（电力电子与电力传动专业论文）分布式逆变电源均流控制技术研究.pdf

燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em u l t i - m o d u l er e d u n d a n ti n v e r t e rs y s t e mb e c o m e sm o r ea n dm o r ep o p u l a rf o r i t sc a p a b i l i t i e so f p r o v i d i n gh i g hp o w e rs y s t e ma n dh i g hr e l i a b i l i t y b a s e do ns h l d y i n g t h ep a r a l l e lc o m m lt h e o r ya n dt e c h n o l o g yo f t h em o d u l ei n v e r t e r s ，an o v e ld s p b a s e d p a r a l l e li n v e r t e rs y s t e mi sp r e s e n t e df o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n f i r s t l y ，t h eo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h ep a r a l l e li n v e r t e ra r e a n a l y z e d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f i t sc i r c u l a t i o nc u r r e n ti ss t u d i e da sw e l l i na d d i t i o n , f a c t o r ss u c ha sr e f e r e n c ev o l t a g e ，v o k a g ef e e d b a c kc o e f f i c i e n t ，o u t p u tv o l t a g e a m p l i t u d ea n dd co f f s e tw h i c hi n f l u e n c eo nc i r c u l a t i o nc u r r e n te r ed i s c u s s e d ，a n d c o r r e s p o n d i n gc o m p e n s a t i o ns c h e m e sa r ep r o p o s e d a l lo ft h e ma b o v eo f f e rt h e o r y b a s e sf o rd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t h ep a r a l l e li n v e r t e rs y s t e r r l s e c o n d l y , an o v e lc o n t r o ls c h e m ei ss t u d i e ds oa st os u p p r e s st h ec k c u l a t i o n c u r r e n to f p a r a l l e li n v e r t e r s t h er e f e r e n c es i g n a l so f t h e p a r a l l e li n v e r t e r sa r ei np h a s e w i t h e a c ho t h e rv i as y n c h r o n o u sb u s e s , w h i c he n a b l et h e i ro u t p u tv o l t a g e sa r ei np h a s e l i k e w i s e t h ea cs t e a d y - g a t ec i r c u l a t i o nc u r r e n tc a nb es u p p r e s s e db yr e g u l a t i n g r e f e r e n c ev o l t a g ea m p l i t u d ea c c o r d i n gt oa v e r a g ec i r c u l a t i o nc h i t e n ti nh a l l l i n ec y c l e t h ei n s t a n t a n e o u sc i r c u l a t i o nc u r r e n ti si n t r o d u c e dt oc u r r e n tl o o pt oi m p r o v ed y n a m i c c i r c u l a t i o nc u r r e n tr e j e c t i n gc a p a b i l i t y t h ed cc i r c u l a t i o nc u r r e n tc a u s e db yo u t p u t v o k a g ed co f f s e ti ss u p p r e s s e db yi n t r o d u c i n gd co f f s e tc o m p e n s a t i o no fr e f e r e n c e s i g m aa c c o r d i n gt oc f f c u l a t i o nc u r r e n td co f f s e t b a s e do nt h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n , t w o1k w e x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e sa r e d e v e l o p e dw h i c hc o m p o s et h ep a r a l l e li n v e r t e rs y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f y e f f e c t i v e n e s so f t h es t u d i e dc o n t r o 】s c h e m e k e y w o r d si n v e r t e r ；p a r a l l e l ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rp s p ) ；c i r c u l a t i o nc u r r e n t ； s y n c h r o n i z a t i o n ；c a r n t s h a r i n g t h i sw o r kw a ss u p p o r e db yag r m tf i o mt h ek e yp r o g r a m so f t h e n a t i o n a ln a t t n a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f ( ：h i m 州0 5 0 2 3 7 0 2 0 1 i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文分布式逆变电源均流控 制技术研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他 人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字 融莹 日期。口占年月印目 燕山大学硕士学位论文使用授权书 分布式逆变电源均流控制技术研究系本人在燕山大学攻读硕士学 位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学 所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完 全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕 山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的 全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 日期：洲6 粹月同 同期：彻年月动目 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 随着现代科技的迅猛发展，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是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。目前，国内外专家学者对逆变器的并联运行展开了 深入的研究。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 i 】。在逆变器并联运行状态，必须保证所有 逆交器的输出电压同频率、同幅值和同相位。否则，各逆变电源之间将会 出现环流，并联逆变电源之间环流的存在，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 2 ，3 1 。 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。 多个电源模块并联，平均分担负载功率，可以降低各个模块中主功率 器件的电流应力，有利于功率器件的选择。同时，多模块并联能够增加系 统的容量和提高系统的可靠性【4 】。另外，多个模块并联，可以灵活构成各 种功率等级的电源系统，以模块化取代系列化，提高电源模块的标准化程 度，从而缩短开发研制和生产周期，降低成本，提高系统的可维护性和可 互换性。 逆变电源的并联技术可以实现n _ 1 冗余并联运行方式 5 1 ，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，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。 燕山大学工学硕士学位论文 因此，逆变电源并联技术在航空航天、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。 逆变电源的模块化并联控制技术是近年来电源领域研究的一个热门课 题，具有实际应用意义。 1 2 逆变器并联技术的现状和发展趋势 由于逆变器并联供电系统具有显著的优势，因此逆变器并联控制技术 已经成为电力电子领域的研究热点之一。世界上许多国家如日本、美国、 德国等的电源开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。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 前，世界几大知名品牌的逆变电源公司如爱克赛、梅兰日兰、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日趋成熟。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。虽然该并联控制方式目前还存在一些技术问题， 但是该并联控制方式的方便性、可靠性使它成为了并联控制的一个发展方 向。以爱克赛公司的9 3 0 5 系列为例，各模块可以实现直接并机，在各 u p s 单机之间无需通讯电缆连接来传递实时信号就可以实现并联逆变器的 均流控制。该系列可以实现几十台模块的并联，各模块输出电流的不均衡 度小于2 。 ( 2 ) 采用高频链结构技术为了实现逆变器的并联、提高逆变器的性能 和减小逆变器模块的体积，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 2 第1 章绪论 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。 1 3 逆变器并联系统的控制方法 逆变器并联控制方法经历了集中控制、主从控制、分布式控制的发展 过程 6 , 7 1 。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8 ，”。现在并联系统的容量和可靠 性进一步增强，成本不断降低。 1 3 1 集中式并联控制 在逆变器并联技术发展的早期，一般采用带有集中控制器的逆变器并 联集中控制方法，其原理框图如图l - 1 所示1 1 0 】。 o - - - - - - - o 母线 图1 - 1 集中控制式并联系统框图 f i g 1 - 1t h eb l o c k d i a g r a mo f t h ec o n c e n t r a t e p a r a l l e ls y s t e m 集中控制的特点是存在着一个集中控制器，该控制器的锁相环电路用 于保证各模块输出电压频率和相位与同步信号相同。同时并联控制单元还 3 燕山大学工学硕士学位论文 负责检测总负载电流i ，将负载电流i 除以并联单元的个数n 作为各台逆变 电源的电流指令，同时各台逆变电源检测自身的实际输出电流，求出电流 偏差，假设各并联模块单元每一个同步信号控制时输出电压频率和相位偏 差不大，可以认为各并联单元的输出电流偏差是由电压幅值的不一致而引 起的，这种控制方式把电流偏差作为参考电压的补偿量引入各逆变电源模 块，用于消除输出电流的不均衡j 。 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，所以，集中控制式并联系统的可靠性不高。 1 3 2 主从式并联控制 由于集中控制方式中的集中控制器一旦出现故障而不能正常工作时， 整个并联系统将处于瘫痪状态，使系统可靠性降低。为了解决集中控制方 式的缺点，提出了主从控制方式，系统框图如图1 2 所示。 图1 - 2 主从式并联系统图 f 培1 - 2t h eb l o c kd i a g r a mo f t h em a s t e r - s l a v ep a r a l l e ls y s t e m 主从控制方式是通过一定的逻辑选择来确定一台模块作为主机，当主 机退出系统时，一台从机自动的切换为主机，执行主机的控制功能1 2 , 1 3 。 4 第l 章绪论 这种控制方法的原理与集中控制是一样的，只是避免了由于主控制器出现 故障时整个系统的崩溃，因此，提高了系统的可靠性。 在一些主从控制并联系统中，正常运行时只有主机存在电压闭环控 制，从机内部没有电压闭环，从机接收主机的电压环输出信号作为电流环 的电流指令，因此从机中只有电流环起作用，主机是电压控制型逆变电 源，而从机是电流控制型逆变电源【1 4 1 。主从控制方式中还有以并联逆变 器输出功率的特性为基础，利用有功和无功来调整各逆变器输出电压的相 位和幅值来实现逆变器的同步并联运行1 7 。9 1 。 主从控制方式解决了单个逆变器出现故障引起整个系统崩溃的问题， 但是由于存在主从切换的问题，因此，主从控制中确定主机的逻辑选择方 法至关重要，直接影响系统的可靠性，一旦主从切换失败，必将导致系统 的瘫痪。 1 1 3 _ 3 分布式并联控制 未了实现逆变电源的真正冗余，即并联系统中的每一台逆变器单元的 运行都不依赖于其它的逆变器单元，各模块单元在并联系统中地位相同， 没有主次之分，于是提出了一种分布式并联控制方式。图1 3 是分布式并 联控制系统的原理框图【2 。 分布式并联控制方案采用三个平均信号作为逆变器之间的并联总线信 号，从这个框图中可以看出分布式系统的一般特点 2 1 , 2 2 1 。图中a v e 是一个 求平均值的电路，通过这个电路，逆变器之间的反馈电压值、参考电压v ， 及反馈电流的平均值都被用于每个逆变器的控制，各个逆变器的控制功能 完全一致，投入或者切除一个逆变器模块对系统来说不需要额外的逻辑判 断，适合并联系统的冗余和维护。在分布式并联系统中，各台逆变器单元 的地位是相等的，当检测到某台逆变器发生故障时，可以控制该逆变器单 元自动的退出系统，而其余的逆变器不受影响。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，该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 5 燕山大学工学硕士学位论文 采用这种方式比较实用。 图1 - 3 分布式并联系统图 f i g 1 3t h eb l o c kd i a g r a mo f t h ed i s t r i b u t e dp a r a l l e ls y s t e m 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，有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。为降低系统 的复杂程度，提高并联系统的可靠性，文献 2 3 2 5 研究了一种改进的分布 式并联控制方式，即只采用一根传输逆变器输出电流平均值信号的均流母 线和一根同步信号总线，减少了并联系统互连线的数量。 在改进的分布式逆变器并联系统中，同步采用独立的电路实现，输出 电流平均值采用模拟电路实现，并通过均流母线传输给各个模块，其控制 电路框图如图1 - 4 所示【2 6 】。在此控制方式中，各模块的输出电流采样信号 经平均值电路得到每个逆变器所需承担的平均负载电流信号，并与自身的 电流比较，将偏差信号反馈给电压瞬时值调节器，从而实现环流的闭环控 6 第1 章绪论 制。为了提高并联系统的稳定性和静态均流效果，均流控制单元还将环流 与输出电压综合后调节基准正弦信号的幅值。同步电路要求每个模块都向 同步总线上发送同步信号，并从总线上接收第一个到来的同步信号，使各 模块跟踪第一个到来的同步信号，各模块没有主次之分，都处于相同的地 位，有利于实现热插拔而不影响并联系统运行，可以实现系统的冗余。 图1 - 4 改进的平均值分布式并联系统图 f i g 1 4t h eb l o c kd i a g r a mo f t h ei m p r o v e dd i s t r i b u t e dp a r a l l e ls y s t e m 文献 2 7 ，2 8 详细介绍了上述利用环流瞬时平均值多环控制实现并联的 方法。通常的分布式并联系统是通过并联模块间的互连线来实现稳压和均 流，其控制原理将控制权分散，在逆变电源并联运行时，各个电源模块检 测出自身的有功和无功功率，通过均流母线传送到其他并联模块中，与此 同时电源模块本身也接收来自其他模块的有功和无功信号进行综合判断， 确定本模块的有功和无功基准，有功用来调整相位，无功用来调整幅值， 这样就可以根据模块问的有功和无功信息来调整自身的电压和同步信号的 参考值，实现并联系统的均流控制和相位同步 2 9 , 3 0 。 1 3 4 无互连线式并联控制 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p “”】，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 3 4 。“。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 7 燕山大学工学硕士学位论文 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 _ - 。一 一g半c一1乏 1l 一萼l 丫 一 k 鼍墨匮丑剧一 u p s l l i p s “l 图1 5 无互连线并联系统图 f i g 1 - 5t h eb l o c kd i a g r a mo f w i r e l e s sp a r a l l e ls y s t e m 1 3 5 其他并联控制方法 针对主从式并联控制所存在的缺陷，文献 3 7 】提出了互动跟踪多点同 步轮主式并联均流控制策略。该控制方式中没有固定的主模块，每个模块 在每个工频周期内都按着一定的频率同时向同步母线上发送本模块的同步 脉冲，实现多点同步，提高了同步精度。各模块在发送本模块的同步脉冲 第1 苹绪论 的同时，随时检测同步母线上的信号，根据同步信号调节本模块同步脉 冲，并由同步信号强制各正弦基准同步工作，使各个模块间的同步脉冲互 相跟踪，形成一种公共的同步信号，实现了各模块的同步。同时利用模块 问的电流信息交换修改参考电压的幅值，实现均流控制。这种分布式无主 从控制的逆变器并联方法，可以实现并联系统的n + i 冗余，增强了系统可 靠性。 爱克赛公司采用独特的“热同步”直接并联技术，在各u p s 单机之间 无需通讯电缆连接来传递实时信号就可以实现并联的均流控制。对于并联 系统中的各台u p s ，都处于完全“平等”的调控状态。采用独特的“小步 长，高频度”同步相位调制法，每台u p s 能够“智能”地将位于并联系统 中的各台u p s 电源的同步跟踪调整到最佳状态，使彼此之间的相位差几乎 为零，实时动态地调节所带负载的百分比，实现高精度的负载均分，并在 逆变器发生故障时将有故障的u p s 电源迅速、可靠地从并机系统中分离出 来。该并联系统的电流不均衡度小于2 。 综合上述几种逆变器的并联控制方式，集中式控制方式比较简单，容 易实现，但是如果控制器发生故障将导致整个供电系统的崩溃，所以，集 中控制并联系统的可靠性不高；主从式并联系统是通过设置主模块实现稳 压和均流控制，从模块跟踪主模块的给定电流，从模块的控制依赖主模 块，该控制方式在主从切换过程中容易出现故障；无互连线并联方式模块 之间无需信号连线，有利于多模块的并联，利用本模块的输出功率进行有 功和无功分解，调整输出电压的频率和幅值，实现模块的自动均流，但是 目前该控制方式在均流精度和动态性能方面不够理想：分布式控制方式是 通过模块间的互连线来实现稳压和均流的，各模块之问没有主次之分，可 以完全实现冗余。本文采用的分布式控制方案是在各模块同步的前提下利 用瞬时波形的控制原理，即将各模块输出的平均电流通过均流母线传输给 各个模块，并与自身电流比较计算出瞬时环流值，再反馈给相应的闭环控 制环节实现均流控制。该控制方式简单，均流效果好，动态响应速度快， 不足之处在于各并联模块之间需要连接线交换信息，增加了多模块并联的 复杂性。 9 燕山大学工学硕士学位论文 1 4 本文的主要研究内容 本课题结合国家自然科学基金重点资助项目“新型高频中小功率逆变 电源的控制技术和拓扑技术研究”进行。主要研究方向是单相逆变器并联 控制技术，文中分析了逆变器并联的工作原理，分析了逆变器并联运行环 流的种类和产生环流的原因，提出了多重环流抑制措施，进行了仿真研 究，在此基础上设计并制作并联实验样机2 台，完成了分布式逆变器并联 控制技术的实验，给出了实验研究结果，并对实验结果进行了分析和总 结。 本文的主要内容： ( 1 ) 系统论述了逆变器并联技术的发展现状和应用前景，对比分析了几 种控制方式。 ( 2 ) 分析了逆变器并联的基本工作原理，讨论了影响模块间环流的因 素，并提出了相应的解决方案。 ( 3 ) 研究了具有多重环流抑制措施的分布式逆变器并联控制策略，详细 介绍了并联控制方案的硬件电路和控制环节的设计方法以及各部分的作 用。并进行了仿真研究。 ( 4 ) 采用d s p 与c p l d 相结合的数字控制方案，实现了两台逆变器并 联稳定运行的实验研究，给出了实验结果并进行了分析和总结。 1 0 第2 章逆变器并联系统的模型分析 第2 章逆变器并联系统的模型分析 2 1引言 随着科学技术的迅速发展，许多领域对电源系统的供电要求提出了越 来越高的要求，不仅要求能够提供高质量的电能，同时也要求整个供电系 统具有很高的可靠性。当前单台逆变电源已经能够给用户提供较高质量的 电能，但是单台逆变器的容量还是有限的，特别是在一些要求较大容量供 电的应用场合，单台逆变器一般无法满足要求。同时，单台逆变器一旦出 现故障，整个供电系统将会中断，使生产设备停止工作。而逆变器的并联 运行可以很好的解决上述问题，该项技术也逐渐成为电力电子专业的热点 研究对象。 2 2 逆变器并联运行的条件 由于逆变电源模块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， 这使实现逆变器并联运行的难度远远超过了直流电源模块的并联运行。 下面以两台逆变器并联为例，分析逆变器并联所需的条件，其等效电 路如图2 1 所示。其中0 i 、玩表示2 个逆变器的桥臂中点输出电压向量；厶、 l 2 和c ，、c 2 分别是2 个逆变器的滤波电感和滤波电容；凰是2 个逆变器的公 共负载。 图2 一l 2 台逆变器并联的等效电路 f i g 2 - 1e q u i v a l e n tc i r c u i to f t w oi n v e r t e r sp a r a l l e lc o n n e c t i o n 1 1 燕山大学工学硕士学位论文 当并联模块参数相同时，即c l = c 2 = c ，l 1 = l 2 = l 时，由上图可以得到 i l l u i - u 2 + 一1 u-p唷1+2jroc)(2-2#ol 2 1 ) 胄， 。 j旷一业o嘹+2jcoc)(2-2)2#ol 2 “ 。r ， 由式( 2 1 ) 、式( 2 2 ) 可以看出每个逆变器的电感电流包括两部分：一部 分是负载电流，这部分两个逆变器是一样的；另一部分是环流，环流的大 小受各并联逆变器输出电压差异的影响，其中包括电压的幅值和相位，当 并联系统中每个模块输出电压相同时，此时并联系统间的环流为零。由于 各模块输出电压是时变、交变量，保证各模块电压相同变得非常苛刻，这 使逆变器的并联运行更加困难 3 8 - 4 0 】。 由式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 可以发现，环流的大小不仅与逆变器输出电压的幅 值有关，而且与输出电压的相位有关。因此，逆变器的并联比一般直流电 源的并联要复杂的多，它必须满足3 个条件： ( 1 ) 各个逆变器的输出电压的幅值必须相等； ( 2 ) 各个逆变器的输出电压的频率必须相等； ( 3 ) 各个逆变器的输出电压的相位必须一致。 2 3 逆变器并联均流控制原理 逆变器的并联问题实际是解决并联模块之间的环流问题，由上节分析 可知，环流的产生与各逆变器输出电压的幅值、频率和相位有关。为了使 各并联逆变器间的环流最小，应该保证输出电压一致。在无互连线并联控 制方式中，通过输出有功和无功功率信息对自身的参考电压的幅值和相位 进行调整；在其他控制方式中必须有同步锁相电路保证频率和相位一致， 相应的控制策略对参考电压进行修正。目前最成熟的技术分为两类：基于 功率均衡控制和基于瞬时波形控制。 2 3 1 功率均衡控制原理 如图2 - 1 所示，设逆变器1 和逆变器2 的输出电压及负载电压分别是 矾、d ：和o o ，其中旺、畋与驴。之间的相位角分别是钨和如；x 。、五是 1 2 第2 蕈逆变器并联系统的模型分析 输出线路阻抗，足是负载，假设两台逆变器的输出线路阻抗相等，即 肖。i 墨刊；i o 。和厶：分别为逆变器l 和逆变器2 的输出电流。则逆变器1 供给负载的复功率为 s = 弓+ q 1 = u o ,( 2 3 ) 逆变器1 的输出电流为 i i ：u , ( c o s 庐1 | _ + = j s i n 庐1 ) 一- u o ( 2 - 4 ) 弘1 将其分解为有功和无功可表示为 三二鼍k l u 0 2 嘞 陆。， b 半嘞u q d u 叫 式中：。：鱼譬为有功功率系数； 屹。= 华为无功功率系数； 最：攀也：砟：九 q ：章铧嘞 q 一 式( 2 7 ) q a 的：和k 与式( 2 - 6 ) 砟。和k q 。有相似定义。由此可以得到各逆变 器电源输出的有功功率主要取决于相位角色，相位差超前者输出有功功率， 挚 燕山大学工学硕士学位论文 反之吸收有功功率；并联逆变电源输出的无功功率则主要取决于输出的电 压幅值u ，幅值高者产生无功功率，反之吸收无功功率，其中i = 1 ，2 。 基于系统的功率特性可以控制实现逆变器无互联线并联运行。由式 ( 2 - 6 ) 和式( 2 7 ) 可知，逆变器输出的有功功率与相位角有关，而无功功率与 输出电压幅值有关，因此，可以通过微调输出电压频率厂来调节电压的相 位妒，实现对该逆变器有功功率的调节，从而达到控制并联逆变器输出有 功功率均衡的目的；通过调节逆变器输出电压的幅值控制无功功率的大小， 达到控制并联逆变器输出无功功率均衡的目的。这样，通过调整逆变器的 相位和输出电压幅值2 个要素就可以实现并联逆变器的有功功率p 和无功 功率q 的解耦控制，从而实现了逆变器的均流控制。 2 3 2 瞬时均流控制原理 在逆变器并联运行时，各逆变器的输出电压幅值和相位存在差异时， 就会引起不经过负载而在逆变器之间流动的环流电流。通过同步锁相电路 可以实现并联逆变器输出电压的频率和相位保持一致，此时，引起环流主 要因素是输出电压的幅值。当并联逆变器单元的输出电压存在差异时，各 并联模块之间就会产生环流厶h 。通常在逆变器并联运行状态，流过电感 的电流有三部分组成：滤波电容电流、负载电流和环流。其简单的单台逆 变器模型如图2 2 所示。 图2 - 2 逆变器模型 f i g 2 - 2m o d e lo f t h ei n v e r t e r 由图2 - 2 可以得到输出电压与给定和输出电压与环流的传递函数为 百ldo=而kl：,wmlcs 1 ( 2 _ 8 ) v 2 + 生j + 胄 1 4 第2 章逆变器并联系统的模型分析 旦： 竺=r 2 - 9 1 a h l c s 2 + 一ls + 1 月 由式( 2 8 ) 、( 2 - 9 ) 口7 - 以看出，环流对输出电压的传递函数与输入电压对 输出电压的传递函数的极点是一样的。为了使每个逆变器的电流达到均等 的目的，每个并联逆变器除了具有电压、电流控制环之外，还需要增加一 个均流环，通过将计算得到的环流引入电流内环，来调节和修正该逆变器 输出电流，从而达到均流的效果。其控制框图如2 3 所示。 图2 - 3 均流控制框图 f i g 2 - 3t h eb l o c kd i a g r a mo fs h a r i n gc u r r e n t 2 4 影响环流的因素分析 为了提高电源的容量和可靠性，广泛采用逆变电源并联运行方式，逆 变电源并联运行时，选择适当的均流控制技术来减小以至于消除环流是并 联系统首先要解决的问题【4 。相关的参考文献介绍了许多抑制逆变器并 联系统环流的方法和措旌，其中，最简单的办法是在并联逆变器的输出端 串联环流抑制电抗器，不用增加复杂的控制算法就可以有效的抑制并联逆 变器之间的环流。但是，需要串联较大的电感，使系统的体积重量加大， 并且影响逆变系统输出电压的精度1 4 ”。并联逆变系统中除了前面介绍的 引起环流的因素之外，还有许多因素会引起环流。逆变器开关信号的死区 会引起输出电压的畸变而产生不可预知的谐波分量，从而产生谐波环流， 文献 4 5 ，4 6 分析了死区对逆变器并联系统的影响。文献 4 7 ，4 8 分析了输出 滤波参数的不同对环流的影响。本节主要从反馈系数、参考给定电压、输 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 出电压幅值以及输出电压的直流分量等因素分析对环流的影响并提出了相 应的环流抑制措施。 2 4 1 反馈系数对环流的影响 理论上分析，如果各逆变器模块中相应硬件完全相同，则可实现任意 并联模块的自动均流。然而实际系统中尽管器件选取同样型号，仍不可能 达到参数完全相同的目的。在本系统中，各逆变器并联模块之间的同步信 号、参考电压信号和控制传递函数都是利用d s p 作为控制核心。在保持各 逆变器同步信号一致的前提下，可以认为各并联模块的参数除了电压、电 流反馈系数外，其他参数都是完全一样的。以两台逆变器并联系统为例分 析反馈系数不同对环流的影响。单台逆变器的控制框图如图2 - 4 所示，控 制方式上采用了电压环、电流环双环控制。其中g ，( s ) 是电压外环的传递函 数，g ( 5 ) 是电流内环的传递函数，v r 。f 为参考电压，扁为相应系统中电压传 感器的反馈系数，其中i = l ，2 。 图2 - 4 单台逆变器控制框图 f i g 2 - 4c o n t r o ld i a g r a mo fs i n g l ei n v e r t e r 在单台独立运行模式下，由于参考电压v r c f 、电压环的传递函数g ，( 曲 以及电流环的传递函数g ( j ) 都是利用d s p 产生的，可以认为这些参数是完 全相同的，在此条件下，设电压环的输出信号即电流环的给定信号为，o 其中i = l ，2 。在电压反馈系统不同的情况下，根据图2 - 4 可以得到如下表达 式 v 1 = q ( j ) ( p - v lg ( s ) 工1 ) ( 2 - 1 0 ) v 2 = q ( s ) ( p j - v 2g ( s ) 工2 )( 2 11 ) 为方便在考虑反馈系数 ，不同的情况下v j 的对比，将式( 2 一l o ) 和式 ( 2 - 11 ) 进行整理，可以得到下面两个表达式 1 6 第2 章逆变器并联系统的模型分析 旺( j ) 。1 + g ( s ) 工】 一g v ( s ) 1 + g ( s ) 厶 由式( 2 - 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 可以看出，在逆变器独立运行模式下， 馈系统的不同，两台逆变器的电流给定信号的差可表示为 i 嵋小i 嵩箫滁赫i ( 2 1 2 ) f 2 - 1 3 ) 由于电压反 ( 2 - 1 4 1 在理想条件下，如果两逆变器反馈系数完全相同，即有 l 亏如，由式 ( 2 - 1 4 ) 可以看出，两台逆变器的电流给定信号的差为0 ，即电流给定相等， 并联运行时系统中各逆变器间不会产生环流。但是，由于硬件本身特性的 差异不可能做到反馈系数完全相同，这样，就会引起逆变器之间的环流。 如果在控制方式上增加反馈系数补偿环节，可以有效的减小因反馈系数不 同带来的环流。 为了便于分析并联系统中反馈系数的差异对环流的影响，从最简单的 并联逆变器简化电路入手分析。简化的逆变器并联系统如图2 5 所示，其 中：，和：是两台逆变器的输出电压，和r 2 为线路等效电阻，足为 负载电阻。 图2 - 5 简化并联系统框图 f i g 2 - 5s i m p l i f i e dp a r a l l e ls y s t e mb l o c kd i a g r a m 由图2 5 可以得到并联逆变器输出电压为 u 2 1 一慨+ 墨仳) 】1 + 1 叱( t + r 慨) 【k( 2 一1 5 ) 由于线路等效电阻较小，因此可以假设n = f 2 = f ，并且，r t ，式( 2 1 5 ) 可以化简为 5 1 r l ( r + r l r ) x ( 1 + 2 ) “( u m l + 口n 1 2 ) 2( 2 1 6 ) 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 由式( 2 1 6 ) 并结合简化并联框图，可以推导出并联系统输出电压，如 式( 2 1 7 1 所示。 v o “( l + ) 2 2 ( v 1 + v 2 ) g ( s ) 2 ( 2 1 7 ) 在并联运行模式下，口是并联系统的输出电压，电压调节器输出即电 流调节器的输入信号用v ，表示，i = 1 ，2 。根据单台逆变器控制框图，可以把 u 分别表示为下面两个表达式 v m = g v ( 5 ) ( v “一u o 工。)( 2 1 8 ) v 2 = q ( s ) ( 一z ：)( 2 1 9 ) 将式( 2 1 7 ) 代入到式( 2 1 8 ) 、( 2 - 1 9 ) 得 m = 攀铲( 2 - 2 0 )v 】2 1 轰丽f v 2 ：堡塑堑：兰里堕丘( 2 - 2 1 )= - - - - - - - - - - - - 二二- - - - - - - - - - 一 2 + g ( 5 ) 工2 联立式( 2 2 0 ) 和式( 2 2 1 ) 可以得到 叶= 盟等2 篙糟铲 p z ：，1 + g ( 5 ) f + g o ) f ， 、7 叱= 盟号器器铲( 2 - 2 3 )叱2 i 瓦瓦i 翥瓦一 可见，由于相应的电压反馈系数不同，进入各自电流调节器的信号v ，不同， 两者之间的差异由式( 2 2 2 ) 、( 2 - 2 3 ) 可以得到 h 外 篙徽i ( 2 z 。) 对比式( 2 1 4 ) 和式( 2 2 4 ) ，可以看出 f v l 一v 2 1 1 , t 1 - - v 2 i ( 2 2 5 ) 可见，在假设电压反馈系数存在差异的情况下，通过理论推导可以发 现，两台逆变器在并联运行模式下比处于独立运行模式时进入电流调节器 的给定信号差要大，因为电流调节器的设计是完全一样的，所以经过电流 调节器后逆变器的输出电流在并联运行模式下比独立运行模式下的差值 大，上述分析表明，由于反馈系数的差异会加大并联系统输出之间的差异 而引起较大的环流。 第2 章逆变器并联系统的模型分析 由于电压、电流等反馈系数是传感器本身固有的属性，不可能做到完 全相同并且受环境、温度等条件的影响，它们之间的差值也会在小范围内 变化，这些都是客观存在的因素。有效减小电压、电流反馈系数的差异就 能缩小并联逆变器之间输出电压的差异，也就减小了逆变器间的环流。在 选择传感器参数一致的前提下，可以通过软件补偿来保证反馈系数相同。 本文通过修改基准参考电压的幅值来补偿电压、电流反馈系数不同造成的 影响，可以有效的减小系统并联模块之间的环流。 2 4 2 参考电压对环流的影响 逆变器并联要求总负载功率在各模块之间尽可能均衡分配，以提高系 统运行的可靠性和稳定性，而且充分利用各模块的容量。很多因素对环流 有明显的影响，除了上节的反馈系数对环流具有影响外，还有参考电压差 异的影响，其中包括它的幅值和相位。在实际并联系统中，参考电压的幅 值是由数字控制实现的，能保证参考电压幅值相同。同步电路用以实现并 联模块电压的锁相，但不能保证相位始终完全一致，这就造成了参考电压 之间存在一定差异。 以两台逆变器构成的并联系统为例分析，单机整体控制框图如图2 - 6 所示，各环节传递函数与图2 - 4 有相同定义，单台逆变器采用电压、电流 双环控制，其中g v ( j ) 是电压外环的传递函数，g ( s ) 是电流内环的传递函数， 五为电压反馈系数，v ，啦是相应的参考电压，图中v j 为电流环的给定信号， 其中i = 1 2 。 图2 - 6 逆变器控制框图 f i g 2 - 6c o n t r o ld i a g r a mo fs i n g l ei n v e r t e r 在单台独立运行模式下，由于相位的不同可以认为除了参考电压r r e f i 外，电压环传递函数g v ( j ) 、电流传递函数g ( j ) 以及传感器的性能是完全一 致的，在此条件下设电流环的给定信号为v j ，卢1 ，2 ，则可以得到如下表达 式 燕山大学工学硕士学位论文 v l = g v ( s ) ( p o l v 1g ( s ) 工) v 2 = g v ( s ) ( 心f 2 一v 2 g ( s ) 工) 为方便在考虑参考电压v r e ：不同情况下的对比 进行整理，可以得到下面两个表达式 。g v ( s ) 1 + g ( j ) 工 p 0 ：瓯( j ) 2 1 + g ( 5 ) 工 ( 2 - 2 6 ) ( 2 2 7 ) 将式( 2 - 2 6 ) 和式( 2 - 2 7 ) 由式( 2 2 8 ) 、( 2 - 2 9 ) 可以看出，在逆变器独立运行模式下 压的不同，两台逆变器进入电流调节器的信号差可表示为 i v , , - v 护i 锱 ( 2 - 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) 由于参考电 r 2 3 0 ) 利用上一节推导得到 u oz ( u m l + u 。2 ) 2 = ( v i + v 2 ) g ( s ) 2( 2 - 3 1 ) 在并联运行模式下，v o 为并联系统输出电压，送入到电流环调