n v e r t e r , e m u l a t i o n a lr e s u l ts h o w s t h a tt h ed e s i g n e di n v e r t e rs a t i s f i e dt h es y s t e md e m a n d s t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i so fm u l t i - i n v e r t e r sp a r a l l e lo p e r a t i o nm o d e l ，t h e p a p e re v o l v e dt h a tt h ei n v e r t e ro u t p u tv o l t a g ea m p l i t u d ea n dp h a s ei sc o r r e l a t i v ew i t h b o t ho u t p u ta c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e r e x p l a i n e dt h em e t h o do fu s i n gi n d i r e c t w a yt oc o n t r o lo u t p u tv o l t a g ea m p l i t u d ea n dp h a s ei no r d e rt oa c h i e v ep o w e rs h a r e i n a d d i t i o n ，a n a l y z e dt h er e a s o nw h a ti n d u c e sc i r c u l a t i n g c u r r e n tw h i c hi n f l u e n c e s p a r a l l e lo p e r a t i o ns y s t e m ，f o u n d t h a td i f f e r e n c eb e t w e e na n yp a r a l l e lo p e r a t i o n i n v e r t e ro u t p u tv o l t a g ea m p l i t u d ea n dp h a s er e s u l t si nr e a c t i v ep o w e rc i r c u l a t i n g c u r r e n ta n da c t i v ep o w e rc i r c u l a t i n gc u r r e n t p a p e rm a d ec e r t a i nt oa d o p tm e a s u r e a c t i v ea n dr e a c t i v ec o m p o n e n to fo u t p u tp o w e ri no r d e rt om o d i f yo u t p u tv o l t a g e a m p l i t u d ea n dp h a s e ，t h e na c h i e v e de l i m i n a t i n gc i r c u l a t i n gc u r r e n t a n dr e a l i z i n g c a r r e n ts h a r e 武汉理1 。犬学硕士学彳i ) = 论文 a f t e ra n a l y z i n gt h e p a r a l l e lo p e r a t i o nt e c h n o l o g y o fi n v e r t e rw i t hw i r e l e s s t h e o r e t i c a l l y , w eg o tt h eb a s i ca i g o r i t h mo fd r o o pc o n t r 0 1 b a s e do nt h i ss t r a t e g y , t h e p a p e rp r e s e n t e di n v e r t e ro u t p u ta c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e ra d j u s to u t p u tv o l t a g e a m p l i t u d ea n dp h a s et o g e t h e r , a m e l i o r a t e dt h eb a s i ca l g o r i t h m m o r eo v e r , d i f f e r e n t i a l i t e m so fa c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e rw e r ea d d e dt ot h ea l g o r i t h mt oi m p r o v et h e d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，a n dt h e nw eg o tt h ei m p r o v e dp a r a l l e lc o n t r o la l g o r i t h mw h i c h b a s e do nn e wd r o o pc h a r a c t e r i s t i c p a r a l l e lo p e r a t i o nm o d e lo fi n v e r t e rw i t hw i r e l e s s w h i c ha d o p t i n gn e wa l g o r i t h mh a sb e e nf o u n d e d ，e d u c e dt h es i g n i f i c a n tp a r a m e t e r s w h i c hd e t e r m i n ep o w e rs h a r i n gp e r f o r m a n c e e m u l a t i o n a lr e s e a r c hs h o w e dt h a tt h e i m p r o v e ds y s t e m o b t a i n e dp r e f e r a b l es t a b i l i t ya n dd y n a m i cr e s p o n s e ，t h ep o w e r s h a r i n gp e r f o r m a n c ea n dc i r c u l a t i n gc u r r e n tr e s t r a i n i n gp e r f o r m a n c es a t i s f i e dp a r a l l e l o p e r a t i o nr e q u i r e m e n t s ，s y s t e md e s i g ni sr e a s o n a b l e k e yw o r d s ：i n v e r t e r , p a r a l l e lo p e r a t i o nw i t hw i r e l e s s ，i m p r o v e dd r o o pa l g o r i t h m ， c i r c u l a t i n g c u r r e n t i t l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着科学技术的不断发展，人们对电源供应的要求也越来越高，如何能安 全、高效、稳定的对各类电子设备提供动力已经成为电工领域的热点和难点。 逆变供电作为一种有效的电力供应形式，其控制策略和运行方式无疑左右着输 出电能质量的好坏。采用逆变器并联运行这种电源冗余手段，能够极大的增强 电源系统的稳定性，因而成为电力电子研究的热门领域。本文研究的主要内容 是逆变器的并联控制技术，通过前期广泛查阅和收集逆变器并联方面的技术资 料，确定无互联线逆变器并联技术具有重要的理论研究价值和较好的应用前景， 因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实际 意义，然后对目前的逆变器并联技术控制方式进行了分类，并系统地总结了备 类别的特点。绪论的最后介绍的是本文的研究内容。 1 1 研究逆变器并联控制技术的意义 逆变电源的并联控制技术研究，是交流电源系统从传统的集中式供电方式 向分布式供电发展过程中必须解决的一个重大课题。逆变电源的并联化运行， 可以大大提高系统的灵活性，打破了逆变电源在功率等级上的局限，用户可以 根据需要任意组合系统的功率，同时可以采用方便的冗余设计，因而具有高可 靠性、易大功率化的优点。由于电源模块产品标准化和规范化，这样可降低不 同容量电源的设计成本和重复投资，并减少生产和维护费用。 s p w m 逆变电源的并联运行方式一般分为集中控制、主从控制、分散逻辑控 制和无互联线独立控制4 种。在前三种控制方案中，各逆变电源之间存在较多 的控制互联信号线，且大容量的逆变电源并联时互联线的距离较远，干扰严重， 尤其在分散式发电系统中，各逆变电源之间的距离在几百米甚至更远，使得信 号的传输变得复杂且降低了系统的可靠性。而采用“无互联线并联控制”技术 的逆变电源系统则恰好弥补了上述问题。这种无互联线逆变电源并联控制系统 的同步及均流控制只依赖于各模块内的系统控制策略，可使各逆变电源模块之 间的控制系统电气联系完全隔离，系统安装和维修更加简便、快速，并联系统 武汉理工人学硕士学位论文 运行更加可靠，可以广泛应用于各类逆变器并联场合，容量的扩展也更加容易 和方便。逆变器并联运行对于改善供电质量、提高供电效率、防止供电污染和 提高供电的可靠性等方面都具有十分重要的意义。所以，对逆变电源并联控制 技术的研究具有深远的社会效益和经济效益。 1 2 国内外研究现状 国外逆变器并联控制技术现状 1 ) 发达国家在逆变器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实用。从目前的情况来看，部分逆变电源已经具备了并联 运行功能，几种知名品牌的逆变电源如梅兰日兰、西门予、三菱1 1 1 、东芝等公司 都推出了具有并联功能的逆变器产品，一般都可并联5 台以上。 2 ) 新型的逆变电源控制技术 逆变器的控制技术对输出性能至关重要。以往对逆变器的研究侧重于采用 新型功率器件实现高频开关和s p w m 控制，减少滤波器尺寸，通过滤波器的优 化设计，实现输出低阻抗。从而达到抑制输出波形失真和改善负载适应性的目 的。在新型功率开关器件技术逐渐成熟之后，为了进一步提高逆变器的动态和 静态特性，相应提出了许多新的控审方法，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、在三相逆变系统中采用空间矢量控 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。 3 ) 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。逆变电源的控制多 采用全数字化控制方案。如应用单片机和d s p 完成系统的检测，运算和控制。 先进的控制技术对改进交流电路的效率和性能是必不可少的关键技术之一。以 往主要应用模拟控制技术，但这种控制技术有较大的缺点。因为参数随温度变 化而产生较大的漂移。致使不断的需要人工调节以控制参数精度。采用数字技 术可避免这种缺点。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。 4 ) 国内逆变器并联控制技术现状 武汉理工大学硕士学位论文 我国在逆变电源并联控制技术的研究起步较晚。在研究上处于领先的主要 是西安交通大学、华中科技大学、南京航空航天大学、浙江大学等高校，产品 大多停留在试验阶段，产品还没规模化。而国内企业如台达、艾默森网络能源、 华为等也相继进入这一领域的研发，但在研究方面还需要做大量的工作。特别 是无互联线独立控制的并联方式可很方便的解决不同结构的逆变电源之间或逆 变电源与公共电网之间的并联运行控制及负载均流控制，所以对这种技术的研 究和控制策略的进一步优化将要付出更大的努力。 1 3 有互联线逆变器并联控制 有联线逆变器并联运行的控制方式一般分为：集中控制、主从控制、分散 逻辑控制三种【2 l 。 1 3 1 集中式并联 图1 - 1 逆变器并联的集中式控制原理图 在逆变器并联技术发展的早期，并联系统一般采用集中控制器实现并联运 行。在图1 - 1 所示的逆变器并联的集中式控制原理图中，并联控制单元检测市电 的频率和相位，给每个逆变电源发出同步脉冲。在没有市电的时候，同步脉冲 武汉理工人学硕士学位论文 由并联控制单元中的晶振产生，各个逆变电源的锁相环电路用于保证其输出电 压频率和相位与同步信号相同。并联控制单元检测总负载电流j ，将负载电流， 除以并联单元的个数h 作为各台逆变电源的电流指令，同时各台逆变电源检测自 身的实际输出电流，求出电流偏差。在有锁相环的情况下，假设各并联模块单 元有一个同步信号控制时输出电压的频率和相位偏差不大，可以认为各并联单 元的电流偏差是由电压幅值的不一致而造成的。所以这种控制方式把电流偏差 作为电珏环基准的补偿量加入各逆变电源，用于消除电流的不平衡。 集中式并联控制方式简单，均流的效果也比较好。但是由于集中控制方式 中集中控制器的存在，使得整个系统的可靠性降低。一旦集中控制器发生故障， 整个电源系统必将整体瘫痪，因此集中式并联控制的可靠性是不高的。 1 3 2 主从式并联 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) ，以 便构成主从控制方式 3 1 h 】。主从工作方式运行中，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，逆变器并联的主从式控制原理图如图1 2 所示。 主从式并联电源系统的每个模块内部都有同步基准信号产生，该信号是否 发送由可控开关k 决定，若k 闭合，则这个模块就将基准信号送到公共的同步 信号线上去其他各模块通过这根信号线接收同步基准信号，再由锁相电路实 现输出电压与同步基准信号的跟踪。与集中控制和常规的主从式控制方式相 比，系统中增加了一个反映并联网络状态的传输信号线b l ，若b l = 0 ，则表示 系统中尚无主机在工作：若b l = i ，则表示系统中有主机在工作。同时，在各模 块内部增加了一个反映本模块状态的主从标志m i ，若m i = i ，则表示本模块为 系统主机，反之则为从机。整个系统通过各模块内的逻辑电路完成以下的并联 运行： 当第一台电源模块启动时，由启动信号和检测到的b l 信号( b l = o ) 使主 从标志m i 置为1 ，即为主机，再由m i 信号控制开关k 闭合，主机向外发送 同步信号，同时m i 使网络状态标志嚣“1 ”，表示并联系统已有主机在工作。 当第二台电源模块启动时，由于系统中已有主机在工作( b l = i ) ，所以主从 武汉理t 人学硕士学伉论文 标志置为“0 ”，则该模块设为从机，同时使开关k 处于断开状态，从模块从公 共同步信号线上接受同步基准信号。从机停机时系统及其它模块的状态不变， 系统正常工作。主机一旦停机，b l 信号由1 变为“0 ”，此时系统则按一定 的方式在工作的从机中选一台作为主机，其中一种方法是：将每台电源模块对 b l 信号下跳沿的反应时间设计的不一样，这样，反应最快的模块首先将本模块 的m i 标志置为“1 ”，成之为主机，并且使b l 翻转为1 ；而其他模块的反应 过程将被b l = 1 而终止，仍为从机工作方式。 显而易见，图1 ，2 所示的主从控制方式较常规的集中控制方式并联系统的可 靠性有所提高，在系统中任何一个模块失效的情况下仍能够继续运行。但这种 并联系统仍存在着一些固有的缺陷，如同步基准信号仍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。 s c l ) ( 均流母垃信号) 【b l ( 赠络状寿母线) 均流 网络状两盯i 嗣 控制，一态检测 l 控制- _ 态检测| i 电路i 控制。【划：l 控制 j 百 l _ r = 翔翮 孔- 哥升一动l 一志m i _ _ 百i k振i l | | l _ 谢 鬻田囱圉 4 1 3 3 分布式并联 公共同步基准信号线 图1 - 2 逆变器并联的主从式控制原理图 上述并联控制方法基本上都是建立在传统理论的基础上，即整个系统的运 行依据中央控制设计，使并联的数台单机的所有功率输出通过一台置有检测负 载所需求功率的集中控制器来提供相位同步控制信号和负载均衡控制信号。尽 武汉理工大学硕士学位论文 管这种方法是一种通用的并且为人们所接受的解决单机功率增容的方式，但它 有很大的缺陷，特别是在系统进一步增容或调整时，它必须更换系统控制器， 且需要花费更多的时间及成本损耗。此外，传统的并联方式通常是系统有个 通用的主逻辑控制单元( 或集中控制单元) ，或系统中有一台为主控机，其余均 为从机，在正常情况下，这种方式控制的并联系统还可以满足负载需求，但一 旦主逻辑控制单元或主控机出现故障，则整个系统无法正常工作，因而主逻辑 控制单元在系统中是一个故障点。另外，主从方式并联，主控机本身对整个系 统也是隐含的致命故障点。即使采用图2 所示的主从并联控制可以保证主控机 故障时，其它的某一台从机切换后代替主机继续工作，但其切换控制逻辑仍然 是一种顺序控制方式，且整个系统必须依据网络状态监控单元才能保证整个系 统可靠工作。 在主从控制方案中，若并联控制电路故障可能会导致整个系统故障停机， 因而不能同时满足逆变电源模块组成的电源系统对大功率化和高可靠性两方面 的要求，使并联冗余的优点大打折扣。为解决这一问题，必须在并联控制过程 中使各逆变模块不依赖于集中控制单元或某个模块，能独立的检测和控制本模 块在系统中的工作状态而实现模块间的输出功率合理分配，并能很好的抑制模 块间的环流，这种并联控制技术即称为“独立并联控制技术”或“直接并联控 制技术【5j ”。由于分散逻辑控制系统不存在传统并联系统的单点故障问题，并且 每个电源都采用独立的逻辑控制单元，因而是一种更加可靠的逆变器并机运行 方式。 分散逻辑并联控制技术作为一种独立并联控制方式，它采用了在各逆变电 源中把每个电源模块中的电流及频率信号进行综合，得出各自频率及电压补偿 信号的控制策略【“。这种方式可实现真正的独立模块式并联运行，当有一个模块 因故障退出系统时，并不影响其它模块的并联运行。 逆变器并联的分布式控制原理图如图1 - 3 所示，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。分散逻辑控制系统可完全消除传统控制 系统中的单点故障问题，每台单机的运行都不必从属于另外的单机工作是否正 常。这种分散逻辑的控制系统较之传统并机系统在同样功率下占地面积少、组 件少，并且容易实现系统的远程监控。由于分散逻辑控制的并联冗余逆变电源 有上述优点，因而是目前有联线逆变器并机运行的主要控制方式。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 3 逆变器并联的分布式控制原理图 1 4 无互联线逆变器并联控制 送至其 他模块 为了减少逆变器之间的联线，近年来提出了一种无互联线式的逆变器并联 系统嘎这种并联控制方式是基于逆变器输出的外下垂特性的。当并联系统中各 台逆变器的相位、幅值相差较小的时候，可以认为并联系统的有功环流跟相位 差有关，而无功环流跟幅值差有关，利用逆变器输出电压的下垂特性，各逆变 器以自身的有功和无功功率为依据，调整输出电压的频率和幅值以达到各台逆 变器的均流运行。 无互联线逆变电源并联系统的同步及均流控制只依赖于各模块内的系统控 制策略，可使各逆变电源模块之间的控制系统电气联系完全隔离，系统的安装 和维护更加简洁、快速，并联运行更加可靠，容量的扩展也更加方便，代表了 逆变器并机运行未来的发展方向。 1 4 1 无互联线并联的基本原理 在图1 - 4 所示的无互联线并联逆变模块信号调节原理图中，各并联运行的逆 变电源之间无信号互联线，每个逆变电源中有一个功率计算单元，能够实时检 武汉理工大学硕士学位论文 测逆变电源输出的有功功率p 和无功功率q ，通过给定频率，和电压，+ 的微 调，可以找到最佳相位和电压补偿量使各逆变电源间的相位差和电压差为零， 从而使各逆变电源均分负载。经过理论分析可以证明，输出电压有相位差时输 出电流中会有额外的有功电流分量，有幅值差时会有额外的无功电流分量。由 于这种控制方式是建立在给定频率，+ 和电压【，微调的基础上，因此需要逆变器 模块检测和控制精度非常高，处理速度快。 汇流线 图1 4 无互联线逆变器并联模块信号调节原理图 无互联线并联技术一一其关键是通过调节输出电压幅值和频率的下垂特 性，对系统中各模块间负载功率进行均分控制，实现模块间无信号线的并联运 行。而负载功率一般包括有功功率和无功功率( 若负载为非线性，还应该包括谐 波功率) ，对它们的调节，可以通过控制模块输出基波电压的幅值和相位来实现。 1 4 2 无互联线并联的特点 f 1 1 并联系统中模块间相对完全独立，易实现冗余系统，这样可提高系统的 可靠度； f 2 1 方便了逆变器的安装和扩容； 0 1 有互联线逆变器间的均流线易受外界干扰从而导致均流能力下降，甚至 发生均流失败而影响到整个供电系统的安全； f 4 1 控制方式复杂，一般需要高速数字控制。 f 5 ) 控制难点主要集中在逆变器输出电压频率和相位的下垂算法优化。 f 6 、研究前景广阔。有研究表明【8 l ，通过无信号联线逆变器模块之间的电力 武汉理工大学硕士学位论文 线通信，可以实现逆变器的信号互通，从而可以开辟另一种全新的无互联线逆 变器并联控制模式。 1 4 3 无互联线并联的实现方案 基于无互联线的逆变器并联运行控制原理图如图1 5 所示1 9 1 1 ”】，逆变器模块 首先检测交流母线的电压相位，锁相成功后启动逆变器，合成逆变器的参考输 入电压。参考电压信号经过电压外环、电流内环的双环控制s p w m 逆变器，输 出交流电压对负载供电。模块中的功率检测单元通过检测逆变器输出的有功功 率p 和无功功率q 来不断修正输出电压的幅值和频率，以实现逆变器间的功率 均分1 1 1 1 。详细分析及设计方案参见第二、三、四章。 图卜5 基于无互联线的逆变器并联运行控制原理图 1 5 本文的主要研究内容 本文主要围绕新型的并联逆变器控制方式一“无互联线并联逆变器控 制”，进行了深入研究。论文结合了作者在研究生期间的高频开关电源及光伏 逆变器的研究经验，通过对无互联线逆变器并联控制的基础理论研究及控制对 武汉理丁大学硕士学位论文 象模型的建立，构建基于新的下垂控制算法的逆变器并联控制仿真体系，得到 了若干可以指导工程实践应用的一些相关结论。 主要研究内容概括如下： ( 1 ) 针对不同的逆变器并联控制方式进行了比较，确立将无互联线并联逆 变器控制技术作为本文的研究重点。 ( 2 ) 根据逆变器并联运行需要，设计了电压外环、电流内环双环控制s p w m 逆变器，主要从二个方面入手进行设计：系统建模和输出滤波器的设 计；控制器各个参数的设计。在m a t l a b 环境下对设计的逆变器控制系 统进行了仿真分析。 ( 3 ) 逆变器并机运行系统模型分析，包括逆变器输出功率理论及其计算， 输出电压的幅值和相位与输出有功、无功功率的关系。阐述了环流的 产生机理与其影响功率分配状况的复杂分析，研究了环流的危害以及 均流控制的基本思想。 ( 4 ) 对无互联线并联逆变器控制技术进行了研究。分析了传统下垂特性的 控制算法，在传统控制算法基础上进行了改进，推导了新算法主要下 垂参数的理论求解过程。针对新算法建立了基于无互联线并联逆变器 运行控制系统的模型。最后对采用新算法的系统作了仿真分析，验证 其可行性。 ( 5 ) 本文的总结和展望。 n 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章逆变器控制设计 主电路结构和控制方式对逆变器模块的输出性能起着决定性的作用，也影 响着逆变器并联系统控制策略的选择和控制参数的确定。因此，研究并联技术， 必须首先分析研究逆变器的主电路结构和控制方式，并确定电路的主要参数。 2 1s p w m 控制 随着逆变器控制技术的发展，电压型逆变器也出现了许多的调压、变频方 法。目前采用较多的是脉宽调制技术即p w m 控制技术：利用控制输出电压的脉 冲宽度，将直流电压调制成等幅宽度可变的系列交流输出电压脉冲，来控制输 出电压的有效值、控制输出电压谐波的分布和抑制谐波。由于p w m 技术可以迅 速地控制输出电压，有效地抑制谐波，因而它的动态响应好，在输出电压质量、 效率诸方面有着明显的优点。根据形成p w m 波原理的不同，大致可以分为以 下几种：矩形波p w m 、正弦波p w m ( s p w m l 、按谐波抑制原理的p w m 、自适 应电流控制p w m 四类。这四类p w m 波各有优缺点，因而适用于不同的场合。 本文主要讨论正弦波逆变器，而正弦脉宽调制( s p w m ) 技术由于控制技术简单， 输出谐波可控，响应速度较快，是目前高频逆变器获得正弦输出的常用方法， 因此在这里主要讨论s p w m 方法。 2 1 1p w m 基本原理 在采样控制理论中有一个重要结论：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。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效 果基本相同，是指环境的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅立叶 变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。上述原理可以称之为 面积等效原理，它是p w m 控制技术的重要理论基础i l “。 根据面积等效原理，将一系列等幅不等宽的p w m 脉冲波来近似正弦波形， 就得到了脉冲的宽度按正弦规律变换，和乖弦波等效的p w m 波形，也称s p w m 武汉理工大学硕士学位论文 波形。 2 1 2s p w m 控制分析 根据2 2 1 小节的p w m 控制基本原理，如果给出了逆变电路的正弦波输出 频率、幅值、和半个周期内的脉冲数，p w m 波形中各脉冲的宽度和间隔就可以 精确计算出来。按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到 所需的p w m 波形。这种方法称之为计算法。可以看出，计算法是很繁琐的，当 需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。 与计算法对应的是调制法，即把希望输出的波形作为调制信号，把接受调 制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的s p w m 波形。通常采用等 腰三角形或锯齿波作为载波，其中等腰三角形波应用最多。因为等腰三角形波 上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化 的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就 可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合p w m 控制的要求。当调制 信号波为正弦波时，所得到的就是s p w m 波形，这种情况应用很广。而当调制 信号不是正弦波时，而是其它所需要的波形时，也能得到与之等效的p w m 波。 在实际中主要运用的是调制法。 按照s p w m 控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率 开关器件的通断，这种生成s p w m 波形的方法称为自然采样法。自然采样法是 最基本的方法，所得到的s p w m 波形很接近正弦波。但这种方法需要求解复杂 的数学方程，在采用微机控制时需要花费大量的计算时间，不利于实时控制， 因此工程实践中运用得不多。 规则采样法是一种应用较广的工程实践方法，其效果接近自然采样法，而 计算量与之相比却少得多，本文设计的逆变器就是采用此方法，图2 - 1 为规则采 样法原理图。取三角形两个正峰值之间为一个采样周期，在自然采样法中， 每个脉冲的中点并不和三角波一周期的中点( 即负峰点) 重合，而规则采样法 使两者莺合，也就使每个脉冲中点都以相应的三角波中点为对称，因此大大减 少了计算量。 在i 角波的负峰值t 。对正弦信号波采样而得到d 点，过d 点作一条水平线 和i 角波分别交于a 点和b 点，在a 点时刻t 。和b 点时刻t 。控制功率丌关器件 武汉理工人学硕士学位论文 的通断。可以看出，用这种规则采样法得到的脉冲宽度6 和自然采样法得到的脉 冲宽度非常接近。 卜三二叫 “ 彳 a d 一一a r 7 b f o 。? - ， ji “口。 6 7 66 f 图2 - 1 规则采样法原理图 像这种在玑的半个周期内三角形载波只在正极性或负极性一种极性范围内 变换，所得到的p w m 波形也只是在单个极性范围变化的控制方式称为单极性 p w m 控制方式。和单极性p w m 控制方式相对应的是双极性控制方式。在采用 双极性控制方式时，在，的半个周期内，三角形载波不再是单极性的，而是有 正有负，所得到的p w m 波也是有正有负。 设正弦调制信号波为 “，= a s i nc o t( 2 1 ) 式中，o - 称为调制度，0 at 1 ：c o 为j 下弦信号波角频率。由图可以得到 如下的关系式 因此 ! ! ! 墅竺尘。l d 2 z 2 ( 2 - 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 6 = ( - + n s i n 婢r 。) 这样得到的6 易于通过简便的计算得到，很适合工程实用。 2 2 逆变器主电路设计 2 2 1 主电路建模 e 5 2 固l 移0 2 ( 2 3 ) 图2 2 单相全桥逆变器电路拓扑 在图2 - 2 所示的单相全桥逆变器电路拓扑中，电感l 的s 域表达式为i l l s ， 电容c 的s 域表达式为c s ，可以推得逆变器的输出电压u ；( s ) 和负载电压u o ( s ) 间有如下的关系 1 删酱暑2 可而1 由于滤波电感的等效阻抗r 非常小，可以忽略，因此上式可以简化为 g ( s ) 。孤1 尺 本设计方案采用双极性s p w m 调制方式，可以表示为 “，= e ( 2 s 一1 ) 1 4 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 武汉理工大学硕士学位论文 这里s 为开关函数： 当s 1 、s 3 导通时，s = o 当s 2 、s 4 导通时，s = i 由于s 为开关函数，因此虬的输出为一系列不连续的脉冲波。在一个开关 周期内，考虑采用状态空间法，用u ，的平均值心一代替其瞬时值，u ，的平均值 可以表示为 n i - e d + ( 一e ) ( 1 一d ) 一( 2 d - 1 ) e( 2 - 7 ) 当采用s p w m 调制时，占空比d 可以表示为 。t 扣扣半】 p s ， 其中虬为参考正弦波信号，u ，= u rs i n ( o , , t ) ，u ，为正弦波信号峰值。u c 为三 角载波波峰，设调制比为a 扣u u r ( 2 - 9 ) 带入得到 吩= ( 2 d - 1 ) e = 附+ 半卜】e = s i n ( r o t ) e r e ( 2 1 0 ) 用地代替“；得到 ”“n ( 圳a e - s i n ( c o t ) u 姿，- 嗜 ( 2 - 1 1 ) 因此得到吨和“，间的频域表达式为 旦盟旦 r 2 1 2 ) u 0 ) u 。 、 联立式( 2 - 4 ) 得到 啪，= 器。篇器2 c l s 2 + i l + r c 灿r u c ( 2 - 1 3 ) g o ( s ) 为单相全桥逆变器的输入输出传递函数，根据表达式可以画出逆变器 武汉理j 二人学硕士学位论文 等效信号流程框图2 - 3 。 尘ul 墼c e f 图2 - 3 逆变器等效信号流程框图 2 2 2 滤波器参数设计 由于p w m 逆变器输出坡形中小仅包含5 0 h zi f 弦拔，处包笛各种1 雷坡，为 了得到满意的输出波形，因此有必要设计合理的输出电路滤波器，滤除高次谐 波从而得到5 0 h z 的正弦波形。这里选用的是逆变器常用的二阶l c 低通滤波器， 参见图2 - 2 。 忽略线路电阻，时，逆变器输入输出电压的传递函数由式( 2 5 ) n - i 得 g 蜘i 1 再。孺c l = s 2 + 2 。 一o ) s + m 2 ( 2 - 1 4 ) rr cc l 其中峨；1 无阻尼自然振荡角频率； vll t 去考一阻尼 典型的二阶振荡环节幅相频率特性为 g ( m 。石寿面2 评瓣1 刊( 砂川( 2 - 1 5 ) 玑 一一 、l 厂 一n ， r 一“ 匿 万 0 一 !p “一卜 武汉理工大学硕士学位论文 爿( ) i 2 亭旦 妒( 埘) ：一n r c t g o 1 一竺 听 ( 2 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 根据式2 - 1 6 得到典型的二阶振荡环节的对数幅频特性为【1 3 l 工( c 0 ) = 2 0 l g a ( c o ) = - 2 0 l g i 筹( 0 2 ： c z 邶， 滤波器的选择标准是保证有合理的噪声抑制能力、输出阻抗和合适的逆变 电流应力。由式( 2 1 4 ) 可以看出，影响滤波效果的主要参数是转折频率峨和阻尼 比耆。选择s p w m 逆变器输出的滤波器转折频率正( 魄幼) 远远低于开关 频率f ，这时对开关频率以及开关频率附近基波的倍次频具有明显的衰减作用。 当谐波频率为转折频率的h 倍时，谐波电压被衰减到原来的1 n 2 。在一定范 围内，选择的较低滤波器转折频率可以减小输出波形的总谐波含量。 本文选择l c 滤波器的转折频率为 一2 5 0 0 h z ，即 1 。赢5 h 无= 1 5 7 0 8 r a d s ( 2 - 1 9 ) 确定了滤波器的转折频率，也就确定了滤波电感和滤波电容值c 的乘积。而l 取值要大小适中，综合考虑，我们选择= l _ 2 m h ，电容c 为 11 乳矗5二157082x 1 2 x 1 0 - 3 司3 8 胪( 2 - 2 0 ) 实际设计中取电容c 为1 0 f 。 2 3 控制器设计 2 3 1 以往的逆变器控制方式 逆变器发展的早期出现了方波逆变器、阶梯波合成逆变器器，前者电路拓 武汉理工大学硕士学位论文 扑简洁，功率器件少，但谐波含量大，因而滤波电路复杂，体积和重量大；后 者相对前者电路拓扑复杂，元器件数目多，而且逆变电路本身没有调压的功能， 其调压是通过调节输入直流电压来实现的，但输出电压谐波含量小，输出滤波 器体积和重量小。接着出现了正弦脉冲宽度调制控制方案( s p w m ) ，使逆变器 的输出性能有了很大的提高。其基本原理是由正弦参考波与调制三角波比较， 产生逆变器的开关控制信号。其输出电压的调节是通过改变调制比c t ( 正弦参 考波峰值与调制三角波峰值的比值) 来实现的。同时s p w m 调制有良好的谐波 抑制能力，因为输出调制波的低谐波群的位置取决于载波比值k ( 调制三角波 频率与正弦参考波频率的比值) ，即k 值越高，最低一个下边谐波带距离基波越 远，在相同幅值下，所需要采用的滤波手段便越简单。因而在s p w m 中可借助 提高k 值来提高输出调制波的低次谐波的次数，从而简化滤波手段和减小滤波 器体积。 早期的s p w m 逆变器的闭环反馈控制是单电压有效值反馈环，这种控制电 路结构相对简单，但也存在以下弱点： ( 1 ) 系统动态响应速度缓慢 由于包含l c 输出滤波器，单环电压反馈系统是一个二阶系统，只有在p i 电压调节器中加入大的补偿电容才能保证系统稳定工作，加上有效值检测电路 的滞后，当直流侧电压或负载突变，系统的动态响应速度很慢，常经历几个输 出周期。 ( 2 ) 负载适应性差 对诸如u p s 一类电源，经常面对一些非线性负载，电流冲击度很高。在脉 冲电流的冲击下，输出电压波形产生畸变，总失真度升高，甚至超越容许值。 逆变器的设计目标是在任何负载条件或动态过程中保持希望的输出电压波 形。随着新型功率开关器件的出现，调制频率不断提高，各种现代反馈控制技 术可用于电压波形的连续控制，而非基于有效值反馈。这为“瞬时”控制器提 供了很多优点，包括更快的瞬态响应速度( 一个周期内) ，更低的总谐波失真度， 输出阻抗减小，提高了抗干扰性等。 2 3 2 电压电流双环逆变器控制 武汉理工大学硕十学位论文 衡量逆变器输出性能的好坏，通常有以下一些指标：电压、频率、总谐波 含量、负载调整率、动态响应等。上述这些指标的好坏是与逆变器的控制息息 相关的。p w m 逆变器的控制己经研究了多年，发展出了许多种不同的控制方法； 从开环控制到闭环控制；从电压单环控制到电感电流模式双环控制；从单纯的 p l 控制到应用现代控制理论的先进控制方