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首页 DSP控制三相逆变器并联冗余技术

DSP控制三相逆变器并联冗余技术.pdf

DSP控制三相逆变器并联冗余技术

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2011-12-23 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《DSP控制三相逆变器并联冗余技术pdf》,可适用于IT/计算机领域

浙江大学硕士学位论文DSP控制三相逆变器并联冗余技术姓名:周朝阳申请学位级别:硕士专业:电力电子与电力传动指导教师:徐德鸿浙江大学硕士学位论文摘要摘要近年来随着用电设备对供电电源的性能和可靠性要求越来越高不间断供电系统(uPs)得到了广泛应用。uPs模块化并联可实现大容量供电和冗余供电是提高uPs容量和可靠性的一条重要途径因而被公认为当今逆变技术发展的重要方向之一。本文主要致力于无输出隔离变压器的逆变器并联系统环流特性及其并联控制实现的研究。首先探讨了基于电压电流双闭环控制的逆变器控制设计方法在确定双闭环控制逆变器闭环传递函数并了解其等效输出阻抗特性的基础上建立了基于等效输出阻抗的并联系统模型分析其环流特性并提出了一种新的基于有功功率和无功功率的逆变器并联控制方案包括:基准电压相位和幅值的调整PI控制参数设计有功和无功功率计算逆变输出电压同步锁相等。此外本文还特别讨论了双闭环控制逆变器输出电压直流分量产生原因提出了逆变器输出电压直流分量检测与高精度数字调节方法研究了双闭环控制逆变器并联系统直流环流产生原因及其检测与抑制方法。最后通过实验和实验波形验证本文所介绍的逆变器并联控制方案的可行性。关键词:不间断电源系统逆变器并联数字控制直流分量直流环流浙江大学硕士学位论文摘要AbstractAsmerequiremenIoflli曲qualityandreliabili哆powersupplyincreasill凸u血terruptiblepowersystem(UPS)盯c嘶delyused.AIldtheUPsmod“eworkinginparallelwhichcanexpandc印acityaIldrealizeredundancyinpowersupplysystcmincreasethecapabilityandreliabilityofpowersystem.SoteyarenowconsideredasoneofⅡlemostinlpon趾tpartitllefieIdofinVenertechnology.Thisthesisismainlydevotedtolheanalysisofcirculatingcurrent’scharacteristicsadthecontroltechniesofparallelinVertersystemwithoutoutputisatingtransfomers.InthisthesistheinvertercontrDlmethodisdualponVoltageandinductorcurrentfeedbackwithaouteraverageVoltageloop.BaseontheinvertcrmodelTheexpressionofequivalemoutputimpedaIlceisdeducedaIldtllemodelsbasedonequivalentoutputimpedatlcefordoublecloseloopcontrledinveneraditsparallelsystemarealsoestablished.BasedontheanalysisofcircuIatingcurrentcharacteristicsofparallelivertersystemanimprovedparallelcontrstrategybasedonrcalandreactivepowerispresemed.w}ichinclud血gthereferencevonagephaseandamplitudea由ustspo、vercalculationandoutputVolta萨synchronizedindifrerentinverteLAdditionallythereasonsofDCbiascontainedinteomputvoltageofdoubleclOsepcontrOlledinVerterarediscussedandthememodsfordetectingaIlddigitaladjustingDCbiaswithhighprccisionarcmsoanalyzedand也ereasonsandme也odsfordetectingandrestrainingDCcircul“ngcurreminparallelsystembasedondodblecloseloopcomrollediIlVertersarcalsostudied.Intheendmeexp州mentalresultsprovemattheme也odsmentiOnedaboVehavegoodperformanceonRe幽md姐tparallelsys细n.Keywords:Unintern】ptiblepowersysteminverterpa丁allelcontroldigitalcontroIDCBiasDCCirculalingcuH℃mIV.浙江大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论.UPS及其并联技术的背景与意义随着现代通信技术、计算机网络技术和先进制造技术的迅速发展各种用电设备不断增加对供电系统容量和可靠性的要求也越来越高。当今电网的供电质量的普遍恶化电网电压和频率的急剧波动供电的瞬时和长期中断以及在电网中所出现的各种人们无法预料与控制的干扰和高能浪涌都有可能导致用电设备的运行错误、数据丢失以及硬件损坏造成重大损失”“。。为满足电网中一些对供电电源敏感的设备如电脑系统、通讯系统、医疗系统等对高质量、高可靠性电源系统的需求以逆变电源为核心的不间断电源系统(UPS)已经越来越广泛应用于银行、证券、电信、军事、医疗等等各个领域。随着对供电系统容量阱及供电质量和可靠性要求的进一步提高输出电压稳定、输出频率精确不再是对逆变电源的唯一要求目前高性能的逆变电源的设计应该考虑:()高效率、高稳定性、高可靠性、高功率容量()低电磁干扰()高输入功率因数低输出阻抗()模块化、智能化和网络化显然单台uPS或者传统的主备结构uPs系统已经不能满足上述要求除了常规的可靠性设计以外在电源系统设计中采用并联冗余供电技术和容错技术是提高电源系统可靠性的重要手段。研究表明采用Ⅳ手Ⅳ冗余并联供电技术是解决这些问题的重要方法”。谓Ⅳ栅冗余并联供电系统是指Ⅳ拟台逆变器并联运行均分Ⅳ台逆变器的额定功率该方法具有很多优点。由于各逆变模块负担的负载功率均小于其额定功率因此只要同时出现故障的模块不多于Ⅳ个并联系统就可以保证正常供电提高系统的可靠性和生存能力。该方法降低了单逆变器模块的功率容量有利于实现供电单元的模块化和标准化设计使系统构成方式灵活扩展方便。由于多个电源模块分担功率可以分散系统的热应力各模块功率开关器件的电流应力大大减少从根本上提高可靠性、降低成本。因此冗余供电技术是供电系统获得高可靠性、高安全性和高生存能力的重要设计方法之一是实现容错功能的重要手段。冗余供电技术以及不间断供电技术等先进技术在供电系统中的逐步应用极大地提高了供电系统的可靠性等综合性能。浙江火学硕士学位论文第一章绪论.UPS及其逆变器控制技术概述..不间断供电系统(UPS)概述⋯】所谓不间断供电电源是指电网(市电)输入发生异常或中断时仍可以继续向负载供电并能够保证供电质量使负载不受影响的电源装置。系统主要由三个部分组成:整流器(AC仍C)、逆变器(DC/AC)、储能设备(DC/DC)。整流器输出的直流电源向逆变器和充电器供电。UPS的种类多种多样根据工作方式的不同又可分为:后备式UPS、在线式UPS、在线互动式UPS、De】ta变换型UPS。后备式(蕾line)uPs备式uPs的结构如图卜l所示这种uPs在市电正常时由电网直接向负载供电而在市电掉电时由蓄电池经过逆变器向负载供电。这种uPS具有电路简单、成本低、可靠性高的优点但是其输出电压稳定精度差对电网的畸变和干扰没有抑制作用市电掉电时负载供电有一段时间的中断另外受切换电流和动作时间的限制输出功率一般较小因而仅作为一种应急电源使用。lm$一馘#T图卜l后备式uPs结构在线式(On.ine)UPS......J...一T图.在线式UPS结构在线式uPs的结构如图.所示在市电正常时通过整流器、逆变器向负载供电同时向电池充电在市电超出整流器允许范围或市电掉电时由电池向逆变器供电。当逆变器出现故障时由电网向负载供电。在线式uPs的特点是:当市电发生故障的瞬间输出电压不会产生任何间断uPs逆变器采用高频sPWM调制和反馈控制可以向负载提供电压稳定度高、波形畸变小、频率稳定以及动态响应速度快的高质量的电能全部负载功率都由逆变器提供输出能力受限制整流器和逆变器都承担全部负载功率整机效率比较低。浙江大学硕士学位论文第一章绪论在线互动式(Line.interactive)UPS又被称为“准在线式”uPS电源由一个身兼二职的逆变器/充电器模块配以蓄电池组构成其原理框图如图卜所示。当市电电源在正常时负载由市电提供双向变换器作为整流器向蓄电池充电。仅当市电电源异常时双向变换器作为逆变器向负载提供正弦波电源。在线互动式UPs具有效率高、结构简单、成本低、可靠性高的优点但是它大部分时间由市电直接给负载供电输出电压质量差市电掉电时UPs输出存在一定时间的电能中断。理自变换嚣T图在线互动式UPs结构图.Delta变换式UPs结构Delta变换型】又称串并联uPs它主要由低通滤波器、Dena变换器和主变换器构成如图卜所示。其中主变换器是一个四象限PwM变换器通过正弦波脉宽调制向外输出恒压恒频、波形畸变率小、与电网电压同步的高质量的正弦电压相当于一个恒定的电压源。主变换器在市电正常时提供负载所需的全部无功功率和维持功率平衡所需的有功功率吸收负载的谐波电流:市电故障时提供负载所需的全部功率保证输出电压连续不问断。Delta变换型uPs的特点是:负载电压由主变换器的输出电压决定输出电能质量好:主变换器和Delta变换器只对输出电压的差值进行调整和补偿、所以整机效率高、功率余量大系统抗过载能力强、输入谐波电流小。但是Delta变换型uPS主电路和控制电路相对复杂可靠性差。..逆变器控制技术概述∞逆变器的控制目标是提高逆变器输出电压的稳态和动态性能。稳态性能主要是指输出电压的稳态精度和提高带不平衡负载的能力动态性能主要是指输出电压的THD(TtalHarrnonicDistortion)和负载突变时的动态响应水平。.浙江大学硕士学位论文第一章绪论逆变电源的控制技术从总体上可以分为两大类:基于周期的控制、瞬时控制。基于周期的控制是通过对前几个周期的输出波形进行处理利用所得到的结果对当前的控制进行校正的控制方法。从本质上看基于周期的控制是通过对误差的周期性补偿实现稳态的无静差效果。输出电压有效值反馈(图.)就是一种典型的基于周期控制方法。这些对于周期性的扰动具有很好的校正作用输出波形稳压精度较高稳定性好但是对于非周期性的扰动校正作用较差动态响应非常慢并且在周期扰动出现时校正过程较长动态性能比较差为得到较好的输出波形和动态响应需要与其它控制策略相结合。图.有效值反馈控制框图为了提高逆变器输出电压波形的动态响应速度出现了瞬时值反馈的控制方法。基于瞬时控制是根据当前误差对输出波形进行有效的实时控制可以分为滞环控制瞬时值内环控制电压电流双闭环控制等。图.为电压电流双环反馈控制框图。图.电压电流双环反馈控制框图在电压电流双环反馈控制中逆变器通过采样输出电压和输出滤波电感或滤波电容上的电流输出电压与参考给定的误差经过外环调节器输出作为内环电流环的参考给定通过电流内环调节器来控制电感电流(或电容电流)跟踪电流参考给定能够提高系统的动态响应。实践中由于两个环的相互影响参数整定比较困难。浙江大学硕学位论文第一童绪论.逆变器并联技术的现状与发展趋势即】以uPs为代表的分布式供电系统将取代集中式供电系统其核心技术就是如何处理好供电单元之间的功率分配即供电单元的并联技术并联是实现高可靠、大功率供电的关键技术。多逆变器模块并联可以灵活构成各种功率容量以模块化取代系列化缩短研制周期提高各类开关电源的标准化程度及可维护性等。与直流电源不同逆变电源输出的是正弦波并联时需要同时控制输出电压的幅值和相角即要求同频率、同相位、同幅值运行如果各逆变模块输出电压幅值或相位不一致各模块之间会产生各种环流。逆变电源并联控制技术的研究始于上世纪七十年代其间各种并联控制策略层出不穷总体而言得到比较广泛应用的逆变电源并联控制方法可以分为集中控制法、主从控制法、分散逻辑控制法和外特性下垂法。..集中控制法集中控制方法是设置专门公共的同步及均流模块使各模块实现输出电压的频率、相位与幅值一致。但是一旦公共控制电路失效整个并联系统无法工作可靠性并不高。a.集中控制器并联法该方法控制框图如图卜所示由一个主逆变控制器和N个功率模块组成控制器控制采集输出电压信号产生统一的PWM开关控制信号各功率模块根据主控制器的信号进行开关转换。该方案控制策略简单不设均流控制电路可以方便的实现多模块并联工作。但单个模块无法脱离主控制器独立工作外部控制器故障将导致整个系统崩溃系统无冗余性。同时这种控制策略无法克服由于模块参数不一致引起的并联环流并且难以实现热插拔。b.公用电压外环法l】公用电压外环法控制框图如图卜所示:系统主模块为电压控制模块控制并联系统输出电压并通过公共均流模块检测总的输出电流除以模块的并联数目得到各模块输出电流基准给各模块提供统一的电流给定通过用误差量来补偿各模块基准电压的幅值可以实现输出电流的平衡集中控制方式结构简单均流效果较好从模块为电流控制模块控制各自输出电流跟随电流给定变化。该方浙江大学硕士学位论文第一章绪论法控制简单各模块之间仅有一条均流信号线系统稳定性和均流效果好。但由于共用电流给定主模块故障将导致整个系统崩溃。图外部控制器并联法控制框图图卜公用电压外环法控制框图..主从控制法该方法将并联控制器放到每台模块中并联系统包括一个主模块和多个从模块主模块为电压型逆变器控制整个并联系统的输出电压幅值和频率因而并联系统的输出电压幅值、频率精度仅取决于主模块的设计精度。从模块为电流型逆变器控制输出电流。a.功率分配中心控制法【】基于功率分配中心的主从并联控制方案如图卜所示。该方案由一个电压控制型PwM主逆变器、一个功率分配中心和N个电流控制型PwM从逆变器组成。主模块控制系统输出电压从模块控制自身输出电流跟踪给定电流变化功率分配中心根据负载电流为每一个从模块提供电流基准信号实现功率均分。该方案直接采用负载电流进行均流控制无需用锁相环电路来实现同步控制响应速度快模块均有独立的控制环均流控制电路易于实现控制精度和稳定性均较好且不受并联台数影响容量扩展灵活。但主模块一旦失效整个系统无法工作可靠性低各模块之间的相互连接线引入噪声干扰主从模块结构不同系统构成复杂难以实现模块化。b.民主主从控制法】】民主主从并联控制法其控制方式与功率分配法相似但是其主机无需固定模块各模块可通过莫种方式成为总机模块内部结构框图如图卜所示主浙江大学硕士学位论文第~章绪论模块控制输出电压产生各模块的电流给定信号从模块控制自身输出电流跟踪主模块给定电流变化当主模块故障时任一从模块上升为主模块亦即实现民主主从控制。民主主从控制法冗余性较好可以实现系统模块化提高可靠性但模块间仍存在通讯互联线。综上所述主从并联控制法控制简单均流精度和控制稳定性好:但主模块或核心控制器损坏将导致整个并联系统崩溃系统冗余性差、可靠性低或者需要通过一定的逻辑规则产生新的主模块如以输出电流最大的模块成为主模块并联系统比较复杂。L图l一基于功率分配中心的主从并联框图图卜民主主从并联控制法框图..分散逻辑控制法分散逻辑控制方式将均流控制分散在各个并联模块中并通过模块间的互连线交换信息如并联模块的输出电压、电流有功、无功分量以及频率和相位信号通过各模块内部的控制器产生各模块公共的基准电压信号、基准电流信号、以及相位同步信号。分散逻辑控制法的主要控制信号均为并联系统所有模块控制信号的综合值各模块相互冗余常用的分散逻辑控制方法包括:a.均分控制法【¨】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节图卜为一种平均控制方式的控制框图并联模块间有两个互连线分浙江大学硕士学位论文第一章绪论别为公共电压基准信号v和平均反馈电流信号f各并联模块通过锁相环与公共电压基准信号同步使得各模块输出电压相位和频率一致以平均反馈电流f作为各个并联模块的电流参考值各模块输出电流与参考值的误差调整电压参考值的幅值实现均流。分布式控制方式设想思路清晰均流效果较好不需附加额外的并联控制模块但并联各模块间的模拟信号线较多容易收到干扰远距离通讯时抗干扰能力较差可靠性降低。不利于多模块的并联。飞==:厂一垴逆⋯航.I二闭i.LLJn坠兰厂lf、.。臣≯一门坠兰rk。h未.医.际翮:。Vn.医=司图卜l平均控制方式的控制框图b.环形链电流跟踪控制法(C)【】在C控制(CircularChainContr)中各模块均基于电压电流双闭环控制第一台逆变器的输出滤波电感电流反馈信号加到第二台逆变器的电感电流给定信号中第二台逆变器的输出滤波电感电流反馈信号加到第三台电感电流给定信号中依次连接最后一台逆变器滤波电感电流反馈信号再加到第一台逆变器电感电流给定信号使并联系统在信号上形成一个环形结构。大大减少了模块之间的信号连线因为子模块只与上下两模块之间进行通讯而与其它n一个模块无关。但在控制回路引入其它模块信号加强了模块间的耦合故常规控制方案难以实现使得控制复杂化。实现原理见图.即为基于环形链型控制方案的并联系统中单个逆变模块原理框图。·浙江大学硕士学位论文第一章绪论图.环形链电流跟踪控制法控制框图c.平均功率控制法㈣【图l·两台逆变器并联模型并联系统中各模块输出功率不均分的原因可归结为各模块输出电压相位有差、幅值有差。因此如果能把各并联模块输出功率差转换为输出电压幅值差和相角差并相应调节可以实现各模块均分负载电流。在图.中当逆变器输出电压为L。√锄、并联汇流条电压为Lj幼D、滤波电感感抗为J时可推导逆交器输出有功功率R。和无功功率鼠表达式:耻华sin仍蜘盟掣因为相位差仰很小由式(.)可见逆变器输出有功功率%主要与电压的相位差成正比无功功率I主要与幅值差成正比。通过调节各逆变器基准信号的相位和幅值可实现各并联逆变器输出有功功率和无功功率平衡。与集中控制方式和主从控制方式相比较采用分布逻辑控制方式的并联系统中不存在公共控制电路而且每个模块的地位平等当某个模块~旦发生故障该模块就自动退出其它模块仍然可以正常工作它克服了集中控制和主从控制中存在的单个模块故障整个并联系统瘫痪的问题提高了并联系统的可靠性。浙江大学顶士学位论文第一章绪论..无互连线控制法为了减少并联模块间互连线的数目近年来提出了无互连线控制方式一一一通过借鉴同步发电机的自同步和电压下垂特性实现模块间无信号线的并联。其关键技术是通过调节模块自身的变量来实现系统中各模块问负载功率的分配而负载功率一般包括有功功率和无功功率(若负载为非线性还包括谐波功率)对它们的调节可以通过控制模块输出基波电压幅值和相位得以实现。a.PQ法【】】通过检测输出的有功功率(P)和无功功率(Q)来调节输出电压的幅值和频率能较好地满足线性负载增加了谐波功率控制。b.输出串电阻法【借鉴直流并联方案采用了另外一种无连线并联的控制策略它是通过输出电压幅值及频率随输出电流增大而改变的控制方法实现各模块间的均流。图一无互连线控制方式控制框图图.】输出串电阻原理图利用逆变器输出的下垂特性各模块以自身的有功和无功功率为依据调赘自身输出电压的频率和幅值以达到各台逆变器的均流运行。无互连线控制方式在各并联模块间无互连线消除了在分布控制方式中由于各模块之间互连线信号受干扰而引起并联系统不能正常工作的问题并联方式简单提高了并联系统的可靠性。但是由于逆变器输出特性软化稳态时会造成逆变器输出电压幅值、频率发生偏离下垂系数m和n越大各模块分担负载的效果越好但是输出电压幅值和频率的精度越差需要在逆变器输出电压幅值和频率的精度与功率均分效果之间折中考虑。浙江大学硕士学位论文第一章绪论.数字技术概述传统的电源都是采用模拟控制系统模拟控制经过多年的发展已经非常成熟。然而模拟控制有着固有的缺点:需要大量的分立元件元器件数量很多制造成本比较高大量的模拟元器件问的连接相当复杂从而使系统的故障检测与维修比较困难。模拟器件的老化问题和不可补偿的温漂问题以及易受环境(如电磁噪声工作环境温度等)干扰等因素都会影响控制系统的长期稳定性{】此外模拟控制系统难以实现远程信息传输、通讯等先进控制技术。随着微电子技术和通讯技术的飞速发展数字处理器的运算速度越来越快集成度越来越高功能更加强大而成本也随着大规模的生产而下降伴随着数字通讯技术的发展数字控制己成为当今电源发展的方向。..数字控制的特点与数字信号处理器(DsP)嘲‘“数字控制电源与传统模拟控制相比有如下特点:数字控制可以简化硬件电路解决模拟控制元器件老化和温漂带来的问题抗干扰能力也大大的增强:易实现先进控制改善电源系统的控制效果:通用性强可以在几乎不改变硬件的情况下通过修改软件来实现不同的控制算法或提高系统的性能易于实现大规模产品生产采用数字控制可以更好地与信息化接轨使电源系统的操作使用界面更加人性化还能实现故障自诊断等功能。在数字控制系统中要注意以下几个问题【:AD转换的精度和速度采样频率的选取、PwM载波频率计算精度控制算法的延时等。AD转换器不可避免存在量化误差而这种量化误差对系统来说是一个不利影响。选择高精度的AD虽能提供系统采集进度但同时增加了系统的成本。根据采样定理信号的采样频率至少为被控电路系统带宽的两倍才不会出现混叠效应。提高采样频率能提高控制系统的实时性但是这通常受到AD采样芯片的速度及微处理器速度的限制。PWM信号频率与功率开关的性能、开关损耗、微处理器的运算能力等息息相关。PWM信号频率越高开关损耗越大留给微处理器的运算时间越少。所以在系统设计时要认真考虑所选用的PwM频率。浙江大学硕士学位论文第一章绪论在运算过程中数据最初来自AD转换器AD转换器的位数即采样的分辨率首先影响后面计算所能得到的最大精度。另外在数据处理及计算中不可避免地存在需要对数据进行截尾等处理这也会影响最后的控制精度。字长效应及计算精度也是影响系统控制精度指标一个重要因素。在数字系统中不可避免地存在采样和计算延时问题。这些延时对系统影响很大不但影响系统的控制精度和实时性还可能造成系统不稳定。由于采样和计算所引起的数字延时会使系统的带宽变窄动态响应速度变慢p“。信号处理器(DsP)的诞生与快速发展使各种数字信号处理算法得以实时实现为数字信号处理的研究和应用打开了新局面。由于DsP具有丰富的硬件资源、改进的并行结构、高速数据处理能力和强大的指令系统已经成为世界半导体产业中紧随微处理器与微控制器之后的又一个热点在通信、航空、航天、雷达、工业控制及家用电器等各个领域得到了广泛的应用。DsP具有下列主要结构特点:采用改进型哈佛结构具有独立的程序总线和数据总线可同时访问指令和数据空间多级流水线处理支持并行操作在一个指令周期内可以完成多重操作片内含有硬件乘法器和高性能的运算器及累加器:片内集成了存储空间因此不存在总线竞争和速度匹配问题大大提高了数据读/写文章的速度新型的DsP还集成了越来越多的其它部件如刖D比较器捕获器及PwM等为将DsP应用于智能测控电机控制电力电子技术等领域提供了资源条件。本课题中采用的控制芯片是TI公司专门为电机控制设计的TMSIFA。..现场总线和CANBUS皿毗现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一被誉为自动化领域的计算机局域网。现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设各之间实现双向串行多节点数字通信的系统也被称为开放式、数字化、多点通信的控制网络具有协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适用于频繁交换等特点。由于采用现场总线将使控制系统结构简单系统安装费用减少并且易于维护等一系列的优点现场总线技术越来越受到人们的重视。现场总线通信中绝大多数部分属于循环通信需要周期性地从设各采样实时浙江大学硕士学位论文第一章绪论数据。如果一个现场总线系统设计不恰当网络导致周期性地数据不能反映其真实地实时数指就会使现场控制失去它实际地意义。因此当现场总线被应用于过程控制和自动化系统中时必须考虑倒网络性能的最优化设计。CAN全称为“Con仃DllcrArcaNetwork”即控制器局域网是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初其被设计作为汽车环境中的微控制器通讯在车载各电子控制装置ECU之间交换信息形成汽车电子控制网络。由于CAN总线具有很高的实时性能和高抗干扰性已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。CAN是一种多主方式的串行通讯总线具有十分优越的特点包括:低成本极高的总线利用率很远的数据传输距离(长达Km)高速的数据传输速率(高达Mbit/s)可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文可靠的错误处理和检错机制发送的信息遭到破坏后可自动重发节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能报文不包含源地址或目标地址仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。基本设计规范要求有高的位速率高抗电磁干扰性而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到Km时CAN仍可提供高达Kbit/s的数据传输速率。cAN通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。cAN层的定义与开放系统互连模型(OsI)一致。每一层与另一设备上相同的那一层通讯。实际的通讯发生在每一设备上相邻的两层而设备只通过模型物理层的物理介质互连。CAN的规范定义了模型的最下面两层:数据链路层和物理层。下表中展示了SI开放式互连模型的各层。应用层协议可以由CAN用户定义成适合特别工业领域的任何方案。表OsI开放系统互连模型应用层最高层。用户、软件、网络终端等之间用来进行信息交换。如:DeviceNet表示层将两个应用不同数据格式的系统信息转化为能共同理解的格式会话层依靠低层的通信功能来进行数据的有效传递。传输层两通讯节点之间数据传输控制。操作如:数据重发数据错误修复网络层规定了网络连接的建立、维持和拆除的协议。如:路由和寻址数据链层规定了在介质上传输的数据位的排列和组织。如:数据校验和帧结构物理层规定通讯介质的物理特性。如:电气特性和信号交换的解释浙江大学硕士学位论文第一章绪论.本文选题意义与研究内容本课题所要研究的DsP控制三相逆变器并联系统主要用在中等功率等级(KVA~KVA)uPs的逆变输出级。考虑并联系统冗余设计的特殊情况另外还要实现UPS的各种复杂的逻辑关系。本文的主要内容包括以下几个方面:第一章、介绍UPS的逆变器及其并联技术的概述和常用的控制策略及采用数字控制的特点并介绍了DSP与cAN总线的特点。第二章、根据本课题具体项目介绍三相逆变系统的结构分析逆变器的建模根据具体电路设计电压电流环的控制参数并介绍了系统内阻抗计算和电压直流分量控制。第三章、通过逆变器并联系统环流特性分析提出了基于PQ控制的并联方案此外特别对直流环流进行分析提出抑制方法最后建立了完整的并联系统实现控制框图。第四章、基于并联冗余系统的实现介绍冗余设计、同步锁相、数据通讯和模拟控制器离散化。第五章、通过逆变器并联系统的实验波形验证并联方案的可行性。第六章、对本文的总结和展望。浙江大学硕士论文第二章逆变控制器的研究第二章逆变控制器的研究.主电路模型本课题中三相UPS的逆变器部分采用三相四线式逆变拓扑主要由直流侧、逆变桥及输出LC滤波器组成如图.所示。由于采用直流母线(电池)中点作为输出的零线输出为三相四线制可以很好地与前级三相双开关三电平PFC电路结合起来。由于三相四线式电路的每一相都是独立的相互之间不存在耦合关系因而可以把三相逆变器看成是三个输出电压相位互差的单相半桥逆变器组合在一起单相逆变器的控制方法可以直接用在这里如可以采用电压电流双环的控制方法。为了方便论述本章将被控对象做为单相半桥式来分析如图中E、E表示正负直流母线电压s、s为半导体开关器件Lc为输出三c滤波器忽略电感等效串联电阻zo为负载。图三相四线式逆变器主电路拓扑结构图单相半桥电路在逆变电路控制模型中高频SPwM调制方式的基本思想是输入的参考正弦波%sin(∞r)和载波信号(如三角波)比较得到的脉冲去控制各功率开关器件。由于开关是不连续状态分析时我们采用状态空间平均法建立连续的状态平均模型来分析。状态空间平均法是基于输出频率远小于开关频率的情况下在一个开关周期内用变量的平均值代替其瞬时值从而得到连续状态空间平均模型。yots、浙江大学硕士论文第二章逆变控制嚣的研究建立频域传递函数G佃土其中厶S为电感L』/cS电容输出电压‘砀㈣和ab两点之间电压所体):哪=器=墨=ib∑CSR双极性sPwM调制时v可以表示为:v=E(D)其中占空比D根据SPWM调制可表示为。=扣抄扣净sinc础其中v。为参考正弦波信号v』r为三角载波峰值。由式.代入式.有v:E.翌¨。或弩:堇止V.()()()()则从调制信号输入至逆变桥输出的传递函数为:K。=薏器=毒(.)在sPwM中载波频率(开关频率)远高于输出频率时由式.可将逆变桥部分看成是一个比例环节比例系数定义为Jo。。联立式可得邸器焉器志’‰R()即为逆变器输入和输出的传递函数根据该传递函数的表达式可以得到其等效框图如图.所示。在高频SPwM逆变器中逆变器的输出Lc滤波器主要是用来滤除开关频率(本课题中开关频率必=』臣眈)及其邻近频带的谐波。图单相逆变器主电路等效框图浙江大学硕士论文第二章逆变控制器的研究.控制器参数设计“州”本课题中主要采用电压电流双环反馈控制的方案电感电流内环提高系统的动态性能瞬时电压环改善输出电压波形同时为了使输出电压具有较高的精度采用输出电压平均值外环对输出电压的幅值进行反馈控制如图.所示。V图逆变器控制框图输出电压经过整流滤波后得到的有效值与给定参考基准信号的有效值进行矿比较得到的误差信号经过平均值外环PI调节器臣。二挚后的输出作为瞬时电。压内环参考正弦波的幅值这个幅值乘以单位正弦波信号后作为瞬时电压内环参考信号。参考电压信号与瞬时输出电压相比较所得误差信号经过瞬时电压环矿PI调节器K。警后输出作为电流内环参考给定滤波电感电流与电流参考给。定比较得到的误差信号经过电流内环P调节器石。后输出信号与三角波相比较产生PwM驱动脉冲如图.所示。图.半桥逆变器控制结构图塑垩查兰堡圭笙兰苎三兰兰奎垄型兰塑翌垄电流内环参数设计对系统控制框图.进行简化得到电流内环控制框图如图·所示。从图.中可以得到电流内环被控系统的开环传递函数为(反馈系数取)㈣=苦=争斋糕∽从上式可以看出被控系统包含一个二阶振荡环节:一志巍陋’在本次系统中三=∥日C=∥F世Ⅲ。=点=R=Q由上述分析得到该振荡环节的转折频率为:五赢D舷同时被控系统还包含一个随负载R变化的零点:t赢电流内环采用比例P控制器在设计控制器参数时为使得被控系统在补偿后具有较大的相位裕度考虑将补偿后系统的穿越频率设置在开关频率的l/处系统开关频率为乃』触则正击z=·肼拓有:l足M·(足·c·s)I上.C.R.S三tSR巧J=(.)Is=』z正由式.可以计算得到电流内环P控制器参数:K=J钉电流内环加入P控制器后的闭环传递函数为:q阶熹器堡:坠:坠!:羔±!!L·C·R·擎qK∞·K一·R‘QsRKⅢ。K一()浙江大学硕士论文第二章逆变控制器的研究电压内环参数设计由式分析可得电流环传递函数为Gj矗J。根据系统控制框图.简化得到瞬时电压内环控制框图如图.所示。图.瞬时电压内环控制框图从图中可以得到电压内环被控系统的开环传递函数为(反馈系数取):∞=(砂乏品瓦丽面考丧瓮丽啄石pm从上式可以看出被控系统是一个二阶系统转折频率为:上埋±堑!:堑!竺:三筇、{L.C.R牙>去压一尼陋㈤为了获得较大的低频段增益同时又要保证系统具有较大的相位裕度将PI调节器的零点设置为厶=DD王拓补偿后系统穿越频率设置为厶=J』D胁可列出方程组:jL:咒.f。::{o。o盯五nvGrsJl=J\s=i≈f。。()从上述刀市呈组解得:K。nDK。。。瞬时电压内环PI控制器为:qr卅:堡塑≤}丝(.)瞬时电压内环加入PI控制器后的闭环传递函数为:≮俐=尚筠:生:笠:!釜竺兰±堕:笠:!釜:墨‘’掣浙江大学硕士论文第二章逆变控制器的研究平均值外环参数设计以瞬时电压内环闭环作为被控对象平均值外环的控制框图如图所示。外环的参考值是输出电压的参考幅值反馈量是输出电压的幅值信号都为直流量。从控制的角度分析被控对象的输入是D胁正弦波的幅值输出也是J昵如正弦波的幅值实际上被控对象的传递函数就是瞬时电压内环闭环传递函数幅频特性上D恐频率对应的增益。因此可以把瞬时电压电流内环闭环环节等效为一个比例系数凰:K。=lG。一儿¨¨。“nJ可将平均值外环控制框图简化为如图.所示。图.平均值外环的控制框图在设计外环控制器时PI控制器的零点设置为/=』DD胁补偿后系统穿越频率设置为兀。=口胁可列出方程组:从上述方程组可以解得:K。=n』瓦=』』。平均值外环PI控制器为:蹦S)=燮竽平均值外环闭环传递函数为叫=老格=意芝熹瓮()()()浙江大学硕士论文第二章逆变控制器的研究.逆变器输出阻抗分析对于图.所示的采用电压电流双环控制的逆变器【可以看作带内阻的电压源如图.所示。逆变器的内阻抗zf可以分为两个部分:逆变器等效输出阻抗‰和线间传导阻抗z胁。.图.双环控制逆变器控制框图嘲一图.双环控制逆变器等效模型电压电流双环的闭环传递函数为附丽而丽尚赫嚣篡筹再而丽逆变器负载为R时输出电压表示为:()矿:堡:坠:车竺兰±堡:整:!釜:墨:矿’”三一cR·.(£巧·.l。·R·q·酽一只巧·‰^≥·峰·.≮。·司·sK·%·点。·R’阿(·)浙江大学硕士论文第二章逆变控制器的研究逆变器空载输出电压表示为:矿:坠堡垒兰±坠生垒矿j‘一LC守KⅢmK∞C◇qKM。iKmK∞sK㈣。KmK~j又有:圪(s)=L(s)尺【圪(s)=■(s)一。(s)z。得以沪w)一竿Zf。联立方程()~(.)其逆变器等效输出阻抗乙可以表示为:zln=RmjX。LSKp|KmmSLC分KmmKpCSq七KmmKmK口sKmmKpiK~系统中:L=坩C=Dz‘F.I∞妒胛=.岣f=n』jKpv=o..K|v=盎Hz则逆变器等效输出阻抗z。为:瓦=.钉吖J.由于逆变器系统内阻抗特性影响着下一章节所介绍的基于有功功率和无功功率的并联系统控制策略在此需要对逆变器参数对等效内阻的影响做一简要分析如图所示:等效内阻抗角参考角B!卜比较值丫(a)滤波电容c的变化会造成的等效内阻和等效内阻角的变化曲线))¨√口伽蚴㈣伽pp函浙江大学硕士论文第二章逆变控制器的研究等效内阻抗fZj。f(固比较值l参考阻抗f尊散内阻抗角(b)滤波电容L的变化会造成的等效内阻和等效内阻角的变化曲线等效内阻抗角(c)电流环比例参数翰的变化会造成的等效内阻和等效内阻角的变化曲线等效内阻抗角(d)电压环比例参数j‰的变化会造成的等效内阻和等效内阻角的变化曲线.浙江大学硕士论文第二章逆变控制器的研究等效内咀抗lZ.nl(n)\一踏嚣酋、‘一\\\~’~参考阻抗fKvKV时KivKjv。F(e)电压环积分参数』狮的变化会造成的等效内阻和等效内阻角的变化曲线图.逆变器参数变化对等效内阻的影响由图.分析可得:.逆变系统滤波器的滤波电容C和滤波电感L对系统等效输出内阻影响较小由于滤波电容C和滤波电感L的器件偏差基本小于%当系统其它参数不变的情况下滤波器器件差异对等效输出内阻影响可以忽略不计。.随着电流环比例参数晦增大等效输出内阻角缓慢变大对等效输出内阻模影响较小。.随着电压环比例参数晦。增大等效输出内阻角缓慢变减小对等效输出内阻模影响较小。.由图(e)可知电压积分参数岛对等效内阻和等效内阻角影响较大。随着电压积分参数‰变大等效内阻模急速减小等效输出内阻角变大。由上述分析可知电压电流双环控制的逆变器系统其控制参数在一定程度上影响着其内阻抗特性特别是电压环的积分参数但是一旦其控制参数确定则输出内阻也将确定电路元器件的偏差对输出内阻影响很小可以忽略。因此可以任务采用同样参数和器件的逆变器它们的内阻抗相同。浙江大学硕士论文第二章逆变控制器的研究.逆变输出电压直流分量控制技术根据国家uPs标准逆变器输出电压为V/Hz时输出电压的直流分量应小于±mV。然而由于逆变器控制电路中运算放大器的零点漂移开关管本身及其驱动电路不一致等原因会使逆变器输出电压产生直流分量。对于通常的无输出隔离变压器的逆变器其输出电压的直流分量常常达到mV远远不能达到要求。此外在无输出隔离变压器的逆变器直接并联系统中由于逆变器各模块间连线的阻抗很小较小的直流分量也会造成很大的直流环流使逆变器各模块不能均分负载降低了并联系统的可靠性。因此必须将逆变器输出电压中的直流分量控制在合理的范围内。..逆变输出电压直流分量产生“”()A/D采集精度对直流分量的影响由于正弦波的电压范围使ll~一在实际设计当中需要加入一定的余量则出现一的电压范围DsP的AD进度为lO位则出现了采样精度的问题DsP采集的电压精度.V。采样精度误差必然会造成调节误差输出电压直流分量就无法避免。()运算放大器的零点漂移对逆变器输出电压直流分量的影晌在DSP为核心的双闭环控制逆变器的控制电路中需要利用运算放大器构成调理电路调节实际量使其能够适应A/D口的采样由于运算放大器存在零点漂移这会对逆变器输出电压直流分量产生影响。虽然运算放大器的零点漂移通常小于lOmV但是O./.=.%误差仍然无法实现在v下mv的直流分量精度。因此在实验过程中发现运算放大器的零点漂移对逆变器输出电压直流分量确有一定的影响。这部分的直流分量可能是由于电压调节器造成的。()功率开关管驱动信号及其特性不一致对直流分量的影响本文研究的双闭环控制逆变器主电路采用半桥结构由于逆变桥功率管的离散性其开关速度、饱和压降、存储时间不完全相同。同时由于电路的其它一些非理想因素如驱动信号传输时间的差异使得一个工作周期中使得两个逆变浙江大学硕士论文第二章逆变控制器的研究桥臂中点正负电压伏秒积不等于零从而使得逆变器输出电压含有直流分量。不失一般性如现假设开关管s的总导通压降为V开关管S的总导通压降为V此时逆变器输出电压会产生正的直流分量。..逆变输出电压直流分量检测由于直流分量的存在逆变器输出电压为正弦波分量加上少量的直流分量:Vm(f)=圪。sin刨%l()其中pZ为逆变器输出电压的直流分量。传统的直流分量检测电路“(如图所示)主要有:R和Cl构成的滤波电路RC和R构成积分电路。I}图传统直流分量检测电路直流分量检测电路的工作原理是:逆变器输出电压经Rl和cl滤波后得到含交流成分的脉动直流电此直流电经RR和C组成的积分电路积分后得到与逆变器输出电压直流分量成正比的电压量。可求得直流分量滤波/积分电路的直流放大倍数Kdc为:如篆一彘∽ze交流放大倍数Kac为K静一面鬲丽告丽∽z)“K.。(sc马)(i蝎月.五置马)⋯⋯式中:K。』为逆变器电压的交流成分:KMP知分别为运算放大器OPl输出电压的直流分量和交流成分。在一=巧D三舷时若取Rl=R=lkQR=kQCI=心C=肛可分别求得直流和交流放大倍数为Kdc=K。。=.浙江大学硕士论文第二章逆变控制器的研究由上式的结果可知直流分量滤波/积分电路的交流放大倍数很小因此逆变器输出交流电压对检测结果的影响可忽略不计。在实际三相系统中如果对每一路半桥逆变器都增加一路的直流分量调整电路就意味着需要使用三路A仍采样口对于本来就十分紧缺的A/D采样口来说无疑是很大的问题当然也可以采样增加多路选择器来扩充A/D采样口。在实际系统中已经使用了较多的多路选择器继续增加势必会造成系统调试的难度而且多路选择器必须是分时复用那么直流分量检测的实时性就会受到制约。更何况增加直流分量检测电路本身就增加了系统设计和调试的难度引入干扰同时还增加产品的成本。因此最好能有一种无需单独设立直流分量采样电路的方式来采样输出电压的直流分量。在本系统设计中就采用了下面的方式:对电压反馈采样电路进行修改(如图.所示)使电压采样电路即反能馈实时的电压信号又能反馈电压的直流分量。A图电压采样调理电路整个调理电路可以分成各部分:》C部分为RC滤波≯B为偏置处理电路主要是由于A/D口输入的信号为~那么就需要对调理的正弦波信号进行偏置处理使其能够在全范围内对正弦波信号进行采集≯A为调理电路核心部分。电路利用电容隔直通交的特点使电路具有对直流和交流不同的发大倍数。浙江大学硕士论文第二章逆变控制器的研究对于输入电压的正弦波分量由于c的容值较大对交流电相当与短路即A部分可简化为图图.电压采样调理电路则q。。=一志圪。由于c=n较小忽略则的正弦波放大倍数为:k~志一篇一壶()对于输入的直流分量C的容值较大对直流电相当与断路即A部分可简化为图图电压采样调理电路则%=一瓦鲁}鑫万%由于c=ln较小忽略则的正弦波放大倍数为玩一意茜一鬻一圭生:蜒。()以上分析表明调理电路对于不同频率的电压信号具有不同的放大效果。这样浙江大学硕士论文第二章逆变控制器的研究实现了对于交流电压的采用放大倍数没有改变因此不会对其产生太大影响。而对于直流分量部分其放大倍数相对与交流电压部分的倍使本来实现微小的信号可是被采集到。Vok∥、|}vdci\/。:义/“如图所不、o=VsinVdc。可以取

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新课改视野下建构高中语文教学实验成果报告(32KB)

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DSP控制三相逆变器并联冗余技术

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