（电力电子与电力传动专业论文）低地板轻轨车辅助逆变器并联研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu r b a nr a i lt r a n s i t ，t h el o wf l o o rl i g h tr a i lv e h i c l e b e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nu r b a np u b l i ct r a n s p o r ts y s t e m a sa ni m p o r t a n t p a r to fl o wf l o o rl i g h tr a i lv e h i c l e ，t h el i a b i l i t yo ft h ea u x i l i a r yc o n v e r t e ri s e s s e n t i a lt o t h eo p e r a t i o no ft h ew h o l ev e h i c l e i no r d e rt oi n c r e a s et h el i a b i l i t yo f v e h i c l ea u x i l i a r y p o w e rs y s t e m ，a na u x i l i a r yc o n v e r t e rp a r a l l e l s c h e m ei sp r o p o s e di nt h ep a p e rt o i n c r e a s et h ew h o l ec a p a c i t ya n ds t a b i l i t yo fl o wf l o o rv e h i c l ep o w e rs y s t e m f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so f v e h i c l ea u x i l i a r yp o w e rs y s t e m ，s e v e r a lp o p u l a r c o n v e r t e rp a r a l l e lc o n t r o ls t r a t e g i e sa r ea n a l y z e d ，a n da d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f e v e r ys t r a t e g yf o rv e h i c l e a r eg e ti nt h ep a p e r t h e na l la d v a n c e ds t r a t e g yf r o m m a s t e r - s l a v es t r a t e g yi sp r o p o s e di nt h ep a p e r t h es t r a t e g yc a r r i e so u te v e r yc o n v e r t e r m o d e lo u t p u tp h a s es y n c h r o n o u sw i t ho n es y n c h r o n o u sp u l s ea n da c h i e v e so u t p u t v o l t a g es t a b l e , o u t p u tc u r r e n te q u a lo fe v e r yc o n v e r t e rm o d e lb yv o l t a g ea n d c i r c u l a t i n g c u r r e n tf e e d b a c k s e c o n d l y , b a s e do nt h ep r o p o s e ds t r a t e g y , o n ec o n v e r t e r i sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gm a i n c i r c u i t c o n t r o lc k c m ta n dc o n t r o ls o f t w a r ei nt h ep a p e r t h e nt h ep a r a l l e lc o n t r o lc i r c m t a n ds o f t w a r ei sd e s i g n e da n dt h ew h o l ep a r a l l e ls y s t e mi sb u i l t w i t ht h em a i nc i r c u i t ，i p mi su s e da sp o w e rd e v i c ei n s t e a do fi g b t , w h i c h i ss m a l l e r a l l de a s i e rt od r i v e t h ei n p u tc a p a c i t o ri ss e l e c t e dt om a i n t a i nt h ei n p u td cv o l t a g e s t a b l e a n dt h ef i l t e rc a p a c i t o ra n di n d u c t o ri su s e dt oe l i m i n a t et h eh a r m o n i c a n do b t a i n g o o dw a v e t h es y s t e mi sc o n t r o l l e dd i g i t a l l y a n dt h em a i nc o n t r o l l e ri st m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p w i t hc p l d d s pg e n e r a t ep w mp u l s ea n dt h ep u l s ei st r a n s m i t t e dt ot h ep o w e rd e v i c e b vc p l da n do t h e rc i r c u i tt oc o v e r tt h ed cv o l t a g e t oa cb ym a k et h ep o w e rd e v i c e t u mo na n do f f b yd e t e c t i n go u t p u tv o l t a g ea n dc u r r e n t ，t h ec o n t r o ls y s t e ma d j u s t st h e a p t i t u d eo ft h ea co u t p u tv o l t a g e ，g e t t i n gt h el o a dv o l t a g es t a b l ea n dm a k i n gs o m e s o l u t i o nt ot h ea b n o r m a ls t a t e ss u c ha so u t p u ti so v e r c u r r e n t c a nb u s i sa p p l i e dt o 仃a n s m i tu s e f u li n f o r m a t i o ns u c h a so u t p u te u r r e u ta n do p e r a t i o ns t a t eb e t w e e n o o n v e f t e r st oc o n t r o lt h ec i r c u l a t i n gc u r r e n ta n do p e r a t i o ns e q u e n c ew h e nt h ec o n v e r t e r s a r ei np a r a l l e l a l li na l l ，h ec o n t r o l l e rc a nm a n a g et h ew h o l es y s t e mr a p i d l ya n d p r e c i s e l y , w h i c hi n c r e a s e st h es t a b i l i t ya n do u t p u tp r e c i s i o no f t h ea u x i l i a r yp o w e r s y s t e m a tl a s t ，t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t sa r ep u tf o r w a r da n dt h ef e a s i b i l i t yo f t h es c h e m ei sp r o v e d ，w h i c hi sar e f e r e n c et ot h el o wf l o o rl i g h tr a i lv e h i c l ea u x i l i a r y c o n v e r t e rp o w e r k e y w o r d s ：a u x i l i a r yc o n v e r t e r ；s p w m ；p a r a l l e l ；s y n c h r o n o u s ；c i r c u l a t i n gc u r r e n t c o n t r o l c i 。a s s n o ：t m 4 6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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。 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 致谢 本论文的工作是在我的导师刘志刚教授的悉心教导和指引下完成的，刘志刚 教授渊博的专业知识，丰富的实践经验，严谨的治学态度，严以律己、宽以待人 的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。刘教授不仅在科研 学习上给予我很多实践机会和宝贵意见，更是在如何做人、做事方面为我树立了 学习的榜样，让我终生受益。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下 完成的，倾注了导师大量的心血。在此， 另外在实验室工作及撰写论文期间， 谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢! 实验室的沈茂盛老师、刁利军、牟富强、 李哲峰、王磊、林文立、武霆、梅樱、王树辉、王少林、陈杰、张曦等师兄、师 弟和同学们都给了我无私的帮助，使我在实验室里感受到了家一样的轻松和温暖。 这些都是我的学业和毕设得以顺利完成的重要因素。在此也向他们表示真心的感 谢。 借此机会，也向本论文中所引用和参考的文献资料的作者和出版者致以崇高 的敬意和感谢。 最后要感谢我的父母和家人，正是他们的支持才使我能够安心完成学业。还 有我的朋友以及电气学院所有帮助过我的老师和同学们，祝好人一生平安。 1 1 选题背景及意义【1 】【2 】【3 】【4 】 1 引言 本论文以“十一五国家科技支撑计划课题“1 0 0 低地板轻轨车研制”为项 目背景，重点研究低地板轻轨车中辅助逆变器的并联控制方法，以提高轻轨车辅 助逆变器的供电可靠性。 针对我国的国情，要缓解城市交通的压力，同时又要保护环境，降低城市大 气和噪音污染，必然要大力的发展城市轨道交通系统，研制低地板轻轨车就成为 必然的需求。低地板车具有安全高效、节能环保等优势，尤其是其无需设置站台， 方便旅客上下车的优点，得到了各大中城市的认可。在国外，低地板车的研制已 经达到了很高的水平，并已投入商业运营。但在我国还是处于刚刚起步的阶段， 经过近几年的研究与实践以及对国外技术的引进和吸收消化，现在已经具备自主 研发的及技术推广应用的条件。在我国现阶段各城市地铁轻轨进入了大规模发展 时期，自我发展与引进、消化和吸收国外先进技术齐头并进的同时，大力发展拥 有自主知识产权的1 0 0 低地板车是我国城市轨道交通发展的必由之路。 作为轻轨车辅助供电系统的一部分，辅助交流电源主要提供稳定的单相2 2 0 v 三相3 8 0 v ，5 0 t l z 交流电供空调机组、通风装置、空压机、电加热器、客室照明等 交流辅助负载使用。早期的车辆辅助电源采用的旋转辅助发电机组供电方式，存 在体积大、噪声大、效率低及维护工作量大等诸多缺点。随着电力电子技术和计 算机控制技术的发展，出现了静止逆变器。它可以提供幅值及频率稳定的交流输 出电压，且具有损耗小、噪音低、体积小、集成方便、易于维护等优点，因而可 以提升车辆的整体性能。因此，静止逆变器成为现代轻轨车辆辅助交流电源的必 然选择。 目前，国内多家科研单位已进行了车辆辅助逆变电源的研究，如铁道科学研 究院、株洲电力机车研究所。但这些辅助逆变电源均为单机运行，逆变器容量较 大，可靠性不高。因此，为了提高轻轨车辅助供电系统的供电可靠性，为辅助供 电提供冗余，可将多台辅助逆变器并联运行。当一台逆变器出现故障时，其他逆 变器仍可以正常运行，继续为辅助交流负载供电，使其仍可以正常工作，增加了 系统的可靠性。同时，多台逆变器并联运行，减小了单台逆变器的输出容量要求， 进而减轻了逆变器功率器件的应力。 1 2 辅助逆变器并联系统的基本技术要求 随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，采用静止逆变器的现代辅助逆 变器有如下发展趋势畸儿町7 1 引： ( 1 ) 高频化。早期的辅助逆变器采用的功率器件有晶闸管、功率晶体管和g t o 等，这些功率器件开关频率较低。随着i g b t 的出现，器件的开关频率大大提高， 可达2 0 k ，这大大减小的滤波装置的体积，减小了散热难度。同时，i g b t 的驱动电 路简单，自我保护能力强，控制方便，这些特点都大大增加了辅助逆变器的可靠 性。 ( 2 ) 模块化。辅助逆变器的模块化设计可以提高整个系统的集成度，减少成本， 且易于维护，维修方便。同时，模块化设计可以使辅助逆变器适应不同车辆的要 求，提高了通用性。 ( 3 ) 数字化。随着计算机技术的发展，辅助逆变器采用数字控制，应用d s p 、 单片机等微型计算机作为控制器，提高了响应速度和处理精度。例如，t i 公司的 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 系统时钟频率可达1 5 0 m h z ，这使得控制器具有很强的实时控 制能力，从而提高了控制精度。控制器的数字化使得辅助逆变器的输出电压在幅 值和频率的精度上可满足更高的要求，从而使各种车辆负载在车辆中得到可靠应 用，也使得系统在突发故障时保护措施更可靠，提高了系统的稳定性。 正是由于以上发展，辅助逆变器的设计要求也逐渐提高，单台辅助逆变器需 要满足以下条件n 儿3 儿引： ( 1 ) 在宽输入直流电压的变化范围内，可稳定输出三相四线制的交流电压，输 出电压和频率满足规定的精度要求，并可输出额定容量，输出电压与频率应能满 足额定负载容量的正常工作能力。 ( 2 ) 在整个输入电压范围内，输出电压都应为正弦波形或准正弦波形，且输出 电压的总谐波含量都要求小于规定值。 ( 3 ) 具有负载突变能力承受能力，允许空调压缩机、通风机、空压机等负载直 接启动和切除。并且其输出电压的瞬时变化不超过规定值，在规定的时间内可恢 复稳定，以满足空调机、通风机、空压机等辅助负载频繁投切的要求。 ( 4 ) 噪声低，以保证乘客乘车的舒适性。 当单台逆变器设计满足要求，为了使供电系统有一定的冗余度，需要将多台 辅助逆变器并联运行。逆变器并联最基本的要求是每台逆变器输出电压的幅值、 频率、相位、相序、波形一致，以满足稳态下各逆变器输出均流。阳1 除此之外，辅 助逆变器的并联系统还应满足如下要求n 1 ： ( 1 ) 单台辅助逆变器正常启动后可自动并入并联系统；且在运行过程中当单台 2 逆变器出现故障时，可自动从并联系统中切除，其他逆变器继续正常工作，为辅 助负载供电。 ( 2 ) 因空调机、通风机、空压机等辅助负载投切非常频繁，应保证辅助负载投 切时逆变器输出均流。 ( 3 ) 并联系统出现输出过流、过压等异常状态时可以迅速采取保护措施，且尽 量保证正常供电，以保持整个系统的稳定性。 在保证了单台逆变器输出及并联性能均满足要求后，低地板车辅助逆变器并 联系统才能为辅助负载提供可靠的供电。 1 3 本论文的主要研究工作 根据低地板车辅助逆变器并联系统的发展背景及设计要求，本文研究了逆变 器并联的控制策略，设计了一套辅助逆变器并联系统。本文主要包括以下几部分： 1 引言，主要介绍了本论文的研究背景以及研究意义。 2 现有逆变器并联控制策略分析，通过比较现有并联控制策略，分析这些控 制策略对于车辆辅助供电系统的适用性。 3 辅助逆变器并联控制策略，根据对现有控制策略的分析，确定辅助逆变器 采用的并联控制策略。 4 单台辅助逆变器设计，主要包括主电路，控制电路以及软件设计，得到单 台可稳定输出的辅助逆变器。 5 辅助逆变器并联系统的实现，根据单台逆变器的设计以及并联控制策略， 组建逆变器并联系统，得到多台并联运行的辅助逆变器系统。 6 仿真及实验结果，利用s i m m u l i n k 对单台逆变器及逆变器并联系统进行仿 真，并搭建系统进行实际实验，验证本论文提出的并联控制策略的正确性。 3 2 现有逆变器并联控制策略分析 逆变器并联的关键在于负载功率的分配。若负载功率不均分，将会导致部分 工作模块过载，甚至损坏功率器件，造成系统的不稳定。在实际系统中，逆变器 多为电压型，而且电流量易于检测，因此并联方案多为基于电流均分控制，即有 效抑制逆变器之间的环流。早期的逆变器并联采用在输出端串联电感的方法来抑 制环流，要想达到较好的环流抑制效果，需要使用较大的电感，从而导致逆变器 的体积重量增加，同时输出串联电感上的存在较大的电压降，降低了逆变器的输 出精度。n 町对于车辆辅助逆变器并联系统，各逆变器模块之间距离较远，也没有 足够的空间放置环流抑制电感，因此这种环流抑制方法在辅助逆变器并联系统中 也不可取。目前逆变器的并联控制方式主要有：集中控制方式、分布逻辑控制方式、 主从控制方式以及无互连线控制方式。1 2 1 集中控制方式【9 】【1 0 】【1 1 】 集中控制方式是较早应用的并联控制方式，其基本控制框图如图2 1 所示。 该控制方式设置了专门的公共模块，进行同步及均流控制。该模块发出同步信号， 其他模块通过检测该同步信号，控制输出电压的频率、相位，实现模块间输出电 压的同步。同时，通过公共模块检测总的输出电流及并联模块数，确定各模块的 输出电流基准，各逆变器控制器根据该电流基准值与检测到的实际输出电流值进 行比较，通过动态调节逆变器输出电压幅值消除电流基准值与实际值之间的偏差， 以达到各逆变器输出均流的目的。 若应用于辅助逆变器并联控制系统，集中控制方式有如下优点： ( 1 ) 结构简单。各逆变模块只与公共模块之间有连线，逆变模块之间没有连线。 在原有系统的基础上很容易扩充新的逆变模块。 ( 2 ) 控制简单。公共模块只需要向各逆变模块发送相同的同步信号以及电流基 准即可由各逆变器的控制器实现负载电流的均分。 ( 3 ) 均流效果较好。因集中控制方式的结构和控制方法都很简单，该方式均流 效果较好。 同时，该控制方式也有如下缺点： ( 1 ) 可靠性不高。由于车辆上电磁干扰较大，公共模块较容易受到干扰。一旦 公共模块出现故障，整个并联系统都不能正常运行。 ( 2 ) 安装不方便。由于车辆结构的特殊要求，很难确定公共模块的位置。 4 ( 3 ) 各辅助负载分散地接在并联母线上，很难检测到总的负载电流。因此，公 共模块不易得到基准电流值。 ( 4 ) 各逆变器控制器需要锁相环电路( p l l ) 实现与同步信号的同步，但p l l 动 态性能较差，这影响了相位同步的精度。 图2 - 1 集中控制方式示意图 f i b r e2 - 1d i a g r a mo f c e n t r a l i z e ：tc o n t r o ls c h e m e 2 2 分散控制方式【9 】【1 0 】 与集中控制方式不同，分散控制方式不需要公共模块，各逆变模块之间地位 是平等的。各并联模块通过模块间的互连线交换各种有用信息，包括并联模块的 输出电压、电流值，有功、无功分量，相位、频率同步信号等。通过接收其他逆 变器模块的有用信息，各模块调整各自输出电压的幅值及相位，实现输出均流。 典型的分散控制方式的示意图如图2 2 所示。在图2 - 2 中，各逆变器模块向 其他逆变器模块发送电压基准信号。通过接收这些基准信号，并进行一定规则的 5 运算，各控制器产生公共的相位同步信号和幅值基准值，控制各自的逆变器输出。 同时，各逆变器模块检测各自的输出电流，并通过互连线发送给其他模块。通过 比较这些输出电流量，各逆变器的控制器产生一个平均电流基准值，根据此基准 值，控制器调整输出电流值，达到均流的目的。 应用于辅助逆变器并联控制系统，分散控制方式有如下优点： ( 1 ) 可靠性较高。因为并联系统中各逆变模块的地位均等，真正实现了冗余并 联，并联系统不会因为任何逆变模块的故障而停机。 ( 2 ) 安装较方便。因为没有公共模块，很容易在车厢内确定各逆变模块的位置， 同时，各模块之间可以方便地调整位置。 ( 3 ) 彻底实现了模块化。并联系统中各模块的主电路、控制电路、软件的设计 都完全相同，模块之间可相互替代。 输出 电流 n 图2 2 分散控制方式不意图 f i g u r e2 - 2d i a g r a mo fd e c e n t r a l i z e dc o n t r o ls c h e m e 但同时，分散控制方式也有以下缺点： ( 1 ) 各逆变模块之间互连线太多。因每个逆变模块都要与其他的任一模块之间 交换相关信息，模块越多，逆变模块之间互连线越多，连线越容易受到电磁干扰。 若采用光纤传输可提高抗干扰能力，但增加了系统的整体成本。 ( 2 ) 系统难于扩展。同样因为模块间需要交换信息，在系统中每扩充一个新的 6 模块都要与其他模块互连，降低了系统的灵活性。 ( 3 ) 控制器运算复杂。因每个逆变模块的控制器都要对所有模块发送来的信息 进行处理，每个模块控制器都要进行大量的数据处理，模块越多，处理越复杂。 这对控制器的处理速度提出了更高的要求。同时，数据处理量的增加对控制的实 时性有一定的影响。 2 3 主从控制方式【9 】【1 2 】【1 3 】【1 4 】 与集中控制方式类似，主从控制方式也需要一个主控制单元提供基准信号。 不同的是主从控制方式不需要专门的公共模块，而以主模块代替，主模块为其他 从模块提供基准的同时，本身也输出电压。主从控制方式的示意图如图2 - 3 。 图2 - 3 主从控制方式示意图 f i g u r e2 - 3d i a g r a mo fh o s t - s l a v ec o n t r o ls c h e m e 由图2 - 3 ，主控制器向从控制器提供电压基准，包括幅值信号和相位同步信号。 同时，主控制器检测主逆变器的输出电流值并接收从控制器发送的输出电流值， 通过计算平均值可获得电流基准值。主控制器将电流基准值发送给从控制器，从 7 控制器根据该值在电压幅值基础上动态调节从逆变器输出电压幅值，进而调节从 逆变器输出电流，实现均流。 有的主从控制方式将主模块设计为电压型逆变器，将从模块设计为电流型逆 变器，这样虽然从模块可以很好地控制输出电流，实现静态均流，但从模块的输 出电压不易控制，而辅助逆变器首先要求的是输出电压满足要求。且这样设计使 主模块和从模块主电路结构就有很大区别，与并联系统一化的设计要求矛盾。因 此，对于辅助逆变器并联系统，只考虑主从模块均为电压型逆变器的主从控制方 式。 应用于辅助逆变器并联控制系统，主从控制方式有如下优点： ( 1 ) 控制简单。主模块向从模块提供电压、电流基准，从模块跟随主模块提供 的基准。 ( 2 ) 易于扩展。与分散控制方式相比，主从控制方式模块之间互连线较少。从 模块之间没有互连线，从模块只和主模块有联系。若在并联系统中扩展新的模块， 只需要将新模块和主模块之间建立连接即可。 ( 3 ) 主模块与从模块主电路设计相同。主从模块易于互相替代，基本实现了模 块化设计。 同时，主从控制方式应用于辅助逆变器并联系统中有如下不足： ( 1 ) 并联系统过分依赖主模块。主模块在整个系统中起到了绝对主导作用，若 主控制器出现故障，整个系统将无法正常运行，降低了系统运行的可靠性。当然， 在主控制器出现故障后选取一个备用模块作为主模块，继续向其他模块提供基准 电压、电流，可解决这一问题，提高系统可靠性。 ( 2 ) 主模块和其他模块之间互连线较多，容易受到干扰。 2 4 无互连线控制方式眦1 5 】【1 6 】 以上三种控制方式模块之间均存在互连线。车上模块之间距离较长，电磁干 扰也较大，因此互连线容易受到干扰。为减少并联模块间的互连线，近年来出现 了无互连线控制方式。这种控制方式借鉴同步发电机的自同步特性和电压下垂特 性，对逆变器输出电压的幅值和频率采用下垂特性控制。该控制方式认为逆变器 输出的有功功率取决于输出电压的频率，输出的无功功率取决于输出电压的幅值。 并联系统中第f 台逆变器输出的有功功率只、无功功率q 的表达式分别如式( 2 一1 ) 、 ( 2 - 2 ) 所示。 只= v y os i n e x ( 2 一1 ) q = ( v y oc o s q 一嘭) x ( 2 - 2 ) 其中，k 一第f 台逆变器输出电压 圪一并联系统整体输出电压 x 一线路阻抗 q k 与圪间的相位差 当岛很小时，s i n 0 够，且取k = k v o ，则只、q 的表达式可修改如式( 2 3 ) 、 ( 2 - 4 ) 所示。 只= k 呼q x ( 2 - 3 ) q = ( k - 1 ) v 2 x ( 2 - 4 ) 由式( 2 3 ) ，调节谚可起到调节只的目的，同时通过调节逆变器的输出频率可 以调节相位舅，进而调节逆变器的有功输出曰；同时，调节逆变器的输出电压幅 值k 可以调节k ，进而调节逆变器的无功输出q 。因此，该控制方式只需要控制 自身的输出电压幅值、频率，不需要与其他逆变模块通讯。设计逆变器输出的外 特性下垂方程如式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 所示。 f = z 一，舻 ( 2 5 ) 甜= u o n q ( 2 6 ) 其中，f o 、u o 分别为空载输出电压频率和幅值，m 、1 1 分别为频率和幅值的下垂 系数。 由此，可实现各逆变模块输出有功、无功功率的均分，从而实现均流。 图2 4 无互连线控制方式示意图 f i g u r e2 - 4d i a g r a mo f w i r e l e s sc o n t r o ls c h e m e 无互连线控制方式的示意图如图2 - 4 。 9 应用于辅助逆变器并联系统，无互连线控制方式有如下优点： ( 1 ) 结构简单。因逆变模块之间无互连线，无互连线控制方式模块的硬件结构 非常简单。同时，并联系统也易于扩展。 ( 2 ) 抗干扰能力强。同样因为模块之间没有互连线，电磁干扰对信号传输影响 变小。这增加了并联系统的稳定性。 ( 3 ) 完全实现了模块化设计，并联系统中各模块软件、硬件设计完全相同。 同时，这种控制方式也有如下缺点： ( 1 ) 由于存在输出电压幅值、频率的下垂特性，随着负载的加重，输出电压的 幅值与频率都会低于空载值。下垂系数越大，各模块分担负载的效果越好， 但输出电压幅值和频率的精度也相应越低。辅助逆变器并联系统应选择合适的下 垂系数，使系统在空载和满载时的输出均能满足要求。 ( 2 ) 该控制方式对于线性负载效果较好。但对于非线性负载，由于波形畸变， 存在失真功率，仅靠厂一p 、“一q 两重控制无法实现功率均分。 ( 3 ) 厂一p 、”一q 之间的关系并不是完全解耦的，理论研究表明频率对无功 的输出也有影响，幅值对有功的输出也有影响，这就降低了控制的精确度。若在 有功、无功控制的基础上加上互连线在逆变模块之间进行信息交换可提高控制精 度，但又会带来互连线控制方式的相应弊端：易受干扰、不易扩展等。 ( 4 ) 通过检测逆变器输出电压、电流计算其输出有功、无功功率，算法复杂， 对控制器的运算速度要求高。 2 5 小结 本章主要分析了现有的几种并联控制策略的特点，比较了这些控制策略应用 于车辆辅助供电系统的可行性。由以上分析可得出，现有的逆变器并联控制方式 均有利有弊，不能直接用于车辆辅助供电系统。因此，需要对各种控制方式综合 考虑，加以改进，才能使车辆辅助逆变器并联控制系统稳定运行。 1 0 3 辅助逆变器并联控制策略 由于基本的辅助逆变器并联系统为两台辅助逆变器并联运行，利用主从控制 方式基本可以满足要求。但为了提高系统可靠性以及可扩展性，保证两台以上辅 助逆变器并联时系统不过分依赖某一台逆变器，可采用改进主从控制方式，设定 了备用主逆变器，备用主逆变器在主逆变器异常时承担主逆变器的工作。 辅助逆变器并联系统运行的最终要求是输出的并联三相电压幅值频率均满足 供电要求，且各逆变模块输出功率均分。基于这两点要求，应对各逆变模块输出 电压的相位，相序，频率，幅值，波形进行控制，使它们完全相同。相序的控制 只需要校对输出连接即可。对于辅助逆变器，频率输出要求仅为5 0 h z ，不需要变 频，采用数字控制可满足要求。同样，逆变模块采用完全相同的滤波元件，可满 足波形要求。频率和波形的控制策略将在第四章详细论述。因此，并联控制中， 重点是对输出电压相位和幅值的控制。 3 1 基本电路分析【9 】【1 0 】 下面以两台逆变器并联模型为例分析逆变器并联系统。图3 - 1 为两台逆变器 并联系统等效电路。其中以、吹分别为两逆变器等效输出电压，五、厶分别为两 逆变器输出电流，z l 、z 2 为等效线路阻抗，乙为负载等效阻抗，眈为负载端电 压，乞为负载电流，厶为系统环流。 z iz 2 图3 - 1 两台逆变器并联系统等效电路 f i g u r e3 - 1e q u i v a l e n tc i r c u i to f t w o - - c o n v e r t e rp a r a l l e ls y s t e m 由图3 1 ，可得负载端电压眈的表达式如式( 3 - 1 ) 所示。且定义系统环流厶如 式3 - 2 所示。 以一z 1 五= 晚一z 2 之= ( 五+ 之) 乙= 以 ( 3 1 ) 厶= ( 一1 2 ) 1 2 ( 3 - 2 ) 由式( 3 一1 ) ，( 3 2 ) ，可得不厶、厶、o o 的表达式分别如式( 3 3 ) ，( 3 4 ) ， ( 3 - 5 ) ，( 3 6 ) 所示。 z ：! 坠二丝! 互圣堡 1 z l z 2 + z l z 工+ z 2 乙 丘：! 丝二堡! 互圣堡 i z i z 2 + z l z l + z 暑l j 沪塾型型型盥 爿 2 ( z i z 2 + z l 乙+ z 2 乙) 玩2 老磋缓 对于线路阻抗z l 、z 2 ，可假定z l = z 2 = z 乞。则可得到式( 3 7 ) ， 吃半 ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 - 8 ) 。 ( 3 - 7 ) 厶警( 3 - 8 ) 由式( 3 - 7 ) 、( 3 - 8 ) 可知，控制逆变器输出电压的幅值与相位完全相同，即可 使负载端电压近似等于逆变器输出电压，并使环流近似为零。 3 2 系统整体描述 由以上分析，可采用改进的主从控制对辅助逆变器进行并联控制，得到辅助 逆变器并联系统的整体结构图如图3 2 。图3 2 主控制器发出同步脉冲以实现相位 同步。各逆变器控制器首先使自己的输出电压幅值稳定，并根据主逆变器传送的 平均电流值计算环流，根据环流动态调整输出电压，以消除环流。 为克服典型的主从控制方式过于依赖主控制器的缺点，指定一从控制器作为 备用主控制器。当主控制器出现故障时，备用主控制器继续发挥主控制器的作用， 使并联系统继续运行。 当然，当两辅助逆变器并联时，一旦主控制器出现故障，主逆变器停止运行。 并联系统只有一台从逆变器运行，就不存在同步的问题，不需要指定从控制器。 这时，为了使两台逆变器的控制方法、硬件设计完全相同，实现模块化，可以采 用“竞争主从法一。 辅助逆变器并联的具体控制策略见本章的后续部分。 1 2 同步信号 交流输出母线 图3 2 辅助逆变器并联系统结构图 f i g u r e3 - 2b l o c kd i a g r a mo f a u x i l i a r yc o n v e r t e rp a r a l l e ls y s t e m 3 3 相位同步方式 3 3 1 同步脉冲产生方式 当只有两台辅助逆变器并联，可采用最基本主从控制方式产生同步脉冲。定 义两台逆变器为a ，b 。a 和b 均设有同步脉冲输出端口和同步脉冲输入端口，分 别与对方相连。当逆变器a 启动至输出额定电压后，首先检测脉冲输入端口，判 断逆变器b 是否已经发出同步脉冲。若a 未检测到同步脉冲输入，则a 向b 发出 同步脉冲，a 和b 均以a 发出的同步脉冲为基准实现同步，此时a 为主机，b 为从 机。若a 启动完成后检测到b 发出的同步脉冲，则a 、b 均以b 发出的同步脉冲为 基准实现同步，此时b 为主机，a 为从机。同理，对于逆变器b ，也是在启动完成 后首先检测脉冲输入端口以确定主机及从机。这样，首先启动的逆变器即为主机。 为防止两逆变器同时启动造成的矛盾，可人为首先启动一台逆变器。该过程的示 1 3 意图如图3 - 3 。 当辅助逆变器并联台数较多时，仅仅定义一台主逆变器可靠性不高。因此系 统定义了备用主逆变器。主逆变器的并联接触器初始时是闭合的，主逆变器可带 负载启动。主逆变器启动结束后，自发自收同步脉冲，待主逆变器完成与自身同 步脉冲的同步，即向从逆变器发出同步脉冲。从逆变器在启动完成后根据同步脉 冲调整自身输出电压相位，待实现同步后，即可闭合并联接触器，实现并联。主 逆变器正常工作时，备用主逆变器根据主逆变器发出的同步脉冲进行同步，同时 检测主逆变器是否j 下常工作。一旦检测到主逆变器无法正常工作，备用主逆变器 就会发出同步脉冲，其他逆变器以该同步脉冲为基准进行同步，继续并联运行。 b 先起动时此传输 l 脉冲 一 通，否则不通脉冲i j 输入 输出i aa 先起动时此传输 b i 脉冲 通，否则不通 。脉冲l i 输出 输厶l 图3 3 “竞争主从法”同步脉冲产生示意图 f i g u r e3 3p u s eg e n e r a t i o nd i a g r a mo f “c o m p e l e t i o nh o s t - s l a v ep a r a l l e ls h e m e 3 3 2 同步脉冲处理方式 在本并联系统中，无论同步信号以何种方式发出，各逆变器的控制器对同步 信号的处理方式都是相同的。同步信号每个调制周期( 2 0 m s ) 向控制器发出一次， 当控制器检测到同步信号时，对逆变器输出相角进行调节。 在开始同步时，控制器每接收到一个同步信号即减小一定的输出相角，直到 控制器在接收到同步信号时输出相角为零，即实现了同步。之所以控制器不在第 一次接收到同步信号即将输出相角清零，是为了防止相角改变过大导致输出电压 冲击过大。 同步结束后，控制器在每个调制周期检测到同步信号后，可直接将输出相角 清零。但为防止同步信号干扰引起误清零，必须软件判定同步信号真伪。因为同 步后每次检测到同步信号时输出相角必然接近0 度或3 6 0 度( 考虑到输出相位可 能滞后于同步信号) ，所以若检测到同步信号时输出相角与0 度或3 6 0 度相差很远 时，则认为该同步信号为干扰信号，不作处理，继续等待下一个同步信号的到来。 以上处理操作具体的软件设计见第五章。 1 4 3 4 幅值调节方式【1 8 】 辅助逆变器输出电压固定，始终为3 8 0 v ，因此每台辅助逆变器只要将输出线 电压控制在3 8 0 v 即可，不需要外部幅值给定。 常见的单台逆变器控制方法有电压瞬时值控制、电流滞环控制、电流预测控 制、s p w m 电流控制等。因为只需要对逆变器输出电压的幅值进行控制，且辅助逆 变器采用s p w m 控制，只需要对s p w m 中的调制度m 进行调节即可。利用反馈值与 给定值比较，动态调节m 值，可实现交流输出幅值稳定。 为使控制简单可行，有多种参考控制方法。 。 方法l 为电压有效值反馈控制方法。通过检测逆变器输出线电压瞬时值，计 算输出线电压有效值。给定值与电压反馈值进行比较，从而对调制度m 进行p i 调 节，从而调节输出电压。此方法的控制框图如图3 - 4 所示。 图3 4 电压有效值反馈控制框图 f i g u r e3 - 4v o l t a g er m sf e e d b a c ks c h e m ec o n t r o lb l o c kd i a g r a m 方法2 相当于对逆变器输出进行开环控制，但加入了电压补偿。具体方法为： 逆变器检测输出相电流瞬时值，通过计算得到输出电流有效值，估算出滤波电抗 上的压降，进而对输出电压进行补偿，此种控制方法的控制框图如图3 - 5 所示。 图3 - 5 电压补偿法控制框图 f i g u r e3 - 5v o l t a g ec o m p e n s a t i o ns c h e m ec o n t r o lb l o c kd i a g r a m 1 5 方法2 虽然估计了由滤波电抗引起的压降，但没有考虑逆变器直流输入电压 引起的电压波动。为此，可应用方法3 ，即同时检测逆变器直流输入电压和输出电 流有效值，根据检测值和p w m 算法的调制度估算出交流输出电压的有效值，根据 该值对输出电压进行调节，达到稳压的目的。估算得到的交流输出线电压有效值眈 和交流输出相电流l 有效值、电抗等效电阻局、直流输入电压、调制度m 的关 系关系如式( 3 9 ) 。 v o 等一帆蜀( 3 - 9 ) z v 二 方法3 的控制框图如图3 - 6 所示。 因为输出电流值较电压值易于测量，直流有效值比交流有效值易于测量，所 以这种方法比方法1 更容易实现。虽然方法1 为开环控制，但车辆辅助逆变电源 硬件系统较固定，一些国外公司如西门子已经在车辆辅助逆变系统中应用此方法， 验证了其实用性。 图3 - 6 测量直流电压的电压估计法控制框图 f i g u r e3 - 6c o n t r o lb l o c kd i a g r a mo f v o l t a g ee m u l a t i o ns c h e m eb yd cv o l t a g em e a s u r e m e n t 以上分析中，g ( s ) 为逆变器的开环等效传递函数，g ( s ) 的具体表达式将在第 四章给出。 3 5 环流控制方式【9 】 受负载及线路条件的影响，即使稳态条件下逆变器输出电压幅值、相位完全 相同，暂态时仍有可能输出电流不平衡；且受反馈信号采样精度的影响，并联逆 变器间的输出电压幅值可能有偏差，这也可引起环流。因此，有必要引入环流反 馈以抑制环流。 1 6 利用环流反馈抑制环流的具体方法为：实现并联后，逆变器分别检测各自的 输出电流值，并通过c a n 总线将电流值传给主逆变器。主逆变器计算平均电流， 并利用将c a n 总线将该值传给各逆变器。逆变器根据平均电流调节输出电压。当 输出电流大于平均电流，则减小输出电压；反之，则增大输出电压。 ， 3 6 并联系统分析 以两台逆变器并联系统为例，得到加入环流反馈控制和交流输出电压反馈的 逆变器并联系统控制框图如图3 7 所示。 图3 7 两辅助逆变器并联系统控制框图 f i g u r e3 7c o n t r o lb l o c kd i a g r a mo ft w o - a u x i l i a r yc o n v e r t e rp a r a l l e ls y s t e m 对图3 7 ，由式( 3 7 ) ，( 3 8 ) ，得到g 3 ( s ) = 0 5 ，g 4 ( s ) = 一1 ( 2 z ) ，z 为单台 逆变器的线路等效阻抗。 当没有环流反馈，即蜀。= k ，：= 0 ，可得乩。、眈：的表达式如式( 3 1 0 ) 所示。 由式( 3 7 ) ，( 3 8 ) ，且，= ：= ，可得、如的表达式如式( 3 一1 1 ) 。 加入环流反馈之后，即蜀。= 巧：0 ，输出电压以。、u o ：、v o 及环流巧之间 的关系如式( 3 1 2 ) 所示。由式( 3 - 1 2 ) ，可得、的最终表达式如式( 3 - 1 3 ) 所示。 比较式( 3 一1 1 ) 及式( 3 1 3 ) 可看出，加入了环流反馈之后，环流大大降低，可 1 7 以忽略，且对输出电压影响很小，可满足辅助逆变电源5 的幅值波动范围。因 此，理论上该系统可满足电压输出要求，且可以有效抑制环流。 式( 3 1 0 ) ，( 3 1 1 ) ，( 3 1 1 ) ，( 3 一1 2 ) ，(