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逆变器并联控制及其故障诊断的研究.pdf

逆变器并联控制及其故障诊断的研究

wang
2012-06-06 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《逆变器并联控制及其故障诊断的研究pdf》,可适用于IT/计算机领域

南京航空航天大学硕士学位论文中图分类号:TM论文编号:学科分类号:密级:公开硕士学位论文逆变器并联控制及其故障诊断的研究硕士生姓名李睿学科、专业电力电子与电力传动研究方向航空电源指导教师肖岚副教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二○○五年二月I逆变器并联控制及其故障诊断的研究NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationResearchontheControlTechnologyandFaultDiagnosisofParallelInverterAThesisinPowerEngineeringByLiRuiAdvisedbyXiaoLanSubmittedinPartialFulfillmentOftheRequirementsFortheDegreeofMasterofEngineeringFebruary,II南京航空航天大学硕士学位论文摘要本文主要研究了逆变器的并联技术及其故障诊断方法采用基于平均功率控制的逆变器并联控制策略取得了较好的控制效果提出了并联系统功率管故障诊断方法该方案外围电路简单软件计算工作量不大适合应用于工程实际。本文首先分析了半桥电路MOS管寄生体二极管的反向恢复特性的影响接着讨论了在保证逆变器各项性能不变的基础上通过调整其控制参数来改变输出阻抗性质的方法。建立了处于并联系统中的双闭环逆变器控制模型分析了并联系统环流特性推导了基于平均功率控制的逆变器并联控制策略通过仿真和实验证明了控制策略的正确性分析了逆变器参数不一致对并联控制效果的影响最后给出了并联实验所用的硬件和软件。为了实现冗余控制逆变器并联系统应当具有故障诊断能力和单独工作的逆变器模块相比逆变器并联系统的故障表现形式更为复杂和难以识别。并联系统的多数故障表现为功率开关器件的损坏其中以器件的开路和直通故障最为常见。本文通过仿真和实验分别分析了并联系统功率管开路故障和短路故障的表现形式以及故障对并联系统的危害程度。分析得到开路故障不会影响系统输出电压但会明显影响单逆变器模块电感电流和输出电流。功率管开路故障时故障模块电感电流变化非常规律适合进行故障诊断功率管短路故障保护主要靠硬件来完成短路瞬间并联系统输出电压是否变化随故障发生时刻不同而不同。在此基础上提出了通过检测并联系统各模块电感电流来进行故障诊断的方案给出了对电感电流进行调理和分析的方法以及确定故障源后使故障模块退出并联系统的具体步骤并在并联实验样机上实现了故障诊断和保护完成了并联系统的冗余控制和热插拔验证了方案的可行性。关键词:逆变器并联平均功率控制冗余控制故障诊断III逆变器并联控制及其故障诊断的研究AbstractThispapermainlystudiestheparalleltechnologyandfaultdiagnosisoftheinverterWiththecontrolstrategybasedonAveragePowerModulating,thecontroleffectisgoodPresentstheparallelsystempowerswitchesfaultdiagnosismethod,thehardwarecircuitissimpleandthesoftwarecalculationisnotcomplex,sothemethodandprocedureissuitforpracticaluseThepaperfirstanalyzestheinfectionofMOSFETparasiticdiode’sreverserecoveryinhalfbridgeinverter,thenpresentshowtochangethepropertyoftheequivalentoutputimpedanceoftheinverterwithoutinfluencingitsdynamicandstaticcharacteristicModelingthedoubleloopscontrolinverterliesintheparallelsystem,analyzingitscirculatingcurrentpeculiarityTheparallelstrategyispresentedwhichisbasedonAveragePowerModulating,itistestifiedtoberightbythemeansoftheory,simulationandexperiment,theinfectioncausedbythedifferentvaluesoftheinverter’scomponenttotheeffectofparallelcontrolisalsodiscussedFinallyitisexplainedhowtheinvertercircuitandthedigitalcontrolcircuitaredesignTorealizeredundantcontrol,theparallelsystemmusthavethecapabilityoffaultselfdiagnosisComparedwiththefaultsofsinglemoduleinverter,thefaultsofparallelsystemaremuchmorecomplicatedandhardertobediagnosedManyfaultsofparallelsystemarefailuresofpowerswitchesamongwhichopencircuitfaultandshortcircuitfaultarethemostcommoncasesThroughsimulationsandexperiments,howthefaultsoftheparallelsystemlooklikewhenthepowerswitchesareinopencircuitorshortcircuitareanalyzedseparately,andthedamagescausedbythefaultsareanalyzedtooTheresultisthatopencircuitfaultdoesnotaffectoutputvoltageofthesystem,butitapparentlyaffectsinductancecurrentandoutputcurrentofsinglemoduleinverterWhentheopencircuitfaulthappens,theinductancecurrentofthefaultmodulechangesregularly,sothephenomenonisfitforfaultdiagnosisTheshortcircuitfaultismostlyprotectedbyhardware,howthisfaultinfluencingsystemicoutputvoltagedependsonthetimethefaulttakingplaceBasedontheseIV南京航空航天大学硕士学位论文conclusions,itisproposedthatthefaultdiagnosiscanbedonethroughmeasuringtheinductancecurrentofeachmoduleThemethodofhowtomodulateandanalyzetheinductancecurrentisgivenandthedetailprocedureofhowtomakethefaultmoduletowithdrawfromtheparallelsystemafterthefaultisfoundisalsoshowedinthispaperExperimentsdoneonparallelsampleinvertersshowedthatthemethodandprocedurecouldrealizenotonlythefaultdiagnosisandselfprotection,butalsotheredundantcontrolandhotswap,andthusverifiedthemethodandprocedureKeywords:inverter,parallel,AveragePowermodulating,redundantcontrol,faultdiagnosisV逆变器并联控制及其故障诊断的研究目录第一章绪论逆变电源并联系统的研究背景与意义逆变器控制及其并联技术的现状与发展趋势逆变电源并联的技术要求逆变器的主要电路拓扑和控制技术逆变器并联控制技术的研究现状逆变器并联系统故障诊断技术的现状常用的电力电子电路故障诊断方法选题依据本文研究的主要内容第二章电压电流双闭环滞环控制逆变器的建模分析引言电压电流双闭环滞环控制半桥逆变器工作原理MOS管寄生体二极管反向恢复分析电压电流双闭环滞环控制半桥逆变器建模分析稳定性分析相对稳定性分析系统参数变化对相对稳定性和带宽的影响系统参数变化对逆变器时域性能指标的影响系统参数变化对逆变器外特性的影响系统参数变化对逆变器动态性能的影响系统参数对输出阻抗的影响第三章基于平均功率控制的逆变器并联控制方案分析引言VI南京航空航天大学硕士学位论文并联系统的环流分析并联系统环流建模分析根据输出阻抗分析环流情况基于平均功率控制的逆变器并联系统分析传统的基于平均功率控制的逆变器并联控制策略改进的基于平均功率控制的逆变器并联控制策略仿真证明元器件参数差异对控制准确性的影响本章小结第四章逆变器并联控制的实现引言并联系统的控制方法并联系统逆变器输出功率检测方法功率计算算法分析电压电流的采样方法基准正弦波的生成方法基准正弦波幅值调节方法基准正弦波的同步方法基准正弦波直流分量的调节方法基准正弦波相角调节方法DSP模块间通讯方法主程序的软件实现逆变器并联系统实验分析本章小结第五章逆变器并联系统的故障识别引言逆变器并联系统故障的特点逆变器并联系统主功率管开路故障识别MOS管开路故障表现用频谱分解方法进行MOS管开路故障识别直接检测关键点波形实现MOS管开路故障识别调理电路设计VII逆变器并联控制及其故障诊断的研究软件流程设计MOS管开路故障处理实验验证功率管组合Q开路故障表现逆变器并联系统功率管短路故障识别功率管短路故障表现逆变器并联系统主功率管直通故障识别电路设计实验验证本章小结第六章结束语参考文献在学期间的研究成果致谢VIII南京航空航天大学硕士学位论文图表清单图(a)单相半桥逆变电路图(b)单相全桥逆变电路图(c)单相双BUCK逆变电路图外部控制器并联法控制框图图公用电压外环法控制框图图基于功率分配中心的主从并联控制框图图民主主从并联控制法框图图平均电流控制法控制框图图环形链型逆变器并联控制框图图两台逆变器并联模型图基于外加限流电感法的并联系统原理图图单相半桥逆变器主电路拓扑图图双闭环滞环控制逆变器控制电路框图图双闭环逆变器控制系统模型图功率管开关规则图MOSFET寄生体二极管和快恢复二极管对功率管电流应力影响的比较图线性化后的双闭环逆变器控制系统模型图双闭环滞环控制逆变器伯德图图PI调节器比例系数Kp变化对γ和fc的影响图PI调节器积分常数KI变化对γ和fc的影响图电流环放大倍数K变化对γ和fc的影响图滤波电容Cf变化对γ和fc的影响图系统参数变化对外特性的影响图系统参数变化对σ%的影响图系统参数变化对F的影响图两台逆变器并联模型图处于并联工作的的双闭环逆变器控制模型图并联系统环流随基准电压幅值变化曲线图并联系统环流随基准电压相角变化曲线图单台逆变器模型图两台逆变器并联模型图两台逆变器并联模型图逆变模块输出电压反馈并联系统IX逆变器并联控制及其故障诊断的研究图负载电压反馈的逆变模块并联系统图基于双闭环控制的逆变器并联系统图三台逆变器并联控制框图图并联系统单模块的调幅调相控制功能框图图电压瞬时值采样电路图捕获电路图同步中断程序流程图图直流分量调节方法图正弦波生成中断子程序流程图图通讯接收中断程序流程图图主程序流程图图不同负载条件下逆变器并联系统实验波形图逆变器并联系统突加负载的实验波形图第三个模块在线投入两模块并联系统的实验波形图半桥逆变器电路图图逆变器并联系统单模块M开路仿真波形图逆变器并联系统单模块两管M和M开路仿真波形图逆变器并联系统单模块M开路时各点仿真波形及其傅立叶分解图开路故障检测电路图二阶压控电压源低通滤波器的幅频响应曲线图并联系统单模块功率管开路故障检测电路仿真波形图开路故障检测软件流程图图上管开路故障处理实验波形图两管开路故障处理实验波形图逆变器并联系统单模块Q管开路仿真波形图逆变器并联系统单模块功率管直通故障原理图图联系统单模块Q管短路仿真波形图过流保护电路图图主管直通故障识别电路图图逆变器并联系统单模块功率管短路实验波形表空载下两台并联逆变器输出有功功率差和无功功率差的仿真数据表阻性负载下两台并联逆变器输出有功功率差和无功功率差的仿真数据表系统参数误差与ddP和ddΦ的关系X南京航空航天大学硕士学位论文注释表UPS不间断电源BUCK一种单管降压DCDC拓扑PWM脉冲宽度调制SPWM正弦脉冲宽度调制SVPWM空间矢量调制RPWM随机脉宽调制PI比例积分VCPI电压控制型PWM逆变器PDC功率分配中心CCPI电流控制型PWM逆变器UO∠°并联汇流条电压UO∠ϕ逆变器输出电压ϕ逆变器输出电压与母线电压相角差X逆变器输出电抗PO逆变器输出有功功率QO逆变器输出无功功率PO逆变器输出有功功率QO逆变器输出无功功率SO逆变器输出复功率Z逆变器等效输出阻抗Z逆变器等效输出阻抗L逆变器环流抑制电感L逆变器环流抑制电感uo逆变器空载输出电压uo逆变器空载输出电压ZO负载阻抗DSP数字信号处理器MOSFET场效应管uref逆变器输出电压给定uvf电压反馈信号ig电感电流的给定信号XI逆变器并联控制及其故障诊断的研究iLf电感电流的反馈信号iL电感电流Kvf电压反馈系数KPPI调节器的比例系数KIPI调节器的积分系数K电流反馈系数的倒数δ滞环环宽Lf滤波电感Cf滤波电容GO(S)滤波电容与负载并联的传递函数Uin半桥电路母线电压IRF一种场效应管型号DSEI一种功率二极管型号M半桥电路上管(场效应管)M半桥电路下管(场效应管)Q半桥电路上管(场效应管和二极管组合)Q半桥电路下管(场效应管和二极管组合)D半桥电路上管反并联二极管D半桥电路下管反并联二极管iMSD流过功率管M电流iMSD流过功率管M电流iQSD流过二极管D的电流iQSD流过二极管D的电流Φ(S)闭环传递函数G(S)H(S)前向通路传递函数D(S)闭环系统的特征方程γ相角裕度fc截止频率σ%超调量tr上升时间ts调节时间ess逆变器的静差LEM霍尔传感器∆P各模块输出有功功率差∆Q各模块输出无功功率差∆U各模块输出输出电压幅值差XII南京航空航天大学硕士学位论文∆φ各模块输出输出电压相角差U∞(S)空载输出电压UR(S)带阻性负载的输出电压Zo(S)逆变器等效输出阻抗RL阻性负载Ug(S)基准电压Z逆变器与交流母线之间的线路阻抗Z逆变器与交流母线之间的线路阻抗iO逆变器输出电流iO逆变器输出电流iO并联系统负载电流iH逆变器环流du逆变器基准幅值差dφ逆变器基准相角差φn系统输出电压和第N台逆变器基准电压的相角差iLn并联系统中第N台逆变器的电感电流diLniLn的全导数diLnPiLn的全导数的有功电流部分diLnQiLn的全导数的无功电流部分dILnPiLn的全导数的有功电流部分有效值dILnQiLn的全导数的无功电流部分有效值TCNT定时器计数器MAX通讯协议芯片Bps波特率IOPBDSP输入输出口ωn特征角频率Q等效品质因数Aup通带电压增益CossMOS管输出电容XIII南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论逆变电源并联系统的研究背景与意义在全球范围内人们对电力的需求不断增长而目前电力生产主要依靠火力发电它所排放的废气是造成空气污染、酸雨、乃至烟雾温室效应的重要因素。现在发达国家都在寻求新的清洁的发电方式同时采取各种节能措施以力求节约能源。目前一些新能源和可再生能源技术已经逐步实现了商业化(主要有五种:小水电、光伏发电、风力发电、生物能发电、地热发电)。在几乎所有的可再生能源发电系统中都涉及到一系列的大功率、高效率、高质量的能量转换和控制电力电子与电力传动技术是其中的关键技术之一:因为可再生能源既可产生直流电也可产生频率变化的交流电它们必须通过功率变换器产生与电网频率、相位、电压幅度一致的电能直接供给用户或并入电网。显然这个过程需要大量的逆变器并联或并网研究。在交流电源系统从传统的集中式供电向分布式供电模式发展的过程中必须解决的一个重大课题就是逆变电源并联技术的研究。在分布式电源系统中到用户的配电由分散的变流器完成这需要大量的各种变换器来满足不同的负载功率要求。每个用户由一个独立的逆变电源供电这使得配电系统成本提高。但采用逆变电源的并联技术之后逆变电源可以设计成统一的规格而仅仅针对不同用户的要求采用一个或多个逆变电源并联从而组成分布式逆变电源系统这样就降低了不同容量电源的设计成本和重复投资减少了生产和维护费用降低了整个电源系统的成本。另外随着科学技术的迅速发展以逆变电源为核心的不间断电源系统(UPSUninterrptiblePowerSupply)开始越来越广泛应用于银行、证券、电信、军事、医疗、航空航天等各个领域。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:()高输入功率因数低输出阻抗()快速的动态性能()高效率、高稳定性、高可靠性、高功率容量()低电磁干扰()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。研究表明采用N+X冗余并联供逆变器并联控制及其故障诊断的研究电技术是解决这些问题的重要方法。所谓N+X冗余并联供电系统是指N+X台逆变器并联运行分担N台逆变器的额定功率该方法具有很多优点。由于各个逆变模块负担的负载电流均小于其额定电流因此只要同时出现故障的模块不多于X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。逆变器控制及其并联技术的现状与发展趋势逆变电源并联的技术要求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正弦波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有功环流和无功环流。另外即使各模块同频率、同相位、同幅值运行如果各自输出正弦波谐波含量较大各模块之间会存在谐波环流。因此逆变器安全并联运行需要满足以下条件:()功率均分:并联系统中的各个逆变模块输出电压频率、相位、幅值、波形和相序基本一致各模块平均分担负载电流使输出静态功率和瞬时功率分布平衡。()故障自动诊断:当单模块出现故障并联系统能快速定位故障逆变器将它从并联系统中切除并将其功率均匀分配给其它模块。()热插拔:待投入逆变模块控制自身输出电压与并联系统电压之间的频率、相位、幅值、波形和相序等参数差别小于允许误差时自动投入并联系统投入时对并联系统冲击小任意模块发生故障或需要检修时能在线退出并联系统而不需断电。逆变器的主要电路拓扑和控制技术不同的逆变电路拓扑因其功率器件数量以及工作原理有所不同分别适合于不同的功率场合和电压等级。当逆变器并联工作时随单模块电路拓扑不同逆变器并联系统的联结方式、控制策略和控制参数也有所不同。因此研究并联技术必须首先分析研究逆变器的主电路结构和控制方式。南京航空航天大学硕士学位论文单相逆变电路常用拓扑包括半桥式、全桥式和双BUCK半桥逆变结构分别如图(a)、图(b)和图(c)所示。半桥电路结构简单控制方便但和全桥电路相比当输出电压相同时其功率管电压应力提高一倍因此适用于中小容量场合全桥电路需要的功率器件比半桥多一倍相同输出电压下其功率管电压应力比半桥小一倍适用于较大功率容量场合而且全桥电路由于桥臂输出电压存在零电压续流状态可实现三态调制在较低的开关频率下可以获得更好的输出效果。双BUCK半桥逆变电路可控功率管数量与半桥逆变电路相同相同输出电压下其功率管电压应力也等同于半桥电路。由于双BUCK电路具有内在的抗桥臂直通能力可靠性高并且没有MOS管体二极管反向恢复问题变换器效率较高。和半桥电路相比双BUCK电路具有两个滤波电感每个滤波电感只有一半周期工作铁芯工作于单象限磁元件利用率较低。当采用双环控制内环为电感电流环时需要两个电流传感器造价较高。LoadZfCfLQQdcUCCdcUQQfLfCLoadZQQdcUQQfLfCLoadZQQfLC图(a)单相半桥逆变电路图(b)单相全桥逆变电路图(c)单相双BUCK逆变电路目前逆变器的一般控制方法是采用PWM控制主要包括滞环控制(两态滞环控制三态滞环控制)、SPWM控制、SVPWM控制、开关点预置控制和无差拍控制等。最常用的两种PWM方法是SPWM控制和滞环控制。SPWM控制以正弦参考波为调制波而以N倍于调制波频率的三角波(有时采用锯齿波)为载波比较交截得到控制波形去驱动功率管工作对直流电源处理经滤波最终得到所要的正弦波其输出电压的调节是通过改变调制比m(调制波与载波峰值的比值)来实现的。SPWM开关频率固定具有良好的谐波抑制能力输出电压只含有固定频率的高次谐波其最低次谐波群的位置取决于频率比K(载波与调制波的频率比)K越高最低一个下边频谐波带距离基波越远滤波手段越简单因而可增加K值以提高输出调制波的低次谐波的次数减小滤波器体积。滞环控制是使控制变量在一定的环宽内跟踪给定信号变化控制变量可以是输出电压、输出滤波电容电流或滤波电感电流。滞环控制包括两态滞环和三态滞环两种三态滞环在很多方面都优于两态滞环但其电路实现比两态滞环复杂。与SPWM控制相比电流滞环控制由于具有响应速度快、自然限制峰值逆变器并联控制及其故障诊断的研究电流和高度稳定性等优点而广泛应用。然而滞环控制型逆变器输出谐波频谱很宽相对于高频固定开关频率控制方式有较大的噪音也给输出滤波器的设计增加了难度。为了解决这一问题可以用缩

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