模拟同步发电机特性的逆变器并联技术研究

1、南京航空航天大学硕士学位论文模拟同步发电机特性的逆变器并联技术研究姓名:杨伟申请学位级别:硕士专业:电力电子与电力传动指导教师:邢岩2011-01南京航空航天大学硕士学位论文摘要近年来我国铁路运输蓬勃发展,机车用电设备种类和数量显著增加,对机车电源的供电容量和供电的安全稳定性提出了更高的要求,机车供电电源并联运行成为机车电源的发展趋势之一。但机车辅助逆变电源的功率较大、输入端直流电压比较高、动态变换比较频繁、输出端电压波形质量要求较高,且辅助逆变电源布局分散,工作环境电磁干扰较大。因此,针对机车电源的工作特点,研究了适合机车辅助电源并联运行控制方法。本文研究了同步发电机的输出有功功率与输出电压

2、频率之间的关系,分析逆变器无互联线下垂控制与同步发电机自调频特性的相似性。建立了三相逆变器数学建模,给出了基于旋转坐标变换下的电压电流双闭环控制参数的设计,使得系统性能得到提升。研究了三相逆变器的功率计算方法,大大提高了功率计算的准确性和实时性。并给出了功率调节参数的计算方法,分析了并机电感的对并联性能的影响。在Matlab/Simulink软件环境下对并联系统进行了建模仿真。分析了三相逆变器无互联线并联的关键影响因素,功率计算环节的准确和及时性、单机控制系统的性能、功率调节参数的设计对并联的实现都至关重要。在理论分析的基础上,制作了两台并联运行的三相逆变器样机,介绍了软硬件的设计,并在实验平

3、台上进行实验,实验均流效果较好,验证了无互连线并联控制策略在大功率下的应用的可行性和正确性。关键词:逆变器,机车辅助电源,并联,下垂控制,三相i模拟同步发电机特性的逆变器并联技术的研究iiAbstractAlong with the rapid development of China railway transport, Locomotive electrical equipmenttype and quantity increased significantly,Locomotive power supply puts forward higher request for capacity

4、 and stability. The parallel operation become one of the development trend of locomotive power. Locomotive power has the characters of high power, wide range of high DC input voltage, higher requirements of the output voltage waveform quality and the auxiliary inverter scattered layout, working with

5、 environment electromagnetic noise. Aiming at the locomotive of the power supply characteristics, This paper studied the control method of the parallel locomotive auxiliary power supply.In this paper, the relationship of synchronous generator between output active power and the output voltage freque

6、ncies is analyzed. The similarity between the inverter drop control and the characteristic of synchronization generator is analyzed .The mathematical modeling of three-phase inverter is established .This paper analyzes and Design of a voltage and current double closed-loop controlled Three Phase Inv

7、erter which is based on Rotating coordinate transformation . The power calculation for three-phase inverter is researched, this calculation is accuracy and timeliness . T he power control parameters calculation method is given. The influence of parallel inductance is analyzed. The model of the paral

8、lel system is simulated in Matlab/Simulink software.The key influencing factors of the parallel three-phase inverters without connection is analyzed. Power calculation, single control system performance, the power control parameter calculation are very important.On the basis of theoretical analysis,

9、 the parallel system prototype of two 35KW three-phase inverters is build, the software and hardware design of experiments introduced. Experimental results demonstrate the feasibility of the paralleling control strategy without interconnection in high power application.Keywords: inverter, locomotive

10、 power, parallel, droop control, three-phase南京航空航天大学硕士学位论文图表清单图1.1 三相桥式逆变器 (2图1.2 三相半桥逆变器 (2图1.3 三相四桥臂逆变器 (3图1.4 组合式三相逆变器拓扑 (3图1.5 主从控制并联系统控制框图 (5图1.6 平均电流均流法框图 (6图1.7 3C型逆变器并联控制框图 (7图1.8 功率平衡的原理及控制框图 (7图1.9 PQ下垂控制示意图 (8图2.1 电压源型电源并联系统模型 (10图2.2 输出电压相位有差电压电流相量图 (12图2.3 两输出电压幅值有差电压电流相量图 (12图2.4 理想的3相

11、单极同步发电机结构模型图 (13图2.5 连接到交流母线的电压源等效电路 (16图2.6 感性情况下电源并联运行 (17图2.7 阻性情况下两电源并联运行 (18图2.8基于有功无功调节的逆变器并联控制 (19图2.9 下垂系数与功率均分关系 (19图3.1 三相三线制逆变逆变器主电路原理图 (21图3.2 电流内环结构框图 (24图3.3 电压外环控制结构图 (24图3.4 简化的电压外环控制结构图 (25图3.5 三相逆变器并联系统等效电路图 (25图3.6 d -q坐标系中的电压、电流矢量图 (27图3.7 第二种情况调节过程图 (27图3.8 并联逆变器的基准幅值 (28图3.9 d轴

12、的控制系统框图 (29图3.10 带并机电感逆变器框图 (30图3.11 并联系统与负载连接示意图 (31v模拟同步发电机特性的逆变器并联技术的研究vi 图3.12 逆变器并联系统波形图 (32图3.13 逆变器投入并联系统仿真 (33图3.14 逆变器退出并联系统仿真 (33图4.1 机车电源并联运行系统结构图 (35图4.2 逆变器输出LC滤波器作用示意图 (37图4.3 电流峰值处单位PWM开关周期电流波形 (38图4.4 A相电压采样调理电路图 (39图4.5 主程序流程图 (41图4.6 主中断程序流程图 (42图4.7 斜波发生器原理结构图 (42图4.8 预同步控制原理 (44图

13、4.9 缓启动波形 (45图4.10负载变化动态响应 (45图4.11 PQ系数较大时,并联波形图 (46图4.12 PQ系数适中时,并联波形图 (46图4.13 逆变器并联空载与带载实验波形 (47图4.14 逆变器并联系统突加突卸负载 (47表4.1 TMS320F2812特点 (39南京航空航天大学硕士学位论文vii注释表1、缩略词及其全称PWM Pulse Width Modulation 脉冲宽度调制 DSP Digital Signal Processor 数字信号处理器 SVPWM Space Vector Pulse Width Modulation空间矢量脉冲宽度调制PDC

14、Power Distribution Center 功率分配中心 VCPI V oltage Control PWM Inverter 电压控制型PWM 逆变器 CCPI Current Control PWM Inverter 电流控制型PWM 逆变器3C Circular Chain Control 环行链均流方法 THD Total Harmonic Distortion 总谐波含量 UPSUninterruptible Power Supply不间断电源2、基本符号及说明E 11,E 22并联电源输出电压U OL 0 母线电压 Z 11,Z 22线路寄生阻抗 Z L负载阻抗Oi I &

15、 并联系统中逆变器i 输出电流HI & 环流 R 输出阻抗电阻值 X 输出阻抗电抗值 L 定子绕组自感 M 定子绕组互感 L f 转子绕组自感 M if 定子绕组与转子绕组互感if 绕组磁链 e 定子绕组反电动势 R f 转子绕组寄生电阻T m 机械转矩 T e电磁转矩模拟同步发电机特性的逆变器并联技术的研究viiiJ 转动惯量角加速度转子角频率电角度i f励磁电流M f转子绕组与定子绕组最大互感值p 为极对数S 视在功率P 有功功率Q 无功功率功率因角k P有功调节系数k Q无功调节系数u aN、u bN、u cN ABC三相输出电压i La、i Lb、i Lc ABC三相电感电流i oa、

16、i ob、i oc三相输出电流u a、u b、u c三相逆变器桥臂的输入电压dcU直流母线电压aS,bS,cS三相桥臂开关函数u od、u oq三相输出电压dq坐标轴分量i Ld、i Lq三相逆变器滤波电感电流dq坐标轴分量i od、i od三相输出电流的dq坐标轴分量u d、u q三相逆变器桥臂的输入电压的dq坐标轴分量T S系统采样及反馈惯性时间常数K PWM逆变桥路PWM等效增益K p PI调节器的比例系数i PI调节器的积分时间常数G(s控制器的传递函数Z(0od_ol d轴开环输出阻抗Z(sod_ol d轴闭环输出阻抗m 频率下垂系数n 幅值下垂系数南京航空航天大学硕士学位论文ixS

17、 byj 旁路接触器 S invj 并联接触器 S loadj 负载接触器 _max s U 开关管承受最大电压 _max s I开关管承受最大电流 n w无阻尼自然振荡角频率nf 转折频率 E m相电压峰值承诺书本人声明所呈交的硕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

18、后适用本承诺书作者签名:日 期:南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论1.1 课题研究的背景高速铁路车辆辅助电源是火车上面必备的电源之一,它的主要作用是为火车上面的照明、通风(机车空调等用电设备提供足够的电能。一般情况下,一列客车有8-10个车厢,每个车厢装有一台逆变器辅助电源。该逆变辅助电源的输入电压是机车提供的DC600V电压,其主要功能是将该DC600V电压逆变成AC380V电压,通过工频变压器进行隔离并产生中线,从而为客车上的空调、电茶炉、供热以及单相负载提供电能。按照目前世界范围内的机车电源发展状况看来,将机车内各个单独的辅助电源进行并联供电运行已经成为一种趋势。目前,国内已经有个别

19、高速铁路线路已经引入了西门子等公司的并联供电系统,并正在进行试运行。因此在这个形势下,研发具有自主知识产权的辅助电源并联运行技术,生产可全列并联的三相逆变器来替代国外同类产品,最终实现辅助电源的国产化,就具有了非常好的社会效益并可以带来较大的经济效益1。模块并联技术是现今电源技术发展的一个重要趋势,目前国内外有很多的相关专业人士正在进行这方面的研究。模块并联技术可以实现对负载的功率均分,有效降低模块内部功率开关管的电流应力。同时多个模块的加入可以使系统的容量得到提高,使得系统的可靠性得到加强。另外,由于模块并联可以随意的增减模块个数,方便更改电源系统的功率等级,从而可以大大提高产品的标准化程度

20、,有效缩短产品开发研制周期,降低成本,方便系统的维护。与直流变换器不一致的是,三相逆变器输出端的电压是具有相序、相位、幅值、频率等变量的交流电。这给逆变器电源的并联实现带来了更多的难点和挑战。如果逆变器并联运行时,单台逆变器的输出交流电之间存在频率、幅值、相位的差异,就会使各个模块电源之间出现环流。环流的存在不仅仅会加大开关器件的负担,引起不必要损耗,严重的话甚至会使器件发生毁坏,造成额外的损害。因此采取有效的方法对环流进行抑制是逆变器并联控制技术的关键点。以上分析了逆变器模块并联的优点和难点。但在车辆辅助电源的应用场合下还具有一定的特殊性。车辆辅助逆变器电源具有以下的特点:输入直流电压高、输

21、入电压的范围宽、输出频率稳定、输出电压稳定、输出正弦电压失真度低、工作环境较恶劣。所以设计研发的车辆辅助逆变器电源必须要选择合适的单机拓扑和控制方式,从而满足火车这一个特殊的运行环境,确保输出端电压的品质。在单机运行安全稳定的条件下,再通过合适的并联控制策略从而保证机车辅助逆变器电源在复杂的运行环境下也可以进行并联运行,并且满足电压幅值、频率、稳定性等一系列的指标。1随着逆变电源在电力设备、产业设备、交通车辆等领域的应用越来越广,对逆变器自身容量的也越来越大,这对逆变器中的开关器件和电路拓扑提出了更高的要求。按逆变桥臂的构成形式可以将三相逆变器分为以下几种拓扑方案2: (1 三相桥式逆变器 d

22、cU +图1.1 三相桥式逆变器三相桥式逆变器的电路拓扑结构简单,开关器件少,功率开关管直接承受母线电压结构如图1.1所示。为了可以得到输出三相电压的中点从而提高其带不平衡三相负载的能力,可以在输出端增加一个功率变压器,来形成中点。(2三相半桥逆变器三相半桥逆变器是利用直流电源输入端跨接两个串联的电容,从两电容之间拉出一个输出电压中点,从而可以输出三相四线制的电压,电路拓扑如图1.2所示。为了有效的防止中点的电位偏移,两个串联的电容必须足够的大。半桥电路的直流电压利用率较低。U + 图1.2 三相半桥逆变器(3三相四桥臂逆变器在三相桥式逆变器的基础上再增加一路输出桥臂就形成了三相四桥臂逆变器,

23、电路拓扑如图1.3所示。增加的这路桥臂主要是用来形成输出三相电压的中点,从而降低逆变器在带不平衡负载时输出电压的不对称度。这种电路拓扑的控制相对较复杂。 dcU +图1.3 三相四桥臂逆变器 1112dcU +图1.4 组合式三相逆变器拓扑(4组合式三相逆变器将三个单相逆变器组合起来就形成了组合式三相逆变器,如图1.4所示。该逆变器的每相都是独立运行的,故可以单独进行控制。组合式三相逆变器的实现较为简单,可以满足大功率逆变器的容量需求,但其电路构成较为复杂3。单台三相逆变电源的控制是模块逆变电源并联的基础。良好的控制系统可以保证三相逆变器有着良好的稳态和动态性能。这可以保证三相逆变器在稳定的状

24、态下有着较好的稳态精度,当负载扰动时系统具有较快的响应速度,这些都是逆变器并联运行的基础。所以分析并研究逆变器的控制技术是十分必要的4。随着微处理器的不断发展和应用,传统的逆变器模拟控制技术逐渐被数字控制技术所取代。逆变器数字控制中的DSP 处理器硬件电路是基本一致的,而各种控制算法只要对控制软件进行改动就可以实现了,这样产品的研发周期可以大大缩短,控制系统的升级也相对容易,从而更加有利于组成大规模的逆变电源并联系统。针对于逆变器数字控制的研究方向主要有以下几个方面5:(1数字PID控制由于DSP数字信号处理芯片不断的应用到电源变换领域。数字PID控制得到了广发的应用。这种控制方法除了拥有参数

25、计算简单、整定容易的特点外,还可以方便的加入各种补偿措施,从而来弥补模拟PID控制时不令人满意的动态性能和带非线性负载较差的缺点。(2无差拍控制无差拍控制需要对受控系统模型进行非常准确的预测,在此基础上可以使逆变电源的输出波形质量得到较高提升好,大大降低总谐波畸变率,使得系统具有快速的动态响应速度。但当理论模型建立得与实际对象有差异时,反会引起输出电压波形的震荡,这对逆变器运行的安全稳定性有很大损害。(3模糊控制准确的电力电子模型建立存在很大的困难,这主要是因为电力电子装置是一个多变量的、非线性的时变系统。面对这样一个系统,模糊控制确可以有效的做出判断和处理。模糊PID控制按照一定的语言规则把

26、输出的精确量进行模糊化的推理,然后再确定最合适的PID参数。这样就可以使得控制系统依据实际情况选择最好的PID参数,从而极大的提升系统的稳定性。相对于传统的PID控制,模糊控制下的逆变器系统带非线性负载能力大为提高。(4重复控制逆变器采用重复控制是为了消除掉整流性负载带来的输出电压波形的周期性畸变。重复控制的基础是前一个周期出现过的波形畸变也会在下一周期重复出现,控制器依据给定信号与反馈信号的误差来产生所需要的校正信号,并在接下来的基波周期中在控制信号上叠加此校正信号,从而消除掉输出电压的畸变。但重复控制器虽然能有效的消除周期干扰误差,但控制时有着一个工频周期的控制延迟,这大大降低了逆变器的动

27、态性能。(5神经网络控制神经网络控制是新兴的一种应用于线性非线性系统的智能控制方式。神经网络控制需要对各种实例和仿真获得的数据进行离线学习,得到适合被控制系统的最佳控制方式。应用这种控制规律的逆变器系统具有很强的稳定性能,可以适合带各种负载。但实现较为困难6。以上介绍的逆变器控制方式在单相逆变器中已经得到了很好的应用,并取得了不错的成果。目前,三相逆变器的控制技术按照控制坐标的差异可以大概的划分为三大类。分别对应是基于三相abc静止坐标系、静止两相、坐标、旋转d、q轴坐标系下的瞬时值变量的反馈控制7。4在静止三相坐标系下三相ABC之间的电压电流是各自独立,互相不存在耦合的关系。因此,三相静止坐

28、标系下可以采用三相相互独立的控制方法,比较适合组合式的三相逆变器的拓扑。三相独立的控制方法就是把三相中的每个单相看出一个独立的单相全桥逆变器,这样就使得系统具有很好的带不平衡负载的能力。将三相abc静止坐标系转化到静止两相、坐标系后,使得三相变为两相,从而减小了控制回路。在静止两相、坐标系中,两相之间的电压电流也是各自独立的,方便对轴进行独立的控制。三相逆变器在同步旋转d、q轴坐标系下是与以上两个坐标系统下的数学模型是不一样的,两个坐标轴上的电压和电流量是存在耦合关系的,所以需要对三相进行统一的调控,而且在d 轴和q轴上的分量是直流量,这样对三相逆变器的控制十分的有利,在此基础上并联调压操作也

29、相对的变得容易了。在现有的逆变器并联控制技术中可以分为有互连线并联和无互联线并联两大类。有互联线并联技术中的各个并联模块之间存在着通讯连线,可以实现模块间的电流均分。其中比较有代表性控制方式有主从控制、功率均分控制、电流均分控制、3C(Circular Chain Control型并联控制等8。(1 主从控制 o(a 主控电压模块模式(b 功率分配中心模式图1.5 主从控制并联系统控制框图主从控制并联技术是产生时间比较久,是相对比较成熟的技术。该技术的主要思想是并联系统中存在一个主要的电压型电源作为主模块,其他的从模块通过控制自身的输出电流来跟踪主模块的参考电流,从而向系统中输出功率。而电流给

30、定方式有主控电压模块给出和功率分配中心给出这两种。图1.5中(a和(b分别给出了两种控制方式的框图。主从并联相对比较简单并且容易实现。但由于存在一个主要的模块,从而导致系统的冗余性比较差,一旦主模块出现问题,系统将会崩溃9。(2 改进的主从控制由于传统主从控制的自身缺点,后来发展出了改进的控制方法。其主要思想是在主模块出现问题时,系统通过合适的控制,改变其中的一个从模块变为主模块,从而解决传统主从系统中冗余性较差的问题。(3电流平均控制这一种控制法是在各个并联运行模块之间增加控制信号通讯线,用于传递电压和电流基准,从而使得相应的系统模块可以实现相位同步和电流的均分。这种控制方法的均流效果良好。

31、当并联系统里面的模块数目增多时,系统架构就非常复杂了,所以这种控制方法的缺点也很明显。 图1.6 平均电流均流法框图图1.6给出了应用电流平均控制均流法的控制框图。图中每台逆变器从外向内由外部均流控制环、电压控制环和电流控制环这3个控制环组成。由于单机的内部控制比较完善,所以系统具有良好的稳态及动态性能。系统的均流总线自动产生电流给定量作为单个逆变器的参考。每台单机采样自身的输出电流与电流给定进行比较,其误差信号经过处理用于对单机的参考电压进行补偿10。(43C型并联控制Circular Chain Control是3c控制的全称,它是以电流跟踪控制为基础的控制方法。这种方法中,1#逆变器的滤

32、波电感电流采样信号添加到2#逆变器的滤波电感电流给定信号中,2#逆变器的滤波电感电流采样信号加到3#逆变器的电感电流给定信号中,依此类推,最后逆变器的滤波电感电流采样信号再添加加到1#逆变器电感电流给定信号中去,这样就使得并联系统中电流6信号形成了环形的架构,这种架构形式保证了各个单机的输出功率变成并联关系11。图1.7给出了两个并联模块架构的3C 型控制方案系统控制原理框图。 图1.7 3C 型逆变器并联控制框图(5 功率误差控制法逆变器并联要控制环流大小,其本质就是使各个逆变器间的输出的有功功率和无功功率,实现均分,从而共同带载。功率误差控制就是通过通讯线在模块之间传递频率、有功功率、无功

33、功率的信号,从而实现输出电压的幅值相位同步。图1.8表示了功率平衡的原理及控制框图。Q (a 电压源逆变器并联系统模型 (b基于有功无功功率调节框图图1.8 功率平衡的原理及控制框图1.4.2 无互连线并联技术同步发电机具有自同步以及电压下垂的特性,无互连线的并联技术就是模仿这个特性来实现在无通信线的前提下模块间的并联均流运行的。这种并联技术使得每个模块间完全独立,比较容易就可以组成冗余度很好的系统。而且由于没有通讯线,可以十分方便的实现较远距离的功率并联,而且以往系统的通讯线干扰问题也不再是威胁了,这大大提升了并联技术的应用场合12。一般最常见的基于下垂特性的逆变电源并联实现方法如图1.9所

34、示。单机通过采样计算得到自身输出的有功功率和无功功率,分别用来调节参考电压的幅值和频率,从而达到均分负载的目的。 V图1.9 PQ下垂控制示意图无互连线下垂特性并联技术具有以下主要特点:(1无互连线下垂特性的控制受到逆变器的输出阻抗影响非常大,故一般需要在逆变器输出端与负载之间添加感性阻抗。感抗的添加一般有如下几种方式:(a直接串电感;(b添加隔离变压器,使用变压器的漏感作为感抗;(c在逆变器的控制程序中引入“虚拟阻抗”来替代实际的感抗;(2逆变器的均流效果受到输出端线路上的阻抗和电感的不平衡度的影响;(3逆变器模块的均流精度与系统输出端电压的频率和幅值精度是相互矛盾的关系;(4无线并联系统的

35、在不同负载场合下的稳定性对控制系统的设计提出了很高的要求。1.5 本文主要内容本文主要对可并联运行的机车辅助电源进行分析研究,采用模拟同步发电机特性的下垂控制策略。本文对此进行了理论分析,并搭建了仿真模型对控制策略进行研究,最后在试验平台上进行了实际的开发,取得了良好的效果。全文共分为五个章节,下面对各个章节进行介绍:第一章绪论部分,介绍了机车辅助电源的特点,目前国内机车辅助电源的状况以及机车辅助电源并联运行的发展趋势;另外介绍了三相逆变电源的电路拓扑结构以及控制方法,并对目前的并联理论进行了介绍。最后对论文内容进行总结。第二章分析了逆变电流并联的环流特性,揭示了幅值差与相位差与并联环流的关系

36、。然后分析了同步发电机的自动调频的特性,同步发电机的这一特性可以有效的抑制环流,对并联运行十分有利。接着分析了逆变器的无互联线功率下垂控制理论,揭示了其于同步发电机自调频特性的相似性。第三章分析了三相三线制逆变器的数学模型,并对基于3/2变换的电压电流双闭环控制的设计进行了分析。分析了这个控制技术对无互连线并联控制策略的影响。介绍了3/2变换下的8瞬时功率计算,并给了功率下垂调节参数估算方法。接着了分析了并机电感引起的谐振问题。并且在MATLAB软件环境下搭建了仿真模型,对控制系统的设计以及参数效果进行了仿真验证。第四章介绍了应用于三相三线无互连线并联系统的软硬件设计。首先给出了功率器件的设计

37、,在硬件设计基础上结合DSP实验控制平台,给出了软件设计的相关流程图。搭建了硬件平台,进行了实验研究,得到了相关实验波形。实验结果验证了理论分析的正确性。第五章主要总结和回顾了了全文的主要工作,并对下一步研究方向进行了展望。10第二章 具有同步发电机特性的并联控制分析逆变器电源的并联的关键是对环流的抑制,本章首先分析了电压型并联模块环流产生原因进行了分析,得出环流与相位差(频率差和幅值差之间的关系。分析了同步发电机具有自同步的特性,这有利于并联运行。本章分析了逆变器的输出功率与端电压的关系,由此得到了与同步发电机自同步特性相似的下垂特性的逆变器并联控制方法。研究了下垂特性在逆变器控制中的应用,

38、揭示了下垂特性与同步发电机特性的相似性。电压源型电源的并联模型都可以等效为输出电压源和寄生阻抗的串联形式如图2.1所示。图中11E 和22E 分别输出电压;0OL U 是并联结合点处的电压;11Z 和22Z 是为线路的寄生阻抗; L Z 是负载阻抗。设1111Z R jX =+,2222Z R jX =+。 图2.1 电压源型电源并联系统模型2.1.1 环流产生原因由图2.1电路结构可以算出各个电源的输出电流:=22OL 222O 11OL 111O 00Z U E I Z U E I (2-1环流为:(21222OL 2211OL 112O 1O H =Z U E Z U E I I I (

39、2-2由上式,可以将电压源性电源环流原因划分为三类:(1 两台电源的电压不同,线路寄生的阻抗也不一样,此时环流为: +=+=2H 1H 1122OL 22221111H 11(21(21I I Z Z U Z E Z E I (2-3根据(2-3式,可以将环流分成两个方面:第一是因为两台电源之间的输出电压和线路阻抗的差异而产生的,且差异越大则环流越大;第二是完全由于负载端电压和线路寄生阻抗而产生的。(2 两个电源的输出电压相同,但寄生阻抗不同,即1122E E E =,1122Z Z ,那么由(2-3式可化简为: 11(0(212211OL H =Z Z U E I (2-4由上式可可以看出,

40、此时环流的大小与电源的输出电压与负载电压之间的差值,等效寄生阻抗这两者相关的。上式也表明:对于并联系统而言,若各个模块的线路寄生阻抗不一样,即使模块间可以做到输出电压完全一致,依然会产生环流。(3 两台电源的输出电压不一样,线路寄生阻抗一致,即1122E E ,1122Z Z Z =,同样的,式(2-3可以化简为: (212211H =E E Z I (2-5由上式可得:此时环流与两台电源间的电压差值成正比,与线路寄生阻抗成反比。由于实际的电气系统中可以认为寄生阻抗的差别不是很明显。所以第三种情形与实际很相似,重点分析第三种情况具有很好的实际意义13。2.1.2 环流特性分析如图2.1所示,假

41、设两个并联模块的线路寄生阻抗一致,即1122Z Z Z R jX =+。依据电路中的叠加定律可得: (2(/21L L 21L LOL +=+=E E Z Z Z E E Z Z Z Z Z U (2-6两台电源输出电压存在着幅值上的不同和相位上的差异。下面就依据这两个方面对环流的影响进行分析讨论:(1幅值一致,相位有差异。此时可以得到空载、带阻性负载依据感性负载(一般负载都是阻性或感性这三种代表性情行下的电路变量相量图,如图2.2所示。图2.2中的为带感性负载时的功率因数角。从图2.2(a中可以清楚的看到,空载时的输出电流幅值大小相等,相位之间相差180,相位超前的电源向外发送有功功率、送出

42、容性无功,相位滞后的吸收有功、送出感性无功。12 O2I OLO (a 空载 (b 阻性负载 O(c 感性负载图2.2 输出电压相位有差电压电流相量图从图 2.2(b中可得,阻性载情况下,电压相位超前的电源输出的电流的幅值较大,且输出电流相位超前。两者都向外发送有功,但电压相位超前的电源发出更多的有功且发出容性无功。从图 2.2(c 中可以看出,带感性负载时,情形与带阻性负载时,二者的输出电流幅值以及相位关系与在带阻性负载情况下相同。相位超前者发出有功,滞后者有可能发出也可能吸收有功,两者都发出感性无功(无功功率的关系比较复杂,不方便确定。 OLO O1I(a 空载 (b 阻性负载 (c 感性

43、负载图2.3 两输出电压幅值有差电压电流相量图(2相位一致,幅值不同。图2.3给出了在相位相同,幅值不同情况下,并联的电源系统空载、带阻性负载以及感性负载的相量图。空载时,两电源的输出电流幅值是一样的但相位完全相反。电压幅值大的电源发送有功和感性无功;幅值小的电源吸收有功,发送容性无功;带阻性载时,输出电压幅值较大的电源输出电流幅值较大,当相位相对滞后,两台电源都送出有功。幅值较大的输出有功更多,且送出感性无功。幅值较小的电源则送出容性无功;系统带感性负载时,两者输出电流的幅值以及相位之间的相对关系与带阻性负载是相似的,两个电源都一起发出有功并且同时发出感性无功,当幅值超前的发出感性无功更多点

44、。根据并联模型分析了系统在空载、阻性负载、感性负载下的环流情况,主要是由于幅值差和相位差引起。所以并联系统中,对幅值和相位差的抑制就十分重要。一般逆变器对其输出电压进行闭环控制,当器件精度较高时可以有效的减小了不同逆变器间的幅值差,但逆变器对其输出电压的频率控制很难做到闭环控制。所以逆变器并联时候对频率的同步控制就十分重要。同步发电机广泛应用于大型电力系统中,由于其具有自同步的特性,使得其在并网发电方面有这明显的优势。同步发电机组的自同步特性可以表述为:如果电网中负荷增加,发电机组输出功率增加,则其输出频率就低于初始值;反之,如果负荷减小,则使发电机组输出功率减小,频率就高于初始值。这一特性又

45、被叫做“一次调频”。这种特性对逆变器并联控制模块具有十分重要的借鉴意义14。(=0 图2.4 理想的3相单极同步发电机结构模型图同步发电机的定子绕组和转子绕组的模型如图2.4所示,磁芯的电枢铁芯不存在磁路饱和,定子绕组可以视为具有自感L和互感-M的集中线圈,转子绕组可以视为具有自感L f的集中线圈。14励磁线圈和其他的三个定子线圈之间的互感与电角度的关系可以表述为:(af f M M cos = (2-723bf f M M cos = (2-843cf f M M cos =(2-9M f :转子绕组与定子绕组最大互感值,绕组的磁链可以表示为:a abc af f b a b c bf fc

46、a b c cf f f af a bf b cf c f f Li Mi Mi M i Mi Li Mi M i Mi Mi Li M i M i M i M i L i =+=+=+=+(2-10定义a ab bc c i ,i i i =(2-11并且2343cos cos cos cos =,2343sin sin sin sin =(2-12假设定子绕组的为星形连接,定子绕组电流和为零,0a b c i i i += (2-13则定子上的磁链可以改写为:s f f L i M i cos =+(2-14其中L s =L +M ,同时励磁绕组上的磁链也可以改写为: f f f f L

47、i M i,cos =+(2-15其中定义为内积运算,如果三相电流是对称的正弦波,则式(2-15中的第二项是常数,假设定子绕组的内阻是R s ,则相端口的电压v =v a v b v c T ,可以得到:s s s d di v R i R i L e dt dt=+ (2-16上式中e =e a e b e c T 代表了转子运动时产生的反电动势,可以表示为:f f f f di e M i sin M cos dt =(2-17同理可以得到励磁绕组的端电压为:ff f f d v R i dt =+(2-18其中R f 是转子绕组的寄生电阻。上面表示了同步发电机的电磁部分的原理,同步发电机

48、其实是将机械能转化为电能的装置,转子在原动机的机械转矩和同步发电机本身电磁转矩和摩擦阻力转矩的作用下作旋转运动。定子绕组切割磁链,据电磁感应定律,定子绕组上产生三相相差120的正弦电动势。当定子上有电流流过时,发电机就可以向外输出或吸收有功或无功功率。同步发电的的转子运动逡巡转矩平衡原理,数学表达式为:m e T T J =(2-19T m :机械转矩 即原动机的输入转矩,它与同步发电机本身的电磁转矩、同步发电机的阻尼转矩共同作用,决定了同步发电机转子的角加速度;T e :同步发电机电磁转矩;J :转动惯量即表示同步发电机转子的运动性能的量; :角加速度;:转子角频率;:转子转过的电角度,表示

49、了同步发电机的力学运动特性。转矩的表达式为:e f f T pM i i,sin= (2-20i f :励磁电流(直流;M f :转子绕组与定子绕组最大互感值;p :为极对数。转矩方程给出了电磁转矩和定转子电流、转子电角度之间的数量关系。有功和无功的功率表达式为:f f f f P M i i,sin Q M i i,cos=(2-21当为常数即同步发电机稳定运行时,有功功率的表达式与转矩方程非常相似,两者表达的物理意义相同。假设励磁绕组上通过的励磁电流恒定,在这种情况下式(2-17中定子绕组中感生出的旋转电动势可以改写为:f f e M i sin= (2-22由上式可以知道,同步发电的输出

50、有功功率直接影响到其输出电压的频率。当输出有功功率变大时,如果对应的输入机械功率不增加的话,同步发电机的输出电压频率就会降低,从而16维持功率平衡。同步发电机的自动调频特性是与自身的输入功率和输出功率有直接的关系。这点在并联运行中有至关重要的作用15。2.3 逆变器并联控制研究2.3.1 下垂控制原理 oL U图2.5 连接到交流母线的电压源等效电路图2.5给出了一台与交流母线相连接的电压型交流源的电路。电源向交流母线上输送的的复合功率可以表示为:=+=o OL I U jQ P S(2-23假设电源线路的寄生阻抗Z =R+jX ,则电源电流为:22OL 22OL OL *o cos (sin

51、 sin cos (*sin (cos X R U E X RE jX R EX U E R jX R U j E I +=+=(2-24上式中E 和U OL 分别代表电源输出电压以及交流母线的电压幅值,是功率角,R 和X 代表了线路上的电阻和感抗,由(2-23和(2-24可以算出有功功率P 以及无功功率Q 的表达式:+=+=OL OL OL 22OL sin cos (sin cos (U X R RE U E X Q U X R EX U E R P (2-25一般E 和U OL 的相位差是很小的,故可以认为sin 、cos 1,则功率的表达式可以简化为:+=+=OL22OL OL 22O

52、L (U X R RE U E X Q U XR EX U E R P (2-26为了有利于有功功率和无功功率与其自身电压的幅值和相位之间的关系的研究,分别讨论阻抗在阻性和感性时的情况。当输出阻抗为感性:Z jX =,则并联系统的等效模型如图2.6(a所示。 (a 等效电路1o U 2o QI 2o (b 环流向量图图2.6 感性情况下电源并联运行此时输出有功功率和无功功率为:=OLOL OL (U X U E Q X U E P (2-27对上述的等式做微分:=+=E X U Q E E E XU P OL OL ( (2-28其中的二阶小量E 可以忽略,由于功率角是很小的,所以E 可以忽略

53、,则式(2-28可化为:=E X U Q XEU P OL OL (2-29图2.6(b为环流向量图。可以看到在线路阻抗为感性时,有功功率P 受与相位差变化的影响较大比,无功功率Q 受幅值差变化的影响较大。所以通过调节电源输出电压的幅值和相位就可以对输出的有功功率以及无功功率进行适当的调控控制。由于交流发同步电机输出功率变大的时后,由于功率平衡的关系,其输出电压的频率会自动下降。模仿交流同步发电机电机的这一特别的性质,可以人为在逆变器的控制系统中添加P-和Q-V 下垂方案,这样就可以方便的实现并联系统中的各逆变器的输出功率均分。其控制方式可以表示为:=nQE E mPo o (2-30上式中和

54、E 分别代表了逆变器输出电压的频率以及幅值,m 和n 是对应的功率下垂常数。 当线路的输出阻抗为阻性时:Z R =,并联系统等效模型如图 2.7(a。输出阻抗呈阻性18时X=0,这时有功功率和无功功率为:=R EU Q U R U E P OL OL OL ( (2-31与上面的分析类似,对上式中等式两边做微分,可得:+=(OL OL E E E R U Q E RU P (2-32同理对上式的小变量进行化简得:=R E U Q E RU P OL OL (2-33图 2.7(b表示了环流向量图。与线路阻抗是感性时不同,当线路阻抗为阻性的时候,输出电压的相位的变化量对无功功率的影响比较大,而电压幅值变化量对有功功率影响比较大。 (a 等效电路 U 2o P (b 环流向量图图2.7 阻性情况下两电源并联运行在这个情况下,下垂特性必须修改为:=+=nP E E mQo o (2-34一般情况下,实际的下垂控制总是通过在输出线路上增加一个并机电感,使得线路的寄生阻抗为感性。故通常的下垂控制是采用式(2-30的形式。2.3.2 逆变器功率下垂控制方法有功无功调节法采用如下公式进行并联调节: