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单相逆变器无线并联控制方法研究(可编辑).doc

单相逆变器无线并联控制方法研究(可编辑)

我记得你给我de承诺
2017-11-22 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《单相逆变器无线并联控制方法研究(可编辑)doc》,可适用于高等教育领域

单相逆变器无线并联控制方法研究(可编辑)单相逆变器无线并联控制方法研究浙江大学级硕士毕业论文::,,憎,,。,:,。‘鹣“’。九污。一啊张囊~设咚。独创性声明本人声明所呈交的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。据我所知,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,也不包含为获得逝姿态鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名:在耐签字日期:口年月铲日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解凿姿态鲎有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅羽借阅。本人授权监姿叁鲎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,可以采州影目、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后适用木授权书学位论文作者签名:铭改新龇协地彭方弘签字日期:如年弓月够日签字日期:。扫年月牛学位论文作者毕业后去向:工作单位:通讯地址:电话:邮编:四川浙江大学级硕士毕业论文摘要随着人们对能源需求的日益增加,新能源相关技术的应用越来越受到人们的重视,在多种电源混合应用的大型电网中,分布式发电技术是新能源和可再生能源应用的关键技术之一而逆变器并联技术是分布式发电系统中的关键技术之一在众多的逆变器并联技术当中,无线并联技术与有信号线并联技术相比,具有较高的冗余度,较少的连接线,位置摆放限制较少等优点。因此无线并联技术已经成为当今电力电子学科研究的一个热点本文详细介绍了单台逆变器控制策略的设计,其中包括滤波器的设计,电压外环电流内环的设计,以及单台逆变器硬件和软件的实现,同时通过计算机仿真和实验验证了控制策略的有效性。接着详细介绍了基于下垂法的无线并联控制策略,以两台的单相逆变器为基础,详细介绍了无线并联控制策略的基本思想,并联系统的环流特性以及输出阻抗对并联控制的影响,然后详细论述了硬件电路设计对下垂法控制精度的影响,不同功率计算方法对下垂法控制响应速度的影响。最后通过实验验证了并联系统设计的有效性,得到了比较理想的结果关键词:无线并联,逆变器,功率计算,下垂法浙江大学级硕士毕业论文,鲥,,,,,:,,浙江大学级硕士毕业论文第一章绪论研究背景逆变器独立运行控制技术“钔,孝汤拦锨一数拦微了,看差彩拦影。工劳蕉未缮凇锨歹族糍张并联逆变器控制技术研究现状工量集尹式拦帝旷删芏以拦蒯互了分揪拦锹口互万垂拦蒯法课题研究意义与主要工作第二章单台逆变器控制策略咐’埘逆变器小信号模型分析滤波器设计控制回路设计彦苈力币兹珑互鬯压办帮茨垆本章小结第三章单台逆交器仿真与软硬件实现单台逆变器仿真平台单台逆变器硬件电路实现一:签蒯鬯眵互采律鬯厣矽旋栌弗护鬯謦矽旋栌鲋互裁笋的要善识实验结果本章总结第四章无线并联系统控制策略下垂法控制策略垂珐基衣寡理万垂法尹万垂爰戥的分彩严卅下垂法控制精度的分析检灏精褒对下垂法控钢的影响蒯量捞蘑矽分彩毵功率计算方法。互缪纺藉雳法工叩垆掌方法互彦新积分法互三移方法矽劳蓐辔果矽比浙江大学级硕士毕业论文本章小结第五章逆变器并联系统实验结果第六章工作总结参考文献攻读硕士学位期间取得的科研成果致谢弱浙江大学级硕士毕业论文第一章绪论研究背景能源是人类社会发展的重要基础。但由于世界能源产地与能源消费中心相距较远,特别是随着世界经济的发展、世界人口的剧增和人民生活水平的不断提高,世界能源需求量持续增大,由此导致对能源资源的争夺日趋激烈,环境污染加重和环保压力加大近几年我国出现的“油荒”、“煤荒骨和“电荒”以及前一阶段国际市场超过美元桶的高油价加重了人们对能源危机的担心,促使我们更加关注世界能源的供需现状和趋势,也更加关注中国的能源供应安全问题钉世界经济发展充分表明,能源的增长速度与国民生产总值同步增长。上世纪的年间,世界上的人口完成了工业化,使得石油消耗量急剧增加,从上世纪初的多万吨飙升到亿吨在新世纪,更多的人口即将进入工业化,能源消耗必定进一步增大现阶段世界能源消费呈现以下热点:受经济发展和人口增长的影响,世界一次能源消费量不断增加世界能源消费呈现不同的增长模式,发达国家因进入后工业化社会,经济向低能耗、高产出的产业结构发展,能源消费增长速率明显低于发展中国家世界能源消费结构趋向优质化,但地区差异仍然很大世界能源资源仍比较丰富,但能源贸易及运输压力增大根据美国能源信息署最新预测结果,随着世界经济,社会的发展,未来世界能源需求量将继续增加。预计,年世界能源需求量将达到亿吨油当量,年达到亿吨油当量,年达到亿吨油当量,年均增长率为欧洲和北美洲两个发达地区能源消费占世界总量的比例将继续呈下降的趋势,而亚洲、中东、中南美洲等地区将保持增长态势伴随着世界能源储量分布集中度的日益增大,对能源的争夺将日趋激烈,争夺的方式也更加复杂,由能源争夺而引发冲突或战争的可能性依然存在。浙江大学级硕士毕业论文随着世界能源消费量的增大,二氧化碳、氮氧化物、灰尘颗粒物等环境污染物的排放量逐年增大,化石能源对环境的污染和全球气候的影响将日趋严重据统计,年世界二氧化碳的排放量约为亿吨,年达到亿吨,预计年将为亿吨,年达到亿吨,年均增长。过去年,由于中国经济结构发展巨大变化,市场化改革提高了能源生产和使用效率,同时国家实施有针对性的能源政策,使中国能源利用效率大幅度提高一是实现了翻两番而能源消费仅翻一番二是能源利用效率大幅度提高三是取得了相当大的环境效益幻因此,节约能源、提高能源利用效率、尽可能多的使用可再生能源替代含碳量高的矿物燃料,坚持走经济、资源、环境协调发展的道路,是世界各国能源建设所必须遵循的原则叫射尽管风力发电,光伏发电等新型能源在短时间内无法解决现有的能源问题,对于有效解决人类生产和生活的能源紧缺和环境等问题并没有太大的贡献,但从长远来分析,新能源和可再生能源已经是大势所趋民心所向,大力发展新能源和可再生能源,发展分布发电技术优化资源配置,提高资源利用率,减少能源浪费可以逐步实现能源、经济和环境的可持续发展科学技术的不断进步和国民经济的迅猛发展,对电力等资源的需求不断提高。虽然传统的由电网提供电能的方式,使用快捷、高效,但是电能的质量多多少少都会受到一些因素的影响。自从大量的电子设备尤其是计算机得到广泛的应用后,供电电源的扰动问题就越来越受到人们所重视。电源干扰的来源有自然环境,还有来自于工业干扰,例如大型用电设备的起动和停止,车辆点火,工业生产过程中产生的磁场、高频放射,设备布线不合理也会造成辐射等等。这些问题都会直接或者间接地影响供电质量,产生诸如电压波动、脉冲干扰、停电等问题,尤其会影响计算机、通讯设备以及其他各类控制系统的正常运转,造成数据丢失、控制失误等无可挽回的损失。据美国公司的报道,计算机的数据丢失是由供电电源的故障造成的,远远高于的硬件故障、软件错误和的人为故障。这浙江大学级硕士毕业论文些干扰还有可能损坏硬件,降低整个用电系统的工作效率,严重的时候会使之瘫痪。随着科技的迅速发展,生产、生活各个部门都会使用大量的敏感的电子部件如计算机、、导航系统、医疗设备以及监测监控设备系统等,人民生活的正常进行越是依赖于电力的供应停电造成的损失就越大,现在不仅如此,业界对设备电源供电质量的提出了越来越高的要求。为了满足人们对电能质量的高要求,逆变电源收到了前所未有的重视。目前大量使用的各种不问断电源简称和应急电源简称都属于逆变电源。它们可以提供频率稳定,电压稳定、供电不间断的高质量交流电能。例如,将接入电网与用电设备之问,能够有效的去除电网中的各种干扰、扰动和瞬态冲击,为用电设备提供频率稳定,电压稳定、供电不间断的高质量交流电能。目前,已经广泛应用于金融、国防、医疗和航空航天等行业另一方面,随着全世界越来越关注能源短缺问题,以及人类环保意识的不断增强,可再生能源获得了迅猛的发展,取得了令人瞩目的成绩。对太阳能,风能,地热能、潮汐能、生物能和燃料电池等各类洁净能源开发利用以及优化的研究工作在紧锣密鼓的进行,这些新的技术不断地改变着世纪人们对能源的原有的观念。与各种可再生能源与洁净能源的发展相比较,传统的大型发电站和与之相匹配的集中式供电概念不再适合于现有的更加灵活的新型发电系统。这些新型的发电系统需要依据不同的周边环境与人们的需求而放置在不同的地方,功率范围很宽广,以便适应不同电力要求,它们需要一个分散的灵活配置的发电与供电系统。在这种应用背景下,分布式发电系统,的概念被提出。这种发电系统不像传统的仅由大型的火电、水电或者核电公司集中供电,再结合成集中的大电网那样而是根据实地条件,因地制宜,由容量不同的各类发电设备分散联结,构成分散式的供电系统。这种分布式发电系统既可以构成独立的供电系统也可以接入集中供电网络,以适应各种应用需要分布式发电和集中供电系统配合应用有以下优点:分布式发电系统中各发电站相互独立,用户由于可以自由的进行控制,浙江大学级硕士毕业论文这样不容易发生大规模电能中断事故,安全可靠性较高分布式发电能在意外灾害发生时继续供电,是集中供电系统不可或缺的补充分布式发电系统可以对区域内部电能的质量和性能进行实时监控,很适合向农村、牧区、山区,等偏远地区的居民供电分布式发电的输配电损耗比较低,在某些情况下可以减为零,无需建配电站,土建和安装成本低分布式发电系统还能够满足某些特殊场合的需求,如用于重要集会或庆典等调峰性能好,操作简单,启停快速,便于实现全自动运行综上所述,能够将发电装置与电网实现可靠连接的电力电子设备就成为新型的分布式发电系统极其重要的技术之一,而这些的核心技术就是逆变器。分布式供电系统本质上是一个由大量的逆交器单元并联构成的电力系统。这样,研究逆变器的并联控制策略,提高逆变器并联的精度稳定性,动态响应速度,以及并联系统的带载能力,鲁棒特性等一些问题,不仅具有巨大的研究价值,也有很重要的现实际义逆变器独立运行控制技术”,逆变器广泛应用在航空航天、船舶、计算机、通讯和医疗等需要不间断高可靠供电的领域。相对于单台的逆变器和并联的功率半导体设备,逆变器并联系统在可扩展性、模块化控制,可维护性、冗余性和可靠性等多个方面具有令人十分期待的性能。正是这些特性使得逆变器并联得以运用于许多领域。然而逆变器并联系统缺乏有效的应对过载状况的能力,容易在系统中产生极具破坏性的环流为了解决这个问题以保证系统的稳定并实现负载功率的均衡,研究人员提出了许多种逆变器并联控制方案,总的来说,可以分为集中控制,主从控制,分散逻辑控制和无线并联控制这四类。与其他三种方式相比,无线并联控制方式不需要模块之间的通讯连线,从而提高了系统的可靠性和稳定性,使得它成为逆变器并联控制中最有前途的发展方向。无线并联技术借鉴了同步发电机的自同步和电压下垂件特性来实现模块间无信号线的并联。其关键技术是通过调浙江大学级硕士毕业论文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。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准电压的幅值和相位得以实现随着电力电子技术和技术的迅猛发展,电源的需求也越来越大,对其要求也越来越苛刻,逆变器控制技术是交流电源的核心技术之一他的主要指标包括稳态响应精度,动态响应速度以及鲁棒特性等电力电子技术在电能产生,转换,传输以及存储等方面有着广泛的应用,整个系统的稳定性,动态响应,鲁棒特性等的研究有着重要的意义,逆变器的控制方法决定了其输出波形是否完美,是否能够得到高质量的交流电压,是否能够满足整个电力传输系统的要求逆变器控制技术经过多年的研究和发展,数字化平台的高速进步使许多复杂的高性能控制方法得以成功应用于实际系统,其中运用于单相逆变器的高性能控制方法主要有谐振控制,重复控制、无差拍控制、滑模交结构控制和模糊控制等“卜’谐振控制在传统的电压前馈控制中,由于控制器是一阶控制器,在跟踪正弦信号时不可避免的会出现稳态误差其表现为跟踪电流指令时会出现相位误差及幅值误差,其中幅值误差在工频频率下,表现并不显著,主要表现为相位误差,从而使得输出电流无法与输出电流指令同相同时,由于网压前馈的影响,使得逆变器在实际工作时,电流控制受到网压变化影响,可能使得输出电流波形畸变加剧”控制器,于年以后开始受到关注,最先应用于有源滤波器及谐波补偿控制中,到年,开始逐渐被应用于单相及三相系统的控制之中其传递函数及控制框图如图及下式所示耻砗篇浙江大学级硕士毕业论文图电流环控制框图其主要思想是在控制器传递函数的‘轴上加入两个固定频率的闭环极点,在该频率下实现谐振,同时利用谐振增大固定频率的增益理论上,谐振使得该设计频率下的增益趋近于无穷大,从而使得逆变器可以对该频率下的指令信号进行无差跟踪换一种说法就是,在三相并网变流器的矢量控制中,将【一静止坐标系中的正弦量转化为了同步旋转坐标系中的直流量,从而可以利用控制器完成无静态误差的控制,这里坐标转换的条件是,需要知道同步旋转的角速度在比例谐振控制中,我们需要一个谐振频率,从数学的角度来讲是一致的,即得到同步旋转的角速度,比例谐振控制利用谐振控制等效,省去了坐标系变换的过程,使得这种控制方法可以对特定频率的指令信号进行无差跟踪而以往的单相网压前馈比例积分控制,实际上是少利用了一个角速度的条件,因此在跟踪正弦信号时,出现静态误差重复控制重复控制技术利用负载电流的重复性减轻了控制难度,通过逐个周期地修正输出波形,稳态时可以实现很好的波形质量系统只需检测输出电压,且无须很高的控制速度,因此实施成本较低们重复控制思想起源于控制理论的内模原理逆变电源的重复控制需要的内模是:稳态,即输出电压误差已衰减至零时,它仍能产生逐周期重复的控制作用,以抵消重复性非正弦负载电流的影响下图给出了该内模的域形式,这是一个周期延迟正反馈环节,也是一个周期信号发生器图中是每基波周期对输出电压的采样次数当环节输入信号对应实际系统的输出电压误差每周期重复出现时,输出是对的逐周期累加,只要输入不为零,输出的幅度将逐周期增长误差在控制作用下衰减为零时,并不会随之消浙江大学级硕士毕业论文失,而只是停止变化,维持上周期的波形,并且周期性地输出这一波形包含这种内模的重复控制系统,其闭环传递函数的分子含有卜一因子,可以消除基波周期整数倍的重复性扰动对系统输出的影响图内模的域形式无差拍控制无差拍控制是数字控制特有的一种控制方式,它是在控制对象离散数字模型的基础上,通过精确计算控制量,在下一个采样周期对输出误差做出修正。无差拍控制最突出的优点是可以很好地改善被控对象的动态特性,使被控对象的动态响应快、动态性能变得极佳。但该算法对被控制对象的模型依赖大,需要提供一个被控对象精确的数学模型滑模变结构控制滑模变结构控制与常规控制的根本区别在于控制的不连续性。由于滑动模态是可设计的,并且与系统的参数变化和外部扰动无关,因此鲁棒性强、可靠性高,被广泛应用。变结构控制是年代在苏联发展起来的一种控制方法,现已形成了自己的体系,成为自动控制系统的一种一般的设计方法。它适用于线性与非线性系统、连续与离散系统、确定性与不确定性系统、集中参数与分布参数系统、同步与时滞系统、集中控制与分散控制系统等。变结构控制的结果往往不是唯一的,这和其它方法有所不同。例如最优控制,一旦最优指标得到确定,控制也就唯一地确定了。再如线性系统的极点配置,一旦给定了需要配置的极点,控制也就确定了,最多有若干待定参数,但控制的结构是唯一地确定了的。对于变结构控制,可变的因素很多,如可选择不同的控制形式、切换函数、到达条件以及求变结构控制浙江大学级硕士毕业论文的方法等,这就会导致不同的变结构控制规律同一问题中出现的这种多样性,从积极的意义来看,能够为工程设计人员带来更多的选择。滑模变结构控制是带有滑动模态的变结构控制,它通过开关的切换,改变系统在状态空间中切换面两边的结构,使系统运动达到和保持一种预定的滑动模态开关切换的法则就是控制策略,切换函数等于零时的面为切换面。单相电压型整流器外部的控制变‘瞄,选择切换函数如下:嘶屯坊一一等,。‘广义滑动模态的存在条件如下所示:可取控制量为:,,、”【功,则其控制方程如下:厂以一‰”力一巧,一删模糊控制模糊控制系统是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。模糊控制中的知识表示、模糊规则和合成推理基于专家的浙江大学级硕士毕业论文知识或操作者的成熟经验,是一种不需要被控对象的精确数学模型的具有较强鲁棒性和自适应性的智能控制技术,从而受到越来越多研究者的重视将模糊控制技术应用于逆变器的控制器设计是提高系统性能的有效途径之一。模糊控制不需要依赖控制对象的数学模型,属于智能控制的范畴模糊控制在电力电子装置这类具有多变量非线性时变特性的系统中,能够在系统复杂性和模型精确性之间取得平衡,实现有效的控制。模糊控制具有较强的鲁棒性和自适应性并不需要精确的被控系统的模型,控制理论已经证明,模糊控制可以任意近似逼近任何非线性函数,但隶属函数的确定目前还没有统一的理论指导,因此模糊控制理论还需要进一步的研究和改善射综上所述,高性能逆变器的控制方案的设计有很多方法可以选择,每一种方法都有其优缺点,根据其优缺点我们可以选择特定的应用场合,充分发挥各种控制方法的长处,并且使其不足导致的控制缺陷降到最低,不至于影响整个系统的性能。如今逆变器广泛用于可再生能源以及等对输出电能质量要求很高的领域,例如燃料电池,电动汽车,风力发电,光伏发电系统中如何优化控制方案,提高逆变器性能,改善逆变器输出电能质量越来越受到人们的关注。并联逆变器控制技术研究现状分布式发电技术是实现新能源和可再生能源应用的关键技术之一与集中式交流电源系统相比,并联交流系统具有下述优点:便于组成更大容量的交流电源供电系统能构成冗余系统,以提高供电系统的可靠性能灵活配置系统容量,以便于扩容具有更好的维护性,单台电源模块可短时退出运行,以保证系统的带电维护。逆变器并联技术是实现分布式发电的基础,因此,逆变器并联技术的优化和改进关系到可再生能源以及新能源的引用是否能够达到人们所预期的效果现在主流的并联技术包括:集中控制法、主从控制法、分散逻辑控制法和下垂控制法。集中式控制在逆变器并联技术发展初期,集中式控制技术得到广泛的运用,它的关键在于整个系统中包含一个集中式控制器。该控制器不论是否有市电输入都会产生一浙江大学级硕士毕业论文个基准信号,以此来控制各个逆变器单元,同步其输出电压的频率和幅值,集中控制器会根据负载总电流得出各逆变器所需输出电流,发出统一指令达到均流的目的图为集中式控制控制框图。分钿逆变系统分铅负载图集中式控制控制框图文献中所采用的集中式控制器通过监测系统交流母线电压,给定系统中并联逆变器各子单元一致的输出电压基准,并根据总的负载电流计算出每个字单元所需的输出电流,提供给每台逆变器作为电流输出跟踪基准,在每台逆变器中的电流环控制器中实现电流闭环,从而实现均分负载功率以及系统的平衡,这种集中式控制方法把电流偏差作为参考电压的补偿量引入各逆变电源模块,从而消除输出电流的误差。集中式控制器比较简单,易于实现,且均流效果较好。但集中控制器的存在使得系统的可靠性下降,一旦主控制器发生故障将导致整个供电系统的崩溃,同时子单元之间需要进行控制信号的传输,进一步降低了其并联的冗余性集中控制又可以分为直接集中控制和间接集中控制。直接集中控制方式中,并联单元负责检测市电的频率和相位,向每个逆变器单元发出同步脉冲,无市电供电时可由振荡器产生同步脉冲,通过各个逆变器单元的锁相环控制来保证各单元输出电压频率同步。并联系统还必须检测负载的总电流,然后除以并联单元数作为各个单元的电流基准并与本单元电流比较求出偏差,并将偏差控制为最小。不过由于存在检测误差等不可知因素,实际输出电压相位仍然可能存在偏差。为浙江大学级硕士毕业论文此发展出间接集中控制方式这种方式是用电流误差和输出电压计算出和,其中作为相位补偿量,作为电压幅值补偿量,这样可进一步提高并联运行时系统的均流性能。但是系统仍采用一个集中的控制单元,如果该控制单元出现故障,整个并联系统就会瘫痪,存在发生单点故障的可能性,不能真正达到高可靠性和冗余的目的,所以目前的并联系统很少采用这种方式蚓主从控制如前所述集中式控制能够达到较好的均流效果,但还存在一个关键问题,就是一旦集中控制其出现故障,整个并联系统将随之崩溃。为了解决这一问题主从控制方法应运而生主从控制系统中存在主模块与从模块,其中主模块以电压源模式工作,其余逆变器模块均为电流源模式,并联系统会通过相应的控制算法来决定那一台逆变器以电压源模式运行当主模块出现故障无法运行时,并联系统会将其断开并且再次通过控制算法指定另一台逆变器转换为电压源运行模式。虽然避免了因集中控制器故障引发的系统崩溃,但是主从控制系统中从模块要以主模块的输出电流信号作为自身的控制信号,再加上需要考虑整个系统冗余特性的需要以及其他逻辑上的考虑,整个主从控制逻辑的设计会较为复杂。图为主从控制系统框图分在逆变系统分稚负貔厂一一一一一一一一”一~、生控遵变尊元矗祧从逆受挚龙一从逆受謦,亡酽卜鬲黜油毡一一一图主从控制系统框图主从控制方法解决了集中式控制方法中主控制器出现故障而引起整个系统浙江大学级硕士毕业论文崩溃的问题,但是由于存在主从切换的问题,因此主从控制中主从切换的逻辑和方法对系统的可靠性有较大影响,主从切换的成功与否决定了系统能否正常运行,如果切换失败将导致系统直接崩溃乜钉分散逻辑控制分散逻辑控制是将控制权分散,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无功信号进行综合判断确定本模块的有功和无功基准,从而确定各个模块的电压和同步信号频率和相位的参考值。帕该方案中不存在集中控制器或者主从模块的概念,因此实现了各逆变器单元的平等,系统的控制变得多元化,自主化。这样个别逆变器因故障退出并联系统对整个系统而言不会造成太大的影响。在该控制方案中,各个逆变器通过相互之间的互联通讯线交互信息,计算各自的输出电压频率幅值,相位以及切换逻辑等等参数。但是各逆变单元之间的互联通讯线也限制了并联系统的覆盖范围,并且信息量较大,实现较困难。图为分散逻辑控制的控制框图。电压熬澈及锬柑信号分稚逆交系统分稚负载图分散逻辑控制框图分散逻辑控制技术为一种独立并联控制方式,它采用了在各逆变器单元中把浙江大学级硕士毕业论文每个电源模块中的电流及频率信号进行综合,得出各自频率及电压补偿信号的控制策略。这种方式可实现真正的冗余并联。当有一个模块因故障退出时,并不影响其他模块的并联运行它以可靠性高、危险性分散、功能扩展容易等良好的特性已在众多领域中得到了广泛的应用,并且成为计算机控制系统发展的主要方向之一,是一种比较完善的分布式智能控制技术。但当多个模块并联时互连线数目较多,信息量大,实现较复杂蚓下垂控制法为了减少逆变器之间的连线,提高可靠性。近年来提出了一种无互连线式的并联系统,这种技术借鉴了同步发电机的自同步和电压下垂特性,实现了模块问无信号线的并联帕下垂控制法起源于电力系统中同步电机并网理论,该方法能真正意义上实现完全冗余系统,整个并联系统不会受到逆变器之间通讯线的限制,各个逆变单元之间只有交流功率母线相连各逆变器通过检测自身的输出有功功率和无功功率,自动调整输出电压的幅值频率和相位,最终达到均流效果图所示为下垂法控制特性图:一一一一一一一一一《二镄:叫图下垂法控制特性图颤:圪一刀×上式为下垂法控制方程。浙江大学级硕士毕业论文基于下垂法调节的逆变器并联控制技术真正满足了在交流分布实习供电系统中对逆变器冗余性和扩容性的要求,下图为传统下垂法逆变器并联控制器示意图基准图传统下垂法逆变器并联控制器示意图如图所示,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间负载功率的均匀分配。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,可以通过控制的模块输出基准电压的幅值和相位得以实现。与其他三种方式相比,无线并联方式不需要模块之间的通讯连线,从而提高了系统的可靠性和稳定性,使得它成为逆交器并联控制的一个最有前途的发展方向。町图为无线并联系统示意图:浙江大学级硕士毕业论文图无线并联系统示意图课题研究意义与主要工作分布式发电技术是实现新能源和可再生能源应用的关键技术之一与集中式交流电源系统相比,并联交流系统具有下述优点:便于组成更大容量的交流电源供电系统能构成冗余系统,以提高供电系统的可靠性能灵活配置系统容量,以便于扩容具有更好的维护性,单台电源模块可短时退出运行,以保证系统的带电维护。“逆变器并联技术是实现分布式发电的基础,因此,如何逆变器并联技术的优化和改进关系到可再生能源以及新能源的引用是否能够达到人们所预期的效果。现在主流的并联技术包括:集中控制法、主从控制法、分散逻辑控制法和下垂控制法。其中,基于下垂控制法的无互联线逆变器并联技术因其不受控制线的限制,可以在真正意义上实现分布发电,达到无限冗余系统的要求。浙江大学级硕士毕业论文本文详细介绍了单台逆变器控制策略的设计,其中包括滤波器的设计,电压外环电流内环的设计,以及单台逆变器硬件和软件的实现,同时通过计算机仿真和实验验证了控制策略的有效性。接着详细介绍了基于下垂法的无线并联控制策略,以两台的单相逆变器为基础,详细介绍了无线并联控制策略的基本思想,并联系统的环流特性以及输出阻抗对并联控制的影响,然后详细论述了硬件电路设计对下垂法控制精度的影响,不同功率计算方法对下垂法控制响应速度的影响最后通过实验验证了并联系统设计的有效性,得到了比较理想的结果浙江大学级硕士毕业论文’第二章单台逆变器控制策略’逆变器广泛应用在航空航天、船舶、计算机、通讯和医疗等需要不间断高可靠供电的领域相对于单台的逆变器和并联的功率半导体设备,逆变器并联系统在可扩展性、模块化控制、可维护性、冗余性和可靠性等多个方面具有令人十分期待的性能正是这些特性使得逆变器并联得以运用于许多领域。然而逆变器并联系统缺乏有效的应对过载的能力,容易在系统中产生破坏性极大的环路电流。为了解决这个问题以保证系统的稳定并实现负载功率的均流,研究人员提出了许多种逆变器并联控制方案,总的来说,可以分为集中控制,主从控制,分散逻辑控制和无线并联控制这四类。与其他三种方式相比,无线并联控制方式不需要模块之间的通讯连线,从而提高了系统的可靠性和稳定性,使得它成为逆变器并联控制中最有前途的发展方向。无线并联技术借鉴了同步发电机的自同步和电压下垂件特性来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准电压的幅值和相位得以实现。随着电力电子技术和技术的迅猛发展,电源的需求也越来越大,对其要求也越来越苛刻,逆变器控制技术是交流电源的核心技术之一。他的主要指标包括稳态响应精度,动态响应速度以及鲁棒特性等。本章主要内容包括逆变器控制环路设计,应用电压环电流环双环控制,通过对逆变器回路建模,确定逆变器设计中的关键参数,并系统分析其动态稳态响应。逆变器小信号模型分析本文所述逆变器采用单向全桥结构,如图所示为逆变器结构原理图。浙江大学级硕士毕业论文图单台逆变器结构原理图由上图可以得到。和。之间的传递函数为下式:,踹参当忽略滤波电感等效电阻时,上式可以简化为:本系统中,逆变单元采用双极性调试,可以表示为:均其中,当,,导通时当,,,导通时显然上式中不连续,因此对其就开关周期平均,得到:‘一由调制原理可以得到:肚浙江大学级硕士毕业论文其中,为参考电压信号,为三角在波峰值。且的开关周期平均值可表示为:将代入有:瓦因此:一坼从而可以得到,调制器输入至逆变桥输出的传递函数为:‰踹‰结合可得逆变器开环传递函数为:端心去,州妄‰由此可得主电路开环控制框图为:图开环控制框图浙江大学级硕士毕业论文滤波器设计滤波器的特性直接影响到逆变器的输出质量,因此滤波器的参数设计对于逆变单元输出质量尤为重要,本并联系统中逆变器采用传统的滤波器,一般的逆变器采用低通滤波器,对于滤波器的设计,首先考虑滤波器的截止频率,这样可以消除逆变器输出电压中高于截止频率的大多数低次谐波,但是仅依据截止频率不能确定滤波器的参数,除去截止频率的因素,还需综合考虑滤波器的功率容量,体积等要素对逆变器的功率密度重量性价比等指标的影响卯。下图为滤波器原理图图原理图滤波器设计的目标包裹以下几点:抑制逆变器输出谐波和值要小,体积要小有较好的阻频特性消耗功率较少根据以上特性要求来设计滤波器参数对于单相逆变器来说输出电压的谐波可通过下图来表示,各次谐波形成以,,为中心幅值递减的上、下边频谐波带,其中为开关频率,带中各次谐波可以表示为,其中偶数,逆变器输出电压频谱图,棚懈饿图逆变器输出电压频谱图浙江大学级硕士毕业论文滤波器的截止频率厶必须要远小于开关频率,同时又要远大于基波频率一般情况下,截止频率厶选为,厶‘厶础,,,一基波频率,如一开关频率暑对于高频的逆变器,载波频率远大于倍的基波频率,厶选为载波频率的,所以可得无的大概范围如下所示:厶胁厶的乘积决定了滤波器的截止频率,在确定截止频率后,滤波器中和的参数还需要分别计算和设计本逆变器无线并联系统中逆变单元的滤波器设计从无功容量的角度来考量。滤波器无功容量同时也反映了滤波器尺寸等特性。逆变器输出滤波器的无功容量可以表示为:卜癣哦【玩式中,一基波角频率,一历次谐波角频率,厶一电感电流的基波有效值,,。一历次电感电流的谐波有效值,圮一电容电压的基波有效值旷。一历次电容电压的谐波有效值。对于逆变器的输出电压而言,谐波分量相对于基波来说非常小,因此式可以简化为“三垃上式经过整理和变化乜差训一警警浩所以,浙江大学级硕士毕业论文值确定以后,可以根据屯石、乏得到本次试验设计的并联系统为两台单相全桥逆变器并联,各逆变单元最大输出功率,输出正弦电压频率,幅值,设计解释频率为比设计实例,带入参数可得:。,’由式以及可以得到系统的开环波特特性图如下::,々:一:、:一::,:,::’::强一醵::::’::,:::,,。一~。,一脚~哮一,~””、,“。“’,::‘矿。矿并矿‰、,,::‘“:一:、:~曲匆。’“~“’一,。::。,一::”。一一“’“,。一“,“’“,。。。。‘~了。:“图系统开环波特图控制回路设计如图所示原理图,开环逆变器一般为典型的二阶阻尼环节,无法抑制低次谐波和直流扰动。逆变器的动态响应特性有负载和滤波器特性决定。并联系统对逆变器的动态和稳态响应要求较高,因此本实验平台中逆变器采用双环控制,浙江大学级硕士毕业论文即电流内环与电压外环,电流内环采用电感电流采样反馈的控制方案,双环控制能够克服电压单环的负载适应性较差的缺点,其控制对象分别为逆变器输出电压以及电流。外环是瞬时值输出电压控制,参考正弦电压与输出电压比较后的误差信号经过调节之后的输出作为电感电流的控制基准信号电流环控制原理为,电感电流瞬时值与电压外环得到的基准信号比较产生的误差信号与三角波在进行比较产生信号控制个开关管下图所示为双环控制原理图一,一’、洲岛勘白、‘乃一甲‘一巍占叫钾童事童。,:一一。回删嚣啦图双环控制原理图由上图可以得到电路控制框图如下:图双环控制框图电流内环设计如下图所示电流环控制框图,其中为电流环增益:浙江大学级硕士毕业论文图电流内环控制框图由此可得电流环开环传递函数为:郇司孓厩‰‘将前一节所得到的滤波器参数代入上式,并且假设,。可得到没有加入补偿前电流环的波特特性图,:,一’’~。:、~。,‘、,‘,。、‘麓。。下‰’卜:韭~吁“飞专一““女一耐“:糍,上毯必一量。,。疆’。一卜闭四州矿×矿图补偿前电流环开环波特特性图由上图可以看出系统的低频增益较小,稳态误差较大,系统存在一对共轭极点,容易发生震荡,因此设计电流内环控制器时得到以下方程:浙江大学级硕士毕业论文扣其中为积分参数,,比例增益,为可得电流环控制参数为:即:因此电流内环传递函数如下:。司厩,加入电流内环后的开环波特特性图如下图所示,我们可以看出再加入电流控制环后电流环的带宽扩大了,电流环的动态性能得到了改善,其中高次谐波可以通过电压外环来抑制』,一。:喃:急铷二’喇“~~“《强蠢‘嗡。‰十。鹄:,刖二:》:。遨。》‰。“::一:一’。,:。矿××矿:一,,,矿”。’‘施“::’’’‘’疋,,。々‘,红矿矿饿扩图补偿后电流环开环波特特性图浙江大学级硕士毕业论文:::一一一一::,~‘二。琴删。‘’,。硝::::’’‘,,:一‘::。。矿矿警。~、~。:,《。、,::’。:’:’‘::》,:”曩:‰~雠鋈::蒜爱:::冀矿篙矿×矿图补偿后电流环闭环波特特性图电压外环设计将求得的电流环参数代入图所示的控制框图,可以得到电压外环的开环传递函数如下:,畦啦删郴譬胡页争沁从控制角度来说,被控对象的输入是弦波,输出也是正弦波,实际上被控对象的传递函数就是内环闭环传递函数幅频特性上对应的增益因此可以讲图中虚线框内的部分等效成一个比例环节:嗍’岬。上尺去,一。上三,一浙江大学级硕士毕业论文图控制环路因此,上图可以简化为:图简化后的控制环路示意图其中假设。,电压外环控制器零点的频率,:设置在附近,穿越频率设置在附近,则有下列关系:鱼:万警掣加卅解此方程可得电压外环参数为,。,,所以可以得到电压环环节如下:风葶图给出了电压外环开环波特特性图:浙江大学级硕士毕业论文’::,、、。:‘协:。,弋吣,~,:‰一、々一”’《’”嚣“垂地:‘‖。:。:一。:引一””州×:‘’:,。一。琵一曩:::愿矿‰,:::秀“十《”伊‘::‘矿图闭环波特特性图本章介绍了但台逆变器的设计,包括滤波器设计,电压环电流环设计章小结图为电压外环闭环波特特性图:图开环波特特性图浙江大学级硕士毕业论文第三章单台逆变器仿真与软硬件实现单台逆变器仿真平台图仿真原理图利用搭建单台逆变器仿真平台,如图所示,通过仿真并分析开环和闭环传递函数的图,设计双环控制的参数。通过比较筛选,我们选取参数如表所示,仿真波形如图所示。表经仿真选取的参数浙江大学级硕士毕业论文厂、厂芦‘,产‘~。。图。与输出电压。采样波形的相位差在图中我们看到,耐与。之间有一定的相位差,分析闭环传递函数的图也可以证明这个相位差,这说明双环控制不能很好的跟踪耐的相位,在之后进行的实验当中,遇到了这个问题,这导致了两台逆变器输出波形的相位差异,影响了系统的并联性能,为了解决这个问题,可以对程序中的正弦表值进行修正,弥补了相位差。单台逆变器硬件电路实现逆变器实验平台由多个子部分构成:控制电路:控制逆变输出反馈采样电路:对输出电流和电压采样保护电路:在异常情况下保护功率管,防止过流为以上电路供电的辅助电源部分为整机供电的电路逆变功率输出部分以及为逆变器并联设置的锁相电路。采样和保护电路做在一块电路板上。电压采样信号分别从逆变器的主功率板通过反馈阻抗变换,并且叠加直流偏置,以及一定的滤波电路,送到的采样口,同样的电流采样信号通过霍尔传感器隔离采样后也是经过阻抗变换、调节增益、叠加直流偏置和滤波后送入采样通道。浙江大学级硕士毕业论文主电路用单相逆变全桥拓扑,输出用滤波开关管用耐压,耐流的开关管的驱动采用光耦隔离驱动,用芯片作过流保护。当检测电阻检测到大电流流过导致的管压降突变时,内部的逻辑电路会迅速关断脉冲驱动输出,保护开关管避免因过流而烧毁。辅助电源使用反激式电路实现多路输出,供主电路及芯片使用。其控制部分采用控制电路、管一体化芯片,简化设计,提高了供电的可靠性。控制电路无线并联逆变器需要使用复杂的控制算法,逆变器单元采用双环控制的控制方式,所以传统的模拟控制方式已经不能胜任考虑到必要的运算速度和控制精度,实验平台使用的是由德州仪器生产的芯片。集成度较高、性能较强的运动控制芯片,特别适合于工业上逆变器和电机的高性能控制。在与现存控制器芯片代码兼容的同时,芯片具有处理性能更好、外设集成度更高、程序存储器更大、转换速度更快等优点,其主要的特点如下‘:采用高性能静态技术,使得供电电压降为,减少了控制器的损耗的执行速度使得指令周期缩短到,这样并联控制算法中所必须的功率计算等运算能够快速完成并返回结果给控制部分,提高了控制器的实时控制能力。两个事件管理器模块和,为开发者提供完整的、高效的马达控制方案,提供所有的和功能。在我们的平台中可以用于输出开关信号,控制上下桥臂的管,而且能够较容易的实现死区控制,故障脉冲锁定等功能片内有高达×位的程序存储器,高达字×位的数据程序,字节双端口,字的单口,便于编制大型程序以及在线调试‘”】。可扩展的外部存储器总共具有×位的空间,分别为字程序浙江大学级硕士毕业论文存储器空间、字的数据存储空间和字的空间。位转换器,其特性为:最小转换时间为,个或个多路复用的输入通道,采集时间和转换时间分开,提高了采样率和输入阻抗,并且支持自动顺序采样,不需干预。快速的内置采样转换器不仅简化了电路,也大大提升了控制效率总线控制器可以为控制器、传感器、激励源以及其它节点,提供了良好的通讯能力,特别适用于工业现场和汽车等强噪声和恶劣的环境中。个可单独编程或复用的通用输入输出引脚,能够方便实现的许多附加功能,如锁相,故障诊断等个外部中断两个驱动保护、复位和两个可屏蔽中断本课题的硬件平台示意图如图。该平台以为核心,主要分为辅助电源部分、调整部分、功率逆变部分、反馈采样部分、控制部分、过流保护部分和锁相部分。工作时,先由电路启动,将输入的交流电压转化为高压直流和供给辅助电源的低压直流,并起到提高系统效率的作用再由控制将直流逆变输出,同时通过电阻采样输出电压,霍尔元件采样输出电流,反馈至,调整输出电压的幅值和频率。实验中,如果程序控制不好会导致极大的环流,故添加过流保护以保护管,锁相部分则可以使模块起到热并机的功能。采样电路的设计在利用下垂法实现并联的控制方法中,对有功功率和无功功率的计算是十分重要的,这就必然牵涉到输出电压电流采样的问题而逆变器平台本身使用双环控制,因此也需要较为精确的电压和电流采样。由图可知,双环控制需要对滤波电容上的电压配和流经滤波电感的电流,进行采样,这些值都可以通过电压电流互感器、电阻和霍尔元件测得。对于电压,使用交流互感器采样最为简便,但会把直流分量同时滤掉使用电阻采样最便宜,但是必须考虑功耗问题使用电压霍尔效果最好,但是价格较浙江大学级硕士毕业论文为昂贵,而且会有级的延时。故对比各项的优缺点,最后选用的是电压互感器采样。对于电流采样,由于平台设计有功率,满载运行会有多的电流,使用电阻采样的损耗太大,而电流互感器会把谐波信号滤掉,影响失真功率的计算,故最后使用的是电流霍尔元件具体的电压采样电路见图所示:其中。为输出电容电压,岬。。为传送给的信号哪图电压采样反馈电路由于要求输入电压必须在之间,因此电阻采样的信号不能直接传给

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