（电力电子与电力传动专业论文）逆变电源无互联线并联均流控制技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h es t u d yo fs p w m i n v e r t e r si np a r a l l e lo p e r a t i o nw i t h o u t a n yi n t e r c o n n e c t i o nl i n e s b a s e do ni n t r o d u c t i o na b o u tt h et e n d e n c ya n dr e l i a b i l i t yo f m o d u l a rp o w e rs u p p l yd e v e l o p m e n t ，s e v e r a la s p e c t sa r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l ya n d d e e p l y a c c o r d i n g t ot h ef e a t u r e so f v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r s ( v s i ) i nw i r e l e s sp a r a l l e lr u n n i n g ，s u c h a st h e p a r a l l e l c i r c u i tp r o t o t y p eo fa cs u p p l y , d i g i t a l s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lm e t h o d ， c i r c u l a t i n gc u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c so f p a r a l l e ls y s t e m ，a n dp o w e rd i s t r i b u t i n ge q u a l l y , e t c as e to fe f f e c t i v em a t h e m a t i c a lm o d e l sa n da n a l y z i n gm e t h o d so ni n v e r t e r sp a r a l l e l s y s t e ma r ed e v e l o p e d o nt h eb a s eo f d e e p l yu n d e r s t a n d i n ga b o u tt r a n s f e r r i n gc h a r a c t e r i s t i c s o fs p w mi n v e r t e r so u t p u tp o w e r , a l s ot h ec o n t r o lp r i n c i p l eo f l o a d - s h a r i n gb e t w e e ns u p p l y m o d u l e si nt h ep o w e r s y s t e m a c c o r d i n gt ot h es t r a t e g yo fl o a d s h a r i n ga n dt h er e l a t i o no f p o w e rb a l a n c e ，t h ep r i n c i p l e ，o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dm e a n st or e a l i z a t i o no fw i r e l e s s p a r a l l e lc o n t r o lt e c h n i q u ea d o p t i n g t h ep - ua n d q - vd r o o ps c h e m e a r ea n a l y z e d s i n c et h e c o u p l i n gb e t w e e nc o n t r o lq u a n t i t y a n dc o n t r o l l e dq u a n t i t y , t h e r ei sa l l o b j e c t i o ni nt h ec o n v e n t i o n a ld r o o pc o n t r o la r i t h m e t i c b a s e do na n a l y s ef o rt h i s ，an e w d e c o u p l i n g c o n t r o la r i t h m e t i ci s p r e s e n t e d ，b y w h i c hc o n t r o l q u a n t i t y a n dc o n t r o l l e d q u a n t i t yo f l o a ds h a r i n gc o n t r o ls c h e m ec a nb e d e c o u p l e d i nt h i sp a p e r ，ad i g i t a lp h a s e - l o c k e dl o o p ( d p l l ) a r ea d o p t e dt ok e e pt h ef r e q u e n c y a n dp h a s eo fu p so u t p u tv o l t a g ei d e n t i c a lw i t l l u t i l i t y s o u r c e a n dar e m o d u l a t i o n t e c h n i q u ei se m p l o y e dt oi m p r o v et h ep r e c i s i o no f p l l t h ea c t i v ec i r c u l a t i n gc u r r e n ti s r e s t r a i n e db yp l lw i t h p h a s ed r o o p t op r o v i d ep o w e r t ol o a ds t e a d i l y , t h es w i t c hb e t w e e n t w or u n n i n gm o d e so f u p s p a r a l l e ls y s t e m k e y w o r d s ：w i r e l e s sp a r a l l e l s p w m i n v e r t e r p a r a l l e lr e d u n d a n t d e c o u p l i n gc o n t r 0 1 c i r c u l a t i n gc u r r e n t ，l o a ds h a r i n g c o n t o l p h a s el o c k e dl o o p p w m r e - m o d u l a t i o n u 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 逆变电源并联技术的研究背景 1 1 1 现代电源系统的发展概述 随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密 切，而电子设备都离不开可靠的电源，一些重要的用电部门( 如机场、医院、银行) 和一些重要的用电设备( 如计算机、通信设备) 对供电质量的要求越来越高，不仅要 求不停电，还要求电压、频率、波形准确完好，如不间断电源( u n i n t e r r u p t i b l ep o w e r s u p p l y ，简称u p s ) 广泛应用于计算机、程控交换机、数据处理系统、医疗诊断仪及 精密电子仪器等不能中断供电的场合。所以电源是电子设备的心脏部分，其质量的好 坏直接影响着电子设备的可靠性，电子设备的故障6 0 来自于电源，于是电源越来越 受到人们的重视。仅就其中的开关电源而言，2 0 0 0 年我国的产值在1 9 9 9 年的基础上 上升了1 4 ，达到8 0 亿( 其中通信电源4 8 亿，电力电源3 2 亿) ，它仅占世界开关电 源总产值的4 6 一。 由于电源系统应用领域的日益推广和扩大，人们对其基本性能也相应提出了更高 的要求，即任何一类电源系统”，： ( 1 ) 具有高可靠性，能保证在任何时候都能可靠地给重要负载供电； ( 2 ) 有足够大的容量，以满足用户的需要； ( 3 ) 能全面贯彻电磁兼容各项标准； ( 4 ) 可以大规模稳定生产或快捷单件特殊生产； ( j ) 能方便地组建大容量供电系统： ( 6 ) 电气额定值能更高( 如功率因数) 或更低( 如输出电压) ； ( 7 ) 可以使外形小型化，总体结陶和外形能适应各种场合的要求。 这些要求是电源装置在更广泛领域应用的关键。在它们之中，有些与单个电源模 块的设计方案密不可分，而有些汉靠单个电源模块则是满足不了的。电源系统方案的 确定，即供电方式的选取在很大程度上决定了其性能和可靠性水平。 随着科学技术的进步，电源设备将朝着高集成比、高智能化、高密度化、高可靠 性方向发展。 华中科技大学硕士学位论文 1 1 2 新型能源的发展与分布式电源系统 我国一次能源储量丰富，但分布不均，人均能耗低而单位产值能耗高，所以必 须靠节约能源即“第六能源”和新能源来解决可持续发展对能源的要求。我国太阳能、 风能、潮汐、地热资源丰富，而且它们是可再生的绿色能源，对环境和气候的影响也 会得到缓解，现在这些新型能源得到了广泛的开发与利用。但相对而言，利用潮汐、 地热发电难度较大，而目前利用太阳能和风能发电已取得了很大进展，己进入实用化 阶段。可以预见，大规模光伏( p v ) 电站与储能系统及风力发电( w g ) 的组合是未来照 明和民用的重要分布式电源“。 当由这些新型能源组成供电系统时，不仅需要能够为负载提供电力，而且出于系 统优化的考虑，还希望能够和公共电网构成统一的供电网络，以实现能源的高效转换 和节能利用。一般说来，由于这些新型能源的地理位置分布有较大的分散性，结构和 功率等级等方面也有很大差异，要实现统一供电，则必须在技术上使得不同容量、不 同结构的电源系统并联运行成为可能。这也是广义的分布式电源系统( d i s t r i b u t e d p o w e rs y s t e m ) 的基本要求。“1 。此外，统一的供电网络还提出了实现电源模块和电 网并联的技术要求，由此将电源并联技术扩展到了供电系统的广阔领域。 所谓分布式供电是相对于集中式供电而言的，它是利用最新电源理论和技术做成 相对较小的电源功率模块来组合成积木式、智能化的大功率电源系统的供电系统设计 方式。分布式电源供电系统具有如下一些主要优点。”1 ： ( 1 ) 供电质量高。因为各供电单元最接近负载改善了负载静态和动态响应特性： ( 2 ) 提高了系统的灵活性，可将模块的开关频率提高到兆赫级，从而提高了系统 的功率密度，使电源系统的体积、重量大为下降： ( 3 ) 减少了产品种类，便于规范化和标准化； ( 4 ) 高效、节能。减小了传输损耗，提高了系统效率，节约了能源： ( j ) 可靠性高。各个模块的功率半导体器件的电应力减小，而且容易组成n + i 冗 余供电系统，提高了系统可靠性； ( 6 ) 使用维护方便。积木式、智能化系统现场维护故障单元方便、快捷，而且容 易扩展系统功能。 分布式电源已成为一种必然趋势，能满足电力系统和用户的特定要求。几种能源 综合利用可保证洪电可靠性，提高后备力量，充分利用可更新能源资源。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 1 3 模块化电源系统 由于分布式供电系统具有规范化、模块化设计，便于扩容，工作频率可以做得较 高，功率密度可以做得较大等特点，因而，它得到了广泛的应用。近几年来，分布式 电源系统采用模块化技术并加上冗余不间断供电功能则构成了新型的全功能电源系 统供电模式，这种全功能电源系统能克服其他各种供电模式的缺陷，又能实现电力的 冗余，是几乎具备所有电源功能优点的电源系统，同时它还具有容错功能和网络监控 功能，因而使电源系统的可靠性大为提高。 电源系统模块化的设计方法，可大大提高系统的灵活性，并使电源系统的体积、 重量大为降低，各个模块处于均流运行时，其功率开关器件的电应力也可减小，且系 统可方便的采用冗余设计，从而提高了系统的可靠性。由于系统可由标准化的模块组 合而成，因而电源产品的种类也可减少，便于规范化，这样一方面可降低不同容量电 源的设计成本和重复投资，另一方面还可减少生产和维护费用。所以，模块化电源为 实现大功率、高可靠度的电源系统提供了可能。 在交流电源系统从传统的集中式供电向分布式供电模式发展的过程中，必须要 解决的一个重要课题是逆变电源并联技术的研究。在分布式电源系统中，到用户的配 电由分散的变流器完成，需要大量的各种变流器来满足不同的负载功率的要求。每个 用户由一个独立的逆变电源供电，这使得配电系统代价提高：但采用逆变电源的并 联技术之后，逆变电源可以设计为统规格的模块单元，而仅仅针对不同用户的要 求，采用一个或多个逆变电源单元并联，从而组成分布式逆变电源系统“。 1 2 逆变电源并联及均流技术的发展 随着科学技术快速发展，使用特种电源供电的装备r 趋增多，其中逆变电源为这 些装备提供了特种动力。采用大功率开关器件的各类电源供电系统中，当因负载的增 加而需加大电网容量时，可以通过两个途径来实现：提高单台逆变器的设计容量： 以现有型号的两台或多台电源并联工作，共同分担电网负荷以提高电网容量。当然， 仅对增大容量来说，第一种方案是最简单直接的，因为它只需考虑单机的设计制造。 如u p s 在技术上不断发展，从后备式、在线互动式、在线式到智能式，性能上不断提 高，生产u p s 的厂家更是在单机容量上不断地追求扩大化，以使自己在这个竞争激烈 甚至残酷的市场上能拥有一定的领地，能继续生存下去。目前，世界上具备u p s 单机 容量达2 0 0 e v a 以上生产能力的厂家较多，更有厂家已研制出单机容量等级达5 0 0 k v a 以上的l p s 。但是开发大容量u p s 产品要解决的问题较多，技术复杂性和难度较开发 华中科技大学硕士学位论文 中小容量都要高，它势必要求选用具有更高电压和电流耐量的功率开关器件，并且对 原逆变器的结构与电路参数均要进行重新设计、计算，这样就存在重新设计、开发、 生产的过程，无形加大了电源的成本、延长了交货时间、影响了工程的进度1 。 而相对于第一种方案，第二种方案具有成本低、可靠性高以及可有效提高元件寿 命的优点。因此，并联技术的研究正逐渐受到重视，成为电源技术的发展方向之一。 1 2 1 逆变电源并联运行的特点 由电压型逆变电源组成并联运行系统主要有如下优点。删： 1 ) 可以用来灵活地扩大逆变电源系统的容量。并联技术使得逆变电源的容量可 以恨据用户的需要而任意配置，提高系统的可扩展性，降低用户使用成本： 2 ) 可以组成并联冗余系统以提高运行的可靠性。由逆变电源模块可组成n + x 的 并联冗余结构，其中某台逆变器出现故障时可由其他正常的电源模块均分负荷，仍能 维持系统的可靠、稳定工作。通常一级冗余就把m t b f ( 平均无故障时间) 提高了一个 数量级； 3 ) 具有极高的系统可维修陛能。在单逆变器出现故障时，可以在不影响系统f 常工作的情况下将该模块撤换下来，很方便地进行热插拔更换或维修。提高了系统使 用的方便性和便于维护的能力。 因而，这样的并联运行系统在各种应用领域，如不间断电源( 逆变电源) ，火车、 轮船的辅助电源，太阳能电池系统等方面得到了广泛的推广和应用。 然而，电压型逆变器并联系统的运行控制和设计仍具有相当大的难度，这是基于 下述因素所决定的。”“。： 1 ) 逆变器的过载能力一般仅为1 5 0 2 0 0 ，因而在极短的时间内，若单台逆变 器模块的输出电流超过这个极限值，也会使逆变器无法正常工作或出现设备损坏： ：) 由于逆变器具有极，氐的输出阻抗和快速响应特性，其输出电流变化极其迅速。 逆变器输出相互间微小的差异也会产生很大的电流变化率； 3 ) 对于希望通过并联来实现冗余运行的系统，并联控制及均流电路也必须是冗 余结构，否则就无法达到并联冗余的效果。 逆变电源的并联不同于直流电源的并联，逆变电源输出的是时变的、交变的正弦 渡并联时需要同时控制输出正弦波的幅值和相角，即同频率、同相位、同幅值。 在并联的逆变电源系统中，如果逆变电源单元的频率、幅值完全相同，但存在一 定的铂位差，这样在逆变电源单元之间会有较大的环流，主要为有功环流，这时，其 华中科技大学硕士学位论文 中的部分逆变电源单元工作在整流状态；如果逆变电源单元的频率和相位一致，但幅 值有差异，这时的环流表现为：部分逆变电源单元吸收无功功率，另一部分逆变电源 单元输出无功功率。另外，即使各个逆变电源单元的输出为同频率、同相位、同幅值 的正弦波，但各自输出正弦波的谐波含量有着较大的差异，这时，各个逆变电源单元 之剧存在谐波环流。因此，交流逆变电源的并联控制比直流电源要复杂的多。 电源模块的并联运行，一般应满足以下三个基本要求：a 电源系统中各模块承受 的电流能自动平衡实现均流：h 为提高系统的可靠性，应尽可能不增加外部均流 措施，并使均流与冗余技术相结合；c 当输入电压或负载电流发生变化时，应保持 很好的均流瞬态响应特性。因而，模块化电源并联运行系统的技术关键是如何有效地 抑制各模块恻的各种形式的环流，以提高系统的输出功率均分特性和均流控制性能 ：2 - 2 o 另外，负载均分还受到各单元的不一致、元器件偏差以及线路阻抗的差异等因素 的影响。由此可见，在电压型逆变电源并联系统的设计时应进行特殊的考虑。必须通 过有效的控制策略，使各台逆变电源输出之间实现严格、精确的平衡。 1 2 2 逆变电源并联技术的发展 从并联控制方式的发展和控制结构的演变过程来看，逆变电源的并联技术先后已 历经了三个阶段：集中控制、主从控制和分散逻辑控制。3 1 ”。这些控制方式都是通过 某一特定逻辑单元、或各并联模块间相互传递均分负荷信息( 均流母线或数据通讯) ， 在确知总的负载信息或某一并联综合信息的前提下实现系统的稳定运行。 1 ) 集中控制方式 噼。k p 量t 际一口 c o 一陆 一铀圣咂舛- w 。+ h 【 i 兰：一f 石 ； 一! 一：磊；一 ：。! _ _ i ，n 。一 = - 拇- = = 二上二 ；：= ；a h ! 二_ ；， o 【 1 【 ，。、二一坚专m ”0 0 淼一一 。一毫瓦剁= 二b u t 图1 1直接集中控制方式 5 华中科技大学硕士学位论文 这种控制方式是通过一个独立的中央集中单元检测总负载电流值，并将其除以 并联的单元数，从而得到给每一单元的电流指令，从而调节各单元的频率和电压幅 值，以实现并联均流。图1 1 是直接集中控制方式的并联原理图。图中，并联控制 单元检测市电频率和相位，给每个逆变电源发出同步脉冲( 即外同步并机) 。没有市 电时，同步脉冲可由晶振产生，各个逆变电源的锁相环电路用来保证其输出电压频 率和相位与同步信号同步( 即内同步并机) 。假设各并联逆变器相互间的频率、相位 锁定得足够好，则输出电流的差异主要是由于输出电压幅值的不平衡所造成的，因 而直接将各机输出电流与电流指令的差异作为补偿量加到各逆变单元的电压给定信 号中去，用以消除电流的不平衡。 在这种控制方式中，各逆变器的电压相位调节仅由锁相环来完成，控制环中并 没有引入环流反馈，考虑到各逆变电源单元电压相位的检测和锁相环本身可能存在误 差，这样就会造成各逆变器输出电压相位存在差异，而只靠电压幅值的调节并不能很 好地均流。为此，可以采用图1 2 所示的间接集中控制方式，引入各台逆变器的输出 电压检测值，由输出电压和电流差异信号世可以计算出各台逆变单元的有功偏差p 和无功偏差q ，并用它们分别调节输出电压的频率( 相位) 和幅值，以实现相互间 精确的均流。 图i 2间接集中控制方式 2 ) 主从控制方式 集中控制需要在已有的逆变电源基础上另外再增加一个单独的并联控制单元来 实现逆变电源的并联运行。后来在这种方式成熟后，人们便将并联控制单元的功能做 到各个并联逆变器单元中形成主从式并联控制方式。图i 3 所示的是主从式并联控 6 -弓苫：=50_熹； 华中科技大学硕士学位论文 制逆变电源系统框图。在这种方式中，并联系统通过专用的主从标志m i ，将最先启动 的逆变单元设：蓄! 为主单元，而将其他单元设置为从单元。主单元内的控制逻辑起到集 中控制方式中的中央单元的作用，为各并联单元提供同步基准信号和电流指令，从而 实现并联均流。当主单元出现故障时，系统会将某一从单元改设为主单元，以继续对 并联的控制，并不影响系统正常工作。 图1 3 主从式并联控制逆变电源系统框图 其实这种方式在并联思想上与集中控制并无太大差别，只是用户使用更方便，设 备安装更简便，且可克服集中控制时并联控制单元出现故障逆变电源就不能并联运行 的缺陷。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，同时各模块的控制逻辑判断电路的复杂性及可靠性也会不 可避免影响整个系统的工怍性能指标，因而，主从式并联控制系统并不是较理想的并 联冗余系统。 3 ) 分散逻辑控制方式 在以上两种并联控制方案中，各并联模块本身并不能独立地工作，若并联控制电 路故障可能会导致整个系统故障停机，因而逆变电源模块组成的电源系统的高可靠性 就得不到保证，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 中使各逆变电源模块不依赖于集中控制单元或某个主模块，能独立的检测和控制本模 块在系统中的工作状态从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 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 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”。 如图1 4 所示，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( 能表征输出电压的频率、相位和幅值信息) 得到综合量，作为 公共基准信号。各并联单元通过检测各自相应的信号与公共基准信号之间的差值， 计算出各自的调节量，进行并联调节控制。 图1 4 分散逻辑控制并联冗余逆变电源控制框图 由上述几种并联方式的特点可以看到，并联系统的可靠性和方便用户的程度依 次增加，因为系统的单点故障( s i n g l e p o i n tf a i l u r e ) 率是依次降低的。但实现 的难度也是依次增加，特别是分散逻辑控制方式，需要对输出量进行高速检测和处 理，由优化算法来实现。 1 3 逆变电源的无互联线并联 尽管目前已经有许多方法可以实现逆变电源的并联，而且有的均流效果还不错， 但绝大多数方法都需要在各逆变器之间建立某种形式的连接，从而并不能组成真正的 分布式电源系统。这些连接线不仅限制了并联逆变单元的空间位置，而且还会产生噪 声、造成故障。比如前面提到的分散逻辑并联控制方式中各逆变电源之间互联线很多， 大容量设备并联时互联线距离较远，存在着系统上的单点故障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，实现模块化电源系统的热插拔 ( h o t p l u g ) 扩容也很困难，因而与真正的模块化系统尚有差异。因而，要实现较完 善的并联系统中逆变电源独立控制，并且在不同容量、不同结构的电压型逆变电源之 间或逆变电源与公共电网之间实现并联运行控制及负载均分控制，则取消逆变电源模 8 华中科技大学硕士学位论文 块| 、日的均流互联线应为最理想的选择，即采用“无互联线的并联控制”技术。这种无 互联线的逆变电源并联控制系统的各逆变电源之间除了输出端的电气连接线外无其 它任何控制连接线，其均流控制只依赖于各模块内的系统控制策略，这样可使各逆变 电源模块之间的控制系统电气联系完全隔离，系统安装或维修更加简便、快速，并联 运行更加可靠，容量的扩展也更加容易和方便。 但正因为无互联线并联系统中的各逆变单元间没有任何信号连接线，彼此之间不 存在任何信息交换，也就是说各单元只知道自己本身的运行情况，而对其它单元的运 行情况一无所知，因此无互联线并联控制最关键的就在于各逆变单元如何只根据自己 的工作情况来实现输出电压的频率、相位和幅值的正确调节，从而实现负载的均分。 目前无互联线并联用得最普遍的是输出电压的频率和幅值的下垂控制。本文也采取了 下垂特性的控制方式，即各逆变单元根据检测到的自己输出的有功功率和无功功率， 用频率下垂( 或相位下垂) 和电压下垂来减小各单元的相位和电压幅值之间的差异， 从而抑制并联系统的环流，实现负载均分。 图1 5 逆变电源无互联线并联冗余控制框图 在图1 j 所示的无互联线逆变电源冗余控制框图中，各并联运行的逆变电源之间 无均流互联线，每个逆变电源中有一功率计算单元，能实时检测本模块输出的有功p 和无功q ，再通过检测到的p 和q 来调节逆变电源输出电压的频率和幅值，从而使各 逆变电源均分负载。 此外，无互联线并联系统的各单元之间虽然没有控制连接线，但它们的交流输出 端却有电力线相连以向负载供电，所以若采用电力线载波通信的方式通过交流总线彼 此传递信息则也可实现信息交换，就可以采用前面提到的有互联线并联控制策略来 实现无互联线并联。图1 6 中给出了这种方法的连线图。这种方法相对采用下垂特性 9 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = 一 的并联方法而言，每个模块都多了一个通信模块，用来实现彼此间的信息交换。 | 笙| 1 6 崩电力线载波通信实现逆蛮器无q 联线并联的连线圈 1 4 本文选题的意义及主要研究内容 1 4 1 本文选题的意义 通过用多台小功率u p s 替代单台u p s 的方法，电源系统的可靠性可以和容量一样 得到提高，这就是所谓的分布式电源系统。分布式电源系统有很多较理想的特性，如 可扩展性、模块性、易维修性、冗余性和增加系统可靠性。而在分布式电源系统中， 其技术核心即为各并联模块间的负载均分。没有恰当的控制策略，负载就不可能被每 个并联单元很好地均分汹。 逆变电源并联技术是提高逆变电源运行的可靠性和扩大供电容量的重要技术手 段，当前大容量的逆变电源的发展趋势是采用新型全控高频开关器件构成逆变电源模 块单元，再通过多个模块并联进行扩容。这样可以充分利用新型全控高频开关器件的 优势，减少系统的体积，降低噪音，提高动态响应速度：同时利用并联技术，提高逆 变电源变换器的通用性和灵活性使系统设计、安装、组合更加方便，可靠性进步 提高。 逆变电源的并联策略有许多，但绝大多数需要辅助的控制连接线传输信息，而这 些互联线限制了并联模块的位置、产生噪声干扰，并且降低了多模块并联系统的独立 性和冗余性，因而通过有互联线并联并不能组成真正的分布式电源系统。而采用无互 联线的逆变电源并联均流控制则取消了并联模块间的控制连接线，在不存在任何电源 摸块间信息传递的条件下，实现完全独立、对等的并联控制。初步的研究表明，这是 一项非常有前途的研究方向，所以作为技术飞跃的无互联线并联是实现分布式供电系 1 0 华中科技大学硕士学位论文 统的最佳选择，逐渐成为研究重点。 目的，世界上许多国家都对逆变器( 或u p s ) 的并联控制作了大量的工作，并有 一系列的产品投入了实用，几种知名品牌的逆变电源公司如e x l d e 、梅兰日兰、三菱、 东芝、a p c 等可以实现多台逆变电源的并联，但仅e x i d e 公司实现了无互联线逆变电 源的并联。国内一些单位也f 在研究此技术，并已经取得了一定的成果，但逆变电源 的并联理论和控制策略等方面还需进行深入细致的研究，需要做大量的工作。 1 4 2 本文的主要研究内容 本文围绕全数字化逆变电源的无互联线并联控制，主要进行了以下的工作： 1 本文首先分析了逆变电源的s p w m 控制原理，介绍了逆变电源输出电压的闭环控制。 并且针对并联控制中的两个主要控制变量逆变电源输出的有功功率和无功功率， 还详细地介绍了一种全数字化的有功功率和无功功率检测方法。在逆变电源并联系统 的等效电路基础上，本文详细分析了并联系统的功率传输特性，明确了有功功率和无 功功率与逆变器模块输出电压的幅值和相位差异之间的关系，并在此基础上进步分 析了各模块问的环流特性及其影响，为并联系统的均流控制提供了理论依据。 2 在明确了并联逆变器间的输出有功差与输出电压相位差、无功差与电压幅值差之 间的关系后，本文确定了以有功调频( 相) 、无功调压的下垂控制算法来实现并联逆 变电源的负载均分。针对并联均流控制的重点相位( 频率) 的调节，还详细地分 析了并机时的相位差和频率差对系统的影响，并以频率下垂为例说明了下垂参数对并 联系统均流效果的影响。由于有功调频( 相) 、无功调压的下垂控制算法中的被控量 电压相位、幅值和控制量有功、无功之间存在耦合关系，故传统的下垂控制 算法存在缺陷，本文作了详细地分析并提出了一种新的解耦控制算法，通过这种方法 可以实现均流控制算法中控制量和被控量的解耦。 3 逆变器的一个很重要的应用是u p s ，本文针对u p s 需向市电锁相的要求，采用了 一种数字锁相环来实现u p s 中的逆变器输出电压的频率和相位与市电保持一致，并且 用再调制技术来提高锁相精度。在此基础上，再加上相位下垂的控制来抑制u p s 并联 系统中的有功环流。由于由i p s 组成的并联系统有两种不同的工作方式，且这两种方 式下的有功均分控制策略也不相同，所以本文还实现了这两种工作方式的平稳切换， 从而保证并联系统能够向负载稳定供电。 4 在理论分析的基础上，本文以t m s 3 2 0 f 2 4 0 系列的d s p 芯片作为核心控制器，以 两台3 k v a 电压型单相半桥逆变器为实验台架进行了实验验证，取得了不错的效果。 l l 华中科技大学硕士学位论文 2 逆变电源并联系统的模型分析 2 i 全数字化s p w m 逆变电源工作原理 2 1 1 逆变系统基本结构 我们知道，逆变器是用来实现将直流电变换成交流电的电力电子装置，它应用广 泛，类型很多。逆变系统的核心就是逆变开关电路，或者叫逆变电路，通过电力电子 开关的导通与关断，完成逆变的功能。电力电子器件的通断，需要一定的驱动脉冲， 这些脉冲可以通过改变一个电压信号来调节，产生和调节脉冲的电路通常称为控制电 路。逆变电路中，除了逆变电路和控制电路之外，还要有保护电路、辅助电源、输入 电路、输出电路等等，如图2 1 所示o ”。 下面对各个部分作一简单介绍： ( 1 ) 输入电路 逆变主电路输入为直流电，若是直流电网( 如煤矿，矿山，电车等) 、蓄电 池贮存的电，或者是直流发电机发出的电，或者是直流电动机和变频调速交流电 动机制动时再生直流电，则输入电路包括整流电路和e m i 对策电路。若是交流电 网，除了滤波和e m i 对策电路外，首先还要有直流电路。 图2 1 逆变系统基本结构框图 ( 2 ) 输出电路 输出电路一般都包括输出滤波电路和e m i 对策电路，对直流输出的逆变系统 还包括输出整流电路。对隔离式逆变器，在输出电路的前面还有逆交变压器。对 于开环控制定逆变系统，输出量还要反馈到控制电路。 ( 3 ) 控制电路 1 2 华中科技大学硕士学位论文 控制电路的功能的是按要求产生和调节一系列的控制脉冲来控制逆变开关 管的导通和关断，从而配合逆变主电路完成逆变功能。 ( 4 ) 辅助电源和保护电路 辅助电源的功能是将逆变器的输入电压变换成适合控制电路工作的直流电 压。若是直流输入，则是一个或几个d c d c 变换器；若是交流输入，则可以采用 工频降压、整流、线形稳压的方式，当然也可以采用d c d c 变换器。 保护电路这样包括： 输入过压、欠压保护。因为是电网问题，一般是可以自恢复的。 输出过压、欠压保护。一般是故障问题，最好是不可自恢复。 过载保护。有时是瞬间过载，所以应该是可自恢复的。 过流和短路保护。属于故障，所以应该是不可自恢复的。 过热保护。当环境温度过高或长时间超负荷运行，逆变器会出现过热， 这时应自动保护，但冷却系统应继续工作，在温度降到一定值后，应能 自动恢复工作。 ( 5 ) 逆变主电路 逆变主电路就是由逆变开关器件等组成的变换电路。其实所有电力电子变换器实 现电能变换的基本手段都一样，即开关按一定的时间顺序，周期性地处于快速地导通 一断丌一导通一断开交变状态，那么丌关状态变换时，电源电压的瞬时值或被直接引至 负载，或被反向引至负载，或者使负载脱离电源而使负载电压的瞬时值为0 。如果每 次导通和断开的持续时间都恰如其分，这时，在一个完整的开关电路通、断控制周期 中，开关电路输出电压v 。的波形，不仅取决于该周期中电源电压的瞬时值，而且与整 个周期中开关变量s 的变化规律有关，控制开关变量s 即可通过开关电路将一定的电 源输入电压v ，( t ) 变为负载所需的另一种电压v 。( t ) ，从而可以改变电压( 或电流) 的 极性( 瞬时的或平均的) 和幅值( 平均的) 。 由于通过开关管的通断所得到的只是一些正负方波电压，所以逆变器的输出通常 要接l c 滤波器，输出滤波器l c 滤除逆变器输出电压中的高次谐波而使负载电压接近 正弦波。 2 1 3s p w m 控制技术 图2 2 是逆变器工作原理的一个抽象描述。由图中可见，当开关s l 、s 4 导通， s 2 、s 3 关断时，输出端可获得正极性的瞬时电f l i , ：而当s 2 、s 3 导通， s l 、s 4 关断 时，输出端即获得负极性的瞬时电压。以一定的频率切换两组开关的导通状态，即可 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = 一= 实现由直流电压到交流电压的变换“”。 简单地按照图2 2 的方法控制，只能获得方波型交流电压输出，其谐波含量很大， 幅值也无法调节。而采用正弦脉冲宽度调制s p w m ( s i n u s o i d a lp u l s e w i d t h m o d u i a t i o n ) 控制技术则可以较好地克服这个缺点。 图2 2 用电子开关实现d c a c 变换 负载 p w m 技术是基于采样控制理论的一个重要原理冲量等效原理：大小、波形 不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统如低通滤波器时，只要它们的冲量即变量对时阳j 的积分相等，其作用效果基本相同。这里所说的效果基本相同，指环节的输出响应波 形基本相同1 。如把各输出波形用傅氏变换分析，则其低频段特性非常接近，仅在高 - v 业 = s l n z 、 k ” 2 口 辜 争幸 乎。 6 # i y m 厂 、h l 。ll i l ( 6 ) l 雷惑函齑鼠 l i2 口 比如厶如 鬈图圈闲闲 l 一：? c j a 口： ( a ) 正弦电压( b ) sp y 等效电压 图2 3 用s p w m 电压等效正弦电压 频段略有差异。大小、波形不同的两个窄脉冲电压( 如图2 3 在某一时间段的正弦电 压与同一时间段的等幅脉冲电压) 作用于l 、r 电路时，只要两个窄脉冲电压的冲量 相等，则它们所形成的电流响应就相同。因此，可将期望输出的工f 弦电压波形假想成 由一组等宽不等幅的片段组合而成，然后用一组冲量对应相等的等幅不等宽( 即脉冲 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = ；= = = = = = = = = = = 一： = 宽度调制一p w m ) 脉冲将它们依次替代，后者可以由电子开关的通断控制实现。如果 按同一比例改变所有矩形脉波的宽度学，则可成比例地调控输出电压中的基波电压幅 值。这种控制逆变器输出电压大小及波形的方式被称为正弦脉宽调制s p w m 。“。 由于本文所研究的内容都是通过两台电压型单相半桥逆变器组成的并联系统实 验验证的，所以本文仅将就电压型单相半桥逆变电路工作原理为例进行说明，其它内 容请参考文献 3 0 。单相半桥主电路结构及简化拓扑电路如图2 4 所示。l 。，c 。为输 出滤波电抗和电容，c 。为直流侧电容，t 一t 。为全控型自关断器件( 如i g b t ) 。 ( a ) 蔓电路结构( b ) 简化拓扑电路 图2 4 单相半桥式电压型逆变器 由于半桥逆变电路只能工作于双极性s p m , i ，因而其调制信号也必须是双极性的， 其调制过程如图2 ，5 所示。图中，取正弦形调制参考波，正弦波幅值为。，频率为 ，= 石( 输出电压基波频率) ，三角波是频率为五、幅值为圪。的单极性三角波。由于 图2 j 中输出电压在正负半周中都有多个正、负脉冲电压，故称这种p w m 控制为双极 性j 下弦脉冲宽度调制。 这种调制方式下，载波比n = 疋f ，每半个周波中正脉冲和负脉冲共有n 个。 若固定三角载波频率_ ，：，改变f ，即可改变输出交流电压基波的频率；( 一= f ) ： 若固定载波比n ，改变三角载波频率f ，则也可改变输出交流电压基波的频率：。另 外，电压调制系数m = 以，f 。，固定三角载波电压幅值y 0 ，改变正弦调制参考波v ， 的幅值v 。，即改变调制比m ( m = ，一= m k 。) ，则将改变v ，与咋两波形 的交点从而改变每个脉冲电压的宽度改变中基波和谐波的数值。可以证明，如 果载波比n 足够大，调制比m l r 则基波电压幅值k ，圭m e d = e j 矿，矿二( e 。为 逆变器直流侧电容c 。上的电压) ，输出电压基波最大时其有效值只能达到 厶i = o 7 0 7 易，即k 。= e d ( m = 1 ) 。从图中可以看到，单相半桥逆变器直流侧电 容c 。上的电压d 仅为逆变器直流输入电压的一半，所以逆变器输出电压基波最大 华中科技大学硕士学位论文 时其有效值实际上只能达到2 2 = 0 3 5 4 圪。而双极。l is p w m 与单极性s p w m 控n - 样，它本身都会降低直流电压利用率，如全桥电路采用双极性s p 嘲或单极性s p v o , t 控 制，它的输出电压基波最大时其有效值只能达到2 = o 7 0 7 ，为半桥电路的两 倍。对比1 8 0 。宽的方波交流电压，其基波有效值为k = 0 9 ，可见双极i t 正弦脉冲 宽度调制s p w m 改善输出电压波形的代价也是牺牲了直流电压利用率，即输出电压的 基波电压从k = 0 9 减小到0 7 0 7 ，而半桥电路则减小到0 3 5 4 屹。在本文的实验 中，逆变器直流输入电压= 3 5 0 v ，交流输出电压有效值k = 9 0 v 。 y r m 矿一 忡 o 阳 d 0 一 d 翮喇n八八。 l vvv i7u叫 疆 6 i i i i i i i i - i i l l i 警l i l i i i i i i i i 荔扇 i l 缓笏豸 1 1豹霪豹缓囫击 图2 5 双极性正弦脉宽调制原理 频谱分析表明：p 删脉冲电压具有与理想正弦电压相一致的基波分量，而其最低 次谐波的频率可以提高到s p 州调制频率( 即开关频率) 附近。采用双极性s p 删控制 时输出电压中可以消除n - 2 次以下的谐波，因此除基波外，其最低阶次的谐波为n - 2 次。如果逆变器输出频率f 。= 5 0 h z ，开关的通、断频率f , = 2 0 k h ：，则n = 2 0 0 0 0 5 0 = 4 0 0 ， 这时可以消除3 9 8 次以下的谐波。存留的高次谐波相对值比1 8 0 。宽的方波中同阶次 的谐波相对值虽然还可能高一些，但由于其阶次高，容易滤除，其相应的畸变系数还 是很小的。因此，开关频率足够高时，利用较小的滤波器就可以将其中的谐波滤除， 使逆变器输出电压波形很接近于标准正弦。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = 一 2 1 3 逆变器输出电压和波形控制 逆变系统也是一种控制系统，也是通过调节一个或几个参考值来改变逆变系统的 输出，它有开环和闭环之分，但我们所涉及到的逆变系统一般都是闭环系统，因为开 环逆变系统的输出在输入电压和负载发生变化时，根本没有稳定作用控制效果太差， 几乎不能满足任何一种逆变系统的要求。 名 j 一? 图2 6 逆变系统的组成结构框图 出 逆变器的组成结构还可以画成图2 6 的形式。对控制系统来说，输入电压v ，应该 只是一个扰动，输出应该只受给定信号v 。的影响，而不受v 的影响。但是稳定工作的 逆变系统输出除了受v 。的控制外，肯定还与v ，和负载大小有关a 逆变输出受v 。的影响 程度称为逆变系统的源效应，受负载变化的影响叫做负载效应。而并联系统要求各台 逆变器将这些影响减小到最低程度，维持恒定的输出。 圜2 i 电压型p 删逆变控制系统结构框图 电压型p w 、i 逆交控制系统的结构框图可以画成如图2 7 所示的形式。图中，误差 放大器可根据控制系统的要求选择p ，h ，p d ，p i d 等不同形式；p 刚环节输出为脉冲 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一一： 占空比，巧z k