（电力电子与电力传动专业论文）ipop和isos逆变器组合系统的控制策略研究.pdf

ipop 和 isos 逆变器组合系统的控制策略研究 ii 输出电压相位相同，从而又在输入均压控制的配合下保证了输出均压。本文还讨论了一种电感电流反馈的三环控制策略，它虽也能实现系统的稳定工作和输入均压，但要在输出滤波电容匹配时才能实现输出均压， 这与输入均压结合输出同角度控制策略的无条件实现输出均压相比较佐证了后者的优越性。 本文还进一步分析了系统在采用输入均压结合输出同角度控制策略时输入均压环与输出电压闭环之间的解耦关系，并对两者分别进行了环路的参数设计。 关键词：逆变器，输入并联输出并联，输入串联输出串联，均流，均压，负载电流前馈，环流 南京航空航天大学博士学位论文 iii abstract series- parallel power conversion systems, in which multiple standardized converter modules are connected in series or parallel at the output and input sides, can be classified into four possible architectures on the basis of the connection forms, namely, input- parallel- output- parallel (ipop), input- parallel- output- series (ipos), input- series- output- parallel (isop), and input- series- output- series (isos). the advantages of systems constructed from connecting multiple converter modules include ease of thermal design, increased overall system reliability, shortened design process and lowered cost for the system; improved system reliability, and ease of expansion of power system capability. the standardized converter modules include four possible kinds, i.e., dc/dc converter, dc/ac inverter, ac/dc rectifier, and ac/ac cycloconverter. this dissertation focuses on the control of ipop and isos dc/ac inverter systems. ipop inverter system is suitable for the high output current applications such as ups and aviation static inverter, while isos inverter system is suitable for high input voltage and high output voltage applications. a general control strategy is proposed for the series- parallel connected inverters system in this dissertation. in light of the power balance of both the input and the output sides, the general control strategy can be divided into two kinds: the strategy of controlling the output and the compound strategy. for the input- parallel inverters system, the strategy of controlling the output and the compound strategy can both be considered and the former is simpler. however, for the input- series inverters system, the stable operation of the system can not be ensured if the strategy of controlling the output is employed. so the compound method should be adopted. that is, controlling ics or ivs as well as controlling the magnitude or phase of output current or output voltage to be equal. in the case of the ipop inverters system, a distributed control strategy based on average current control has been proposed to obtain output current sharing by synchronizing the voltage reference and averaging the current reference. in this method the instantaneous current sharing is acquired with simple circuit, and hot swap and redundancy are easy to achieve. while the inductor- current feedback control is employed in this method, the output characteristics are poor. in this dissertation, the load current feed- forward control is introduced into the above average current control method and it is located before the point of averaging current reference. as a result, the output characteristics of each module and the whole system are improved, and meanwhile, the functions of output current limiting and the effect of current sharing are kept as the original method. then, the output characteristics and ipop 和 isos 逆变器组合系统的控制策略研究 iv circulating current between the original a nd improved methods are compared, and what s more, by theoretical and phasor means, the dissertation points out two key factors, namely the difference of ki and the difference of cf of the inverter modules operating in parallel, determine the circulating current under both the two strategies. the difference of ki causes real and reactive circulating current, and the difference of cf only results in the reactive circulating current. the output current sharing will be implemented only when ki and cf of all the modules are both matched. finally, the simulation and experimental results are presented to verify the effectiveness of the improved method, and the prototype is also achieve hot swap and redundancy. the control objective of the isos inverter system is to achieve input voltage sharing (ivs) and output voltage sharing (ovs) of the constituent modules. this dissertation firstly reveals the relationship of ivs and ovs. if ovs is achieved, so is ivs, but the controlling the output voltage of the modules to achieve ovs is not stable. if ivs is achieved, ovs is not ensured, it is because only the output real powers of the modules are balanced, but the output reactive powers of the modules are not always balanced. ovs can be achieved by controlling the magnitude or phase of output voltage to be equal based on controlling ivs. moreover, this dissertation proposed a practical implementation of the compound strategy, i.e., the method of ivs combined with the same output voltage angle. the compound strategy includes ivs loop, system output voltage loop, and current loop of each module. in the above strategy, the capacitor- current feedback control is introduced to accomplish the same phase of output voltage of all modules. and then combined with controlling ivs, ovs is achieved. furthermore, this dissertation also proposes another three- loop strategy based on the inductor- current feedback control which can realize ivs but can reach ovs only when the output filter capacitors of all the modules are matched. the defect of this method demonstrates the superiority of aforementioned three- loop strategy based on the capacitor- current feedback control which can obtain ovs unconditionally. finally, the decoupling relationship between ivs loop and output voltage loop is analyzed and the design of two control loops is also presented. keywords: inverter, input- parallel- output- parallel, input- series- output- series, current sharing, voltage sharing, load current feed- forward, circulating current. ipop 和 isos 逆变器组合系统的控制策略研究 viii 图表清单 图 1.1 四类串并联组合系统.3 图 1.2 连接到交流母线的逆变器等效电路.4 图 1.3 基于频率电压下垂特性并联控制原理图( 输出阻抗呈感性) .6 图 1.4 主从控制法.7 图 1.5 基于平均电流控制的分布式并联控制方案.8 图 1.6 isop 直流变换器系统的两环控制策略.9 图 1.7 isop 直流变换器系统的三环控制策略.10 图 1.8 isop 逆变器系统的输入均压输出均流控制策略.11 图 2.1 串并联逆变器组合系统采用输出端的控制策略.13 图 2.2 ipos 逆变器组合系统.15 图 2.3 isop 逆变器组合系统.16 图 3.1 两种隔离式逆变器.19 图 3.2 逆变器模块的主电路拓扑.20 图 3.3 单台逆变器控制框图.21 图 3.4 逆变器并联系统结构框图.22 图 3.5 同步电路示意图.23 图 3.6 电流基准瞬时平均电路.23 图 3.7 并联系统控制框图.24 图 3.8 两模块并联系统的控制框图(方案 1 及方案 2).25 图 3.9 两模块并联系统的电路图.27 图 3.10 并联系统相量图.27 图 3.11 ki不等的仿真及实验波形( 方案 1 及方案 2) .28 图 3.12 两种方案下 ki不等时的测试曲线.30 图 3.13 cf不等的仿真及实验波形(方案 1 及方案 2).31 图 3.14 两种方案下 cf不等时的测试曲线.33 图 3.15 单台逆变器动态限流实验波形.34 图 3.16 并联系统动态限流实验波形.35 图 3.17 并联系统静态实验波形(阻性满载).36 图 3.18 并联系统动态实验波形.37 图 3.19 并联系统热插拔实验波形.38 图 4.1 isos 逆变器系统.40 图 4.2 输出均压控制策略的小信号等效电路.43 图 4.3 isos 逆变器系统(含主电路拓扑).44 图 4.4 isos 逆变器系统采用复合式控制策略的控制框图 .45 图 4.5 两种三环控制策略在 cf有差异(cf1cf2)时各输出量的稳态相量图.46 图 4.6 输入分压电容存在差异时的稳态仿真波形图.47 图 4.7 输出滤波电感存在差异时的稳态仿真波形图.48 图 4.8 输出滤波电容存在差异时的稳态仿真波形图.49 南京航空航天大学博士学位论文 ix 图 4.9 输入分压电容存在差异时的动态仿真波形图.51 图 4.10 输出滤波电感存在差异时的动态仿真波形图.52 图 4.11 输出滤波电容存在差异时的动态仿真波形图.53 图 4.12 电感电流反馈三环控制策略在 cf有差异时的稳态仿真波形图(阻性满载).54 图 5.1 输入均压结合输出同角度的控制策略.57 图 5.2 基于输入均压结合输出同角度的 isos 逆变器系统的解耦分析 .57 图 5.3 输出电压闭环传递函数框图.59 图 5.4 pi 调节器.59 图 5.5 补偿前后输出电压闭环环路增益幅相曲线.60 图 5.6 前级闭环控制框图.61 图 5.7 前级直- 直变换器电路拓扑.61 图 5.8 前级直- 直变换器小信号等效电路.62 图 5.9 前级直- 直变换器输出电压闭环传递函数框图.62 图 5.10 补偿前后前级输出电压闭环环路增益幅相曲线.63 图 5.11 输入均压环中逆变级的控制框图.65 图 5.12 输入串联直- 直变换器的小信号等效电路.66 图 5.13 均压环传递函数框图.67 图 5.14 补偿前后输入均压闭环环路增益幅相曲线.68 图 5.15 负载突变时的仿真波形.70 图 5.16 负载突变时的实验波形.70 图 5.17 输入电压突变时的动态波形(ovr 参数不同，ivsr 参数相同).71 图 5.18 输入电压突变时的动态波形(ivsr 参数不同，ovr 参数相同).72 图 6.1 两模块组成的 isos 逆变器系统.73 图 6.2 磁导率直流磁化强度曲线.77 图 6.3 移相全桥直直变换器的控制电路.78 图 6.4 电流滞环控制电路.81 图 6.5 均压环控制电路.82 图 6.6 输入分压电容有差异时的稳态实验波形图.83 图 6.7 输出滤波电感有差异时的稳态实验波形图.84 图 6.8 输出滤波电容有差异时的稳态实验波形图.85 图 6.9 输入分压电容有差异时的动态实验波形图.86 图 6.10 输出滤波电感有差异时的动态实验波形图.87 图 6.11 输出滤波电容有差异时的动态实验波形图.88 图 6.12 电感电流反馈三环控制策略在 cf有差异时的稳态波形图(阻性满载).89 表 5.1 isos 逆变器组合系统主要电路参数的取值.58 表 5.2 ivsr 参数相同、ovr 参数不同 .69 表 5.3 ovr 参数相同、ivsr 参数不同.69 承诺书 本人声明所呈交的博士学位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。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过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日期： 年 月 南京航空航天大学博士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 电力电子技术的发展及现状 电力电子技术是一种电力变换技术，它有效地使用电力半导体器件，应用电路和设计理论以及分析工具，实现对电能的高效变换和控制1。电力电子技术的诞生和发展使人类对电能的利用方式发生了革命性的转变,并且极大地改变了人们利用电能的观念。在世界范围内，用电总量中经过电力电子装置变换和调节的比例已经成为衡量用电水平的重要指标， 全球范围内该指标的平均数到 2010 年将达到 80%2。电能如果采用高变换效率的电力电子装置处理将获得强大的节能功效。 电能变换的实际需要推动电力电子技术迅猛发展，同时也对电力电子装置提出了更高的要求3。 器件、电路拓扑和控制技术是电力电子技术的三大组成部分。 电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展为中心而展开的。 有了晶闸管，才诞生了电力电子技术，有了 igbt 为代表的全控型电力电子器件，才使电力电子技术的发展上了一个新的台阶；有了电力 mosfet，才使电力电子技术在中小功率范围内获得了巨大的成功。迄今为止，电力电子器件主要采用硅材料， 以碳化硅为代表的新型半导体材料的实用化必将促使电力电子技术产生新的飞跃4。 器件特性的每一步发展，都带动电路变换技术的相应突破。目前，电路变换技术发展相当成熟，形成丰富多彩的电路拓扑系列。电能变换有 dc/dc、dc/ac、ac/dc、ac/ac 等形式，实现每一种形式变换功能时又有多种不同的拓扑结构。 按照开关管的开关条件，变换器可分为硬开关变换器和软开关变换器。 软开关技术的发展，实现了电力电子装置的高频化、小型化和轻量化，使电力电子技术的面貌焕然一新，把电力电子技术推进到一个新的发展阶段。 控制方式是电力电子技术的重要组成部分。为了保持变换器输出电压稳定，采用的调节方式有相控方式、占空比控制方式和谐振变换方式等。按照检测信号的不同来分类，控制方式又可分为单环控制和双环控制。此外，随着控制理论的发展，现代的人工智能控制方式，如模糊控制、神经网络控制、基因控制等，也逐步引入到电力电子系统中5。 目前，电力电子技术在器件、电路及控制这三个主要的支柱技术方面都取得了长足的发展,并逐渐趋向成熟6。然而，电力电子产品的开发仍停留在客户定制的状况，设计周期长，其设计和制造均采用大量非标准器件或部件，并且它的生产过程属劳动密集型，这就大大限制了电力电子产品生产成本的进一步降低， 影响产品可靠性的进一步提高和限制了工业生产过程实现全面自动化的发展速度。可见，当前的主要问题是电力电子装置设计、工艺的复杂性同各应用领域对电力电子技术迫切的需求之间的矛盾，而电力电子系统集成、标准化和模块化技术正是解决上述问ipop 和 isos 逆变器组合系统的控制策略研究 2 题最为有效的途径，也是本世纪电力电子技术发展的必由之路。 1.2 电力电子系统集成的提出 大规模集成电路(vlsi)的应用给电子技术、计算机、信息、工业自动化领域带来了巨大的变革，这就使从事电力电子技术的人们自然会想到，如能把集成电路技术的发展思路用于电力电子领域，必将会给电力电子技术带来巨大的进步。目前，微电子领域已进入了“集成电路”时代，而电力电子领域仍处于“分立元件”时代。电力电子集成技术和集成电路技术其实是有许多相似之处的。首先，它们集成的对象都是电子电路，其次在技术方向有许多共同之处，集成电路中的许多技术都可以向电力电子集成技术中移植。然而，电力电子集成技术和集成电路技术也有十分显著的不同之处，这是由二者的性质不同引起的。集成电路所在的微电子领域主要是用电子电路来处理信息，而电力电子技术则是处理能量。因此，与集成电路技术相比，电力电子集成技术的不同主要体现在三个方面：1) 主电路处于高电压状态，控制电路处于低电压状态，需要进行电压隔离；2) 主电路器件会产生大量的热，其本身也可承受较高的温度，而一般控制电路可承受的温度要低很多，因此需要进行热隔离；3) 主电路的开关元件在动作时一般会产生较高的电压和较大的电流变化应力，产生较强的电磁干扰，从而影响控制驱动电路的正常工作。因此，电力电子集成技术并不能简单照搬集成电路技术，而必须进行新的技术研究和开发。 正是受到蓬勃发展的微电子集成工业的影响，在 1980 年代前期，有人提出了“用少量的集成好的模块来取代分立元件，象搭积木一样，方便地构成各种电能变换装置”的思想。当时，这个思想主要是针对简化变换器的封装而提出的，没有形成设计策略的根本转变。1990 年代初，美国海军部在电动鱼雷驱动系统研究中，提出了“电力电子积木模块(power electronics building block，pebb)”的概念278，主要针对大功率军用场合。之后，在美国自然科学基金委员会的支持下，美国电力电子系统中心(center for power electronics system，cpes)开始系统研究电力电子系统集成技术。针对商用的中、小功率场合，cpes 提出集成电力电子模块(integrated power electronics module, ipem)的概念910。无论是 pebb还是 ipem，其核心都是试图将电力电子装置及其各个部件标准化，以实现电力电子系统的集成，从而缩短电力电子系统的研发周期，降低成本，提高可靠性。2002 年，我国国家自然科学基金会电气工程学科确定了“电力电子系统集成基础理论及若干关键技术研究”的重点项目(50237030)，由浙江大学、西安交通大学和西安电力电子技术研究所承担，对电力电子系统集成的若干关键技术进行研究，并已经取得了一定的进展11- 21。 1.3 标准化模块的串并联组合系统 电力电子系统集成的基本概念是将具有通用性的标准化功能模块像堆积木一样组合在一起，根据不同的应用场合和要求构成电能变换系统。电力电子系统集成分为3个层次22：第一层次是南京航空航天大学博士学位论文 3 元器件级集成，分为有源器件集成(包括功率器件和驱动、保护、通讯等电路集成)和无源元件集成(包括变压器、电感、电容等电磁集成)；第二层次是模块级集成，即利用集成好的有源器件和无源元件，组合成不同的电能变换模块；第三层次是系统级集成，利用各种电能变换模块组合成特定的电能变换系统。 在第三层次中， 采用标准化模块集成为系统有很多种类， 其中一种就是标准化模块的串并联。这些标准化模块的输入和输出分别可以是相互串联或相互并联的，根据联结方式不同，串并联组合系统可以分为以下四类2324(见图1.1)：1) 输入并联输出并联(input- parallel output- parallel，ipop)； 2) 输入并联输出串联(input- parallel output- series， ipos)； 3) 输入串联输出并联(input- series output- parallel，isop)；和4) 输入串联输出串联(input- series output- series，isos)。其中ipop系统适用于输入电压较低、输出电流较大的场合，ipos系统适用于输入电压较低和输出电压较高的场合，isop系统适用于输入电压较高、输出电流较大的场合，而isos系统适用于输入电压和输出电压均较高的场合。 vin1#模块2#模块n#模块vo+_+_+_vin1vin2vinn+_+_+_vo1vo2von+_+_ vo1#模块2#模块n#模块+_vin1vin2vinn+_+_+_vo1vo2von+_+_vin+_+_ (a) 输入并联输出并联(ipop) (b) 输入并联输出串联(ipos) vin1#模块2#模块n#模块+_vin1vin2vinn+_+_+_vo1vo2von+_+_+_vo+_ 1#模块2#模块n#模块vin+_vo+_+_vin1vin2vinn+_+_+_vo1vo2von+_+_ (c) 输入串联输出并联(isop) (d) 输入串联输出串联(isos) 图 1.1 四类串并联组合系统 采用标准化模块组成的串并联组合系统具有很多优点：1) 每个模块的功率只有系统功率的ipop 和 isos 逆变器组合系统的控制策略研究 4 1/n（n 为系统中的模块数量） ，由此可以降低开发难度和简化系统热设计；2) 实现系统的 n+1 冗余运行，提高系统可靠性； 3) 标准化模块的采用降低了系统的开发成本，缩短了研发周期； 4) 很容易对系统进行重构，以适应新的输入和输出性能要求；5) 当采用交错控制等技术时，系统的效率和功率密度可以得到提高。 按照能量变换形式，图1.1中的模块可分为dc/dc变换器、dc/ac逆变器、ac/dc整流器和ac/ac变频器四大类。对于以dc/ac逆变器为基本模块的串并联组合系统，如果按照输入端联结方式的不同进行分类，又可分为输入并联型(包括ipop和ipos逆变器系统)和输入串联型(包括isop和isos逆变器系统)两大类，本文从这两大类系统中各取一种，即ipop和isos逆变器系统分别开展研究。 1.4 ipop 逆变器系统的研究现状 ipop逆变器系统，即通常所说的逆变器并联系统，与之相关联的逆变器冗余并联技术有利于系统扩容，提高了系统的可靠性及冗余度，因而得到广泛的应用。由于该系统中各模块的输入输出电压分别相等，故只需控制各模块的输出电流并使之相等，即输出均流，就可实现系统的稳定工作，目前已有大量文献对其输出均流方案进行了研究。 相对于直流电源的并联，逆变器的并联需要考虑输出电压幅值、频率、相位、相序和波形等参数的一致性，控制相对复杂，目前逆变器并联的输出均流控制方法有很多种，大致可以划分为无互联线和有互联线两大类，而有互联线的控制方式又可分为主从式和分布式。 1.4.1 无互联线的外特性下垂法 无互联线的控制方法25- 34实际上是基于有功、无功功率调节原理的外特性下垂法，其基本思路是：外加外特性下垂控制电路使各逆变器模块输出电压的频率(相位)和幅值分别随输出有功功率或无功功率的增加而下降，最终各并联模块输出电压的频率和幅值稳定在一个新的平衡点，从而实现负载功率的均分和环流的抑制。 图1.2为连接到交流母线上的某一逆变器模块的等效电路，该模块供给负载的复功率为： si=pi+jqiioioiiviiz0olv 图1.2 连接到交流母线的逆变器等效电路 南京航空航天大学博士学位论文 5 oiioliiioloioliivvspjqvivz=+= (1.1) 其中vol为公共母线电压，假定其相位为0，voi和i分别为逆变器模块输出电压的幅值和相位，iz、?i为逆变器等效输出阻抗的幅值和相位。 由式(1.1)进一步可得： 22cos()cossin()sinoloioliiiiiioloioliiiiiiv vvpzzv vvqzz= (1.2) 当逆变器输出阻抗呈感性时，即z=jx(?=90 )。由于一般fi很小，所以有sinfifi，cosfi1，于是式(1.2)可简化为： 2oloiiioloioliv vpxv vvqx= (1.3) 可见，此时各模块输出的有功功率主要取决于其功率角fi，而输出的无功功率由各模块输出电压的幅值voi决定。据此，人为引入频率电压下垂特性： oinoiiioinoiiim pvvnq= (1.4) 这样承担有功功率越多的模块输出电压频率降低越多， 承担无功功率越多的模块输出电压幅值降低越多，最终各并联模块输出电压的频率和幅值会稳定在一个新的平衡点，从而有效抑制环流。基于这一控制原理的控制框图如图1.3所示。 当逆变器输出阻抗呈阻性时，即z=r(?=0 )，式(1.2)可简化为： 2oloiolioloiiiv vvprv vqr= (1.5) 此时恰好得到与前述情况相反的结论：各模块输出的有功功率由各模块输出电压的幅值voi决定，而输出的无功功率主要取决于其功率角fi。此时的下垂特性就变成了： oinoiiioinoiiimqvvn p=+= (1.6) 于是通过这种方式实现了均流。 可见，有功、无功功率的调节原理是因逆变器的输出阻抗性质的不同而有所不同的，从而决 ipop 和 isos 逆变器组合系统的控制策略研究 6 vspwmgvgclpfcalculationvreflfcfirefilfvozlinevzloadac busp=real powerq=reactive powerpq+-+-droopdroopsinrefvvt=基准正弦波kikv 图1.3 基于频率电压下垂特性并联控制原理图( 输出阻抗呈感性) 定了采用的外特性下垂法也有所不同。 为了实现解耦控制，无互联线并联系统中一般在逆变器输出端串联电感使其输出阻抗呈感性2531，但引入电感增大了并联系统的体积和重量。相关学者提出“ 虚拟阻抗” 的概念，通过软件模拟输出端电阻或电感的特性，实现对逆变器输出阻抗性质的调整32- 34。 基于外特性下垂法的无互连线并联技术具有以下主要优点： 1) 并联系统中模块相对完全独立，易实现冗余系统，可提高系统的可靠性。 2) 它能有效解决目前存在于并联系统中因采用互连线并联而出现的两个主要问题。首先，模块间的均流线限制了逆变器的摆放位置， 尤其是在原有容量基础上进行扩容时， 带来诸多不便；其次，均流线易受外界干扰而使均流性能下降，甚至导致整个并联系统失效。 然而，该方案也存在一定的缺点： 1) 模块之间无信息交流，均流精度不高； 2) 人为引入外特性下垂控制，系统输出外特性较差。 1.4.2 主从控制法 主从控制法35- 40的电路结构包括一个电压控制逆变器（主模块）和多个电流控制逆变器（从模块） ，如图 1.4 所示，图中 vl 为电压调节器，cl 为电流调节器。其工作原理是，主模块控制系统的输出电压闭环并产生统一的电流给定信号，从模块控制各模块输出电流跟踪电流给定，从而实现均流。该控制方案具有均流控制电路简单和均流精度高的优点，其缺点是：从模块必须依赖主模块工作，一旦主模块失效，整个系统将无法工作。因此并联系统没有实现冗余，可靠性不高。 南京航空航天大学博士学位论文 7 clvlclclloadmasterslave 1slave n- 1vin1vin2vinnlf1lf2lfncf1cf2cfnig 图1.4 主从控制法 1.4.3 分布式并联控制方案 分布式并联控制方案主要分为两种：基于功率误差的控制方案和基于平均电流的控制方案。 功率误差法 并联系统中各模块输出功率不均衡的原因可归结为各模块输出电压相位有差、幅值有差。 因此，通过检测各模块输出功率差，根据某种控制规律相应调节各模块输出电压的幅值和相位，就可实现各并联模块均分负载电流，这种方法称为功率误差控制法41- 45。事实上，上述控制规律就是1.4.1节中提到的有功、无功功率调节原理。当逆变器输出阻抗呈感性时，根据式(1.3)，可通过检测各模块输出的有功环流和无功环流，分别调节各模块输出电压的相位和幅值以实现输出均流。 而当逆变器输出阻抗呈阻性时，根据式(1.5)，此时恰好得到与前述相反的结论。 可见，与“下垂法”类似，功率误差法也需根据逆变器输出阻抗性质的不同而采取不同的控制方式，而为了实现解耦控制，一般也是在逆变器输出端串联电感或采用“虚拟阻抗”的方式实现对逆变器输出阻抗性质的调整。 功率误差法中通讯线上的信号是平均功率p、q(平稳变化的直流信号)，相对于后面提到的平均电流法中的通讯信号gi(快速变化的交流信号)而言，其频带要求较窄，抗干扰能力较强，但控制电路较复杂，均流调节速度较慢。 ipop 和 isos 逆变器组合系统的控制策略研究 8 平均电流法 文献46- 51提出了基于平均电流控制的分布式并联控制方案， 它是将并联控制解耦成电压基准的同步控制和电流给定的平均控制，无需复杂的均流控制电路，即可实现并联系统各逆变模块的瞬时均流，其控制框图如图 1.5 所示。上述方案的优点是：控制电路简单，均流调节速度快；此外，由于各模块之间完全对等，因此容易实现热插拔及冗余控制。该方案的缺点是：各模块的电流内环采用的是电感电流反馈，输出外特性较差。 ur1(s)uo(s)ig1(s)ign(s)ilf1(s)ilfn(s)io1(s)ion(s)io(s)+urn(s)#n#1igj(s)ioj(s)+ig(s)gvn(s)gv1(s)1/nki1gin(s)gi1(s)kinkv1kvnscf1scfnz(s)urj(s)synchronized 图1.5 基于平均电流控制的分布式并联控制方案 1.5 输入串联型变换器系统的研究现状 输入串联结构的组合变换器系统，包括isop和isos系统，具有如下优点：降低了输入端开关管的电压应力，从而可选择相对电压等级较低的mosfet，rds(on)更小，有利于提高效率；mosfet相对开关频率较高，从而可提高系统的功率密度。 国内外对于isos逆变器系统的研究尚属空白，这类系统的关键问题是要保证各个模块输入均压和输出均压。由于逆变器输出的是交流量，其输出功率包含有功功率和无功功率，只有使各模块的有功功率和无功功率都达到均衡，输出电压幅值、相位都相等，才能实现输出均压。 对于输入串联型直流变换器系统及isop逆变器系统，已有相关文献加以研究，其研究成果可作为本课题研究isos逆变器系统的借鉴。 1.5.1 isop 直流变换器系统 isop 直流变换器系统的关键问题是保证各模块输入均压和输出均流，现有的文献提到的控制方案包含两环控制策略、三环控制策略等。 文献52和53首先揭示了 isop 直流变换器系统中输入均压与输出均流的关系， 并进一步提南京航空航天大学博士学位论文 9 出了一种两环控制策略，如图 1.6 所示。所谓两环是指各模块公共的输出电压闭环和输入均压环(图 1.6 中 gvo为输出电压调节器，gvcd为输入均压调节器)，输出电压闭环保证输出电压的稳定，输入均压环产生的调节信号叠加在输出电压闭环的输出上，使输入电压高的模块占空比增大，输入电压低的模块占空比减小，实现输入均压。当系统稳定工作时，根据能量守恒原理，输入均压亦实现了输出均流。此外，上述控制策略还实现了输出电压闭环与输入均压环的解耦，从而两个环路的调节器可分别设计。 gvcdvcd1vogvof+vin/n1# 模块2# 模块vrampvrampvo_eavcd_ea11#输入均压闭环gvo移相控制移相控制comp1comp2clock1clock2输出电压闭环gvcdvcd2+vin/nvcd_ea22#输入均压闭环gvcdvcd(n- 1)+vin/nvcd_ea(n- 1)(n- 1)#输入均压闭环+(n- 1)# 模块vramp移相控制comp(n- 1)clock(n- 1)+n# 模块vramp移相控制compnclockn+ 图1.6 isop直流变换器系统的两环控制策略 文献23、54- 55提出了三环控制策略，如图 1.7 所示，除了前述控制策略中的输出电压闭环和输入均压环外，还包含了各模块自己的电流环，图 1.7 中 gvo、gvcd、gi分别为输出电压调节器、输入均压调节器以及电流调节器。 输出电压闭环保证输出电压稳定并产生各模块的电流基准信号，输入均压环的输出信号微调上述电流基准，使输入电压高的模块输出电流增大，输入电压低的模块输出电流减小，从而实现输入均压。同样根据能量守恒原理，实现输入均压也就实现了输出均流。电流环的引入能够改善系统的动态性能，还可实现输出限流。 文献56针对双全桥变换器isop系统提出采用磁集成技术，其高频变压器采用了两原边两副边四绕组共磁芯结构，强制使两个输入电容电压均衡；此外，该方案还在输出电压反馈的基础上增加压差反馈环节以及电流前馈以保证输出电压的稳定和输入电容的动态均压。 文献57- 58则同样针对双全桥变换器isop系统提出了具有输入电压前馈的充电控制方案，实现了输入电压的均 ipop 和 isos 逆变器组合系统的控制策略研究 10 gvcdvcd1vogvof+vin/n1# 模块2# 模块vrampvramp1#输入均压闭环gvo移相控制移相控制comp1comp2clock1clock2输出电压闭环gvcdvcd2+vin/n2#输入均压闭环gvcdvcd(n- 1)+vin/nn#输入均压闭环n# 模块vramp移相控制compnclockngi1ilf1+1#电感电流内环gi2ilf2+2#电感电流内环ginilfn+n#电感电流内环 图 1.7 isop 直流变换器系统的三环控制策略 压控制。 1.5.2 isos 直流变换器系统 对于 isos 直流变换器系统，文献59提出了三环控制策略，其控制环节同样包括各模块共用的输出电压外环、输入均压环以及各个模块自己的电流内环，控制框图与图 1.6 类似。该控制方案中，共用电压外环的输出提供各模块电流内环的基准，而输入均压环的输出信号微调上述电流基准，从而实现输入均压的同时，亦同时实现了输出均压。 1.5.3 isop 逆变器系统 对于 isop 逆变器系统，文献60进行了深入的研究，提出了一种输入均压输出均流的控制策略，如图 1.8 所示，其控制环节包含了共用的输出电压闭环、各模块的输入均压环和电流内环(采用电感电流反馈)。图 1.8 中，gvo、gvd分别为输出电压调节器、输入均压调节器，kf、kvf分别为输入电压衰减系数、输出电压反馈系数。假设电流环能够快速跟随给定信号的变化，则电流环的给定信号和电感电流满足近似线性关系，因此可将电流环用比例环节 kc代替。上述各控制环路中，共用的电压外环保证系统输出电压稳定，其输出作为各模块的电流内环的基准；输入均压环保证输入均压的同时，实现输出有功功率的均衡。由于被控对象是逆变器，它的电流基准信号不仅包含幅值信息，还包含相位信息，所以这里引入了乘法器，以保证输入均压环的用于微调电流基准的信号量 isvj(j=1, 2, , n)与原来的电流基准保持相位相同，从而实现了输出电流的幅值调节，同时使各模块的输出电流功率因数角保持相等。在输出滤波电容参数匹配时，该方案可有效实现输出均流。 南京航空航天大学博士学位论文 11 2#模块电流环n#模块电流环输出电压环vinnkfkf_+gvdisvnkcivo+_+_ilf 2ilf nkvfvokcrl+_vrefgvo2#输入均压环vin2kfkf_+gvdvin_nvin_nisv2n#输入均压环1#模块电流环+_ilf 1kc1#输入均压环vin1kfkf_+gvdvinnisv1iref 1iref 2iref nk1k2knscf 1icf 1scf 2icf 2scf nicf n_+_+_+_+io1ionio2vof?v1?v2?vn 图 1.8 isop 逆变器系统的输入均压输出均流控制策略 1.6 研究意义和内容 1.6.1 研究意义 从前面的讨论可以看出，对于ipop逆变器系统，虽然已有大量文献提出了各种输出均流控制方案，但这些方案尚存在各自的缺陷与不足。 本文针对基于平均电流控制的分布式并联控制方案中的电感电流反馈导致输出外特性较差这一缺陷提出改进控制方案，在改善输出外特性的同时，保留系统原有的均流效果及限流功能不变。而对于isos逆变器系统，国内外文献尚未见报道， 因此展开对该系统的研究， 可为输入串联型逆变器组合系统的应用打下理论和工程应用基础，其研究思路可为其他类型(ac/dc整流器、ac/ac变频器等)模块组成的组合系统的研究提供参考。本文的研究内容有利于丰富和完善电力电子系统集成的内容。 本课题中，ipop 逆变器系统的研究成果可广泛应用于 ups 以及航空静止变流器等系统中，提高系统的冗余度和可靠性。而 isos 的研究成果具有广阔的应用前景，特别适用于输入电压较高的场合，比如船舶、高速电气铁路和城市轨道交通等电气系统中的逆变电源。例如在城市轨道交通车辆中，它们的受流器从架空接触网或第三轨接收直流电