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SPWM逆变电源的无互联信号线并联控制技术 第 23卷 第 12期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.23 No.12 Dec. 2003 2003年 12月 Proceedings of the CSEE ©2003 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号 0258-8013 2003 12-0094-05 中图分类号 TM464 文献标识码 A 学科分类号 470·4031 SPWM逆变电源的无互联信号线并联控制技术 姜桂宾 裴云庆 杨 旭 王兆安 西安交通大学...

SPWM逆变电源的无互联信号线并联控制技术
第 23卷 第 12期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.23 No.12 Dec. 2003 2003年 12月 Proceedings of the CSEE ©2003 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号 0258-8013 2003 12-0094-05 中图分类号 TM464 文献标识码 A 学科分类号 470·4031 SPWM逆变电源的无互联信号线并联控制技术 姜桂宾 裴云庆 杨 旭 王兆安 西安交通大学电气工程学院 陕西 西安 710049 PARALLEL OPERATION OF SINUSOID WAVE INVERTERS WITHOUT CONTROL INTERCONNECTIONS JIANG Gui-bin, PEI Yun-qing, YANG Xu, WANG Zhao-an Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China ABSTRACT: This paper presents a new control scheme which allows wireless-paralleled inverters to share linear or nonlinear load. It can be used in large scale UPS systems and distributed power systems. This control scheme is based on DSP to measure output power of high performance inverter modules, and it based on frequency-droop and amplitude-droop scheme to control the output voltage. The high performance inverter modules have inner filter capacitor current loops; and the output voltage can maintain high-quality sine-wave. An experiment system was built to verify this control scheme, and the results indicate the inverters in parallel connection realize load current sharing. KEY WORDS: SPWM inverter; Wireless parallel oporation; Load sharing 摘要 该文提出了一种可适用于分布式发电系统或大容量 UPS 系统的高性能数模混合型逆变电源无线并联控制方 案 这种控制技术以 DSP 为核心 通过检测逆变电源自身 的输出功率来对高性能模拟 SPWM 逆变电源的电压幅值及 频率进行下垂控制 从而实现了逆变电源的并联同步运行 实验结果表明 逆变电源均分负载电流的效果很好 逆变 电源之间的环流很小 关键词 正弦脉宽调制逆变器 无线并联 均流 1 引言 逆变电源广泛应用于 UPS 等供电设备 多台 SPWM 逆变电源的并联运行可以扩大系统的容 量 还可以组成并联冗余系统以提高系统的可靠性 及可维护性[1] 同时可以通过逆变电源的并联运行 将分布式洁净能源组成分布式发电系统 然而 基金项目 国家自然科学基金项目 50107009 Project Supported by National Natural Science Foundation of China 50107009 SPWM逆变电源的并联运行相对的困难[2] 因为所 有并联运行的 SPWM 逆变电源必须同步运行 否 则 各逆变电源之间将存在很大的环流 过大的环 流会使逆变器的负担加重 发散的环流将使系统崩 溃 导致供电中断 SPWM 逆变电源的并联运行控制方式一般分 为集中控制 主从控制 分散逻辑控制和无互联线 独立控制 4 种 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 [2] 在前 3 种控制方式中 各逆 变电源之间存在较多的控制用互联信号线 且大容 量的逆变电源并联时互连线的距离较远 干扰严 重 尤其在分散式发电系统中 各逆变电源之间的 距离在几百米甚至几公里以上 使得信号的传输变 得复杂且降低了系统的可靠性 因此 这些控制方 式不适合应用在分散式发电系统中 目前 可并联 使用的 UPS逆变电源系统基本为前 3种控制方式 国外只有几家公司生产无信号线并联控制的 UPS 系统 本文提出了一种高性能数模混合型逆变电源 无线并联控制方案 数字均流外环控制高性能模拟 逆变电源 逆变电源为高性能 SPWM 逆变电源 其控制方式为采用 PI 调节器的带电容电流反馈的 瞬时电压波形控制[3~5] 它具有工作稳定 动态响 应快 非线性负载适应能力强等特点 为实现高性 能 SPWM 逆变电源无互联信号线并联奠定了基 础 各台逆变电源之间的并联控制方式以 DSP 为 核心 采用外特性下垂法 即采用输出电压的幅值 及频率下垂法来实现逆变电源的无互联信号线并联 运行 本文阐述了无互联信号线并联的原理 并分 析了并联系统环流的产生及其特性 提出了数模混 万方数据 第 12期 姜桂宾等 SPWM逆变电源的无互联信号线并联控制技术 95 合型逆变电源无互联信号线并联的控制方案 并给 出了实验结果 2 逆变电源无线并联的原理 SPWM 逆变电源并联工作系统如图 1 所示 电源系统包括并联的各逆变电源模块以及接在交流 总线上的负载 为了便于分析 以下以 2台逆变电 源模块向同一负载供电为例进行分析 其等效电路 如图 2所示 其中 X为线路阻抗 +_ _+ 逆变器 1 逆变器 2 线路 阻抗 X1 线路 阻抗 X2 交流 总线 负 载 UDC UDC 图 1 SPWM逆变电源无线并联工作系统图 Fig.1 Two inverters in wireless-parallel with a common load ~ ~负 载 I1 X1 X2 I2 UAC2 U2 Ðj 2 UAC1 U1 Ðj 1 I0 U0 Ð0 图 2 两台逆变电源并联系统的等效电路 Fig.2 The dynamic model of the system 逆变器 1供给负载的复功率为 10111 j IUQPS =+= 逆变器 1的输出电流为 1 0111 1 j )sinj(cos X UU -+ = jj I 得出 ï ï î ïï í ì - = = 1 2 0101 1 1 1 01 1 cos sin X UUU Q X UU P j j 由于一般逆变器的输出电压 1U 与系统电压 0U 之间的相位差很小 则 11sin jj » 如果令 =1U 01Uk 则 ï ï î ïï í ì -» - = =» 01Q1 1 2 011 1 1P11 1 2 01 1 )1cos( QUk X Uk Q k X Uk P j jj 式中 1 2 01 1 X Uk kP = 为有功功率系数 1 10 1 cos X U kQ j = 为无功功率系数 1 2 0 0 X U Q = 同理得出逆变电源 2的输出功率为 ï ï î ïï í ì -» - = =» 022 2 2 022 2 222 2 2 02 2 )1cos( QUk X Uk Q k X Uk P Q P j jj 由此可以得出各逆变电源输出的有功功率主 要取决于相位角j 相位差超前者发出有功功率 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 幅值高者发出 无功功率 反之吸收无功功率 逆变电源相位角j 的调节是通过微调频率 f 来 实现的 要调节各逆变电源输出的有功功率 只需 对输出电压的频率作相应的调整 因此 可以通过 改变逆变器的输出电压的频率来控制输出的有功功 率 通过改变逆变器的输出电压幅值来控制输出的 无功功率 从而把逆变电源的频率 相位 与幅值 2 个要素可以通过输出的有功功率 P 和无功功率 Q 进 行非严格的近似解耦控制[6,7] 本文所采用的逆变电 源无互联信号线并联运行策略正是基于这种系统的 功率特性来进行控制的 逆变电源在并联运行时 各电源模块可根据自身的容量和输出的有功 无功 功率 对其输出的电压频率 电压幅值进行相应的 衰减调节来实现负载电流的均分和环流的抑制 根 据以上分析 SPWM 逆变电源输出电压频率 幅值 可以按以下特性进行衰减调节控制 即外特性下垂法 调节控制 来实现负载电流的均分和环流的抑制 iii ei i PmfPP f ff -= D -= 0 max 0 iii ei i QkUQQ U UU -= D -= 0 max 0 式中 f0 为空载频率 Dfmax为系统允许最大频率 变化 Pei 为逆变电源的额定有功功率 mi为频率 衰减系数 U0 为空载电压幅值 DUmax 为系统允 许最大电压幅值变化 Qei 为逆变电源的额定无功 功率 ki为电压幅值衰减系数 图 3为 2台逆变电源的频率和幅值下垂特性 f f0 0 P1P2 P m1 m2 U U0 k1 k2 0 Q1Q2 Q (a) (b) 图 3 两台逆变电源的频率和幅值下垂特性 Fig.3 Frequency-droop and amplitude-droop control scheme of inverters 万方数据 96 中 国 电 机 工 程 学 报 第 23卷 示意图 通过输出电压的频率 幅值的下垂法控制 实现了 SPWM 逆变电源的无互联信号线并联运 行 但这种控制方式却牺牲了输出电压频率 幅值 的稳定性指标 3 并联系统的环流特性分析 只有并联的各逆变电源均分负载电流而不产 生环流 并联系统才能够正常 高效的工作 为了 消除逆变器之间的环流 必须分析环流产生的原因 及其特性 逆变电源并联系统中的环流是由于各逆变电 源模块的输出特性之间的差异所形成的 为了简化 分析 假设图 2中 2台并联供电的逆变电源的容量 相同 并且它们的输出电压 U1 U2为标准正弦 线路阻抗 X1 X2相等且为纯电感 L则 ï ï ï î ï ï ï í ì += - = - = 210 02 2 01 1 j j III UU I UU I L L w w 定义 2台逆变电源之间的环流为[2] 1 2 1 2 2 2 jH Lw - - = = I I U U I 可以得出 ï ï î ïï í ì + - -=+-= + - =+= 0 21 02 0 21 01 2 1 22 1 2 1 j22 1 I UU III I UU III Lj L H H w w 据此可以得出 逆变器的输出电流包含负载 电流和环流 当 U1 U2同相不同幅值时 产生无 功环流 当 U1 U2同幅值不同相时 产生有功环 流 且相位超前者环流分量为正有功分量 反之为 负有功分量 当 U1 U2幅值相位均不同时 环流 分量中既有有功部分 又有无功部分 当 U1 U2 的波形畸变时 会产生谐波环流 假设线路感抗 L 为额定负载的 1% 则 0.1% 的相位误差引起的有功环流为 e e ee HP IZ U L U I 314.0 01.02 )36.0sin( 2 )36.0sin( = ´ »» w 0.1%的幅值误差引起的的无功环流为 e e ee HQ IZ U L U I 05.0 01.02 001.0 2 001.0 = ´ »» w 可见 0.1%的相位误差引起的有功环流为额 定负载电流的 31.4% 0.1%的幅值误差引起的有功 环流为额定负载电流的 5% 因此要实现有功电流 及无功电流的均分 必须提高逆变电源频率及幅值 的控制精度 尤其是频率的控制精度 为了减小电压波形畸变引起的谐波环流 各 台逆变电源的输出波形应接近标准正弦波 即输出 电压的谐波总含量 THD尽可能小 采用下垂法实现无线并联时还应使得各台逆 变电源的空载频率 f0 空载电压幅值 U0一致 同 时 尽可能提高检测及控制精度 4 无线并联控制方案的实现 根据以上分析 本文提出了一种高性能的数 模混合型逆变电源无线并联控制方案 其控制框图 如图 4所示 SPWM 逆变器 L C A/ D 转 换 功 率 计 算 电 压 合 成 A/ D 转 换 P Q f U IF UF DSP + _ + _ 电 压 调 节 器 电 流 调 节 器 高性能逆变器 图 4 数模混合型逆变电源无线并联控制框图 Fig.4 Realization of the proposed control system for inverters in wireless-parallel 它以高速数字信号处理器 TPS320F240 为核 心 通过外扩 12 位高速 A/D 转换器检测输出的电 压 电流 并基于瞬时无功功率理论[8] 计算出逆 变电源的输出有功功率 P 及无功功率 Q 通过下 垂法计算出频率 f 及幅值 U 然后合成正弦电压指 令 经 12位 D/A转换后送至高性能逆变电源 此高 性能逆变电源按照给定的电压指令输出正弦电压 要实现有功电流及无功电流的均分 减小逆 变器之间的环流 必须提高逆变电源频率及幅值的 控制精度 尤其是频率的控制精度 本文所采用的 控制方案中 DSP 的时钟晶振为 20MHz DSP 发 出的电压指令的频率调节分辨率约为 20 万分之 一 足以保证逆变器的有功功率的均分及有功下垂 调节器的稳定性 DSP 发出的电压指令的幅值调 节分辨率约为四千分之一 足以保证无功功率均分 及无功下垂调节器的稳定性 高性能逆变电源作为电压给定指令的执行 万方数据 第 12期 姜桂宾等 SPWM逆变电源的无互联信号线并联控制技术 97 者 具有高稳定性 高稳压精度 输出高正弦度 它采用一种新颖的控制方案 此方案结构简单 仅 有 2 个简单 PI 调节环 瞬时电压波形外环 高速 电容电流内环 瞬时电压外环保证输出电压的跟踪 精度 高速 低稳态误差的电容电流内环可以克服 因负载波动或扰动电压对输出波形的影响 使得逆 变电源实现了输出电压接近纯正弦 并且非线性负 载适应能力强 在二极管整流负载条件下输出电压 谐波总畸变率 THD 仅为 0.17% 动态响应速度 快 突加减负载时调节过程小于 200�s 输出电压 精度优于 0.1% 由高性能逆变电源并联组成的电 源系统 具有很强的负载适应能力 由于采用瞬时电压波形外环的高性能逆变电 源 在逆变器并联系统中 线路阻抗不可缺少 否 则 逆变器的瞬时电压波形外环会失效 使逆变器 不能正常工作 在实际的逆变电源并联系统中 每 台逆变电源的输出串入了一个适当的阻抗 串入线 路阻抗将导致非线性负载的电压波形有一定畸变 但它可以抑制并联运行的各台逆变电源间因谐波电 压的差异而产生的谐波环流 同时也使得并联的各 台逆变电源能够均分因非线性负载而产生的负载谐 波电流及失真功率 从而不必在控制上考虑负载谐 波电流及失真功率的均分 5 实验结果 根据本文提出的数模混合型逆变电源无线并 联控制方案 制作了 2 台逆变电源的无线并联系 统 每台逆变电源的主要参数如下 容量为 1.5kVA 开关频率为 20kHz 空载输出电压为 110V 空载输出电压频率为 50Hz 串联线路阻抗 为 0.2mH 图 5~8为相关的实验波形 I/A U/V 10 A / 格 50 V / 格 u1 i1 t/ms 10ms/格 图5 突加减桥式整流滤波负载时单台高性能逆变电源的 输出电压波形及输出电流波形 Fig.5 The output voltage and current waveform of a single inverter with step full-wave rectifier load 图 5 为单台高性能逆变电源 不包含因并联 而串入的输出电抗器 在突加减桥式整流滤波负载 时的输出电压波形及输出电流波形 从图 5可以看 出 高性能逆变电源在突加减桥式整流滤波负载 时 输出电压波形基本保持不变 实际测量空载及 加载时的输出电压有效值均约为 110V 并且在突 加减负载时 输出电压的动态调整过程十分短暂 实 际测量调节时间为 200�s , 加载后输出电压的 THD为 0.17% 表 1为谐波含量表 表 1 二极管整流负载时的输出电压谐波含量表 Tab.1 Frequency spectra of output voltage with proposed controller under full wave diode bridge rectifier load 谐波次数 谐波含量/% 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0.12 0.04 0.02 0.03 0 0.02 0 0.04 0 图 6 为两台逆变电源并联时的空载环流波形 实际测量空载环流的有效值约为 0.1A 仅为额定 输出电流的 0.7 I/A 0. 1A / 格 0. 1A / 格 i1 i2 t/ms 4ms/格 图 6 两台逆变电源并联时的空载环流 Fig.6 Circulating current waveforms of two inverters in wireless-parallel without common load 图 7 为突加减阻性负载时 2 台并联逆变电源 的输出电流波形 加载时 2台逆变电源的输出电流 有效值分别为 3.71A和 3.89A 图 8 为突加减桥式 整流滤波负载时 2 台并联逆变电源的输出电流波 形 加载时 2台逆变电源的输出电流的峰 峰值分 别为 32.1A 和 31.4A 可以看出 负载电流均分的 效果很好 但是还存在一定的差异 这是由于 DSP 晶振频率的差异 电流采样电阻的差异 以及电流 传感器的零点漂移 线路阻抗的不平衡等因素引起 的 如果提高逆变电源的空载频率 f0 和空载电压 幅值 U0 一致性 以及检测 控制环节的精度 还 可进一步提高均流效果 然而 不平衡的线路阻抗 万方数据 98 中 国 电 机 工 程 学 报 第 23卷 对无功功率的均分影响值得进一步深入研究 I/A 5A / 格 5 A / 格 i1 i2 t/ms 20ms/格 图 7 突变阻性负载时两台逆变电源并联的输出电流波形 Fig.7 The output current waveforms of two inverters in wireless-parallel with step resistance load I/A 10 A / 格 1 0A / 格 i1 i2 t/ms 20ms/格 图 8 突变整流负载时两台逆变电源并联的输出电流波形 Fig.8 The output current waveforms of two inverters in wireless-parallel with step full-bridge rectifier load 6 结论 本文阐述了无线并联的原理 并分析了并联 系统环流的产生及其特性 从而提出了基于高性 能逆变电源的无线并联控制方案 高性能 SPWM 逆变电源 其控制方式为采用双 PI 调节器的带电 容电流反馈的瞬时电压波形控制 为实现高性能 SPWM 逆变电源无互联信号线并联奠定了基础 各台逆变电源之间的并联控制方式以 DSP 为核 心 采用瞬时无功功率理论及逆变电源的外特性下 垂法 即输出电压的幅值及频率下垂法 实现了逆 变电源的无互联信号线并联运行 得到了满意的实 验结果 参考文献 [1] Tuladhar A Jin H Unger T et al Parallel operation of single phase inverter modules with no control interconnections[A] Applied Power Electronics Conference and Exposition Atlanta USA[C] 1997 94- 100 [2] 段善旭 Duan Shanxu 模块化逆变电源全数字化并联控制技术 研究 Parallel operation control techniques of the modular inverter system based on fully digitized control [D] 华中科技大学 Huazhong University of Science and Technology 2001 39-40 [3] Michael J Ryan Robert D Lorenz A high performance sine wave inverter controller with capacitor current feedback and ‘Back-EMF’ decoupling[A] 26th Power Electronics Specialists Conference [C] Atlanta USA 1995 1 507-513 [4] Naser Abdel-Rahim John E Quaicoe Analysis and design of a multiple feedback loop control strategy for single-phase voltage-source UPS inverters[J] Transactions on 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西安交通大学电气工程学院,陕西,西安,710049 刊名: 中国电机工程学报 英文刊名: PROCEEDINGS OF THE CHINESE SOCIETY FOR ELECTRICAL ENGINEERING 年,卷(期): 2003,23(12) 引用次数: 36次 参考文献(8条) 1.Tuladhar A.Jin H.Unger T Parallel operation of single phase inverter modules with no control interconnections 1997 2.段善旭 模块化逆变电源全数字化并联控制技术研究[学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ] 1999 3.Michael J Ryan.Robert D Lorenz A high performance sine wave inverter controller with capacitor current feedback and 'Back-EMF' decoupling 1995 4.NASER ABDEL-RAHIM.John E Quaicoe Analysis and design of a multiple feedback loop control strategy for single-phase voltage-source UPS inverters 1996 5.Lu Jialin.Su Yanmin A novel control strategy for high power high-performance AC power supplies 2001 6.Duan Shanxu.Meng Yu.Cheng Jian Parallel operation control technique of voltage source inverters in UPS 1999 7.Anil Tuladhar.Hua Jin.Tom Unger Control of parallel inverter in distributed ac power systems with consideration of line impedance effect 2000(1) 8.王茂海.刘会金 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