（电力电子与电力传动专业论文）3kva单相应急电源系统的设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i sg i v e sr e s e a r c ho nan o v e is i n g l e p h a s ee m e r g e n c yp o w e r s u p p i y ( e p s ) i no r d e rt oo v e r c o m et h ei i m i t a t i o n so ft h et r a d j t i o n a ie m e r g e n c y p o w e rs u p pj 矿t h i se p ss y s t e ma d o p t sab i d i r e c t i o n a ip w mc o n v e r t e lw h i c h c a nc h a r g et h ev r l ab a t t e r i e sr e a s o n a b i yw h e nt h em a i ni sn o r m a l ，ft h e m a i np o w e rs u p p i yi n t e m j p t s ，t h e s y s t e mw w o r k 几a nj n v e r t e rs t a t e a u t o m a t i c a i ya n ds u p p i yt h ei o a dw i t ha ne m e r g e n c yp o w e lb yu s i n gt h ed s p d i g t a i c o n t r o lt e c h n i q u e ，t h i se p ss y s t e mr e a l i z e dt h e r e q u i r e m e n t so f i n t e i g e n ta n di o wc o s t t h i sp a p e rp u te m p h a s i so nt h ec o n t r o is t r a t e g yo ft h i sn o v e is i n g j e p h a s e e m e r g e n c yp o w e rs u p p mt h ec h a r g i n g ，d i s c h a r g i n gm a n a g e m e n to ft h ev r l a b a t t e r y ，a n dt h ed e s i g np r o c e s so ft h i ss y s t e m t h ef e a s b j | i t ya n dr e i i a b i t yo f t h i ss y s t e mh a v eb e e n 、，e r i 打e db ys j m u i a t i o na n de x p e r i m e n t a ir e s u l t s ， c h a p t e ro n ei n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fe p ss y s t e m s ，a n da i s oi t c o m p a r e se m e r 9 e n c yp o w e rs u p p i yw i t hu n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p i y ( u p s ) t h e ns o m ed i f f e r e n tc o n t r o is t r a t e g i e sf o ri n v e r t e r sa r ea i s oj n t r o d u c 削 c h a p t e rt w o 秆r s t i yi n t r o d u c e sas m a s i g n a lm o d e l0 ft h ef u b r i d g e t o p o i o g vs e c o n d i y ，t h ec h a r a c t e r so ft h ei n s t a n t a n e o u sc u r r e n tm o d e jc o n t r o l s t r a t e g yw i t ho u t p u tf i i t e rc u r n e n tf 色e d b a c ka 怆i n t r o d u c e di nt h i sc h a p t e la n d t h e n ，t h ep a r a m e t e r so ft h ec o n t r o ii o o pa r ed e s i g n e d c h a p t e rt h r e ed e s c r l b e st h ec h a r g i n g ，d i s c h a r g i n gc h a 怕c t e r so fv r l a b a t 【e r ya n dm a l nc h a r g i n gm e t h o dn o w a d a y s c h a p l e rf o u ri n t r o d u c e so p e r a t i o npr i n c i p i e sa n dt h ed e s i g nn o w c h a r to f t | 1 en e w s i n g l e p h a s ec o n v e r t e lt h em a j o rp a r a m e t e r sa n dd e s i g np r o c e d u r e s f o rt h ee p s s y s t e ma r ep r e s e n t e d c h a p t e rf ；v es h o w s 竹i es a b e rs i m uj a t i o nr e s u f t s a n dt h ee x d e r i m e n t a l r e s u | t sf r o ml a bm a d ep r o t o t y p ei sp r e s e n t e da n d c o m p a r e d c h a p t e rs i g i v e st h ec o n c i u s i o na n df u t u r er e s e a r c hw o r k k e y w o r d s ： s j n g i e p h a s ee m e r g e n c yp o w e rs u p p i ys y s t e m ，i n v e r t e ld u a l i o o pc o n t r o j v r l a b a t t e r y ，b i d i r e d i o n a id c ，d cc o n v e r t e r 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本章主要先介绍了应急电源( e p s ) 系统的应用背景，与柴油发电机组和u p s 的区别，目前e p s 系统的分类和未来发展的趋势。 1 1e p s 系统发展现状 1 1 1 应急供电系统的实际应用背景“川 2 0 0 3 年8 月1 4 日下午美国东北部、中西部和加拿大南部发生大面积停电，这 次持续2 9 个小时的大面积停电，不仅给5 0 0 0 万美国人和加拿大人的生活带来极大 不便，而且造成3 0 0 亿美元以上的直接和间接经济损失。 我国也面临着电力供不应求的尖锐矛盾与事故频频发生的严峻形势。2 0 0 3 2 0 0 4 年，我国华东地区出现大面积的电慌，很多城市出现拉闸限电的情况，严重 影响了百姓的正常生活和企业的正常生产。 无论供电部门管理得再严格，电网设施再先进，断电也在所难免。为了减少 意外断电带来不便与损失，我们还必须增设应急电源。常用的应急电源有以下几 种： i ) 独立于正常电源的发电机组： 2 ) 供电网络中有效地独立于正常电源的专门馈电线路； 3 ) 蓄电池； 目前，应急电源应是与电网在电气上独立的各种电源，即柴油发电机和蓄电 池。其中蓄电池有允许短时电源中断的应急电源装置( e p s ：e m e r g e n c yp o w e r s u p p l y ) 和不间断电源装置( u p s ：u n i n t e r r u p t a b l ep o w e rs u p p l y ) 两种。 1 1 2e p s 与柴油发电机的比较 用柴油发电机组作为应急电源是目前大部分工程所采用的，也是最常见的应 急备用电源。由于柴油发电机的容量较大，可并机运行且连续供电时间长，在燃 料保证供给的前提下，理论上可以长期供应电能，所以已经有较长的应用历史。 【铂 然而，柴油发电机还有许多固有的缺点，主要有：在高层建筑中，柴油发 电机组一般放在地下室，设计难度大，造价高，配备进风、冷却、排烟、减震、 消音等设施都需要充分考虑；存在火灾隐患。其油罐像一个极为危险的“炸弹”， 万一失火，后果不堪设想；日常维护比较频繁，工作量大；柴油发电机噪音 大，产生公害；排烟中有大量的二氧化硫，污染严重，影响环保。无论发电 机的起动速度有多快，从停电后使发电机接到起动信号开始，至发电机电压、频 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 率等达到稳定可以供电时为止，至少需要数十秒至数分钟，这段时间，所有用电 设备均停止工作，就可能造成少数设备的损坏或出现生命财产的安全问题。 相比之下，e p s 在上述方面有其独特的优势，主要有：e p s 采用电力电子 中的逆变技术，具有功率密度高，设计相对简单，无需排烟、消音等特殊措施； 储能部件为铅酸蓄电池，安全可靠，火灾隐患小； 实现智能化，无需或需要 很少的日常维护，维护方法简单；几乎无噪音； 不会对大气造成污染： 启 动速度快，一般只要2 5 m s 的反应时间。 从经济的角度考虑，以负载容量为2 0 0 k w 为例，将e p s 与柴油发电机组的性价 比作一个比较。1 。选用e p s 时，其额定功率与负载功率比为1 ：1 即可，其总价约为 6 0 万元左右。而选用柴油发电机时，其额定功率与负载功率比应为1 3 1 _ 5 ：1 ， 对2 0 0 k w 的负载，柴油发电机组需2 5 0 k v a 规格，该机组价格为4 0 万元左右，但是 除机组本身价格之外，还需外加其他辅助装置费用约1 6 2 9 万元，现以2 0 万元计 算，即选用柴油发电机组总价为6 0 万元左右。所以，二者价格相差不多。从中也 不难看出，如果e p s 容量小于2 0 0k w 时，其价格要小于柴油发电机组的综合造价。 目前消防应急供电场合的负载总容量一般在2 0 0 k w 阱下，从投资的长远利益考虑， e p s 较柴油发电机组经济得多。 1 1 3e p s 与u p s 比奄z 。 用u p s 作为应急电源e p s 从原理结构上和u p s 大同小异。在线式u p s 不论市电 是否正常，它都一直由逆变器供电，即按照“市电输入一整流一逆变一输出”的顺 序进行，只有在逆变器故障或过载时才改由旁路输出。而对于一般的e p s ，当市 电正常时，市电通过投切开关输出给负载，同时充电器对电池充电。当控制系统 检测到市电停电时，逆变器工作，开关切换至逆变输出状态，向负载提供电能。 e p s 与u p s 相比其主要区别有以下几个方面： ( 1 ) 用途：u p s 是一种双变换结构的不间断电源，主要为负载提供稳定的高 质量电能，不受市电电网的影响，而且其转换时间一般在1 0 m s 以内，所以，u p s 被广泛应用于计算机、程控交换机、医疗设备及精密电子仪器等不能中断供电的 场所。但正因为u p s 不仅担负着应急供电外，还担负着改善电力品质的任务。e p s 只是在市电出现故障时才会开始逆变工作，所提供的电力品质要求比u p s 要低。 ( 2 ) 寿命：由于u p s 要长时间处于工作状态，所以寿命要比e p s 低很多，一般 为5 8 年，e p s 寿命是u p s 的2 5 倍。而且u p s 的电池更换更为频繁。 ( 3 ) 过载能力：u p s 设计时是针对通讯类和计算机类负载的，所以负载适应 能力不及e p s 。举例说明，如果应急供电场合含有交流感应式电动机一类的感性 负载，那么在u p s 的设计选型和使用中就会出现很大问题。由于交流电动机的起 动电流通常是其额定电流的5 7 倍，而u p s 的过载能力标准规定：过载1 2 5 时， 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 a 类为l o m i n ，b 类为1 m i n ，c 类为3 0 s ；过载1 5 0 时1 0 s 如果想要u p s 能承受电动机 起动电流的冲击能力，势必要增大u p s 的额定容量，这无疑将加大投资，还未必 能彻底解决问题。 u p s 要连续不断地工作，使用寿命相对较短，尤其是电池的更换较为频繁。 另一方面，u p s 的逆变器长期处于工作中，自身的损耗较大，而且对使用环境要 求很高，只能放在计算机房或空调房间里。u p s 专为i t 行业的计算机类和通讯类 负载而设计，其负载适应能力不及e p s ，因此，选用u p s 作为应急电源，工作既不 可靠，还得花费大量资金。”1 1 1 4e p s 系统的分类疆町 目前市场上的e p s 品牌众多，大家在设计上所采用的控制方式和控制手段不 尽相同，但针对所带负载的种类大致可以归纳为以下三种：一是主要用于应急照 明和事故照明的单相e p s ；二是用于应急照明、事故照明之外，还有应用于空调、 电梯、卷帘门、排气风机、水泵等电感性负载或兼而有之的混合供电的e p s ；三 是直接给电动机供电的变频系列e p s 。 1 ) 应急照明和事故照明类 照明型的e p s 一般以单相为主，主要为应急照明场合( 商场、娱乐场所、办公 场所、交易场所等) 提供集中供电，如图卜1 所示。当输入电源正常时，市电一路 通过转换装置输出给日常照明，另路通过充电器给电池组充电，当控制器检测 到市电中断或异常( 偏低或偏高) 时，向逆变器发出启动信号，并控制投切开关转 至逆变器输出。当然，对于e p s 的接法不同，还可以把e p s 当作二路电源、三路电 源使用。 。一一。一。一一一一一。一。一。一。一一一- 一1 7 z j 一 市电：输入 。一一一一_ - - 一_ - - 一- - 一- 一一_ _ - 一- 一_ 一_ 一_ - - - 一_ 一- - - _ 一- 一_ - 一- 图卜1 应急照明类和事故照明类 2 ) 应急照明及混合型负载类 此类型e p s 一般适用于负载性质比较复杂的场合，譬如既有照明型负载，又 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 有动力型负载，所以一般以三相居多，如图卜2 所示。适用场合为宾馆、高层建 筑、医院、大型商场等。 图卜2 应急照明及混合型负载类 3 ) 电机专用的变频起动类 此种类型e p s 主要为电机类负载而设计，避免因电机起动过程中的大电流冲 击而损坏设备，被广泛应用于大功率电动机负载，比如电梯、消防水泵、大型风 机等。与其他e p s 的不同之处是此类e p s 一般只有单路输出，如图卜3 所示。当三 相输人市电正常时经整流后给逆变器提供直流电，同时经充电器对电池组充电； 当三相输人断电或异常时，自动转由电池组给交频器提供直流电。当需要电机负 载工作时，送给变频器启动信号( 运行信号、远程控制信号等) ，变频器会立即输 出。从o 5 0 h z 变频，供给电动机进行变频起动，当其频率到达5 0 h z 后保持正常 运行。 书 输凡 i _ 一- _ _ _ _ - 一_ _ - ， 图卜3 电机专用的变频启动类 1 1 5e p s 的发展趋势1 由于e p s 所带负载类型的复杂性和环境的相对固定性，针对不同场合、不同 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 负载，可对e p s 功能做得更贴近现实应用。其中包括以下几方面。 1 ) 结构组成 普通e p s 为了更好地结合实际应用，往往采用“多合一”的结构设计， 但由于负载及环境的复杂性，也由此带来设备标准化和设计院所、用户选型 的困难。解决的办法是采用模块化设计，将主机与输入或输出配电分离开来。 主机模块完成主要的能量转换及通讯控制功能；配电模块实现丰富的配电管 理功能。主机模块通过标准控制接口实现对配电模块的管理，如双电源自动 切换功能，多回路输出功能，消防联动功能均应在配电模块中实现。 2 ) 配电模块应增加功能 e p s 用于紧急负载的供电，其负载往往为非单一的负载，而这些负载在 紧急情况下的关键程度不尽相同，因此，对于e p s 来说，某些配电管理功能 至关重要。 ( 1 ) 顺序肩动功能。诸如，e p s 的负载很大一部分是感性冲击负载，具有 较大的启动电流，在选型时必须加大e p s 容量，从而造成设备资源的浪费以 及用户成本的增加。实际上，由于e p s 负载供电的可间断性，e p s 可增加一 个8 路或1 6 路的可编程配电管理接口，通过对负载启动的顺序、时间进行控 制，可在很大程度上解决启动冲击电流和加大选型容量的问题。 ( 2 ) 部分卸载功能。由e p s 负载性质决定，当过载发生对，需要e p s 尽可 能继续工作，而不能像u p s 那样进行保护性关机，因此，同样可通过配电管 理接口卸除次要负载。 3 ) 电池管理 由于e p s 的使用环境一般较u p s 恶劣，为尽可能延长蓄电池的使用寿命， 充电器应同时具备以下功能： ( 1 ) 可设定充电限流： ( 2 ) 可设定电池放电终止电压； ( 3 ) 具有自动浮充功能，充电机制应符合d i n 4 1 7 7 3 标准； ( 4 ) 具有浮充电压温度补偿功能； ( 5 ) 智能电池检测功能： ( 6 ) 深放电保护( 可强制应急) 。 4 ) 变频起动功能 目前变频起动型e p s 的设计，主要着眼于解决较大电动机，如电梯、水 泵、风机等负载的起动冲击问题，但更为合理的设计，应该是在线式u p s 与 变频器技术的完美结合。在线式u p s 具有成熟的整流、电池管理技术；变频 器具有成熟的变频控制技术，两者的有机结合才是这一应用领域的最终发 展方向。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 逆变器控制策略 1 2 1 模拟控制与数字控制之间的比较 传统的电源都是采用模拟控制，模拟控制经过多年的发展，已经非常成熟。 然而，模拟控制有着固有的缺点，诸如：元器件数量多，连接复杂，使系统的故 障检测与维修比较困难；器件的老化和温漂，易受环境( 如电磁噪声，工作环境 温度等) 干扰，从而影响系统的长期稳定性；控制不够灵活，不易实现复杂、先 进的控制算法。“1 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，消除模拟电路固有的温漂问题，提高控制精度，易实现先进控制， 而且降低了电路成本，易实现大规模产品生产。高速微处理器如d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ，数字信号处理器) 的出现，使得数字控制技术实时性迅速提 高，从而得到了更广泛的应用。然而，在数字控制系统设计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 州频率及其分辨率，控制算法 的延时，字长效应，计算精度以及数字控制算法的优化等”1 。 1 2 2s p w m 技术的原理”1 ( 1 ) 三角波调制法 s p w m 是提高逆变器输出电压质量的一中常用方法。如图卜4 所示为一个正弦 波与高频的三角波波形。正弦波为逆变器输出的期望波形，以正弦波为调制波， 以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波信号，当调制波和载波相交时，由 他们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而得到矩形波。目前很多控制方 法的基础都还是s p w m 原理，只是将前级的补偿算法进行了改进和优化，如：p i d 控制，重复控制。它们主要通过补偿算法，改变正弦调制波，使其加入需要抵消 的谐波或者快速跟踪标准正弦信号，从而减小输出阻抗，提高输出波形的质量。 。一n t l ，iil iiillili 惭i 、j l 川_|f1 |y， y n 、 、吣l f 义 i _一 一 ll ff _一 图卜4s p 肼原理 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 面积等效法。如图1 5 所示。这种方法从平均能量等效的概念出发，将 正弦波沿时间轴分为若干等份，而每一等份所包含的正弦波面积都用一个与此面 积相等的矩形脉冲来代替，根据这种等效的关系来确定开关时刻。 图卜5 面积等效法 1 2 3 常见的附m 控制技术的比较 常见的p w m 控制技术主要可以分为两大类；基于周期反馈的控制和瞬时反馈 控制。 基于周期反馈控制主要有： ( 1 ) 电压有效值控制 电压有效值控制是较早，也是效果较差的控制方式。图卜6 为电压有效值控 制框图。通过检测输出电压的有效值反馈回来与预设的电压有效值做比较得到误 差信号，经过p i 调节器调节得到需要的幅值增益，然后与标准的正弦表相乘， 控制输出到被控对象。这种控制方法对于瞬时的波形输出来说相当于开环系统， 对于一个周期内的波形畸变没有任何抑制能力，只能对输出电压的有效值进行控 制。因此电压有效值控制的逆变系统输出波形容易受到负载特性的影响，容易出 现波形畸变，谐波含量较高。 r i “ 图卜6 电压有效值控制框图 ( 2 ) 重复控制睁”1 重复控制最早应用于机械运动控制领域，目前在波形控制上取得了很好的效 果。图卜7 为重复控制的系统控制框图，虚框中为重复控制器( n 为载波数) ， 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 c ( s ) 为补偿器，g ( s ) 为控制对象模型“。重复控制可以说是内模原理的一种应用， 它是随着计算机的发展而提出来的一种新方法，它将一个基波周期的偏差储存起 来，经过几个周波的重复控制可达到很高的控制精度“”。在这种控制方法中，加 到控制对象的输入信号除偏差信号外，还叠加了一个“过去的控制偏差”，这个 “过去的控制偏差”是上一个基波周期中的控制偏差，把上一个基波周期的偏差 反映到现在和“现在的偏差”一起加到控制对象进行控制，这种控制方式，偏差 好像在被重复使用，所以称为重复控制。重复控制与一般的积分控制的不同点在 于：重复控制的积分步长为一个波形输出周期，而普通的积分控制是进行连续时 间的累加。因此重复控制又是一种特殊的积分控制器。重复控制技术用在逆变电 源控制系统当中，目的是为了克服整流负载引起的输出电压波形的周期性畸变， 改善输出电压波形。 从理论上来说，重复控制器对负载适应性很强，可以完全消除周期性误差， 但是在具体设计过程中我们会发现，由于对系统稳定性的要求，重复控制参数设 计和滤波器设计相对比较复杂。因此实际控制系统的设计要复杂的多。 另外，仅采用重复控制技术的逆变电源的缺点是动态特性差。对于一个周期 以内的负载突变或者非周期性的波形畸变，重复控制技术从理论上来说就无法进 行补偿控制，有时还会造成系统不稳定。 重复控制器 r 一一一一一一一一一一一 图卜7 重复控制系统控制框图 ( 3 ) 谐波补偿控制 图卜8 所示为逆变器谐波补偿控制框图。当逆变电源的负载为非线性负载 时，由于负载电流中含有大量谐波电流在逆变电源内阻上的压降致使逆变电源输 出电压波形畸变，谐波补偿控制可以较好地解决这一问题，其基本思想是在逆变 桥输出载波信号中加入特定的谐波，抵消负载电流中的谐波对输出电压波形的影 响，减小输出电源的波形畸变。 谐波检测器是谐波补偿控制的核心，它的实现方法如下。：。通常可以将一 个周期的信号存储在内存中，通过快速傅立叶变换求出3 、5 、7 次谐波的幅值和 相位，然后合成谐波补偿信号。由于逆变器非线性负载产生的谐波畸变主要是奇 次的低次谐波( 高次谐波大部分可以由l c 滤波器滤除) ，所以，通常只要补偿3 、 5 、7 次谐波即可。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 目前这种方法运算量较大，一般需要高速数字信号处理芯片才能实现，成本 较高。 图卜8 逆变器谐波补偿控制框图 前面所提到的控制方法都是基于周期反馈控制的方法，存在以下缺点： 动态特性不好，负载突变时输出电压调整时间长。之所以会出现这种情 况，是因为系统中仅存在电压平均值或有效值反馈，或者对周期信号存储后再在 下个周期中进行补偿控制。 除了电压有效值控制，其它两个方法设计过程和运算量都比较大。重复 控制除了要设计合理的内模参数外还要设计能够满足系统稳定性的滤波器进行 补偿：谐波补偿控制更是要进行快速傅立叶变换，当变换的精度不够或者补偿不 足时，有可能出现系统不稳定。 瞬时值反馈控制技术是针对周期控制动态特性不好的缺点提出来的，它是近 十年来发展起来的新型电源控制技术，目前还在不断的完善和发展之中，实时反 馈控制技术的采用使逆变电源的性能有了质的飞跃。实时反馈控制技术多种多 样，主要有以下几种： ( 1 ) 单一的电压瞬时值反馈控制“1 这种控制方法的基本思想是把输出电压瞬时反馈值与给定正弦波进行比较， 用瞬时偏差作为控制量，对逆变桥输出p w m 波进行动态调节，一般采用p i d 控制。 p i d 控制是工程实践中应用最为广泛的控制器。与基于周期控制方法相比，由于 该方法能对p w m 波进行动态调整，故系统的快速性较好。这种方法的缺点是系统 的稳定性不好，特别是空载时，输出电压容易振荡。系统的稳定性问题限制了电 压调节增益的提高，因而输出电压的波形品质还不是很好。但是可以在系统要求 的稳态精度和动态响应范围内设计出合适的调节器，只是难度比直流输出电源系 统要大一些。图卜9 为单一的电压瞬时值反馈控制框图。 9 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 v 图1 - 9 单一的电压瞬时值反馈控制 ( 2 ) 带电流内环的电压瞬时值反馈控制“”1 ” 单电压闭环系统只检测输出电压，只有当负载扰动的影响最终在系统输出端 表现出来以后才能出现相应的误差信号，从而激励调节器。带电流内环的电压瞬 时值反馈控制方法是在单一的电压瞬时值反馈控制方法的基础上发展而来的，在 这种方法中，不但引入输出电压的瞬时反馈，还引入逆变输出电容电流。“或滤 波电感电流”23 的瞬时值反馈，电压环是外环，电流环是内环。电流环具有将滤波 电容电流或滤波电感电流改造为可控的电流源的作用，这样控制输入和输出电压 之间形成了具有单极点的传递函数，因而系统稳定性大大提高，克服了单一的电 压瞬时值反馈控制系统空载容易振荡的缺点“1 。由于电流内环的作用，电压外环 的设计可以大大简化。但是调节器必须具有很高的截止频率以适应快速响应。目 前大多采用p 调节器，从而影响到系统的稳态性能。如图卜1 0 所示为带电流内 环的电压瞬时值反馈控制。 但是，双环系统也有不足之处。电流内环有很高的速度，如果采用数字控制 就需要有高精度的，否则在内环带宽太大的话，量化误差或干扰引起的误差会使 系统失去稳定性。目前很多电流内环采用滞环比较形式，如图所示卜1 l 。为了 更好的抑制负载扰动，滞环带宽越窄越好，但这样会使系统开关频率急剧升高。 因此这种控制方式对非线性扰动的抑制能力也是有限的。 图卜1 0 带电流内环的电压瞬时值反馈控制 图卜1 1 滞环控制的电流内环 1 0 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 状态反馈控制o ” 状态反馈控制就是将输出状态信息反馈给控制器，通过控制器实现零极点的 设置和补偿。从理论上看，状态控制器可以任意配置系统的极点，改变系统的阻 尼比，改善系统的动态特性。一般状态反馈系数的确定有两种方法：1 ) 根据系 统要求给出期望闭环极点，推算状态反馈增益矩阵。2 ) 应用最优控制原理，使 系统的阶跃响应接近理想输出，据此确定状态反馈增益。图卜1 2 所示为状态反 馈控制框图。 图1 1 2 状态反馈控制框图 状态反馈控制需要多个状态变量反馈，但是它并不构成多环控制系统，而是 在状态空间上通过合理选择反馈增益矩阵来改变对象的动态，以实现不同的控制 效果。 ( 4 ) 无差拍控制“”1 无差拍控制是多变量反馈的一种特例。这种控制方法根据逆变电源系统的状 态方程和输出反馈信号来推算下一个采样周期的开关时间，使输出电压在每个采 样点上与给定信号相等。如图卜1 3 所示为典型的单相全桥逆变电路、l c 滤波器 和负载( 包括阻性负载、相控性、整流性负载等) 组成被控对象。 e z 图卜1 3 全桥逆变器的电路等效图 无差拍控制的优点是其动态响应快，具有极佳的动态性能，对非线性负载引 起的逆变输出波形失真有极强的抑制能力。但的缺点是它对系统模型的准确性要 求较高，设计方法比较复杂，对负载大小变化及负载性质的变化比较敏感，当负 载大小或负载性质变化时，不易获得理想的正弦波输出。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 5 ) 神经网络控制”“1 神经网络控制是近几年来兴起的一种智能控制方式，它模仿人的大脑实现对 系统的控制。自从1 9 4 3 年m c c u l l o c h 和p i t t s 提出形式神经元的数学逻辑以来，神 经元控制经过一段艰难的发展期，直到k i l m e r 和m c c l l o c h 提出k 踟模型实现对“阿 波罗”登月车的控制之后，人工神经网络再次被引入控制领域，并迅速得到了应 用。图卜1 4 为一种神经网络控制的逆变器框图。 神经网络控制器 图卜1 4 神经网络控制的逆变器框图 从图卜1 4 中可以看出，该系统使用了3 层神经网络结构，神经网络的输入是 当前滤波电容电流及前次采样值、输出电压、输出负载电流以及当前跟踪误差， 神经网络的输出与参考给定结合，构成逆变器的控制输入。通过离线学习，我们 可以获得系统的最佳控制规律”= 甜。+ 厂( ，“。，e 。) 。然后，将这一控制规律 应用到实际系统中去实现在线控制。由于系统的控制规律的获得不依赖于系统模 型，而且学习包含了各种情况，因此系统的控制鲁棒性很强。目前，也发展出一 些自适应的的神经网络控制，这样系统就不需要进行离线式学习，而直接在线式 学习，提高了系统稳定性和适应性，简化了设计的难度。“。图卜1 5 为有自适应机 制的神经网络控制框图。从图中可以看到，学习机根据规则控制神经网络控制器 和神经网络识别器的参数，神经网路控制器根据反馈回来的信息和参考值进行比 较，控制输出；神经网络识别器并联在被控对象上，利用被控对象的输出和识别 器的输出的差( 预测误差) 作为学习机的训练信号。2 3 目前的神经网络控制算法仍然较为复杂，需要高速d s p 才可能实现，成本较 高。 1 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 图卜1 5 带有自适应机制的神经网络控制框图 ( 6 ) 模糊控制”3 “1 近年来，模糊控制作为一种新颖的智能控制方式。传统的控制是从被控对象 的数学结构上去考虑进行控制的，而模糊控制则是以人类只能活动的角度和基础 上去考虑实施控制的。1 9 6 5 年美国加州大学自动控制系统专家l a 。z a d e h 在信 息与控制杂志上先后发表了“模糊集”( f u s s ys e t s ) 和“模糊集与系统”( f u z z y s e t s s y s t e m ) ，产生了模糊集理论，莫定了模糊集理论和应用研究的基础。1 9 6 5 年1 9 7 4 年是模糊控制制发展的第一阶段，即模糊数学发展和成形阶段：1 9 7 4 年1 9 7 9 年为第二阶段，这是产生简单控制器的阶段；1 9 7 9 年至今是发展高性能 模糊控制的第三阶段。1 模糊控制的输入变量通常取e ( 误差) 或e 和e c ( 误差变化) 或e 、e c 和e r ( 误 差变化速率) ，分别构成一维、二维、三维模糊控制器。以为模型控制器的动态 性能不佳，通常用于一阶被控对象；二维模糊控制的性能和控制复杂性都比较好， 是目前广泛采用的一种形式。o ” 模糊控制的主要特点是： 1 ) 模糊控制器设计过程不需要被控系统的精确模型。 2 ) 查找模糊控制表所需的处理时间很少，因而可以采用较高的采样频率。 ( 7 ) 滑模变结构控制o ”3 ” 滑模变控制是在2 0 世纪5 0 年代被提出来的。实际上，滑模变控制的原理就 是根据开关模型设计一个滑模曲面，并使得系统跟随这个设定的曲面运行。它具 有较好的稳定性，对系统模型精度的依赖性较低，鲁棒性较好。图卜1 6 所示为 带前馈的滑模控制结构框图。 图卜1 6 带前馈的滑模控制框图 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 通过对前面几种瞬时反馈控制算法的介绍，可以发现：瞬时反馈控制具有较 好动态特性，但是它们当中一些算法对周期性波形畸变的抵抗能力还是有限的， 一般需要配合周期性反馈控制加以改善，如：单电压环反馈、带电流反馈的双环 控制等；而另一些控制方法需要对被控对象的精确模型，设计过程较为复杂，如： 状态反馈控制，无差拍控制等；还有的则是运算量较大，并且设计方法不十分成 熟，有待进一步深入研究，如：滑模变控制、神经网络控制、模糊控制等。因此， 目前有很多设计是将各种控制方式综合设计，取长补短，达到动态响应快、稳态 精度高、鲁棒性好的效果。 从系统的复杂性和开发时间要求出发，论文中e p s 设计采用了电感电流反 馈的双环控制外加一个电压平均值反馈控制方式实现逆变输出。这个方案的好处 是：可以使用较为熟悉的s 域补偿器设计方法进行参数的预先设计，然后通过离 散化后用数字方式实现，并且可以兼顾输出波形的瞬时特性和稳定性。 1 3 本论文研究的目的和内容 随着我国经济的发展，人们对备用电源的供电质量、可靠性及电源的环保性 能提出了越来越高的要求，同时又希望能有更低的价格、更广的应用范围。本论 文主要通过对现有逆变技术的研究，以及铅酸蓄电池充放电技术的研究，设计了 一个成本较低、性能可靠的数字控制3 k v a 单相应急电源系统。通过采用双向p w m 变流器使得系统的体积能够更小，结构更简单；利用数字控制技术，对铅酸蓄电 池进行充放电管理，并控制逆变器输出电压波形。 本文主要内容包括以下几个方面： 第二章主要介绍电感电流反馈控制原理的基础上，设计了控制补偿环节的相 关参数。 第三章主要介绍了铅酸蓄电池的充放电特性和充放电管理的方法，并用模拟 控制的方式实现了三阶段充电法，设计了d c d c 部分输出电感和电容的参数。 第四章介绍了3 k v a 应急电源系统的硬件设计和软件设计。 第五章主要内容是应急电源系统的仿真结果和实验结果，并且对两者进行了 比较分析。 1 4 浙江大学硕士学位论文第二章双环控制策略的原理和分析 第二章电感电流反馈控制策略的原理和分析 全桥电路是目前单相逆变器采用较多的拓扑结构，其结构的主要优点是结构 简单，能够充分利用直流母线电压，有较大的功率输出能力。本单相应急系统将 采用全桥电路作为主电路结构，本章主要在全桥逆变器的小信号模型的基础上设 计了电感电流反馈控制器的工作特性和参数设计方法。 2 1 全桥逆变器的小信号模型 | l v o 图2 1 全桥逆变拓扑结构 如图2 1 所示为全桥逆变器的系统结构。本文利用平均值模型对其进行分析。 为了分析方便，假设负载为纯阻性负载。由于开关频率工远远大于电网频率工 ( 5 0 h z ) 。将开关一个开关周期内的v o 作为低频瞬时值。 卜手叫 。 图2 2s p 删载波 由图2 2 中可以得到d ( t ) 表达式如下： ，= 玎半+ ， 陋t ， 其中c ( f ) 为调制信号，乩为三角波载波幅值。逆变器输出电压的开关平 均值为玩。 塑婆盔兰堡主堂垡堡塞羔兰羔兰璺兰塑塑型堕坐! ! ! ! ! 坌塑 兰塑：卫晕幽咝监： 2 d ( ，) 一1 】圪 i 一一i ”v ，j z 因此，全桥电路瞬时输出的直流分量为： k = ( 2 d 一1 ) 匕 输出电感电流平均值为： il 一。2 专 撇哪代入可得：瓦= 等忙k u 私) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 其中。= ，在v g 不变时为一常量。 对( 2 1 ) 式加入扰动信号可以得到： 。+ 。c s ，：圭【半+ c 2 6 ) 其中d 为稳态工作点的占空比输出，0 ( s ) 为输出占空比的扰动，为参考 信号的直流分量，虬( s ) 为参考信号中的扰动信号。 将式( 2 6 ) 中等号两边的直流分量相抵消，可以得到参考信号的扰动对输出占 空比的影响表达式： 缸) = 筹 口7 图2 3 中所示为一个开关周期内的两个开关模态。 一小。一l 图2 3 全桥逆变器的两个开关模态( 阻性负载) 设s 1 、s 4 导通时间为d i ，s 2 、s 3 导通时间为( 1 一d ) ，可以得到如下方程组： f l 譬：一匕一圪 o “卜巩 c 羔“一堡 p i西 r 1 6 吃圪一r托红 浙江大学硕士学位论文第二章双环控制策略的原理和分析 将( 2 8 ) 、( 2 9 ) 相加，进行周期平均后得到以下式子 f 三皇! ! ；立2 = 2 ( 。+ 。) 一1 ( 圪+ 气) 一( 圪+ 吃) 【c 警咆哟一华 将其展开化简可以得到： i 哮= ( 2 d 一1 ) 圪一圪+ 2 o + ( 2 d 一1 ) 露一吃+ 2 呓c i 【哮电睾一妥 将( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 代入，并将高阶扰动2 吃0 忽略后可以得到： 卜艺s = ( 2 d 一1 ) + 2 o 一吃 i 哦s = 五一鼍 将( 2 1 3 ) 式中的毛消去可以得到： 屯：牛也+ 车o v o = 了一v g + 专一d 三c s 2 + 兰占+ l c ，2 + 兰s + 1 毗啪，2 軎2 慕蠹观磁未写 r 月 ，2 若寺砖2 爰杰= k r ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) f 2 1 3 1 ( 2 一1 4 1 ( 2 1 5 ) ( 2 一1 6 ) 蝴垆焘，黼。= 瓜为时间黻矢= 譬为阻尼 系数。并且记q ：土，为自然振荡角频率。 l 1 7 叱 鸸扣争 ，忆旧、 浙江大学硕士学位论文第二章双环控制策略的原理和分析 如图2 4 所示为系统开环的控制框图。其中d 一( j ) 为正弦波调制波形，眈( s ) 为s p w m 开关电压的低频等效信号，t 。( j ) 为逆变器输出电压，玩( s ) 为扰动信 号，k 为定值。 由图2 _ 4 可见，此开环控制系统为典型的二阶阻尼振荡环节，对于直流和谐 波振荡没有抑制作用，系统的动态性能完全由滤波器和负载的特性决定，当负载 减小时，阻尼系数随之减小，谐振峰值大幅上升，放大作用越明显。 图2 4 全桥逆变器开环控制框图 2 2 电压瞬时值反馈控制特性 电压瞬时值控制是比较简单的瞬时值控制方式，其系统框图如图2 5 所示 图2 5 电压单环控制框图 由图中可以写出传递函数如下： 系统开环传递函数为： 一苦2 案笔2 警曩量 r r cl c 系统闭环传递函数为： 盟 一去2 南2 翥 根据式( 2 1 8 ) ，可以得到系统开环的两个极点为： 1 8 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 浙江大学硕士学位论文 第二章双环控制策略的原理和分析 广* 争压 当r 圭考时，已。，：为共轭复根，可知这一条件总是满足的，因此实际开 1 环极点为& 2 一面嘉， 系统根轨迹如图2 6 所示。 ，位于半径为去的圆周上。 重载 s 、 r 蔷。j ， j i 、 、 _ 、 ，；i 一 2 、 图2 6 瞬时电压单环系统根轨迹图 由图2 6 中可以看出，系统闭环根轨迹为平行于虚轴的射线，负载越轻，越 靠近虚轴。当空载时，将位于虚轴上，由此可以看出系统的动态性能由负载情况 决定，负载越轻，动态调整时间越长，阻尼比喜越小，超调量越大，动态性能越 差。系统负载适应性很差，随着负载的减小系统动态性能迅速下降，甚至不能正 常工作。从( 2 1 8 ) 式中可以看出，电压瞬时值反馈控制改变的只是系统的开环增 益，对根轨迹的零极点分布并没有改善。电压单环环路的相位裕度为： 硼辔箍 ( 2 - 2 0 ) 以为穿越频率点。为了保证有足够的相位裕度，必须减小k v ，而k v 值的 减小又将使系统的稳定误差调节受到限制。 2 3电感电流采样双环控制系统原理 2 3 1 控制原理 电感电流控制的原理框图如图2 7 所示，外环为瞬时值电压控制，与正弦波 参考信号比较产生误差信号，误差信号经过p i 调节器后，产生电流控制基准信 1 9 浙江大学硕士学位论文第二章双环控制策略的原理和分析 号0 ；内环为电流控制环，电感电流瞬时值与基准0 比较产生误差信号，经过一 个比例调节，与三角波比较产生用于开关控制的s p w m 信号。 v g 图2 7 电感电流采样双环控制系统原理图 2 3 2 双环系统性能分析 在阻性负载下，系统控制框图如图2 8 所示。 以( s ) 图2 - 8 电感电流双环控制框图 电流内环的开环传递函数为： g 小却k 吒高举b ( 2 * 2 1 ) 电流内环闭环传递函数为： 2 嚣2 面可畿饕 而系统的开环传递函数为： 瓯( s ) =p k ，k t k ，s + 1 7 啦矾( 妄+ 口k 川+ 警】 系统闭环传递函数为： ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 浙江大学硕士学位论文 第二章双环控制策略的原理和分析 生 一老2 芳磊丐雾萨再8 k ! k 。、p k 矗m rp 。、；8 k t k mp r ( 2 2 4 ) 由开环系统传递函数可以知道，系统的开环零、极点分别为： 屯：一士 ( 2 2 5 ) 屯一万 ( 2 2