（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp控制的逆变器模块的无连线并联研究.pdf

浙 人学硕士学位论文 摘要 a b s 认c t a st h ei n d u s tr ie s d e m a n dt ot h c p o w e rs u p p ly ism or ea n dm o r eh ig h cr es p e c ia 1 1 yt h es e c u r i t ya n dt h ed e p e n d a b i l i t y t h em o d u l e i n t e g r a t i o ns y s t e mh a s b e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a r b e c a u s eo ft h er e d u n d a n c y t h es ys t e mc a ni m p r o v et h e s e c u r i t yg r e a t l ya n da 1s os u p p l yh i g h e rq u a l i t yp o w e rt h a nt h ec e n tr a l iz e ds u p p l y i nt h ef je l d t h ea cm e d u le i n t e g r a t i o ns y s t e misa p pj ie dm o r ea b r o a da n dm o r e d i f f ic u l tt h a n i x m o d u l ei n te g r a t i o ns y s t e m a m o n gt h ea c m o d u l ei n t e g r a t i o ns y s t e m t h ep a r a i l e lisav e r yi m p o r t a n tf i e l d t op a r a l le 1s u c c e ss f u l l yt h eo u t p u t sp h a s e a n da m p l i t u d em u s tb ea c c o r dw i t he a c ho t h e r a n dt h ep a r a l le 1t e c h n o l o g yc a nb e d iv i d e di n t ot w op a r tsb yw h e t h e rt h e r eisaw ir ea m o n gm o d u le s i ft h e r eisaw ir e a m o n gm o d u l e s t h et e c h n o l o g y isc a l1 e dw ir e p ar a l1 e 1 w h e r e a sit sc a l1 e d w ir e l ess p a r a l l e l a n dt h ew ir e l e s s p a r a l l e iism o r er e d u n d a n t n o w a d a ysi t s o f t e nc e n tr o lt h e p h a s e a n dt h e a m p l i t u d et h r o u g h t h e a c t i v e p o w e r a n d r e a c t iv e p o w e ro ft h el o a d w h i c his c a l l e db a s i cd r o o p t h e o r y t h et a s ko ft h ep a p e rist h ei n v e r t e r sw ir e l e s s p ar a l le 1 b a s e do nd s p a n dt h e c e n tr o lt h e o r yis d e v e l o p e df r o mt h eb a s i c d r o o p t h e o r y i n t h en e wt h e o r y t h e o u t p u tp h a s e a n d a m p l ir u d e isc o r r e l a t i v ew i t hb o t ht h e a c t i v e p o w e r a n d r e a c t i v e p o w e r t h a t ist o s a y t h ep h a s e a n dt h ea m p l i t u d eisc o n tr o l l e db y a c tiv e p o w e ra n dr e a c t i v e p o w e rt o g e t h e r o nt h eo t h e rh a n d t oi m p r o v et h ed y n a m i c r e s p o n s e t h et h e o r ya d d e dd e r i v a t i v ea r it h m e t i e i nt h et h e o r y t h ep a r a m e t e rsa r e v er y i m p o r t a n t w h i c ha f f e c t t h es t a b i l i t yd ir e c t l y b u tt h ep a r a m e t e r sa f f e c t e d e a c ho t h er t h ed es i g n i n gisv e r yd i f f i c u l t i nt h ep a p e r w ea n a l y z et h ei n f l u e n c e o fe a c hp a r a m e t e r s a n df i n dt h a t t h ep a r a m e t e rr e l a t e dw it ht h ep h a s ea n dt h e a c t i r e p o w e ris t h em o s ti m p o r t a n t s o w ed e s i g ni tf ir s ta n dt h e ng e to t h e rp a r a m e t e r f r o mit t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e s t h ec o r r e c t i o no ft h et h e o r y a n o t h e ri m p o r t a n tp r o b l e mish o wt og e t t h ea c t i v e p o w e ra n dr e a c t i r e p o w e r i nt h ep a p e r w ec o m p a r et w om e t h o d s o n e ist h ev o l t a g ea n dc u r r e n ts h i f t p h as e m e t h o d a n dt h eo t h e rist w o t a b l em e t h o d c o n s i d e r i n go f t h ed y n a m icr es p o n s e w e 浙江人学硕 学位论文 摘要 c h o o s et h et w o t a b lem e t h o d i nt h ep ar a l1e 1 s ys te m e v er yi n v e lt erc o n n e c tst 0ap cb yac a n b u s s ow cc a n c o n tr 0 1itt hr o u g ht h em o n it o rs o f t w a r ei nt h e c o m p u t e r t h ee x p e r i m e n tr e s u l tss h o wt h a tt h ec o n tr 0 1 t h e o r y iss u c c e ss f u l w h ic hc a n a ss u r et h es ta b i l i t ya n dt h e d y n a m i c r e s p o n s e i n t h e e x p e r i m e n t t h e s ta b i l i t y e r f o ris s m a l l a n dt h ec u r r e n t s h a r eerr o r is5 p e r c e n t w h e na n e w i r i v er terj o i n so rai n v e r t e re x i tst h es y s t e m o rt h e1 0 a dc h a n g e s i tw i l l t a k e t w ot of o u rp e r i o d st 0a c h je v et h en e ws t a b l es t a t c k e yw o r d s i n v er t e r w ir e l e ss p a r a l l e l i m p r o v e dp qt h e o r y d s p c a n 本论文工作得到 国家自然科学基金项目支持 项目编号 5 0 2 3 7 0 3 0 谨表谢意 堑婆丕堂堡主 兰焦堡壅 蔓二童堑堡 第一1 章绪论 随着工业领域对电源系统综合性能要求的逐步捉高 模块集成的前景越来越被看好 本 章首先介绍分布式电源系统d p s d is tr i b u t e dp o w e rs y s t e m 讲述其意义发特点 然后对 逆变模块的有连线并联和无连线并联方案进行综述 最后介绍本论文的理论研究成屎及研究 内容 1 1d p s 的意义及应用 d p s 即分布式电源系统 它是相对于集中式电源系统 c e n tr a l iz e dp o w e rs y s t e m 晰言 的 对于电源系统来说 能源能够不问断的供廊非常重要 尤其是对一些敏感负载 这点更 是重要 u p s 1 b i n t e r r u p t e dp o w e rs u p p l y 对于解决这个问题似乎正中要害 但仍有不足 之处 囡为如果仅由单个电源提供能源 它实际是一种集中式电源 不仅不灵活 也不可靠 并且如果系统功率增加时 电源的容量也必须相应增加 因此一旦集中式电源出现故障 整 个系统将受到影响 其解决途径便是将多个电源集成 并联在一起提供能量 这样就可以避 免集中式电源的诸多缺点 相比集中式电源 d p s 有着如下优点 1 系统冗余 集中式电源一旦出现故障 整个系统都将受损 而d p s 中 一旦某个模 块出现故障 别的模块能够提供相应的输出功率 保证系统继续正常运行 这也同 时大大提高系统的可靠性与安全性 2 模块化 d p s 是多个模块并联提供能量 显然具有模块化的特点 这样既给系统维 修带来便利 同时也给系统扩容带来方便 因为一个n 个冗余的系统变成一个n i 冗余的系统后 系统容量将可以提升得更高 3 呵靠性 由于系统是多个模块同时提供能源 因此每个模块所提供的能源相对较小 这样系统的可靠性将更高 同时 也因为各个模块的功率相对较小 系统的供电质 量 供电效率 防止供电污染等方面都有较多的优越性 从以上分析可见 d p s 具有非常重要的意义 尤其在大功率场合更是突出 因此在大功 率场合 d p s 将是首选 在一般中小功率场合 d p s 对提高系统综合性能也有较大作用 但 也会相应增加成本 4 塑些丛堂塑生堂鱼堡皇 塑 童鳖鲨 1 2 逆变器模块并联方案 按照模块问是否有信号连线 可以将模块 联方案分为有连线并联与无连线 f 联 如果 模块问除去交流母线外 还有别的信号连线相连 这种并联方式便叫做有连线并联 反之 如果模块间相互仅有交流母线相连接 则为无连线并联 无连线并联是一种完全模块化的兀 余并联 其冗余性要高丁有连线并联 在有连线并联中 则又可分为主从式与对等式并联等 无连线并联中又有p q 法并联 改进p q 法并联及p q d 法并联等 具体分类见图1 1 f 主从式 有连线 r并联l 一对等式 逆变器模块l 并联技术 lr 经典p 日法 l 社改蚋法 l p o d 法 圈1 1 逆变器模块并联方法分类图 1 2 1 有连线并联 1 2 1 1 主从式有连线并联 所谓主从式 就是一个模块为主模块 其余的模块为从模块 模块间地位不对等 电压 源 受控电流源型并联即是一例 电压源作为主控模块 用来建立并联系统的恒定输出电压 从模块的作用是跟踪主模块的给定参考电流 分担系统中相应的负载电流 而从模块的参考 电流给出方式有两种 一种是由功率分配中心 p d c p o w e rd is tr i b u t e dc e n t e r 提供 1 另外 种是由主控电压源提供 具体见图1 2 幽12 功率分配法主从式并联 浙 i 人学硕士学位论文第章绪论 稿 以i 二方案中 系统对主模块的依赖性过人 一 土模块故障 整个系统将会受剑影响 目前在这些方案的基础 提出一种主从式政进方案 通过采j h 自丰模块法进行优化 当丰模 块n i 现问题时 通过适当的控制 可将某 从模块作为主模块 从而解决t 模块不能冗余的 问题 目前实现这种方案有诸多方法 f 面介绍两种比较典型的白 模块法 1 状态通讯线法 1 通过一条状态信号线来自动确定哪 个模块为主模块 而其它模 块为从模块 具体实现原理框图见图1 3 在这种有连线控制方案中 模块问的信号线只有 两根 一根是实现均流功能的电流参考信号 另一根是决定本模块是否为主模块的状态信号 线 r 图1 3 状态通讯法主从式并联 2 最大电流法 1 在并联系统中的模块 谁的输出电流最大将成为主模块 而其余的 模块则为从模块 原理实现见图1 4 圈14 摄大电流法主从式并联 6 h h 一 一 浙江大学硕士学位论文第幸绪论 1 2 1 2 对等式有连线并联 所谓对等式 即所有模块在整个并联系统中 没有主从之分 地位均等 故并联系统中 所有模块可实现较大程度兀余 这将人人增加系统的可靠度 但模块问尚需均流信号线相连 这种控制方式与主从式相比 具有如下特点 1 模块问没有主从之分 因而消除了主从式中因主模块故障而导致的系统崩溃问题 2 模块间的存在着多种变量作为通讯连线 因而控制方式比主从式要多 而且更加灵 活 常见的控制变量包括 输出电流 逆变器基准电压参考信号 反馈电流 参考 电流 输出有功功率 输出无功功率 输出电压的频率及相位等 南于这种方式基本解决了主从式的致命弱点 因主模块故障而导致并联系统的崩溃 而且它的控制方式比较灵活 所以目前研究的比较充分 这里主要介绍研究比较典型的j 三种 控制见案 1 均分控制法 1 这种控制法的设计思想是在各模块中设置同步和相应控制变量的 平均信号环饥通过模块问的控制信号连线 生成共同的基准电压 基准电流 从而实现备 逆变模块的同步和均流 该设想思路清晰 但模块问的通讯线比较多 不利于多模块的并联 其实现原理见图1 5 v f 2 图1 5 均分控制法对等式并联 2 功率均分控制法 从功率平衡的角度进行考虑 若要实现各模块间的均流 它 们的提供给负载的有功功率及无功功率应当平衡 具体方法为 利用输出电压的频率 输出 的有功功率及无功功率作为各模块间的信号线 实现模块间的功率分配 具体见阁1 6 a 恼 一 窜一 呵 皿 一 母 伺 缸 牡 感泅 繁潮湖麓k 浙江人学硕士学位论文第一章绪论 一叫 一1 l ll 1 一 一i f i 三妄翟 v o l 芏盥 1 一 二 一 r 一 一 r 厂 广 一兰盐 产1 蒜矗 广墨i 童篷 昏i 盟赢粤蟹 l 隔离l 电路l 耳 l 逆变器一2巨二 i l 逆变器一r l 图1 6 功率均分法对等式并联 3 电流权重控制法 1 采用电流权重分布控制策略 以实现电流均分 针对单逆变 器 采用三种控制环 电压外环控制实现系统的稳定性 电流内环控制提高系统的动态性能 电流权重分布控制取得相应的负载电流 实现模块间的电流均分 实现原理见圈1 7 图 7 电流权蕈控制法对等式并联 8 浙江人学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 无连线并联 无连线并联是指并联模块问仅有交流母线相连 而再没有别的信号线相连 这是一种完 全冗余的并联方案 具有j 泛的府用前景 但也j e 凼为模块问没有信号线 冈此模块问的均 流控制便比较困难 逆变输出的交流电源 其输出电压瞬时电压大小既有正负符号之变 也 有相位的改变 网此要保证均流效果较好 既要保证各个模块的幅值 致 也要保证其相伉 的一致性 目前的无连线并联技术的研究主要体现在以下几个方面 1 由 r 研究的主要是电压型逆变器间的并联 因而在逆变器模块并联时 在逆变器与 系统负载之间应串有感性阻抗 一般采用如f 两种方式 一种是直接在逆变器与负载间串电 感 另外一种是通过将隔离变压器接在逆变模块与负载之间 但这种方案均流效果不太好 而且很笨重 因为输出隔离变压器为工频 2 模块成功并联 其输出电压的幅值 频率 相位应严格保持相同 也即模块间的功 率平衡 如何通过只检测本模块的自身变量而实现模块间的功率平衡成为这项技术的关键 目前基本上是通过检测本模块输出的有功功率 p 无功功率 q 米调整输出电压的幅值和 相位 通过输出电压频率 来实现的 3 肖并联系统接非线性负载时 p q 法就很难实现谐波功率的平衡 进而引入谐波功 率 d 控制电压环的增益以调节模块间的谐波功率的平衡 但这会降低电压环的带宽和恶 化输出电压波形 4 由于在输出端接有连线电感 而且还存在着输出线等连线阻抗的影响 这在很大程 度上影响了均流效果 如何减小引线阻抗 包括输出电感和连线阻抗 的影响 或者彻底消 除它的影响 5 如何快速而有效地检测出输出的有功功率 无功功率和谐波功率 目前的无连线方案都是基于下垂理论而发展的 它通过检测模块的有功功率p 和无功功 率来调节输出幅值与相位而达到均流目的 下面对其中的三类典型控制策略加以介绍 1 2 2 经典p q 法 这种 方案通过对两个逆变模块的并联进行建模 并认为电源模块与负载间的阻抗呈感 性 通过对各个模块输出的有功功率与无功功率进行计算 近似有如式 1 1 和 1 2 p x l 8 9 浙江大学硕十学位论文 第章绪论 q k v q o f 2 其中位是逆变模块输出电压与负载电压之间的相位差 v 为逆变输出f b 压峰值 r 见 彳 f 功功率e 要与模块频率 反映相位筹 相关 而无功功率t 要与模块幅值相关 并且斗目位 超前越i 多的模块有功功率人 幅值越人 无功功率越人 因此提出j 种f 垂理论 即通过 有功功率来调节频率 无功功率来调节幅值 达到模块的频率与幅值的一致 从而达到均流 的目的 其控制方程如式 1 3 和式 1 4 2 o o m p 3 v 也 n q 1 4 通过 1 3 和 1 4 可见 当某一模块有功功率过大时 通过r 垂调节可将频率调得较小 从而使相位超前下降 达到模块的有功功率平衡 对于无功功率 当某一模块无功功率过大 时 通过r 垂调节可将幅值调节得较小 从而使无功功率变小 达到无功功率的平衡 有功 功率和无功功率趋向平衡 则会提高均流效果 图1 8 即为对应的下垂控制示意图 g 图j8 无连线并联下垂控制示意图 在具体的控制实现上 则是由采样输出电压v 与采样输出电感电流i 获得有功功率p 与无功功率o 然后由p 与q 通过下垂算法获得新的频率珊与幅值v 其控制框图如图19 所示 浙江大学硕十学位论文第一章绪论 1 2 2 2 改进p q 法 囤19 经典p o 法无连线并联控制示意图 经典p 0 法是基于引线电感为感抗 而得出的下垂控制算法 但实际上引线是有一定阻抗 的 并且理论证明仅仅下垂并不能保证有功功率与无功功率的平衡 因此一些方案在经典 p o 法的基础上进行了一些改善 文献 2 2 1 即在f 垂控制算法的基础上 对频率公式作了适当改进 如式 5 o j q m p x 口 1 5 其中 p 为相位差 这样对甜的调节将精度更高 而对电压幅值的调节则仍旧用式 1 4 同时对有功功率p 与无功功率q 还经过一个低通滤波器 其系统控制框图如图 1 1 0 浙汀大学硕 学位论文 第一章绪论 圈1 1 0 改避式p q 法静制罹母不蒽图 文献 2 3 1 则是从提高系统动态性能的角度 进行一些探索 其控制策略是在经典p q 的 基础l 增加了微分和积分环节 使系统的响应较好 其控制思想可以简化为下式 一m k 1 尸一 警 s e 坷川一 等 1 图1 1 1 改进p o 法控制框图示意图 文献 2 4 与文献 2 5 有些类似 通过在下垂公式上增加微分环节 以加快系统的动态性 能 其控制思想可简化为式 1 8 和式 1 9 1 2 浙汀人学硕士学位论文 第 章绪论 e e 一n q i i d 面d q 18 爿0 1 警 1 9 以上三种改进方案基本上都是在f 垂控制算法的基础上进行改进 以更好的均流或是提 高系统的动态性能 但文献 2 5 1 n 是借鉴下垂算法的思想 提出一种新的控制策略 文献 2 5 认为 逆变模块之间很难同相 同时幅值调整必须克服正反馈 这一点非常关键 它利用有 功功率p 与有功功率之差来调整模块频率 幅值的调节则是在卜垂的同时采j jp i 平均值算 法 其控制算法思想如式 1 1 0 和 1 1 1 z 1 z 岛 尸 z k 4 p 一1 1 1 0 1 f k k s l 厂 一f k l 1 1 1 同时在控制算法中还加入了锁相环思想 使模块间能够达到较好的同步 图1 1 2 即为 其控制框图示意图 图i 12 改进p 法控制框图 1 3 塑些叁 兰堡 生堂鱼堡墨 签二茎丝迨 1 2 2 3p q d 法1 2 q 经踺p 法认为输出电压没有谐波或者学波较小 因此计算中都没有考虑到谐波功率 而实际上输出电压的t h d 彳i 可能为零 一 些情况f 尤其是啦线一 生负载f 谐波功率不可以忽 略 因此一些方案提l l p 方案 即用基波有功功率p 基波无功功率0 和谐波功率d 米共 同调节输出电流 达到模块问的均流 文献 2 6 就是采用这种p c d 法来达到均流的 同时采 用了小信号注入法 幅值为基波的1 1 0 0 它用锁相环来实现输出与小信号的同步 控制相 位的一致性 其实现框图如图1 1 3 所示 fr i t s 图11 3p q d 法并联控制框图 1 2 3 有连线并联与无连线并联比较 l i 有连线并联方案的模块问有通讯线相连 根据模块的地位是否均等可以分为主从式与对 等式 但有连线并联实际上并不是一种完全冗余的并联 无连线并联方案的模块间仅有交流 母线相连 目前的方案中一般是基于模块输出的有功功率p 无功功率q 有时还包括谐波 功率d 共同调节模块问的均流程度 为了提高系统的均流度与动态响应 一傲对下垂算法中 增加微分年u 积分环节 无连线并联相比有连线并联 有着如下几点优势 11 模块化程度更高 由丁无连线并联的各模块间没有信号线相连 各个模块问完全独 1 4 浙江犬学硕十学位论文 第 章绪论 证 是一种完全冗余的并联 其楼块化程度更高 2 可靠性更高 由于模块间没有关联 因此单个模块的故障不影响系统的 作 人火 提高系统的可靠性 3 易扩容和维护 模块间相巨独立 因此系统进行容量扩展相当方便 同时维护某个 模块也极为便利 4 戍用前景更广泛 有连线并联的模块问的相互连线是一个不稳定因素 因为一月连 线故障 系统也会受到影响 另外相互间的连线 会给系统带来噪声 影响供电质 蓬 同时相互间的连线也限制了模块的空间 所有这些缺点都为无连线并联所不具 备 因此无连线并联的应用前景更被看好 但无连线并联相比有连线并联也有其劣势 主要是以下两点 1 控制策略复杂 要达到较高的均流度 经典p o 法还不够 因此还必须引入一 些复 杂的控制 如p i p d 等 以及对p q 等进行低通滤波等 2 成本较高 目前的无连线并联都是在数字控制的基础上实现的 模拟控制行不通 而有连线并联则可以通过模拟控制来实现 并且无连线并联对数字芯片的运行速率 及采样速率和精度也有较高的要求 傲的数字芯片 如单片机 不能胜任 目前 主要是用d s p 芯片来实现 这使得系统的成本相对较高 1 2 4 d s p 技术 如前述 无连线并联的控制一般都由d s p 芯片来实现 本节将简要介绍d s p 芯片 数字 信号处理器 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 简称d s p 原来是为信号处理而设计的 但列 前愈来愈多地应用于实时控制领域 d s p 芯片是从8 0 年代以后才发展起来的 1 9 8 1 年美国 贝尔实验室的d p s i 和n e c 公司的u7 7 2 0 p d 被认为是最早的d s p 芯片 其广泛应用是1 9 8 3 年t i 公司的t m s 3 2 0 系列开始的 t m s 3 2 0 f 2 4 0 是t i 公司专门用于电机控制的第一代定点d s p 芯片 在 m 3 2 0 f 2 4 0 以后 t i 公司推山2 4 x 一系列d s p 产品 用于不同场合的电机控制利 电源开发 某些方面的性能也得到了提高 如t m s 3 2 0 c 2 4 1 c 2 4 2 c 2 4 3 为第二代产品 增加 了控制器局域网络 c a n 模块 a d 转换速度也提高到8 0 0 n s 第三代产品t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列的应用更加广泛 它在t m s 3 2 0 系列d s p 的基础上 具有了如下一些特点 1 采用高性能静态c t i o s 技术 使得供电电压降为3 3 v 减小了控制器的功耗 4 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到2 5 n s 4 0 m h z 从而提高了控制器的实时控制能力 浙江大学颁十学位论文 第一章绪论 2 基于 f m s 3 2 0 c 2 x x d s p 的c u p 核保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 代码和t m 3 2 0 系列 d s j 代码兼容 3 片内高达3 2 k 字的t l a s i 程序存储器 高达1 5 l 字的数据 科序r a m 5 4 4 字双口 r a m d a r a m 和2 k 字的单口r a m s a r a m 4 两个事什管理器模块e v a 和e v b 每个包括 两个1 6 位通用定时器 8 个 6 位的 脉宽调制 p 嘲 通道 它们能够实现 三相反相器控制 p w m 的对称非对称波形 当外部 引脚p d p i n t x 出现低电平时快速关闭p 州通道 可编程的p 吼死区控制以防止上f 桥臂同时 输出触发脉冲 3 个捕获单元 片内光电编码器接f i 电路 1 6 通道a d 转换器 事件管理模 块适用于控制交流感应电机 无刷直流电机 开关磁电机 步进电机 多级电机和逆变器 5 可扩展的外部存储器 l f 2 4 0 7 总共1 9 2 k 字 6 4 k 字程序存储器 6 4 k 字程序存 储器 6 4 k 宇数据存储器 6 4 k 字i o 寻址空间 6 看门狗定时器模块 v f d t 7 1 0 位a d 转换器最小转换时间为5 0 0 n s 可选择由两个事件管理器来触发的两个 8 通输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器 8 控制器局域网络 c a n 2 0b 模块 9 串行通信接口 s c i 1 0 1 6 位的串行外设接口模块 s p i 1 1 基丁 锁相环的时钟发生器 1 2 高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入 输出引脚 g p i o 1 3 5 个外部中断 电机驱动保护 复位和两个可屏蔽中断 1 4 电源管理包括3 种低功耗模式 并且能独立将外设器件转入低功耗模式 1 3 选题意义及内容 本课题的题目是基于d s p 的逆变模块无连线并联系统研究 单个模块由四部分组成 即 不控整流电路a c x 输入由工频市电提供 逆变主功率电路 其输入为a c t d c 的输出 主 拓扑电路为 单相全桥电路 控制电路 控制电路为一个双环控制电路 分别采样输出电压 与电感电流进行闭环控制 算法实现由d s p 实现 本系统采用t i 公司的t i v l s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 来 实现 另外还有辅助电源电路 本课题的单个模块的输 为1 5 0 v 峰值的工频正弦电压 额 定容最5 6 0 v a 各模块无连线并联集成后 模块间通过c a n 总线相连 然后连接于p c 机 1 6 浙江大学硕士 学位论文第一章绪论 i c 机上位机监控软件可以对模块进行相应操作 如关闭等 以及查看相关的数据 如一段 时间内的电l l i 信号等等 通过c a n 总线可以对整个并联系统进行j 播控制 整个并联系统完 全基十兀连线并联 能够实现较好冗余 同时可以通过p c 机对系统进行控制 对d 止麻用 具有一定的借鉴意义 本论文土要是对一种改进的p o 法无连线并联策略及逆变器并联模块没计进行 r 研究 通过理论分析 发现负载的有功功率主要与逆变输出频率相关 与逆变输出幅值的相关性较 小 负载的无功功率则既与逆变输出频率有关 又与逆变输出幅值有关 为避免模块并入 负载切换等情况f 系统响应太慢 因此加入微分环节 以增强动态性能 在这种改进p q 法中 下垂参数较多 且相互耦台 而下垂参数的合适与否直接影响系统的稳态性能与动态 性能 因此参数设计非常关键 本课题在系统分析各参数的重要性后 发现有功功率与频率 问的系数非常重要 因此先理论推导出此参数 然后由此引申出其余参数 沦文第一 章讲述逆变模块的并联原理 讲述了基本的p q 原理 以及本文策略的改进原 理 并对有功功率和无功功率的检测和计算进行详细讲解 第 章讲述系统硬件设计原理 洋细讲解单个模块的四部分的设计 以及相关电阻电容的选取原则 第四章讲解相关参数的 设计 系统分析单个模块内部的p i 参数设计以及p q 下垂参数的设计方法 第五章讲解系统 软件和控制算法的实现 详细讲解p c 监控软件的设计方法以及d s p 控制算法的实现 第六 章给出实现结果 包括单个逆变器的实验结果和并联系统实验波形 并对相关波形和数据进 行分析 最后对研究工作做一些总结 分析一些需要改进的地方 浙江大学硕士学位论文第二章逆变器并联策略 第二章逆变器并联策略 本章对无迕线并联的经典p o 法进行理论分析 推导出其下垂控制算法 并在此基础i 对分析进一步完善 对策略进行 些改进 提山改进的p o 法并联原理 由于并联成功的 个关键环节是 如何快速而准确的检测和计算有功功率和无功功率 因此本章对有功功率和 无功功率的计算也作介绍 2 1 经典p q 法并联原理 现以两个逆变模块的并联为例进行讲解 并将每个逆变模块等效于一个交流电源 如图 21 其中v o 和 乞为等效电源输出幅值 蛾和吼为等效电源输出的相位 r i r 2 为引线 阻抗 一般来说引线晕感性而非容性 因此以x l x 2 来代表其感抗 并假定引线感抗相等 z 为输出负载 v o z o 为交流母线上电压 i l 和i a 则为相应模块上的电流 逆变器1 匕l 么仍 则逆变器1 输出的电流为 吃l c o s r p l 啊s i n q t l 图2 1 逆变器并联运行原理图 生 tr l j 肖1 般来说 阻抗相比感抗较小 阏此忽略阻抗 上式可简化为 坐哑等婴型 逆变器1 输出的复数功率 s 0 1 p i 恐i 圪 i o i 由式 2 2 2 3 可得 逆变器1 输出的有功功率只1 和无功功率q 1 为 特等凼卿 1 8 2 1 2 2 2 3 2 4 艘孕蔓 等 一 浙江大学硕士学位论文第二章逆变器并联策略 绋一 v o 屹 c r o s 署时 即模块输出电压幅值比引线感阻比 署 大时 式 2 4 6 大于1 因此r lr l 2 k 三 时 即模块输出电压幅值比引线感阻比 旱 小时 式 2 46 drlr l 于l 因此 0 9 c o o m i 幸p n l 幸q v v d m 2 p n 2 q 24 7 其中的符号 是由前推出的正相关还是负相关决定的 石d p 和瓦d p 都为止值 因此m 1 m 2 前面都是减号 以表示下垂 同样 罢小于零 因此n 1 前面用加号 爰大于零 冈此口任瑾 1 n 2 前面为减号 另外上式中 m l m 2 n l n 2 为下垂系数 其中r n l 要远大于m 2 嘣n l 与n 2 2 5 五一披一奶 浙江大学硕 学位论文 第 章逆变器并联策略 的关系则上 j 模块幅值和引线感阻比有关 2 2 3 动态响应 由222 节推出的式 2 4 7 很好的考虑了引线的阻抗和感抗 对于系统并联后的均流 波形有很好的稳定性 但对于并联系统来说 有两点椎常重要 一是稳定后的均流误差 越 小越好 理论值为0 式 2 4 7 能保证这一点 还有一点则是动态性能 主要表现为如h j l 个方面 启动波形 即有一台新的逆变器并入时各逆变器电流响应 退出波形 即一台并入 的逆变器突然退出 比如由于故障或保护等原因 各逆变器电流响应 并联后负载切换时各 逆变器的电流响应 这儿点中尤以启动波形受影响最为明显 实验证明如果系统动态性能不 好 启动过程中会有一段时间的振荡 因此对式 2 4 7 还必须加以改进 本课题中 对式子 进行微分改进 以提高系统的动态性能 即式 24 7 加上有功或无功的微分环节 由2 2 2 中的分析可知 频率和幅值都与有功功率p 和无功功率o 相关 因此理论上式 2 4 7 的两个 式子中都应该既补偿有功功率的微分环节 又补偿无功功率的微分环节 但如果这样 虽然 理论上更完善 但参数过多 且相互耦合 参数的确定将非常麻烦 此时参照经典p 法 认为频率主要与有功功率相关 幅值主要与无功功率相关 因此对式 2 4 7 中的频率式子仅 补偿有功功率的微分环节 幅值式子仅补偿无功功率的微分环节 即如下 这个式子就是本课题晟终采用的算法 它既很好的保证并联的稳定性能 同时也使系统 具有较好动态性能 2 3 功率计算原理 由经典p q 法和改进p q 法可见 控制算法中都用到有功功率p 和无功功率q 由丁本课 题是数字采样 且是采样瞬时输出电压和瞬时电感电流 如图2 5 所示 焉 嗽 h 浙江人学硕j 学位论文第二章逆变器并联策略 采样电意电流采样g 毒电压 图25 单个逆变模块示意图 f 面推导由电感电流和电容电压来进行有功功率和无功功率的计算方法 目前 主要有 两种方案对p q 进行计算 分别为电压电流相移法和双表计算法 下面分别予以推导 2 3 1 电压电流相移法 下的功率计算公式 p 砒尸 吉厂础 q 嚣r 疽s v d t d t t 式中 v 表示输出电压 f 表示输出电流 p 表示瞬时功率 p 表示输出有功功率 q 表示输出无功功率 式 2 4 9 中所计算式是适用于各种具有周期性波形的功率计算 对上 式进一步进行变形 得 p 去 出 l q 孚r c n 奶t 斑 对式 2 5 0 进行离散变化 得 雌扣鹏 q 专善喊 争 式中 n 表示一个周期内采样点数 由式 25 1 可见 有功功率即为瞬时采样电压与采 样电流相乘 经过累加后取平均值即是 无功功率则为本时刻电压与1 4 周期前的电流相乘 亦即本时刻o f f 与超前9 0 度的电流相乘 然后累加后平均 图2 6 即为其示意图 浙江大学硕士学位论文第一章逆变器并联策略 目h 图2 6 相移式无功功率计算示意图 由丁这种算法中 瞬时电压需要与移位的瞬时电流相乘 因此不妨将其称为电压电流相 移法 由式 2 5 1 可见 有功功率瞬时值即采样瞬时电压与瞬时电流相乘 然后累加平均 但 无功功率需要与l 4 周期前的电流相乘 因此需要对前l 4 周期的电流进行存储 本课题每 周期采样点数n 为4 0 0 冈此程序需要开辟1 0 0 个数据空间 以存储电流数值 2 3 2 双表计算法1 1 9 l 在单相止抠电蹯 1 1 议犏出电墟利军耵出电抛竹刑刀划1 彤a v 矿8 i 砌h 乱 25 2 i 1 s i n c o t 8 i 式中 v 为输出电压的幅值 i 为输出电流的幅值 凹为角频率 乱和只分别为电压 和电流的相位角 对电压和电流分别求傅立叶的一阶系数 如下 去了v 锄s 喇乓1 矿 蝌 皇巧 5 3 去p s i n 矿拟与1 阢o s 础 s 钔 去 c o s c o t d 咖y 1 s i 叱赳 5 5 去 如耐坝咖尹1 删心 5 6 噼蜱 啮嘞 蒜 磷 浙汀大学硕士学位论文第二章逆变器并联策略 尸 万v 击 字 s 坼 s 叫s i n 印 2 k l i q 疆v 击 豳 已吲 9 2 l s i n 只 c o s 配一c o s b s m e 2 一k 25 7 2 5 8 由式 2 5 7 和式 2 5 8 可见 要计算p 和q 需要相应的计算出一 k 和i 而 要得到 k 和 f 需要由 2 5 3 一 2 5 6 黼 下面讨论这四个参量的计算 c o 耐 出 石与 c o s c o d 棚r 而 去了v c o s a t 卅 净c o s c 硼诳专鼢州包 由f 2 5 3 2 5 9 和 2 6 0 可见 i 吉 c o s o d j 专 肿 幺 2 5 9 2 6 0 2 6 1 2 6 2 2 6 3 2 6 4 冈此 e 是采样电压瞬时值与余弦表相乘 然后累加后平均所得 巧是采样电压瞬时 值与正弦表相乘 然后累加后平均所得 是采样电流瞬时值与余弦表相乘 然后累加后 袖 鸱 蛾 o 啪 c 勖 姊 h f 厶 f 台 一 一 理 i 咋 曰 k 浙江大学硕士学何论文 第 一章逆变器并联策略 平均所得 是采样电流瞬时值与正弦戒相乘 然后累加后平均所得 显然 要想计算这四 个龄 群序中需要一个正弦表和一个余弦表 因此不妨叫做坝表计算法 2 3 3 两种计算方法的比较 以上两种计算力法在计算效率 存储空间等方面有一些区别 对于电压电流相移法 其 计算方法简单 因此程序代码较少 计算效率较高 但由于需要刀 辟一个n 4 本课题为1 0 0 点的数据存储空间 因此占用数据存储空间较大 对于双表计算法 程序需要先计算以 k r 和 i 而计算这四个量又需要累加然后平均 计算完这四个量后还要通过式 25 7 和式 2 5 8 获得有功功率和无功功率 显然程序代码较多 计算效率相对电压电流相移法要低 但其不需要在数据域中开辟数据空间 因此对数据空间开销不大 但其需要一个正弦表和一 个余弦表 程序的程序存储空间则要占用较大空间 对程序空间开销耍大 对于d s i 芯片来 说 程序运行速率相当快 1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 最快可达每2 5 n s 一条指令 而数据和稃序空间 都很火 可达6 4 k 因此以上两者的一些优缺点影响并不大 对 i 电压电流相移法 由于需要用到1 4 周期前的电流值 因此当电流发生突变 如负 载切换时 这时的计算便产生误差 会影响系统的动态性能 对于双表计算法 由丁用到的 都是本时刻的瞬时值 因此不存在这个问题 故双表法的动态性能优于前者 本课题采用取 表法进行有功功率和无功功率的计算 2 3 4 功率补偿 由于本课题采样电压为输出电容电压 采样电流为输出电感电流 因此计算得到的有功 功率和无功功率并不是负载上的有功功率和无功功率 它计算的将是电容c 引线感抗x 和 负载的有功功率与无功功率之和 囡此要得到负载有功功率和无功功率 还必须减去电容c 和引线感抗x 上的有功功率与无功功率 由于电容c 和感抗x 的有功功率为零 因此计算出 的有功功率即为负载的有功功率 下面着重讨论无功功率的补偿 假设通过采样电压和采样电流 计算得到的无功功率为q 负载的无功功率为q 电 容cl 无功功率为q 引线感抗x 上的无功功率为q j 由以上分析有 q q q c q 2 6 5 塑些叁芏塑 堂萱迨塞 筻三童鲎变墨羞壁箜堕 对丁电容c 山丁引线电感上分乐很小 网此可以近似队为 电容c 上的电脏即为负载 t w j 电j k 屹 j 1 j t t 驴譬一譬稍 e 对于引线电感x 由于当均流不平衡时 电流可能有直流偏置 因此电流的变化不能确 定 冈此采用电压来计算补偿 实验证明 屯感上的分压很小 约为2 v 因此可近似计算其 无功功率为 q 警 刍 s 由式 2 6 5 2 6 6 u 2 6 7 可知 q 妙雩一毛 s s 因此 通过采样输出电压和电感电流计算出无功功率q 后 再通过 2 6 7 y 芒计算补偿 即得到负载的无功功率 2 4 本章小结 本章通过理论分析经典p 0 法 它通过将引线阻抗作为纯电感 通过理论推导 认为频 率由有功功率p 控制 幅值由无功功率q 控制 即下垂控制算法 改进的p q 法中 若不计 引线阻抗时 经过理论分析 发现频率由有功功率p 控制 幅值则由有功功率p 和无功功率 q 共同调节 实际线路中 引线电抗是电阻与电感的串联组合 因此又通过理论分析 得出 频率和幅值都是由有功功率p 和无功功率o 共同控制 为提高系统的动态响应性能 在频率 与幅值调节式子中 又引入有功功率和无功功率的微分环节 这就是本课题提出的一种新的 改进p 控制法 2 3 节则对有功功率和无功功率的计算方法进行分析 比较电压电流相移 法和双表讨算法两种方法 并对两种方法进行比较 并考虑到实际电路 对有功功率和无功 功率进行一定补偿 获得模块输出给负载的有功功率和无功功率 堑望丕 塑 堂焦堡窒 箜三童墨笙堡笪丝生 第三章系统硬件设计 本系统中单个并联模块采用a c d c 整流电路加d c a c 逆变电路的形式 输入直接采州r h 电提供 为提高系统功率因数 在整流电路之前加一个无源滤波器 对于后级逆变电路来说 主要有三个部分 即d c a c 逆变主电路 控制电路和辅助电源电路 3 1 a c d c 整流电路 整流电路为四个不控二 极管组成 它将输入的交流电压整流输出为直流电压 下面先进 行电压和电流的计算 本课题试验装置单个逆变器输出为幅值1 5 0 v 额定负载2 0 欧 对廊的容量为5 6 0 v a 因 此输出端电流的最大值为 鲁 等以s 一 t 本课题拟采用调幅比o 8 因此逆变电路对应的输入电压为 矿 丘 塑 1 8 8 v 3 2 1