（电力电子与电力传动专业论文）基于can总线的三相逆变电源并联运行研究.pdf

a b s t r a c t a b s tr a c t a st h es h o r t a g eo fe n e r g ya n dt h er e q u i r e m e n to fh i g hq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yp o w e r s u p p l yi n c r e a s i n g t h et e c h n o l o 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 si sw i d e l yu s e dw i t hf a s t d e v e l o p m e n t i nt h eo p e r a t i o no fi n v e r t e r s t h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e mi sh o wt ol i m i tt h e c i r c u l a t i n gc u r r e n tb e t w e e np a r a l l e l e di n v e r t e r sa n dm a k et h em o d u l e ss y n c h r o n i z e df i n a l l v t h et r a d i t i o n a lm e t h o di sp r o v e dt h a ti tc a n tm e e tt h en e e d s a st h eo p e r a t i o n a ls p e e do f d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r g r o wm o r ea n dm o r ef a s t a p p l i c a t i o no fd s pi np a r a l l e l i n v e r t e r sh a sb e e nm o r ep o p u l a r o nt h eb a s i so fc o m p a r i s o no fc o n t r o ls c h e m eo fp a r a l l e li n v e r t e r s t h i sp a p e rp r o p o s e sa m e t h o dt ob r i n gi nt h eh o tc a nb u si ni n d u s t r i a la u t o m a t i o nf i e l d s w h i c hr e a l i z e dt h e d i s t r i b u t e dc o n t r o l m a k e st h es y s t e mm o r es m a r ta n di m p r o v e st h er e l i a b i l i t yi np r a c t i c ea s w e l l a f t e rr e s e a r c h i n ga n da n a l y z i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs i n g l et h r e e p h a s ei n v e r t e r as i n g l et h r e e p h a s ei n v e r t e ri sd e s i g n e df o rp a r a l l e lo p e r a t i o nb a s i n go ns v p v nm o d u l a t i o n a n dc l o s e d l o o pc o n t r o lo nv o l t a g e i nt h er e s e a r c ha b o u tt h et e c h n o l o g yo fp a r a l l e lo p e r a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i co fc i r c u l a t i n gc u r r e n t c l o s e d l o o pv o l t a g ea n dp o w e ri se m p h a s i z e da n da s c h e m eo fp o w e rs h a r i n gb a s i n go nc a nb u si sp r o p o s e d n es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h i s p o l i c yi se f f e c t i v ef o rt h ep a r a l l e ls y s t e m t h ec i r c u i to fc a n si n t e r f a c ea n dc o r r e s p o n d i n g c o m m u n i c a t i o nm o d u l ei sd e s i g n e db a s e do nd s pf o rt h ep a r a l l e ls y s t e m w h i c he n s u r e st h e i n t e g r a l i t ya n dt h er e a l t i m et r a n s m i s s i o no fi m p o r t a n td a t ad u r i n gt h ep a r a l l e lo p e r a t i o n u n d e rt h ep l a t f o r mo ft m 3 2 0 l f 2 4 0 7 d e t a i lo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ep r o v i d e di nt h e p a p e r a d d i t i o n a l l y t h ek e ya r i t h m e t i ca r ec a r r i e do u to nm a t l a bs o f t w a r ea n dt h e w a v e f o r m so fs i m u l a t i o na r eg i v e n k e y w o r d s i n v e r t e r s p a r a l l e l c a nb u s d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是芬人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果 尽我所知 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 也不包含本人为获得江南 大学或其它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谢意 签名 日期 o 髟 分1 2 使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留 使用学位论文的规定 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允 许论文被查阅和借阅 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 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名 导师签名 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景 研究目的和意义 1 1 1 誉课题的背景 随着煤 石油和天然气等主要能源日益紧张 新能源的开发和利用越来越得到人们 的重视 利用新能源的关键技术 逆变技术能将蓄电池 太阳能电池和燃料电池等其他 新能源转化的电能变换为交流电能与电网并网发电 因此 逆变技术在新能源的开发和 利用领域有着至关重要的地位 现代科技的迅猛发展导致许多应用领域对供电系统的容 量 性能和可靠性等方面的要求越来越高 推动着电力电子技术的研究不断深入和广泛 多模块并联运行扩大电源容量已成为当今电源变换技术发展的重要方向之一 早在8 0 年 代 国外学者就开展了d c d c 变换器的并联运行技术研究 现已取得实用性成果 与直 流电源不同的是 逆变电源的输出是时变的 交变的正弦波 交流电压存在幅值和相位 二个参量 与直流电源模块间的并联相比 逆变电源的并联更加困难 在逆变器并联运 行状态 必须保证所有逆变器的输出电压同频率 同幅值和同相位l l j 否则 各逆变电 源之间将会出现环流 这样不但会加大开关元件的负担 增加系统的损耗 严重时会损 坏功率器件使系统崩溃 导致供电中断 因此 为了克服环流对并联系统的不利影响 实现并联系统的可靠运行必须采取有效的环流抑制措施 1 1 2 杠课题的研究目的和意义 逆变电源的并联技术可以实现n i 冗余并联运行方式 当系统中任一个模块由于故 障而失效时 其余的n 个模块仍然可以继续提供1 0 0 负载功率 并且可以以较小的功 率冗余为代价获得容错冗余功率 大大提高了系统的可靠性 并联冗余控制是实现高可 靠性 大功率电源系统的优选方案 因此 逆变电源并联技术在光伏发电 航空航天 大型计算机供电系统 通讯电源系统和银行电源系统等对电源可靠性要求较高的领域具 有广泛的应用前景1 2 l 本课题的研究能够解决并联系统中的一些关键性问题 提高了并联逆变电源供电系 统的可靠性 因此 具有重要的理论意义和实用价值 1 1 3 并联逆变电源的国内外发展状况 逆变电源并联技术的研究始于2 0 世纪7 0 年代 9 0 年代中期在发达国家进入实用阶 段 世界上许多国家如日本 美国 德国等的电源丌发公司在逆变器的并联冗余控制技 术方面已经做了大量的工作 并且有一系列的产品投入了使用 我国的电力电子技术相 对落后于美国 日本等国家 在逆变电源的并联技术方面的研究也是如此 目前逆变电 源系统的并联控制技术的特点及发展表现在以下几个方面 1 并联单元的数目增多 采用多种控制手段实现可靠并联运行 目f j 世界几大知名 品牌的逆变电源公司如爱克赛 梅兰同兰 山特 西门子及a p c 等的产品可以实现并联 运行并且技术已目趋成熟 从总体上讲 逆变器并联单元的增多是逆变器并联今后发展 江南大学硕士学位论文 的一个趋势 同时并联的控制方式也将趋于多样性 一些公司已经推出了无互连线式的 并联逆变系统 这种并联控制方式可以很方便的实现不同结构和容量的电压型逆变电源 之间的并联运行 并且不受并联逆变电源之间距离的限制 使并联供电系统更加灵活 方便 2 目前的逆变器大多采用高频链结构 以高频变压器替代工频变压器实现电气隔离 和电压匹配 使逆变器的体积和重量大为减小 同时节约了成本 降低了装置的复杂性 3 采用全数字化控制技术为了提高系统的控制性能和完成并联控制的复杂算法 逆 变电源的控制一般采用全数字控制方案 如应用单片机或d s p 来完成系统的检测 运算 和控制 另外采用数字控制的系统很容易实现与计算机网络的通讯 可以通过网络对关 键器件进行有效的监视 对己发生的故障有冗余措施处理 4 无线并联将成为研究热点 无线并联技术使得并联的逆变单元不受空间的限制 可以实现真正的冗余 综上所述 逆变电源将朝高频化 数字化 智能化 网络智能化等趋势发展 我国在逆变电源并联控制技术的研究起步较晚 在研究上处于领先的主要是西安交 通大学 华中科技大学 南京航空航天大学 浙江大学等高校 产品大多停留在试验阶 段 产品还没规模化 而国内企业如台达 艾默森网络能源 华为等也相继进入这一领 域的研发 但在研究方面还需要做大量的工作 1 2 逆变器控制技术简介 逆变器控制技术对逆变电源输出电压的稳态和动态性能起着关键性的作用 也决定 着逆变电源并联系统的结构形式和性能 因此 研究逆变电源并联技术 必须首先分析 研究逆变器的控制技术1 6 j 从当前国内外的发展状况来看 逆变器的控制技术主要可以分为两类 瞬时控制和 智能控制 1 瞬时控制又称为瞬时值反馈控制 它是根据当f j 误差对输出波形进行有效的实时 控制 瞬时值反馈控制主要可以分为单闭环p i d 控制 线性多变量状态反馈控制 电压 电流双闭环控制 无差拍控制等等 单闭环p i d 控制是工程实践中应用最为广泛的一种控制方式 设计和实现都比较简 单 常应用于逆变电源的输出波形控制 但是由于p i d 控制只限于线性定常系统 即可 用线性常微分方程描述的系统 因而它对非线性负载条件下波形畸变的抑制有一定的局 限性 现阶段最常用的是电压瞬时值单环控制 它的原理是 用参考正弦波电压与输出 电压瞬时反馈值进行比较得到电压误差 电压误差经p i 或p i d 调节后的控制输出量与三 角波比较得到p w m 控制脉冲 这种控制方法能够实时地调节输出电压的波形 比较好 地抑制元器件的非线性特性和直流母线电压波动带来的影响 在一定程度上改善了逆变 器的静态和动态特性 但是 由于这种控制方法只有单电压环控制 当负载发生比较大 的动态变化 如负载的电流突然变大 时 逆变器的输出电压会有比较大的畸变 而且动 态调节比较慢 2 第一章绪论 线性多变量状态反馈控制是将输出反馈改为状态反馈来改善控制效果 状态反馈控 制的最大优点是可以大大改善系统的动态品质 因为它可以任意配置闭环系统的极点 不过 由于建立逆变器状态模型时很难将负载的动态特性考虑在内 反馈控制只能针对 空载和假定阻性负载进行 如果不采取有针对型的措施 则负载的变化将导致稳态偏差 的出现和动态特性的改变 电压电流双闭环控制是在逆变电源的电压单环基础上增设电流内环 利用电流内环 快速 及时的抗扰性来有效地抑制负载扰动 同时 得益于内环对原有控制对象的改造 作用 电压外环的设计可以大大简化 甚至只需比例控制即可 在这种控制模式下 参 考正弦电压与输出电压相减后得到的误差电压经过p l 调节之后的输出作为电感电流的 指令 电流误差信号经过比例调节之后与三角波比较产生控制信号 这种方法是目前应 用最为普遍的控制方法之一 电感电流中包含了负载电流 因此可以起到对负载限流的 作用 电感电流的方向是进行死区效应补偿的必要条件 采用电感电流模式可以方便地 对死区进行补偿 但在实践中 由于两个环的相互影响 参数整定比较困难 无差拍控制是一种基于电路方程的控制方式 如果系统模型预测的非常准确 无差 拍控制的逆变电源输出波形质量好 总谐波畸变率 t h d f k 毛 动态响应速度快 此控制 器也存在非常明显的缺点 首先 由于采样时间和计算延时的影响 输出脉冲宽度受到限 制 造成直流电压利用率不高 其次 由于无法对系统模型做出精确的估计 而且系统模 型随负载不同而变化 实际中并不能保证跟踪无误差 一旦系统模型不准 很容易使系 统进入不稳定区域造成振荡 因此 无差拍控制的逆变电源的稳态性能 尤其是非线性 负载时波形失真仍很显著 2 近些年来 随着微处理器的运算速度越来越快而成本越来越低 使得许多先进的 控制理论和方法在逆变器控制中得以应用 如滑模控制 模糊控制 神经网络控制等等 对逆变器的智能控制方法的探讨已成为国内外的研究热点 与传统的控制方式相比 智 能控制的最大好处就是不依赖控制对象的数学模型 滑模变结构控制的显著特点是控制的非连续性 对参数变动和外部扰动不敏感 系 统的鲁棒性强 但是采用这种控制理想的滑模切换面比较难以确定 而且对采样频率的 要求也限制了其实用性 模糊控制能根据实际情况变动控制器参数 可以提高控制系统的鲁棒性 改善逆变 电源对非线形负载的适应能力 目前用于逆变电源的模糊控制主要是模糊p i d 控制 理 论已证明 模糊控制可以任意精度逼近任何非线性函数 但受到当前技术水平的限制 模糊变量的分档和模糊规则数都受到一定的限制 隶属函数的确定还没有统一的理论指 导 带有一定的人为因素 因此模糊控制的精度有待于进一步提高 从国外公司的研究 来看 模糊控制在未来逆变电源的控制技术中必然将占有重要的地位 此外 专家系统 和神经网络控制也开始在逆变电源的控制中起步研究 随着网络控制芯片的出现 已经 有研究成果在逆变电源中得到应用 如应用神经网络控制器替代滞环电流控制器 但总 体而言 由于神经网络技术还没有大的突破 因此目前还没有具有在线学习能力 结构 较为复杂的神经网络控制器应用在逆变电源的控制中 江南人学硕士学位论文 1 3 逆变电源并联控制技术概述 逆变电源的并联不同于直流电源的并联 逆变电源输出的是正弦波 并联时需要同 时控制输出正弦波的幅值和相角 因此逆变器的安全并联 必须满足以下两点要求 1 各个逆变电源单元输出电压的频率相同和相位的同步 2 输出电压和电流的平衡 目前 虽然许多公司已经推出了其具有并联功能的逆变电源产品 但控制策略却是 各有千秋 回顾并联逆变电源发展的历史 其控制方法1 8 j l 经历了集中控制 主从控制 分布式控制的发展过程 控制手段也从早期的模拟控制发展到现在的数字控制 使控制 系统的精度 动态响应 灵活性和负载适应性得到了很大的提高 近年来又出现了无互 连线的并联控制方案 使整个电源系统向分布式系统发展 真正实现电源的模块化 智 能化和高可靠性 1 3 1 集中式并联控制 集中控制方式需要专门设置公共的同步和均流模块 各模块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 通过公共均流模块检测总负载电流除以并联 单元数作为各台逆变电源模块的电流基准 各逆变电源模块检测各模块实际输出电流 求出电流偏差 在各个模块通过锁相环使得输出电压之问的相位偏差很小的情况下 可 以认为各模块输出电流与基准电压的误差都是由于各模块输出电压幅值的不一致所引 起的 故这种控制方式直接把电流偏差作为电压指令的补偿量发送到各逆变电源中 用 以消除电流的不平衡 集中控制的框图如图1 1 所示 图1 1 集中式并联控制框图 f i g 1 1c o n t r o lb l o c kd i a g r a mo fc e n t r a l i z a t i o n 集中控制方式比较简单 易于实现 且均流效果较好 但是 集中控制器的存在使 得系统的可靠性有所下降 一旦控制器发生故障将导致整个供电系统的崩溃 因此 集 中控制式并联系统的可靠性不高 4 第一章绪论 1 3 2 主从模块法 主从控制方式是一种出现较早的并联控制方式 它最早由台湾学者j i 锄一f u hc h e n 提出 该方法放弃了单独的中央控制模块 由一个起主导作用的主模块和若干从模块构 成 在运行中设其一作为主机 作为所有并联模块的同步和均流控制中心 主从并联系 统由一个电压控制p w m 逆变器 v c p i 单元 数个电流控制p w m 逆变器 c c p i 单 元 功率单元 和功率分配中心 p d c 单元组成的并联系统 v c p i 主控单元其电压 调节器保证系统输出幅值 频率稳定的j 下弦电压 n 个电流控制的p w m 逆变器 c c p i 从单元则设计其具有电流跟随器性质 分别跟随p d c 单元分配的电流 p d c 单元专门 负责检测负载电流 并平均分配给各c c p i 单元 且是同步的 v c p i 单元通过锁相环 p l l 使正弦输出电压与市电或自身产生的基准电压信号同 步 输出电流取决于负载性质 c c p i 单元具有快速动态响应的特性 能迅速跟随负载 电流指令变化 并能适应v c p i 输出频率的变化 输出电压被看作干扰输入 通过前馈 加以补偿 p d c 的主要功能是监控整个系统的工作状态 并按各单元的视在功率为各单元分配 电流 该控制策略均流效果较好 但由于v c p i c c p i 和p d c 是不同性质的模块单元 构成复杂 不能完全实现系统冗余 存在重大故障瓶颈现象0当任一单元脱离系统后 系统剩余模块无法自动均担负载 主从控制框图如图1 2 所示 图1 2 主从模块法控制框图 f i g 1 2c o n t r o lb l o c kd i a g r a mo fm a s t e r s l a v ep a r a l l e lo p e r a t i o n 1 3 3 分布式并联控制 分布式并联控制技术作为一种独立并联控制方式 它采用了在各逆变电源中把每个 电源模块中的电流及频率信号进行综合 得出各自频率及电压补偿信号的控制策略 这 种方式可实现真正的独立模块式并联运行 在分布式并联系统中 各台逆变器单元的地 江南大学硕十学位论文 位是相等的 当有一个模块因故障退出系统时 可以控制该逆变器单元自动的退出系统 并不影响其它模块的并联运行 分布式控制的并联系统解决了集中控制和主从控制中存 在的单台逆变器故障导致整个系统瘫痪的缺点 使并联系统的可靠性大大的提高 同时 分布式并联控制方式具有控制原理简单 易于实现 均流效果好等特点 在并联台数不 多的情况下 采用这种控制方法效果比较好 分布式控制方案虽然可以使系统以较高的可靠性运行 但是随着并联系统中逆变器 台数的增加 逆变器之间的互连线增多 将使整个系统变得复杂 同时 随着各台逆变 器之间距离的增大 使逆变器之间的互连线增长 均流信号容易引入干扰 降低了系统 的可靠性 尤其是采用模拟控制时 由于连线距离较远 干扰更为严重 因此 一些公 司专门研制了采用光纤进行通讯的完全无电气互连线的并联方式 提高了分布式并联系 统的可靠性 但同时也增加了系统的成本 使控制系统更加复杂 分布式并联控制框图 如图1 3 所示 他模 图l 一3 分布式并联控制框图 f i g 1 3c o n t r o lb l o c kd i a g r a mo fd i s t r i b u t e dp a r a l l e lo p e r a t i o n 1 3 4 无互联线式并联 为了减少逆变器之间的连线 近年来一些专家学者提出了无互联线式的逆变器并联 系统 该并联均流控制是基于逆变器输出电压和频率的外下垂特性实现的 这种思想来 源于电力系统的并网运行 假设并联系统中各台逆变器的相位 幅值相差较小时 并联 系统的有功环流跟相位差有关 而无功环流跟幅值差有关 利用逆变器输出的下垂特性 各逆变器以自身的有功和无功功率为依据 调整自身输出电压的频率和幅值以达到各台 逆变器的并联稳定运行 该控制方式的最大优点就是各模块之间不需要信号的传输 完全依赖自身的算法实 现自动均流 特别适用于多模块和不同功率等级逆变器的并联 但是采用这种控制方法 时 要求逆变器的输出特性必须设计为软特性 即输出电压和频率随着负载大小而变化 使并联系统在非线性负载下和动态过程中的均流效果变差 实现算法也十分复杂 对于 6 第一章绪论 一个利用下垂特性的系统来说在从空载到满载变化时 频率将会变化2 r a d s 幅值将会 变化1 0 这对于一个电源来说是不可接受的 无互联线式并联控制框图如图1 4 所示 图1 4 无互联线式并联框图 f i g 1 4c o n t r o lb l o c kd i a g r a mo fw i r e l e s sp a r a l l e lo p e r a t i o n 1 4 本课题研究的主要内容 在深入研究了国内外逆变电源模块并联控制技术理论的基础上 结合现今电力电子 技术和现场总线技术的发展 系统地研究和设计了一种基于c a n 总线通信和功率均分的 三相逆变电源并联控制系统 对三相逆变电源并联控制技术作了较为详细的理论分析 并在理论分析的基础上 做了相应的仿真研究 本课题在分析三相逆变电源并建立数学 模型的基础上 对s v p w m 脉宽调制法进行了分析和仿真研究 并相应的对三相逆变电 源控制器参数进行了设计 实现了逆变电源系统的数字化 在单台逆变电源的基础上 深入研究了逆变电源并联原理 探讨了逆变电源在并联运行中的功率和电压特性 并制 定了基于有功和无功功率均分的并联控制方案 本课题创新点是将工业现场c a n 总线引用到并联逆变电源系统中 解决了分布式电 源之间互联信号线太多会影响稳定性的问题 保证了并联系统数据传输的准确性和实时 性 并在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 上实现了本课题的单台逆变电源控制和两台逆变电源并联的方 案 最后对本文涉及到的算法 在m a t l a b 7 0 平台上进行了仿真研究 并对结果做了 相应的分析 7 江南人学硕士学位论文 第二章单台三相逆变电源建模及其控制器设计 2 1 引言 在中大功率应用场合 首选就是三相逆变电源 由于坐标变换 空间矢量等概念的 引入 三相系统的控制比单相系统更加灵活多变 三相逆变电源的控制可以在不同坐标 系如静止a b c 坐标系 静止筇坐标系 旋转d q 坐标系上实现 上述的这些控制方案不 仅可直接移植到三相系统中 在三相系统中有可能更体现出其优越性 由于逆变电源并 联运行组成的是交流电源供电系统 各模块输出为交流信号 要实现两台或多台逆变电 源的并联运行 不但要求它们的输出电压的幅值趋于相等 而且要求输出电压信号的频 率与相位严格一致 因而逆变电源之间的并联要比直流并联运行复杂得多 目前三相逆 变电源的主电路拓扑主要有三相桥式逆变电源 三相半桥逆变电源 组合式三相逆变电 源和三相四桥臂逆变电源 本文主电路采用三相全桥电压源式逆变器主拓扑作为研究对象 2 2 逆变电源主电路分析 建立三相逆变电源的数学模型 坦 1 3 j 是分析和研究三相逆变电源控制的基础 三相全 桥式逆变电源主电路结构如图2 1 所示 它由三相i g b t 逆变桥 输出l c 滤波电路和三相 对称负载组成 图2 1 中e 表示直流母线电压 既 砖 为半导体开关器件 l 为输出l c 滤 波器的滤波电感 c 为l c 滤波器的滤波电容 l o a d 为负载 圪 圪 圪分别为逆变器的 三相输出电压 i c 分别为逆变器输出滤波电感上的电流 为滤波器电容中点 与直流母线中点o 之间的电位差 逆变电源的结构图如图2 2 所示 当加上蓄电池后 该 逆变电源系统就变为了一台后备式不间断电源系统 u p s e 图2 1 三相逆变电源主电路 f i g 2 1m a i nc i r c u i to ft h r e e p h a s ei n v e r t e r 8 n 第二章单台三相逆变电源建模及其控制器设计 静态旁路开 关 f 流输入 a c d c 一 a c d c 二 电池 输出 设a b c 三点对直流母线中点o 的电位分别为 则图2 1 中三相逆 变桥可用如下开关矩阵表矛 参 c e 丁1 e c 2 踯吐即 器纂喜事薯釜嚣 根据基尔霍夫定律可得到三相逆变器的状态方程 鲁 s a 一半肛圪一 哮鹕一半肛圪一 三警娟一半肛圪一 c i i i o c 等 1 0 8 c 等 i c 考虑到在负载平衡时 0 且 冬 l 孕 车的低频分量可以忽略不计 可以得到 d td tm 半 9 2 2 2 3 2 4 2 5 江南大学硕士学位论文 设 s c s c s c 吃 以 吃可以看成是a b c 个桥臂的等效平均开关函数 综合上述几式可得到系统的状态空间方程 d 衍 圪 圪 圪 1 c 1 e 一二 三 1 c io a io b i 记 纠 2 6 2 7 2 8 通过以上分析可以看出 在对称负载条件下 逆变桥任意确定开关状态下的中点电 压和其对应的各相电压都是可以确切知道的 三桥臂三相逆变器共有8 种可能的开关状 态 即六个非零状态和两个零状态e 肥 0 0 0 1 11 具体的对应关系见表2 1 表2 1 中点电压对应表 t a b l e 2 1c o r r e s p o n d i n gt a b l eo fm i d p o i n tv o l t a g e 丌关状 态只肥 0 0 00 0 10 l o0 1 11 0 01 0 l1 1 01 1 1 中点电 压 一e e 3 e 3e 3 e 3e 3e 3e 2 3 脉宽调制技术 p 咖的分析 多年来人们一致致力于研究出更好的p w m 控制方式 以满足如下条件 宽的线 性调节范围 高的直流电压利用率 低的谐波畸变率 简单的数字实现方式 而 经过多年的实践检验 真正在实际应用中取得良好效果并广为使用的主要有两种方式 一种是s p w m 方式 另一种是空间电压矢量方式s v p w m s v p w m 是一种更优化的p w m 技术 与传统s p w m 技术相比 具有控制算法简单 数字化实现方便 电压利用率高 谐波成分少等优点 因此有取代s p w m 的趋势 为 了满足s v p w m 算法的高性能 常常需要将控制周期缩短到几百微妙 甚至几十微妙之 内 目前普通单片机已无法满足要求 d s p 以其高性能的运行速度 理所当然地被用于 1 0 曾萼等弩攀攀 一 一 一 4 只 品 i l i 以 以 以 一l 一 1 j 圪 圪 以以以 l厶七 1 一三 1 j l l 七 d 一衍 第二章单台三相逆变电源建模及其控制器设计 s v p w m 及交流调速控制场合 本文将采用基于d s p 的s v p w m 方式来控制三相逆变 桥的开关状态 2 3 1 电压空问矢量 8 v p w i i i 控制 如果抛丌磁场定向控制中所包含的关于电机的物理概念 那么这种方式实际上是一 种将三相系统的电压统一考虑 并转换至两相系统中进行研究的方法 1 4 1 其实现方式和 电机模型没有本质上的联系 因此将其移植至三相非电机负载逆变电源的控制中 其控 制效果不会受影响 这就是s v p w m 控制方式 其实际上是一种不同于规则采样方式的 脉宽调制波产生方法 其最大的特点体现在对三相系统的统一表述和控制 以及对幅值 和相位的同时控制两方面 设三相交流系统各相电压为 匕j c o t 圪c o s o tl v b n r o t 圪c o s c o t 一1 2 0 v c n 缈f 圪c o s c o t 一2 4 0 j 上式中圪为相电压的基波幅值 角频率c 0 2 a f 可用下面描述的合成矢量表示 一 v 寻 圪 历 历2 2 9 厂为基波电压频率 则三相电压 2 1 0 2 1 其中i f ej 将式 2 9 带入式 2 1 0 可得 矿 v m e 倒 2 11 则三相电压可以用复平面上一幅值为圪并以角速度国逆时针旋转的瞬时矢量矿表 示 如图2 3 所示 矢量矿在三相轴上的投影 即为三相电压的瞬时值 因而对三相逆 c 轴 图2 3 空间电压矢量图 f i g 2 3d i a g r a mo fs p a c ev o l t a g ev e c t o r s 1 1 江南大学硕士学位论文 变系统进行控制时 可以根据三相电压的瞬时值求得复平面内输出的瞬时矢量 直接对 这一矢量进行控制 而不是分别的三相 2 3 2 坐标变换 瞬时矢量矿是s v p w m 控制中的关键 如果按式 2 1 0 来求瞬时矢量 复杂且难以实 现 实际中是通过坐标变换来求取的 矢量控制算法中使用的变换主要有四种 i5 三相 静止a b c 坐标系至两相静止坐标系的变换 称为c l a r k 变换 两相静止坐标系至两相旋转 坐标系的变换 称为p a r k 变换 这两种变换的反变换分别为c l a r k p a r k c l a r k 变换 将三相电压转换至图2 4 所示的口 静止坐标系内 口轴与a 轴重合 转换后得到 下列矩阵 旧 叶 2 3 o 虿 3 1 3 1 雪 压 3 l 3 l 万 三 3 将式 2 9 代入式 2 1 2 可得 圪 v m c o s o f s i n a 上式中口 c o t 为a 相电压的瞬时相角 ji 3 g p 代 口二 c 2 1 2 2 1 3 2 1 4 图2 4 矢量变换坐标系 f i g 2 4t r a n s f o r mc o o r d i n a t e so fv e c t o r s p a r k 变换及p a r k 1 变换 通过选择正g 旋转坐标系中d 轴的位置可以简化控制 提高精度 1 6 对三相电压进行 控制时 令d 轴和三相合成矢量矿重合 则小g 坐标系旋转的角速度为缈 和输出正弦一 1 2 致 小g 坐标系与输出矢量同步旋转 其变换式为 隙器岛嘲 上式中0 为d 轴与q 轴的夹角 把式 2 1 3 代入式 2 1 5 可以得到 2 义俨2 2 1 6 i 圪s i n a 一秒 卜 式中秒为给定相角 口定义见式 2 1 4 由式 2 1 6 可以看出 当口 秒时 有 z q 0 这表明当么g 坐标系和输出矢量同步旋转时 正g 轴上的分量为常值 从d q 坐标系至坐标系的p a r k 变换为 阱瞄劣删 亿 由以上分析可以得到以下结论 对于式 2 9 所示的三相电压 其合成矢量将在复平 面内匀速旋转 轨迹为一半径为圪的圆 控制的目标就是在每个开关周期发出一定的电 压矢量 使一个基波周期内逆变器输出的矢量逼近给定的这样一个圆轨迹 采样频率越 高 则逼近越均匀 效果越好 桥式逆变器任一时刻的输出矢量是由8 种矢量合成得到 的 其中零矢量不在逆变器输出端产生电压 但可以调整整个周期内输出电压的大小 当输入直流电压e 一定时 零矢量作用时间越长则输出电压越低 图2 5 为空间矢量图 彳轴 图2 5 空间矢量图 f i g 2 5d i a g r a mo fs p a c ev e c t o r s 除去两个零矢量外 6 个有效矢量将圆周分成6 个区间 通过不同的矢量组合可以合成 新的矢量 合成原则遵循菱形法则 假定矢量k 运动到1 区间时 设最先遇到的主矢量 为瓦 其矢量作用时间为五 随后遇到的为次矢量呒 其矢量作用时间为互 零矢量为 z o 其矢量作用时间为t o 另设p w m 脉宽周期为乙脚 由平行四边形法则可以得到下 江南大学硕士学位论文 p 洲詈棚 亿 k 压毕s i l l 秒 卜 叫 由于在矢量空间中存在两个零矢量 因此可定义瓦 墨竺 尘墨 2 2 0 了 呢 孚 o s 口一争 吾 i n 秒一 2 2 1 一圪 输出明线电雎为 h 以 c o s 9 c 历吃s i n 0 k 吨 s i n 秒一竿 l j 由此可以相应推出矿在其他五个区阳i 时的相申j 压和线电压 2 2 2 这里就不再具体列出 2 3 3s y p w m 算法的实现 由上面对s v p w m 原理的分析 s v p w m 法就是用逆变器输出相电压的平均矢量去 逼近某一空间电压矢量z 矿以某一角频率在空间旋转 当它旋转到六角空间电压矢量 图的某个小区间时 如图2 5 所示 系统选中该区间的基本电压矢量中所需的矢量 并 以此矢量所对应的状态去驱动功率开关元件动作 当控制矢量旋转到下一个小区间时 又选中对应区间的相应电压矢量 并以其对应的状态去驱动功率丌关元件动作 当控制 矢量在空间旋转3 6 0 0 后 逆变器就能输出一个周期的正弦波电压 s v p w m 调制原理可以大概分为以下6 个步骤 1 7 1 8 l 判断矿所在的扇区 s v p w m 的首要任务就是判断参考电压矢量位于哪个区域及 该区域中的哪个小三角形 然后就可以依此确定出相应的输出电压矢量 1 4 第二章单台三相逆变电源建模及其控制器设计 判断矿所在的区域因为6 个扇区内的区域划分是相同的 所以可以根据参考矢量 的角度将其旋转归一到第4 扇区再进行区域判断 计算区域内各矢量作用时间 作用时间分段 确定某一时刻的输出空间矢量 根据空间矢量的优化选择的原则 可以确定出每 个扇区每个区域的矢量组 列出表格 确定出空间电压矢量作用顺序 空间矢量转化为触发脉冲 s v p w m 实质也是一种载波方法 这也为仿真该系统提供了一种思路 s v p w m 方 法也可以通过载波的方法来予以实现 因此实现这种方法的关键问题就是合成三电平空 间矢量s v p w m 的等效调制波 图2 6 是s v p w m 三相逆变器仿真系统的框图 图2 6s v p w m 三相逆变器仿真框图 f i g 2 6s i m u l a t i o ns t r u c t u r eo fs v p w mt h r e e p h a s ei n v e r t e r 2 4 三相逆变电源控制器的设计 由上面的三相逆变电源数学模型分析可知 在筇坐标系下单相逆变器的控制方法 可以完全应用到三相逆变器中 但是由于a a 两轴的给定量都为正弦量查表计算使得控 制计算相对复杂 而三相逆变器在d q 坐标系下给定量为直流量 方便计算 实际控制 时在d q 坐标下计算 但是由于在d q 坐标系下各轴的电压电流量互相耦合 因此在控制 方法的实现上就稍微有别与单相逆变器 逆变电源的最终目的是输出稳定且畸变较小的正弦电压 一般采用电压闭环反馈控 制 1 9 2 1 1 就可以达到比较理想的效果 对于三相逆变器基于同步旋转d q 坐标系的控制框 图如图3 3 所示 三相输出电压配 以 以经旋转变换后变换成正g 坐标系下的量玩 在同步旋转坐标系下分别对正g 轴作出调节 办g 轴控制器输出 最后再 经空间矢量算法得出三相逆变桥的驱动信号 d q 轴下的调节原理可用电压空间矢量来解释如图2 7 所示 设疗 为给定电压矢量 其在小g 轴分量为 u 厂为实际输出电压矢量 其在办g 上的分量为 从图2 8 中可以看出由于扰动的作用 实际输出电压矢量u 并没有跟踪给定电压矢量 实际输出电压与给定电压矢量之间的矢量差为饥 该矢量就是扰动引起的偏差 如果 江南大学硕十学位论文 在控制系统中实现扰动玩 那么系统的实际输出霹变为西和玩的矢量和即z 图2 7 三相逆变电源控制框图 f i g 2 7c o n t r o ld i a g r a mo ft h r e e p h a s ei n v e r t e r 图2 8d q 坐标下电压闭环空间矢量图 f i g 2 8d i a g r a mo fs p a c ev e c t o r sf o rc l o s e d l o o pv o l t a g eu n d e ra qc o o r d i n a t e s 在理想情况下逆变电源的动态特性主要决定于输出l c 滤波器 因此可认为输出三相 滤波器就是控制对象 但是电路中不理想的因素对逆变器的特性产生了不容忽视的影响 如变压器的漏感 系统线路阻抗滤波 电感电阻开关损耗死区等等 它们的存在对滤波 器的谐振频率阻尼程度都有所改变 因此控制对象的模型可等效为有一定阻尼的滤波器 且电感值为滤波电感和变压器漏感之和 由于本系统是无隔离变压器的三相逆变电源系 统 因此电感值就为滤波电感值 三相滤波器是一个多输入多输出的耦合系统 要直接对这样的对象进行分析是比 1 6 第二章单台三相逆变电源建模及其控制器设计 较困难复杂的 由于实际中所用到的三相滤波器都采用对称结构 各相滤波器的参数也 是一致的 其中一相就反映了三相的特性 因此可取等效单相来分析输出滤波器等效模 型 如图2 9 所示 该模型是二阶线性模型 其中不是负载扰动 空载时 可计算出控制 对象的传递函数 1 j p s 了了 2 2 3 7 s 2 c s 尼c l 其中舶为线路阻抗 滤波电感电阻 开关损耗死区等的等效阻尼电阻 等效单相 滤波电容c 是三相滤波电容的3 倍 图2 9 等效单相滤波器模型 f i g 2 9e q u i v a l e n tm o d e lo fs i n g l e p h a s ef i l t e r s 对于电压闭环控制系统而言 m 参数的设计直接影响了系统的稳定性以及输出性能 的好坏 非常重要 因此下面将讲述如何设计闭环系统的数字p i 控制器 2 4 1 数字p i 控制器的设计 由于三相标准正弦基波在d q 轴都是直流量 传统p i 调节器不但响应快 对恒定 直流指令的跟踪的调节还可以达到无静差 当三相逆变电源的扰动为基波扰动时 如 线性负载 p i 瞬时值控制f 2 2 2 3 可以快速抑制负载扰动引起的输出电压变化 本系统将采用z 域设计法进行p i 参数的整定 p i 调节器连续域模型为 g s k 口 向 s 2 2 4 其中g s 为控制器的输出与误差的传函 k 口为比例系数 t 为积分系数 s 域到z 域变换关系式为 s z z 一1 2 2 5 由上面两式可推得g s 的z 域模型为 将单相逆变器模型离散化得到 弛 高a zbz 则系统的闭环传递函数为 1 7 2 2 6 2 2 7 江南人学硕士学位论文 g z 垡型堕 竺生丝兰生一 2 2 8 7 1 d z 尸 z z o z 2 舷 6 k a z k p c z d 7 图2 1 0 离散域系统等效框图 f i g 2 loe q u i v a l e n td i a g r a mo f d i s c r e t es y s t e m 数字p i 控制逆变器系统的特征方程为 孕 少 功十口一1 z z 盂 一吃p 6 一c 堀一g d b 经双线性变换 可得到矽 z 的w 域特征方程 w 吃 如 b w b o 其中 i6 3 包一k p c d k i c d b e 2 包 c l d 七p c 3 d 2 b 2 a l b l 4 一乞 c d k p c 一3 d 一4 b lb o 2 d c 屯 k p 2 b 一2 a 根据劳斯稳定判据可知 数字p i 控制逆变器系统稳定条件为 2 2 9 2 3 0 2 3 1 5 3 0 6 2 0 2 3 2 6 0 0 7 岛包一5 0 5 3 0 在满足香农采样定理 采样周期t 7 w a 条件下 定条件为 6 1 6 2 6 0 6 3 0 本系统设计取l c 滤波器参数为l 0 16 m h c 6 0 u f 1 控制对象模型p s 2 虿丽i 而了 干页万孑丐石 取采样时间z 1 1 0 4 s 经零阶保持器离散后得到 尸 z 2 鱼鱼 三 旦 丝一 分析可知数字p i 控制器的稳 2 3 3 r o 0 0 5 q 2 3 4 2 3 5 可计算出本系统k p 砖的稳定范围为 k p 0 0 6 向 i i 时 令v o 或v 0 一 戤 1 9 江南大学硕士学位论文 在普通的p i 数字控制器中引入积分环节的目的是为了消除静差和提高精度 但在 过程的启动和结束或大幅度增减设定值时 短时间内系统的输出会有较大的偏差 并且 会造成积分累积 使得计算出的控制量超过执行机构最大执行范围的极限控制量 最终 引起系统较大的超调 甚至引起系统的振荡 因此可以考虑引进积分分离的控制算法 既保持了积分作用 又能减小超调量 很大程度上改善了控制性能 具体设计方法如下 设定阀值孝 0 当偏差i p 后 i 善时 也就是输