（电力电子与电力传动专业论文）基于plc的逆变电源并联控制研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n t o fm o d e me l e c t r o n i c s t e c h n o l o g i e s ，t h er e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n to fp o w e rt e c h n o l o g yh a v em a d ec o r r e s p o n d i n ga c h i e v e m e n t s t h e n ，s p w m i n v e r t e rp o w e ri sw i d e l yu s e di na r e a ss u c ha sc o m m u n i c a t i o n ，f i n a n c e ，a v i a t i o n , m e d i c a l a n d m i l i t a r y , e t c t oi m p r o v et h e c a p a c i t ya n ds t a b i l i t yo fp o w e r ，m o d u l ep o w e rh a sb e e no n eo ft h e s t r e a l b so fs p w mi n v e n e r t h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h e p a r a l l e lo p e r a t i o no f i n v e n e r sb a s e d o np o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o n b a s e do nv o l t a g ei n v e r t e r ，c o n s t r u c t e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f p a r a l l e lo p e r a t i o no f i n v e r t e r s ，a n dd r a wt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na c t i v ep o w e ra n dp h a s e ，r e a c t i v ep o w e ra n d v o l t a g e t h e nc o m e s t ot h ec o n t r o ls c h e m eo f t h e n p a r a l l e lo p e r a t i o no f i n v e n e r s t h e nd e p i c th o wt or e a l i z ep o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o n ，e s p e c i a l l y0 1 1t h eo u tp u to f i n v e r t e r s a n a l y s et h et h e o r yo fp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ( p l c ) ，t h e nt h ep r o t oo fp l c a f t e rt h a t ，b yt a k i n gt h ee x a m p l eo fo n es p r e a ds p e c t r u mp o w e rl i n ec o m m u n i c m i o n i c ， s h o wh o wt ob u i l daf a s tc o m m u n i c a t i o np o w e rl i n em o d e m ，i n c l u d i n gt h ec i r c u i td i a g r a m a n dt h ef l o wc h a r to fi t sp r o g r a m w h a tc o m e sn e x ti st oa n a l y s et h ep o w e rm e a s u r e m e n to f s i n g l ep h a s ei n v e r t e r o n e m e t h o di si m p l e m e n t e db yf o u r i e rn o t c hf i l t e ri na d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ；a n o t h e rw a y t o d ot h a ti sb yas i m p l ea n df a s tm e t h o d ，w h i c hc o m e sf r o mt h ei n s t a n t a n e o u sp o w e r t h e o r y t h es i m u l a t i o nr e s u l to f b o t hm e t h o d sh a sb e e ng i v e no u t a n o t h e rk e yp r o b l e mo f p o w e r j i n ec o m m u n i c a t i o ni st h ed i f f e r e n tk i n d so fn o i s ea n d t r a n s i e n tv o l t a g e ，w h i c hs i g n i f i c a n t l ya f f e c t sp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n s ot h em o t i v a t i o n f o rd e p r e s st h en o i s eo fi n v e r t e ri sf o c u s e do n n l er e s u l to fa s p e c t r u ma n a l y s e ri sa l s og i v e n o u t t h e1 a s tk e yi s s u ei st h ec o n t r o ls t r a t e g yo fp a r a l l e lo p e r a t i o no fi n v e r t e r sw i t hn oi n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e nt h e m e v e r ym o d u l eg e t st i l ea c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e ro fo t h e r m o d u l e sb yp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n t h e na d j u s t st h eo u tp u tf r e q u e n c ya n dv o l t a g e r e l a t i v e l y t h er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n t sa r ea l s oi l l u s t r a t e d k e y w o r d s ：s p w mi n v e r t e r ，p a r a l l e lo p e r a t i o n ，r e s t r a i no fc i r c u l a t i n gc u r r e n t ，l o a d s h a r i n gc o n t r o l ，p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，p o w e rm e a s u r e m e n t 华中科技大学硕士学位论文 1 概述 1 1 电力电子技术发展状况 电力电子技术是- - i 1 多学科互相渗透的综合性学科，它与控制理论、材料科学、电 机工程、微电子技术等密切相关。电力电子技术研究的主要内容是电能的转换和控制。 从产生到至今，电力电子技术已获得了很大的发展，其应用已深入到工业生产和社会生 活的各方面，典型用途如传动、稳压电源、感应加热、直流输电、电镀及电加工、交流 不间断电源、用于电网的各种补偿控制器等等。应用电力电子技术可有效的利用、节约 能源，己成为新能源与电网的中间接口。电力系统存在的系列问题也为电力电子技术 的应用提供了广阔的空间。 电力电子技术研究的内容包括以下三个基本内容铲”：( 1 ) 电力电子器件：( 2 ) 电力 电子变换技术；( 2 ) 电力电子电路的控制技术。 1 1 1 电力电子器件 电力电子器件主要指电力电子设备中的开关管，是电力电子技术发展的基石和动力。 从1 9 5 8 年晶闸管的产生到现在。4 0 多年来电力电子器件已发展了好几代，主要可分为： ( i ) 不可控器件，如整流二极管；( 2 ) 半控器件，这种器件不具备自关断能力，如普通晶 闸管；( 3 ) 全控器件，这种器件可控制关断，是目前应用最多的电力电子器件，如r 、 p o w e rm o s f e t 、i g b t 、s i t 、g t o 、m c t 、s i t h 等等。目前，开关管发展的主要目标是高 性能化，即大容量高压大电流、高频率、易驱动、低损耗，相应的评价器件品质因素的 主要标准是容量、开关速度、驱动功率、通态压降、芯片利用率。 在器件向高性能发展的同时，器件的模块化、集成化也迅速发展，并且已获得了很 多的应用。电力电子开关模块是把单个或多个开关器件按一定的电路拓扑结构连接并封 装在一起的开关器件组合体。模块化可减小开关电路装置的体积，降低成本，减小线路 电感。功率集成电路p i c ( p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t ) ，是将电力电子开关器件与诸如 驱动、缓冲、保护以及传感、检测等控制电子电路集成在一起的集成电路。根据其性能 的不同，可称为智能功率模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) 、智能功率集成电路 s p i c ( s m a r tp o w e ri c ) 、高压集成电路h v i c ( h i g hv o l t a g ei c ) 等。p i c 实现了集成电 路功率化、功率器件集成化，使功率和信息集成在一起，成为一整体，已成为机电体 化的接口。 本文研究课题受国家自然科学基金资助，项目批准号：5 0 0 0 7 0 0 4 华中科技大学硕士学位论文 1 1 2电力电子变换技术 电力电子变换技术就是利用电力电子开关器件作为开关管，按一定的拓扑结构连接的电 能控制、变换电路所完成的变换功能。按其功能大致可分为： ( 1 ) a c d c 整流器；( 2 ) d c a c 逆变器；( 3 ) d c d c 斩波器：( 4 ) a c a c 直接变换器。按开关 管开通、关断时所承受的应力状况可分为：硬开关变流器和软开关变流器”1 。 1 1 3 控制技术” 控制技术包括硬件实现和控制策略。 1 ) 硬件技术 随着集成电路的发展，微处理器性能的不断提高，在中大功率场合，电力电子电路控制 系统逐渐由模拟控制向模数或全数字控制转化。数字控制的实现使得许多复杂的控制算 法得以实现，使得电力电子装置在提高性能的同时，也向智能化方向发展。目前，美国 t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) 公司的t m s 3 2 0 系列d s p 已成为中大功率电力电子应用场合的主 流控制芯片。数字控制器的性能主要依赖于微处理器的采样时间和指令执行时间，其控 制的实时性是阻碍数字控制实现的主要原因，微电子技术的突飞猛进使得该障碍得以克 服。 2 ) 控制策略 在电力电子变换技术日趋成熟的基础上，利用各种控制理论和控制思想来提高系统 的性能的同时，也给其发展注入新的动力。如p w m 思想的提出，解决了电源在功率放大 方面的主要技术问题，使得电源性能( 效率、谐波、容量、精度等) 的提高更易受控， 各种闭环控制理论在电源应用中获得了成功的应用。 1 2 逆变器并联及均流技术 基于大规模生产及系统维护的需要，由若干标准单元构成的模块化系统，以其可靠 性高、功率范围广等优点，已成为电源系统的重要发展趋势【4 “4 “，而逆变电源的并联 控制则是其中的核心技术之一。 自8 0 年代末期开始，逆变电源的模块化引起了学术界和企业的广泛关注，如美国 科学基金会( n a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ) 在1 9 9 6 年投入了大量资金资助大学与 企业联合攻关，希望在十年内实现i p e m ( i n t e g r a t e dp o w e re l e c t r o n i c sm o d u l e s ， 集成功率电子模块) 的产业化；美国海军有关部门( o f f i c eo fn a v a lr e s e a r c h ) 也 资助了一项名为p e b b ( p o w e re l e c t r o n i cb u i l d i n gb l o c k ，功率电子组件) 的项目 4 0 - 4 t ，其技术内核即为电源系统的模块化及最优并联运行控制。 处于这种研究背景下，逆变电源的并联运行技术不仅表现为一种完整、系统的控制 理论，同时也是一门代表工程发展需要的实用技术。 华中科技大学硕士学位论文 最常见的一种控制方式是分散逻辑控制方式，每个逆变单元在系统的并联控制中作 用等同，各自独立工作。由系统中的信号母线( 能表征频率、相位和幅值信息) 得到综 合量，作为公共基准信号。通过检测各单元相应信号与公共基准信号间的差值，计算出 各自的调节量，进行并联控制。 1 3 逆变器的无互联线并联 虽然分散逻辑并联控制方案会在不同程度上增加电源系统结构的复杂程度，但由于 其控制方式简单易行、便于用户扩容，因而得到了广泛应用。但总体而言，由于并联系 统中的各逆变电源模块并非完全相互独立、对等地工作，存在着系统上的单点故障 ( s i n g l e p o i n tf a i l u r e ) 和控制线路的噪声干扰等问题，难以满足日益提高的电源系 统可靠性要求，因而与真正的模块化系统尚有差异。因此，近年来一些学者和电源制造 商开始对另一种新的并联控制思路一无互联线的逆变电源并联运行技术进行了探索性 的研究 当前文献中所提及的逆变电源无互联线并联控制策略及研究，主要表现为以下几 个方面： i ) 利用电力系统并网采用的下垂特性控制方法 假设并联连接的各逆变电源输出电压之间相位、幅值差足够小时，相位差主要导致 了有功功率的差异，幅值不等则主要引起无功功率的差异。根据这个基本原理，利用电 力系统并网技术中广泛采用的外下垂特性控制，各逆变模块以检测到的本单元有功( 或 无功) 功率为依据，相应程度地调节本模块输出电压的频率、相位( 或幅值) ，最终达到 动态平衡。一些学术论文对基于此方法的无互联线的逆变电源并联控制进行了探讨“4 1 ， 并获得了一些初步结果。这种控制方式是由美国的d i d i v a n 等人于1 9 9 3 年针对三相 逆变系统提出的，1 9 9 7 年加拿大的a t u l a d h a r 。1 等人完善了单相逆交系统的控制模型。 2 ) 谐波注入控制 采用类似于通讯中调制解调的工作原理，各并联模块检测本单元输出电压的频率和 相位，以某频率的谐波形式叠加在其输出基波电压上，各并联模块在输出端注入的这 种谐波分量综合产生相应的公共基准信号，作为各模块的调节参考信号，通过检测本单 元与相应的公共基准信号问的差异，可获得对本模块精确调节的信息；无功功率和谐波 失真功率的均分也可采用同样控制方法。该控制思想由美国麻省理工学院的d j p e r r e a u l t i s 于1 9 9 7 年提出，a t u l d h a r 等人于1 9 9 8 年也进行了类似的探索性研究“3 。 此外有的研究者对谐波频率的控制分别采用了有功、无功和谐波失真功率的外下垂特性 调节方式，对最初基于物理意义上的外下垂控制进行了耨的拓展，为减小对正常电压输 出的影响，在这种控制方法中，注入的谐波电压幅值远小于输出基波电压( 约i ) 。总 体而言，这种并联控制的特点是：以输出端为信号传递通道，利用一定的谐波合成和检 测手段，实现与有互联线类似的控制效果* 1 。 我们知道，为了实现逆变器的并联，必须在并联逆变器之间交换一些信息，这一点 在有互联线并联中是非常容易的，然而对于无互联线并联而言，实现信息的交换比较困 华中科技大学硕士学位论文 难。在下垂特性无互联线并联中，当初始偏差较大时均流的误差也较大，存在着稳态误 差和动态调节速度间的矛盾，而且其均流精度与供电品质上也相应存在着难以调和的矛 盾。在加拿大学者提出的谐波注入法当中，因为他用额外的一块t ) s p 来实现谐波注入， 而且谐波的峰值达道1 0 v ，这样就带来结构复杂，成本增加，谐波含量增大等不利因素， 同时，这种控制方式仍存在着较明显的系统稳定性闯题。以实现并联变换器之间的通信， 但是其交换的信息很少，而且实现起来比较复杂，并不是一种很好的选择。 由于以上两种方法都存在着一些不足，于是本文提出了基于电力线通讯的无互联线 逆变器并联技术。但是，我们利用电力线载波的方法，在并联逆变器之间通过输出通道 构建通信的线路，将是一种非常合适的方法，因为它与其它方案比较起来有很多有点： 第一交换的信息量比较大，只要通信速率足够高，则在一定时间内并联逆变器之 问可以交换足够的信息。 第二，电力线载波通信的技术比较成熟，目前市场上已经有专用电力线载波通信的 芯片，价格也比较便宜。 1 4 本文选题的意义和主要研究的内容 逆变电源的模块化及其最优化并联控制技术研究，是交流电源系统从传统的集中式 供电向分布式供电乃至全功能电源系统供电模式发展过程中必须解决的一个重大课题。 逆变电源的模块化和并联化运行，可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，用户可根据需要任意组合系统的功率，同时可方便的采用冗余设计，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，并减少了生产和维护费用。 本文主要的研究内容如下： 1 ) s p w m 逆变电源并联模型分析 在逆变电源并联系统的等效电路基础上，分析了并联系统的数学模型，并就电路特 性讨论了各电源输出不平衡时所造成的相互差异。以环流功率( 环流有功和环流无功) 为研究对象，针对不同的输出差异情况和线路输出阻抗特性，分析了环流功率的分布状 况，并讨论了负载对并联系统的影响。在分析中主要得出的结论是各电源输出电压间的 相位差主要造成有功功率的差异，有功环流的方向是从相位超前的单元流向相位滞后的 单元，即相位超前的发出正有功环流，相位滞后的发出负有功环流：各输出电压间的幅 值差主要造成无功功率的差异，无功环流的方向是从幅值较大的单元流向幅值较小的单 元，即幅值较大的发出正无功环流，幅值较小的发出负无功环流。 2 ) 电力线载波通讯的原理和实现 主要分析电力线载波通讯的原理，各种调制解调的方法。接着介绍和分析了扩频通 信的原理和实现。然后介绍了各种电力线载波通讯的协议。在原理分析的基础上面，以 美国i n t e l l o n 公司的s s c p 4 8 5 扩频芯片为例具体讲述了硬件电路的设计，包括滤波器， 耦合电路，保护电路等；在硬件设计的基础上，制订了载波通讯的协议，讲述了“电力 线总线”的通信协议。通过这些硬件和软件的设计，完成了电力线载波通讯的电路和程 序。 4 华中科技大学硕士学位论文 3 ) 单相逆变器的功率检测和并联系统的监控 在逆变器并联系统中，为了使有功功率和无功功率得到均分，首先必须要精确而快 速的检测功率。这一部分主要分析怎么检测逆变器的功率以及并联系统的监控，除此之 外，还分析了对电力线载波通讯有很大影响的逆变器噪声的产生和抑制。 4 ) 逆变器系统的并联运行和控制策略 通过电力线载波通讯的通道，以及监控的收发数据( 有功和无功) 程序，还有类似 于分散逻辑控制的策略，所有这些组成了基于电力线载波通讯的逆变器并联运行和控制 的策略。主要包括数据的协调收发，使双方在收发的时候没有冲突；首先开机的时候通 过数字锁相环来使得并机的瞬间相差比较小；通过有功调频来使系统的有功得到均分， 通过调压来使系统的无功得到均分：通过电压闭环来保证在输入电压和负载发生变化时 输出电压保持稳定。 华中科技大学硕士学位论文 2逆变电源并联系统模型分析 2 1 逆变电源并联的电路模型分析 2 5 1 2 9 由多个逆变电源模块组成的并联运行系统结构上较为复杂，且存在相互间的强耦 合关系，难以建立精确的数学模型。为简化起见，不妨先对两单元并联系统作出分析， 如图2 1 所示。图中k ，分别为两台逆变电源输出的基波电压，z l , z 2 是逆变器输出端 至公共输出连接端的阻抗，z 。为负载阻抗，唬为公共端输出电压，为负载电流，i , i 。2 则分别为两台逆变电源的输出电流。 图2 1 逆变器并联电路模型 根据基尔霍夫定理，可得如下关系式： l _ 一= z 1 + j l 砭一k = z 2 l i，l + ，2 = 厶 ( 2 1 ) 假设在理想情况下z l = z ：= z ，并考虑关系式矿。：t z 。，则可得如下结果 疵* 一) = 圭0 铹 唬2 挡 lz lj ( 2 2 ) 6 华中科技大学硕士学位论文 其中z 。为负载阻抗，是环流电流( 定义为两逆变器输出电流差值的一半) ，0 为逆 变器输出端至公共连接端的阻抗角。由以上表达式可以得到如下结论： 1 ) 并联系统中各逆变电源输出电压的相位或幅值的不一致将会产生环流分量，其大 小和空间相位关系由幅值差及相位差决定： 2 ) 线路阻抗特性对环流有明显的影响。当并联系统中输出电压的幅值差和相位差一 定时，不同的线路阻抗角0 不同程度地改变了环流电流的相位关系，而不同的线路阻抗 值z 则不同程度地改变了环流电流的大小； 3 ) 公共输出端的电压不仅由各并联单元的输出电压决定，而且受负载影响。在各并 联单元的输出电压不变时，对于不同特性的负载，输出电压的大小和相位也会随之变化。 这种特点类似于单个逆变器的负载效应。 由上述特点分析可知，逆变电源组成的并联系统中存在内在矛盾：一方面希望线路 阻抗足够大，以限制环流的大小，减小电流突变，保证器件乃至整个系统的安全工作： 另一方面出于减小负载效应的考虑，则希望线路阻抗越小越好。早期的逆变电源并联研 究曾经历过“零输出阻抗“的阶段”“，但由于电流变化率过高而难于继续发展。 对于定的并联系统，线路阻抗是固定值，而各逆变器的输出电压则是被控量，可 以考虑通过对输出电压幅值和相位的精确控制，实现各并联单元间合适、优化地承担负 荷。这种思路也是实现并联控制的基本原理。 以线路阻抗为感性( 即z = j u l ) 时对电路迸一步分析。据公式可推导出以下特性： 1 ) 各逆变电源输出电流由两部分组成，其一是负载电流分量，其二为环流分量。对 于不同的逆变器，前者是相同的分量，由负载决定，体现了相互间均分负荷的趋势；后 者则大小相等，方向相反( 多台逆变器并联时则更为复杂) ，由各并联单元输出电压的 差异决定，体现了相互问承担负荷的不等； 2 ) 各输出电压间的相位差主要造成有功功率的差异，有功环流的方向是从相位超前 的单元流向相位滞后的单元，即相位超前的发出正有功环流，相位滞后的发出负有功环 流( 吸收有功环流) ； 3 ) 各输出电压间的幅值差主要造成无功功率的差异，无功环流的方向是从幅值较大 的单元流向幅值较小的单元，即幅值较大的发出正无功环流，幅值较小的发出负无功环 流( 吸收无功环流) ： 4 ) 各输出电压间既有相位差又有幅值差异时，则既有有功功率的差异，又有无功功 率的差异。 针对这种感性情况时，为实现抑制环流、均分负荷的控制目标，应保证 1 ) 各逆变电源间相位和频率的严格一致，以确保彼此间有功功率的均分 2 ) 各逆变电源间输出电压幅值相等，以确保相互间无功功率的均分。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 逆变电源并联时的环流分析 图2 , 2 并联系统空阃向量图 如前面得到的结论，并联系统中环流产生的根本原因是输出电压间幅值或相位的不 平衡所造成的。因此可以考虑将环流的平均值作为控制对象，通过合理的方法将其控制 在要求的范围内。与此同时，环流的存在必然造成各并联单元输出功率( 有功、无功) 的不平衡，反之亦然。因此可以通过检测各并联逆变单元间有功及无功功率的差异来确 定环流的大小，并可通过对功率差异的分析选择合适的控制算法，以实现并联运行时抑 制环流、均分功率的控制目的。 图2 2 所示为并联系统的空间矢量图，仍以两单元并联系统为例分析。其中k ， 为两台逆变器的输出电压，n ，：分别为输出电流，厶则分别为公共连接端的输出电 压和输出电流。图中设定6 为k ，间的相位差角，中是，。和k 间的相位差角，8 为 ，与矿间的相位差角，即线路阻抗的阻抗角( o a 段平行于b c 段) 。 据图2 2 知，两台逆变器间的有功功率差为： 尸= 巧，i 一屹，2 = 矗( j + 圭) 一唬( 一? + 圭五 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 目= = ： 1 = ( k + ) a ，+ ( 巧一) 妄，。 = ( 或+ 蜘糍+ ( 反一咖j i z 。 ：( v , 2 - v ? ) c o s o - v y , c o s ( 8 + o ) + v y 2 c o s ( o - 8 ) ， 2 z ( 2 3 ) + 鲁 k ( 万+ ) 一v 2 c o s 矽 类似地，两台逆变器间的无功功率差为： q = k x ，i 一x ，2 = 谚( ；+ 圭 一唬( 一j + 圭 ：! 堡：= 鳖! 翌! 皇二兰坠塑堕盟坠坠羔! 塑二盟 2 z ( 2 4 ) ， 、一。 + 詈 v i s i n ( 6 + ) 一心s i n q k 由以上表达式可以看出，线路阻抗角e 的大小影响了有功和无功环流的分布状况， 不同的e 不仅决定了不同的环流状况，而且也使得相应的控制准则有着根本区别。下面 就两种特殊的线路阻抗角0 对有功及无功环流进行分析： 一o = o ( 即线路阻抗呈阻性时) 这时有：p ：兰；竺+ i 。 v , c o z 2 s ( 万+ ) 一心c 缸纠 2 、“ “ z x q ：一v 1 v2sin6+生【kn(占+妒)一。辩n妒】z2 l l 、 ， z 。r j 1 ) 6 ：0 且_ 时( 即输出电压间仅有幅值差，没有相位差) ，上式简化为 ( 2 5 ) 一乒堋一 孚c o s m 娟吲 警+ 孚c o 训 ( 2 _ 。) q = ( k 一) + s i ( 2 7 ) 由于z 的值通常很小，n n i g 时有：p q ，即环流功率以有功为主。 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 6 0 且k = = v 时( 即输出电压间仅有相位差，没有幅值差) ，上式简化为 p = 每矿 c d 舯焖一c o s 矿 一l o v s i n ( 害堋+ 跏害 ( 2 删 q ：一v 2 _ s 7 i n 6 一+ i ov + s i n ( f i + 妒) 一研疗 71 7 ，。 蜥。知孚m 此时同理有：aq p ，即环流功率以无功为主。 二0 = 9 0 ”( 即线路阻抗呈感性时) 这时有 。kk s i n 6 p = 一j 一 z + v , c o j ( 占+ 庐) 一c b s 】 妒警+ 扣洲删m 洲 ( 2 - 9 ) ( 2 一l o ) ( 2 一1 1 ) 1 ) 6 = o 且_ 时( 即输出电压间仅有幅值差，没有相位差) ，上式可简化为 p = - 每 z , c o s ( 万+ 巾) 一c b s 妒】= ( k 一) + c o s ( 2 - 1 2 ) 妙警堋圳+ 扣州，吨警+ 扣司( 2 - 1 3 ) 这时有：q p ，即环流功率以无功为主。 2 ) 6 o 且k = = v 时( 即输出电压间仅有相位差，没有幅值差) ，上式简化为 p ：一v + - s i n 5 + ! 生矿+ 【c 。s ( 万+ 妒) 一c b s 】 z2 。 、。 朝卜2 v c 产o s 6 _ _ 一，o 鼢c 害埘，。跏吾= 矿+ 卜乏一，o 鼢亏+ ) 卜跏盖 ( 2 1 4 ) q = 了i o 矿脚n ( 中+ 6 ) 一跏纠= - i o v * c d s + 妒) 玎害 ( 2 一1 5 ) i o 华中科技大学硕士学位论文 此时有：p q ，即环流功率以有功为主。 由上面的分析结果可见，在线路阻抗呈阻性与呈感性两种情况下，有功和无功环流 功率的分布情况恰好相反。 考虑到逆变电源输出端滤波电抗的阻抗值远大于线路电阻的阻抗值，故通常认为线 路阻抗( 包括滤波电感) 呈感性，即阻抗角e = 9 0 。着重对这种情况下加以分析，可得 如下结论： 1 ) 并联系统中输出电压的相位差主要造成有功功率的差异，使各并联单元间形成 有功环流的流通：而输出电压的幅值差则主要导致无功功率的差异，使各并联 单元间形成无功环流的流通。这一点与2 1 中的分析结果完全一致； 2 ) 由于线路阻抗z 的数值很小，不大的输出电压差异也能产生很大的有功或无功 环流，大大增加了器件的损耗和承受的电应力，甚至导致系统毁坏。因此必须 严格保证输出电压频率、相位和幅值的一致，以确保系统的安全工作。这同时 表明，当并联系统正常工作时，各单元输出电压间的相位和幅值的差异必定很 ，j 、，a 口艿z0 且a v = 1 _ 一匕1 a 0 ： 3 ) 在负载一定时，当仅存在幅值差时， 成f 比关系；而当仅存在相位差时， 有功及无功环流功率的大小与幅值差近似 有功及无功环流功率的大小与相位差近似 成正比关系( 因为在6 很小时近似有跏( 吾 = 害) 。当既有相位差，又有幅值 差时，则功率环流既表现为有功的差异，又表现为无功的差异，相位和幅值差 不同程度地决定了有功与无功环流的大小，这时情况较为复杂； 2 3 逆变电源并联系统功率特性 逆变电源并联系统工作时，电源系统包括并联的各逆变电源模块以及接在交流电网 上的负载。下面以图2 3 为例来分析各台逆变器的功率特性。 其中x 为线路阻抗，u 。为并联电网电压。 图2 3 两台逆变器并联系统 逆变器l 供给负载的复功率为m ”1 ： 墨= 墨+ q l = ，? ( 2 1 6 ) 输出电流为： = 旦垒竺鱼害堕鱼l 盟( 2 - 1 7 ) ， 故耻u o 坠堕笋】 由此可得出输出有功功率和无功功率分别为： 忙半s m 仇 19=了uuo c o s 竹- u 0 2 由于一般逆变器输出电压蠢和系统电压抚间的相位差很小 i j = k u 儿珂i i g = 坚等型 户：主丛2 。 z 令u z = k z u 。则同理逆变器2 的输出功率为 q 2 = ( k 2 c o s 妒广z - 1 ) u 0 2 r ：垃 ( 2 - 1 8 ) ( 2 一1 9 ) 即s i m p la 识且令 ( 2 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 由式( 2 2 0 ) 和( 2 2 1 ) 可以看出逆变电源的输出有功主要取决于功率角佩和仍， 而输出无功功率则主要取决于输出电压幅值( t j 。，如) ，因此，可以用改变逆变电源的输 出电压幅值或振幅( k ”k 2 ) 来控制无功功率，由改变相位差( 仍，p ：) 来控制有功功 率。本文所提出的并联均流策略正是基于这种系统功率特性来进行控制的。 2 4 本章小结 本章从电路模型、相位关系、系统结构等方面对逆变电源组成的并联系统进行了分 1 2 华中科技大学硕士学位论文 析，讨论了环流电流的形成及特性。着重以环流功率为对象分析了各种情况下的环流机 理，讨论了输出电压之间相位及幅值有差时分别对有功和无功环流的影响，并在此基础 上提出了正常稳态工作时的控制规则：以有功功率的差异调节相互间的相位差，以无功 功率的差异调节相互间的幅值差。建立了并联系统输出电压幅值与相位控制模型，针对 无互连线的并联控制方式探讨了算法上的可能性。 华中科技大学硕士学位论文 3 电力线载波通讯的原理和实现 美国麻省理工学院的d j p e r r e a u l t 嘲于1 9 9 7 年提出采用基于谐波注入法的逆 变器无互联线并联控制。1 ，加拿大的a t u l a d h a r 等人于1 9 9 8 年也进行了类似的探索 性研究“1 。爱尔兰学者r i c h a r dc k a v a n a g h l n l 在1 9 9 9 年首先提出了通过电力线载波通 讯来控制永磁同步电机( p 幅m ) 。所有这些启发了我们通过电力线载波通讯来实现逆变器 的无互联线控制。本章主要介绍分析电力线载波通讯的原理和怎样在逆变器之间形成这 样个数据交换的通道。 3 1 低压电力线载波通信的基本原理及发展 随着信息技术的不断发展和人们对通信质量要求的不断提高，通信技术正朝着高速 率、宽频带、大容量方向发展。通信理论已从传统的频带传输( 幅移键控a s k ： a m p l i r u d e s h i f tk e y i n g ，频移键控f s k ：f r e q u e n c y s h i f t k e y i n g ，相移键控p s k ： p h a s e s h i f tk e y i n g ) 发展到扩频通信( s s c ：s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) ，多 载波正交频分多址( o f d m ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 以及使用 高速光纤的光波分复用( w d m ：w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术【1 2 1 等。 传统的低压电力线载波通信一般采用频带传输，即用载波调制的方法将携带信息的 数字信号的频谱搬移到较高的载波频率上，以避开电力线的强噪声干扰。所采用的基本 调制方式有幅值键控( a s k ) ，频率键控( f s k ) ，相位键控( p s k ) 。在此基础上，又派生出 了差分移相键控( d p s k ) 、最小移频键控( m s k ：m i n i m u ms h i f tk e y i n g ) 、四相移相键 控( q p s k ：q u a d r i p h a s e s h i f tk e y i n g ) 、正交幅值调制( q 心：q u a d r a t u r e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n ) 等。这些调制方法的最大弱点就是去噪能力不强，随着配电网结构的不断 复杂和人们对低压载波通信质量要求的不断提高，传统的载波通信技术已越来越不适应 现代高速率、大容量通信的要求呻。z 】。 扩频通信( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) 的真正全面研究是从5 0 年代美国麻 省理工学院成功研制的n o m a c 系统( n o i s em o d u l a t i o na n dc o r r e l a t i o ns y s t e m ) 开 始的。9 0 年代以来，随着信息技术的不断发展，扩频技术无论在理论上还是在实际应用 中都取得了长足的进展。 简单她说，扩频通信是用伪随机编码( 图3 1 中的p n 序列) 将待传送的信息数据 进行调制，实现频谱扩展后再传输，在接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理的 一种信息传输方法。 扩频通信的基本原理呷i 如图3 1 所示： 1 4 华中科技大学硕士学位论文 = = = ；= = = = = ；= ；目= = ；= = ；= = ；= ；= = ： p n 序列载波 本地载波本地p n 序列 图3 、l 扩频通信系统原理图 香农公式c = 矽l o g ：r 1 + p ) ( 其中：c 为信道容量，w 为频带宽度，p n 为信 噪比) 指出，在保持信息传输速率c 不变的条件下，可以用不同的频带宽度矿和信噪功 率比p 来传输信息，也就是说，频带矽和信噪比p 是可以互换的。这意味着在较 低信噪比的情况下，增加频带的宽度可以用相同的信息率以任意小的出错概率来传输信 息，通信系统可以通过增加带宽实现降低对信噪比的要求，达到使信号的传输更加可靠 的目的。这就是用扩展频谱的方法获得的好处，也是扩频通信的核心所在。 扩频通信的数学模型可用图2 2 表示： s ( t ) 啼 b ( m ) s s ：扩频正变换( 调制) ：r s s ：扩频反变换( 解调) s ( t ) ：传输信号；n ( t ) ：噪声： b i n ：信道带宽 图3 2 扩频通信的数学模型 s ( t ) + n ( t ) b ( m ) 在理想情况下，对扩频信号的解调是磷 鼹【s o ) 】 = s ( f ) 的过程，就是对传输信号 s ( r ) 的还原；而对噪声n ( f ) 而言，经过扩频处理后，这意味着噪声频谱被扩展，从而使 得噪声的强度减小。 实现扩频的方法很多，就扩展频谱方式的不同。扩频通信系统可分为：直接序列( d s ： d i r e c ts e q u e n c y ) 扩频，跳频( f h ：f r e q u e n c y h o p p i n g ) ，跳时( t h ：t i m eh o p p i n g ) ， 线性调频( c h i r p ) 以及上述各种基本扩频方式的组合，如：f h d s ，d s t h 等。扩频通 信的最主要优点在于其它具有较强的干扰能力和抗电力线时变衰减的能力。它通过扩展 信息带宽来换取低误码率，从而提高通信的抗干扰性能，适合在低压电力线这样的恶劣 通信环境下实现可靠的数据通信。 图3 3 给出了扩频信号与窄带信号的抗干扰原理图。图中实线表示信号的功率，虚 线表示噪声和其它干扰的功率，这里假设噪声干扰完全位于信号的频率范围之内。图 华中科技大学硕士学位论文 3 3 ( a ) ，3 3 ( b ) 给出了窄带信号传输解调后的结果，由于采用窄带信号传输方式时解调 采用滤波方式，因此带内的噪声无法消除。图3 3 ( c ) ，3 3 ( d ) 给出了使用扩频方式时的 效果，由于在解调端采用相关解调方式，而嗓声干扰与信号不相关，因此解调后的效果 是干扰被扩频，最后实际进入频带范围内的干扰成分变小，其效果由图3 3 ( d ) 可清楚看 出。同时，由图3 3 ( c ) 还可以看出，这种信号传输方式由于传输信号的功率谱密度很低， 几乎能够完全淹没在噪声干扰中进行传输，因而具有良好的隐蔽性，不易被截获，这是 扩频通信的又一优点。 一 图3 t 3 ( a ) 窄带信号和干扰噪声图3 3 ( b ) 窄带信号解调 f ij l 。衙蹁。 图3 3 ( c ) 扩频信号和干扰噪声图3 3 ( d ) 扩频信号解调 扩频通信方式的另一个优点是抗时变衰减能力强。由于低压电力线直接面向用户， 负荷条件非常复杂，网络结构变化大，且受随机因素的影响，因此，通信具有很大的时 变性。采用窄带通信方式时，如果传输零点”恰好落在信号能量集中的频带范围内， 华中科技大学硕士学位论文 那么信号就几乎完全被衰减，接收端无法正确接收到发送的有用信号。相反，如果采用 扩频通信方式，由于信号频谱被扩展后占有的频率范围较宽，即使是某一频率附近有“传 输零点”，其它频率的信号仍能正确传输，从而提高了通信的准确率。 通过以上分析可见，由于扩频通信具有抗干扰能力和抗时变衰减能力强的特点，而 低压配电网又是一种通信环境非常恶劣的传输媒介，因此扩频通信技术在低压电力线载 波通信中得到了广泛的关注。 除扩频通信外，正交频分多址( o f d m ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术作为一种新的通信方式，已引起了广大电力工作者的注意【2 3 】。简单地说，正交频分 多址技术是一种多载波通信技术，它将可用的频谱分解成一系列低速的窄带一次载波 ( s u b c a r r i e r ) ，各次载波相互正交重叠，在发送端分别对其进行调制。由于在多载波 调制的子信道中，数据传输的速率相对较低，码元周期较长，从而提高了对多径干扰的 抵抗能力】。此外，它还具有抑制因通信延迟而带来的误码。降低电力线的衰减特性对 载波通信的影响等优点。目前，i n t e l l o n 等批全球知名企业已将o f d m 技术应用于实 际低压电力线载波通信系统，其p o w e r p a c k e t 技术的传输速率已达1 4 p s ( 频带： 4 3 m h z 一2 0 9 m h z ，8 4 路载波) 。 3 2 电力线载波通信技术标准及其发展 目前，低压电