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大功率三相逆变器控制与并联技术研究.pdf

大功率三相逆变器控制与并联技术研究

用户1967043405
2013-08-24 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《大功率三相逆变器控制与并联技术研究pdf》,可适用于工程科技领域

华中科技大学硕士学位论文大功率三相逆变器控制与并联技术研究姓名:刘慧申请学位级别:硕士专业:电力电子与电力传动指导教师:康勇裴雪军华中科技大学硕士学位论文摘要三相逆变器作为交流供电电源的主要部分广泛地应用于电动车、电力设备、产业设备、交通车辆等领域。逆变器的并联控制技术以其广泛的应用前景也得到越来越深入地研究。人们对逆变电源的要求越来越高高性能、高可靠性的大功率逆变器就是当今逆变电源的发展趋势之一。提高逆变电源容量主要有两个途径设计大功率的逆变器和采用逆变器并联技术实现电源模块化。为此本文以两台kVA组合式三相逆变器为对象采用全数字化控制方式主要研究了大功率三相逆变器的波形控制技术和并联控制技术。本文围绕大功率组合式三相逆变器对其主电路结构、系统的数学模型、波形控制技术以及并联系统模型、并联控制方案进行了较为详细的分析和研究。分析了适用于大功率的组合式三相逆变器结构并给出了kVA组合式三相逆变器的主电路设计。建立和分析了组合式三相逆变器在ABC、αβ、dq坐标系下的数学模型。针对大功率组合式三相逆变器采用在dq坐标系下的三相电压闭环统一控制方案。为了使大功率三相逆变器得到较好的输出电压波形质量采用PID瞬时值电压反馈控制和重复控制并联结合的控制方案。分析了PID控制器和重复控制器的原理并针对kVA三相逆变器的系统性能给出了相应数字PID控制器和重复控制器的设计。并利用Matlab建立了系统的仿真模型给出了理论研究结果。提出了有效提高系统动态性能的两种方法:加负载电流前馈和动态过程中强制改变改变调制比。介绍了大功率三相逆变器的短路限流保护技术提出了采用瞬时值限流电路和单独的软件限流环相结合的方案保证大功率三相逆变器在短路时自动限流保护。对两台大功率三相逆变器组成的并联系统的结构、环流特性及逆变器的输出功率进行了分析。详细分析了输出阻抗特性不同时逆变器环流和输出功率分配的差异得出了输出阻抗对环流和功率影响的一般规律。针对大功率三相逆变器并联系统采用基于功率误差的分散逻辑控制方案。分析了基于功率误差的分散逻辑控制原理逆变器输出功率的检测和母线信号综合的脉宽调制原理。根据kVA三相逆变器并联系统的输出阻抗特性采用了无功调节输出电压幅值和同步锁相实现相位同步的并联控制策略。本文最后在两台kVA组合式三相逆变器样机上得到了实验验证。实验结果进一步验证了大功率三相逆变器的波形控制和并联控制策略有效可行性。关键词:组合式三相逆变器大功率逆变器重复控制数字PID控制并联控制数字锁相环分散逻辑功率误差I华中科技大学硕士学位论文AbstractAsanimportantpartofACpowersupply,threephaseinverteriswidelyusedinareaslikeelectricvehicles,powerinstruments,industrialinstrumentsandtransportationsystemsParalleltechnologyhasgotintensivestudiesforitsgreatpotentialapplicationTherequirementforinvertersgothigherandhigher,andhighefficiencyandhighreliabilityarethedevelopmenttrendsTherearetwomainwaystoincreasethecapacityofinverter,includingdesigninghighpowerinverterandapplyingparalleltechnologytoachievepowermodularizationAnalyzethestructureswhicharesuitableforapplicationofhighpowercombinedtypeinvertersandproposethepowercircuitdesignofkVAcombinedtypethreephaseinverters,andthenmodelingcombinedtypethreephaseinverterinABC,αβanddqcoordinatesystemAdoptingunifiedcontrolschemeandthreephasevoltageclosedloopcontrolschemeforsynchronousrotatingdqcoordinatesystemforhighpowercombinedthreephaseinverterAdoptcontrolmethodcombinedwithdigitalPIDvoltagefeedbackcontrolandrepetitivecontrolAnalyzetheprincipleofPIDcontrolandrepetitivecontrolandgivethedesignmethodofrelevantPIDdigitalcontrollerrepetitivecontrollerforkVAthreephaseinverterThematlabsimulationisperformedtoverifythetheoreticalresearchProposetwomethodswhichcouldincreasesystemdynamicperformance:loadcurrentfeedforwardandchangethemodulationratioIntroduceshortcircuitcurrentprotectiontechnologyofhighpowerthreephaseinverter,proposecontrolschemecombinedwithtransientcurrentlimitingmethodandsoftwarecurrentlimitingwhichwillguaranteeautomaticshortcircuitcurrentlimitingprotectionofhighpowerthreephaseinverterAnalyzestructure,circulatingcurrentcharacteristicandoutputpowerofparallelsystemcomposedwithtwohighpowerthreephaseAnalyzedifferencesofinvertercirculatingcurrentandoutputpowerdistributionwhentheoutputimpedancecharacteristicisnotthesame,andgetthegeneralruleofinfluenceforcirculatingcurrentandpowerdistributionofoutputimpedanceAdoptdistributedlogiccontrolschemebasedonpowererrorofhighpowerthreephaseinverterparallelsystemAnalyzescatteredlogiccontrolprinciplebasedonscatteredlogiccontrol,inverteroutputpowerdetectionandPWMpatternofbussignalsynthesisBasedontheoutputimpedancecharacteristicofkVAthreephaseinverterparallelsystem,thedissertationappliesparallelcontrolschemewhichusesreactivepowertoII华中科技大学硕士学位论文regulatevoltagemagnitudeandsynchronousphaselocktorealizephasesynchronizationHence,aimingattwokVAcombinedtypethreephaseinverters,thedissertationresearchesthewaveformcontrolandparallelcontroltechnologiesofhighpowerthreephaseinverterswithfulldigitalizedcontrolmethodCenteringonhighpowercombinedtypethreephaseinverters,thedissertationanalysesandstudiesthetopologyofpowercircuit,mathematicalmodelofcontrolsystem,waveformcontroltechnologyandparallelsystemmodelindetailTheexperimentalverificationisrealizedintwokVAcombinedthreephaseinvertersTheexperimentresultverifiesthefeasibilityofvoltagewaveformcontrolandparallelcontrolschemeofhighpowerthreephaseinverterKeywords:CombinedThreePhaseInverter,HighPowerInverter,RepetitiveControl,DigitalPIDControl,ParallelControl,DigitalPhaseLockedLoop,DistributedLogic,PowerErrorIII独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知除文中已标明引用的内容外本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本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用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。(请在以上方框内打“√”)学位论文作者签名:指导教师签名:年月日年月日华中科技大学硕士学位论文绪论大功率逆变器研究背景现代电源技术发展概述现代电源技术是应用电力电子半导体器件综合自动控制、计算机微处理器技术和电磁技术的多学科边缘交又技术其核心是现代电力电子技术。电力电子技术是利用大功率电子器件对电能进行控制和变换的技术是一门综合了电子技术、控制技术和电力技术的交叉学科。现代电力电子技术经历了以低频技术处理问题为主的传统电力电子学阶段向高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变的发展方向。电力电子技术起于世纪年代末年代初的硅整流器件其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。到年代末期和年代初期以功率MOSFET和IGBT为代表集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件的发展表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。新型器件的发展不仅使现代电子技术不断向高频化发展为用电设备的高效节材节能实现小型轻量化、机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。现代电源技术广泛应用于国民经济生活的各个领域如广泛应用于计算机领域的高效率绿色开关电源应用于通信行业的高频开关电源广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制等领域的模块化高功率密度DCDC直流斩波器计算机和通信系统中要求的高可靠、高性能不间断电源(UPS)用于电气传动系统中交流电机的变频调速以及变频空调、变频调速压缩机等的变频器电源高性能、高效、省材的新型高频逆变式整流焊机电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备的大功率开关型高压直流电源电力系统中用于动态抑制电网谐波和干扰的电力有源滤波器以及节能、可靠、高效的分布式供电方式等。在电力电子技术的应用及各种电源系统中开关电源技术处于核心地位。传统的电路庞大又笨重采用高频开关电源技术能够大幅度降低其体积和重量、提高效率、降低成本。高频开关电源技术是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。电源技术正向着高频化、模块化、数字化、绿色化的方向发展。华中科技大学硕士学位论文大功率逆变电源概述逆变电源是一种采用开关方式从交流或直流输入得到稳压、稳频的交流输出的电能变换装置。随着功率开关器件的发展逆变电源已经广泛地应用于电动车、电力设备、产业设备、交通车辆等领域中。其核心技术是逆变器技术在系统节能化、高性能化、高功能化中它已经成为不可缺少的技术。随着电力电子行业的发展和社会的需求人们对逆变电源的要求越来越高。表现为:第一各种设备和电网对逆变电源输出电能质量的要求越来越高。第二基于对清洁能源的要求对逆变器的设计也提出了更高要求。第三逆变器供电系统中对逆变器的容量要求也越来越高。针对提高逆变器容量方面的要求可以通过两个途径来实现:一是提高单台逆变器的设计容量,研究开发大功率高性能的逆变电源二是采用逆变器并联技术实现多台逆变器并联运行。本文正是根据这方面要求对大功率高性能逆变器技术进行相关研究同时对大功率逆变器并联技术进行研究。对于输出大电流的大功率逆变器通常有以下几种实现方案:)传统的大功率逆变电路:如普通的三相逆变器这种拓扑结构比较简单为了获得大功率只能依靠器件的串并联来实现而串并联将会带来开关器件的静态均压、动态均压、均流等一系列问题而可靠性不高采用降压普通变频升压电路的结构这种结构两侧需要大型的变压器体积大成本高性能不理想变压器耦合的多脉冲逆变器利用升压变压器的特点将逆变器直接并联起来获得大电流。这些变压器的引入是系统成本和损耗大为增加且在瞬态过程中变压器磁饱和会引起直流磁化和浪涌过压等问题难以控制系统的动态响应性能比较差。)多电平电压型逆变器:最早由日本长冈科技大学的ANabae等人在年的IAS年会上首先提出三电平逆变器又称为中点钳位式(NeurralPointClamped)逆变器。多电平逆变器具有效率高谐波含量小电磁干扰大大减轻等有点这种结构更适合高压大容量的场合。)组合式三相逆变器:近几年来出现的组合式三相逆变器结构由三个单相逆变器组合而成。组合式三相逆变器实现简单控制方面能够满足大功率逆变器大电流的需求。三相逆变器控制技术介绍目前最为成熟、应用最为广泛的逆变器控制技术是PWM技术。随着计算机微处理器的广泛应用逆变器数字化控制技术已经代替了传统的模拟控制全数字化、智能化及网络化成为了逆变器控制技术发展的方向。单相逆变器的控制技术已经很成熟如电压瞬时值PID控制电压电流反馈的双华中科技大学硕士学位论文闭环控制无差拍控制重复控制滑模变结构控制线性多变量状态反馈控制等在实际应用中已经取得了优良的控制效果。预测控制模糊控制神经网络控制等也正在得到深入的研究。三相逆变器的控制技术目前主要有三类。第一类在三相abc静止坐标系中对三相瞬时变量分别进行瞬时值反馈控制第二类是基于Clarke变换在αβ坐标系下对α、β轴的瞬时变量进行反馈控制第三类是基于Park变换在dq旋转坐标系中对d、q轴的瞬时变量进行反馈控制。在三相逆变器中各相电路参数不可能完全一致三相负载存在着差异三相逆变桥的输出会出现不对称这些因素都导致了三相逆变器的不平衡运行。三相不平衡会带来很多的危害因此调节三相平衡保证三相电压对称输出改善输出电压波形是三相逆变器需要解决的问题。逆变器并联控制技术的研究现状逆变器并联技术概述采用逆变器并联运行是提高逆变电源容量提高系统可靠性、实现模块化的有效途径。逆变器并联技术正是为了提高逆变器容量、实现模块化并联扩容发展起来的技术。当前大容量逆变器的发展趋势是采用新型全控性高频开关器件构成逆变器模块单元再通过多个模块并联进行扩容。这样可以充分利用新型全控型高频开关器件的优势减小系统的体积降低噪声提高动态响应速度同时利用并联控制技术提高逆变器的通用性、灵活性使系统设计、安装、组合更加方便可进一步提高可靠性。多台逆变器并联实现扩容可大大提高系统的灵活性使电源系统的体积、重量大为降低同时其主开关器件的电流应力也可大大减少从根本上提高可靠性、降低成本和提高功率密度。逆变器并联运行可实现大容量供电和N冗余供电是当今逆变技术发展的重要方向之一。逆变器的并联运行是提高供电系统容量、可靠性的有效方法。逆变器的并联运行的好处:①可以用来灵活的扩大逆变器系统的容量②可以组成并联冗余系统以提高运行的可靠性③具有极高的系统可维修性能在单逆变器出现故障时可以很方便的进行更换或维修。逆变器并联分为逆变器之间的并联以及逆变器与电网之间的并联。逆变器之间的并联要求逆变器的交流侧并联后对负载供电必须尽量保证逆变器处于逆变状态且对负载电流进行均分。因此逆变器的并联可看成是系统环流的最小化控制其目的是实现逆变器之间均分负载的功率。要实现逆变电源的并联需要完成以下两个任务:华中科技大学硕士学位论文)各个电源输出电压的幅值、频率和相位要相同)在输出电压同步的情况下总的负载电流要在各个电源间均衡分配达到负载均分的目的。逆变器并联控制技术按结构分类逆变器并联控制主要解决各逆变单元之间的环流抑制和功率均分等问题保证各个逆变电源单元输出电压同频、同相幅值相等。按照并联系统各模块的结构分类常见的并联控制方式有以下四种方案:()集中控制方式一般的集中控制由一个并联控制单元产生一定频率和相位的同步信号然后给每个逆变电源发出同步脉冲各个逆变电源利用锁相环电路用来保证其输出电压频率和相位与同步信号同步。并联控制单元检测负载总电流I除以并联单元数n来作为各逆变器的电流指令各逆变单元检测自己实际输出电流求得电流偏差。各并联单元都由同一个并联控制单元控制其输出电压频率和相位偏差不大可认为各单元的电流偏差是由电压幅值的不一致造成的。这种控制方式可以直接把电流偏差作为电压指令的补偿量加到各逆变电源单元中用以消除电流的不平衡。集中控制方法可以很好的实现同步和均流在已有的逆变器基础上增加的一个单独的并联控制单元。如果并联控制单元出现故障后就不能实现逆变器的并联运行故系统运行的安全性能较低。()主从控制方式主从控制是在集中控制的基础上每台逆变器都有一个并联控制单元。并联时首先启动一台逆变器作主控逆变器负责完成并联控制功能其他逆变器作从机这就是主从式并联。主从工作方式当主逆变电源的并联控制单元有故障时只要其他仍能部分正常工作可切换为另一台逆变电源做主机来完成并联控制功能。主从控制方式能够克服集中控制当并联控制单元故障不能并联的缺陷使得联系统的可靠性有所提高。但这种并联系统仍存在着一些固有的缺陷如同步基准信号仍为公共集中同步信号一旦主机有故障在切换过程中会有一段时间所有的模块失去同步而可能出现更大范围的模块失效同时各模块的控制逻辑判断电路的复杂性及可靠性也会不可避免影响整个系统的工作性能指标。()分散逻辑控制分散逻辑并联控制技术为一种独立并联控制方式是将系统各个中心环节的控制权进行分散化和独立化最终实现系统各个单元能独立工作不依赖于中心控制单元或者系统中的其他模块单元。它采用了在各逆变电源中把每个电源模块中的电流及频华中科技大学硕士学位论文率信号进行综合得出各自频率及电压的补偿信号的控制策略这种方式可实现真正的N并联运行有一个模块故障退出时并不影响其他模块的并联运行。但分散逻辑控制存在互联线较多易受干扰等缺点从而影响了系统的可靠性。()无互连线独立控制方式要实现较完善的并联系统逆变器电源独立控制在不同容量、不同结构的电压型逆变电源之间或逆变电源与电网之间实现并联运行控制和负载均分控制最理想的选择是无互联线并联控制技术。它取消了逆变单元之间的均流互联线同步和均流控制只依赖于各模块内的系统控制策略使各逆变电源模块之间的控制系统电气联系完全隔离消除了单点故障实现完全独立、对等的并联控制使系统安装或维修更加简便、快速并联运行更加可靠容量的扩展也更加容易和方便。现在的无互连线独立控制一般是通过设置电压幅值和频率下垂特性来实现有功功率调频无功功率调压。但这种控制方法无模块间的信息传递实现均流相对比较困难。同时存在控制的鲁棒性较差对非线性负载的适应性较差以及难以得到环流调节无静差等缺点目前在实际应用中还存在困难。逆变器并联控制技术按控制量分类按照并联控制所采用的控制量出发可分为:基于电流误差的并联控制方法和基于功率误差的并联控制方法。()基于电流误差的并联控制方法基于电流误差的并联控制法是在瞬时电流闭环控制的基础上通过控制各并联单元的输出电流使之跟踪给定电流变化而实现负载均分即通过控制总负载电流在逆变器之间的均分来实现均分负载的目的。上文介绍的集中控制、主从控制和环链式控制均属于基于电流误差的并联控制方法。()基于功率误差的并联控制方法在逆变器并联系统中各逆变模块输出的有功、无功分别是其输出电压相位、幅值的函数输出功率与输出电压之间有一定的对应关系。基于功率误差的并联控制方案就是各逆变单元检测自身的输出电压和电流值计算出本单元的输出有功无功功率再与有功、无功给定值相比较得到一个差值并联控制器再根据这个差值来相应调节逆变单元自身输出电压的幅值、相位从而实现负载有功无功在逆变器之间的均分从而减小系统中的环流。基于功率误差的并联控制方法在分散逻辑控制和无互连线控制中用得较多。华中科技大学硕士学位论文本文的主要研究内容本文以两台kVA组合式三相逆变器为对象主要研究了大功率三相逆变器的波形控制技术和并联控制方案。本文的主要内容有以下几个方面:()介绍常见的三相逆变器主电路拓扑结构分析适用于大功率逆变器的组合式三相逆变器结构。分别建立组合式三相逆变器在ABC、、dq坐标系下的数学模型介绍kVA组合式三相逆变器的主电路设计。αβ()给出组合式三相逆变器在同步旋转dq坐标系下的闭环控制方案介绍PID瞬时值电压反馈和重复控制并联结合的闭环控制方案。分别介绍PID瞬时值电压反馈控制和重复控制的原理和设计。提出采用负载电流前馈和改变调制比的方法有效地提出系统的动态性能。根据对大功率逆变器安全性、可靠性的要求介绍大功率三相逆变器的短路限流保护技术。利用Matlab建立了系统的仿真模型给出了稳态和动态的仿真波形。()建立两台大功率逆变器的并联系统模型对并联系统的结构、环流特性及逆变器的输出功率进行理论分析。详细分析输出阻抗对逆变器环流和输出功率分配的影响得出输出阻抗对环流和功率影响的一般规律。()针对大功率三相逆变器并联系统采用基于功率误差的分散逻辑控制方案。分析了基于功率误差的分散逻辑控制原理根据kVA三相逆变器并联系统的输出阻抗特性给出了无功调节输出电压幅值和同步锁相实现相位同步的并联控制策略。()根据本文所述大功率三相逆变器波形控制技术和并联控制方案在两台kVA组合式三相逆变器样机上进行实验验证。验证前面章节理论分析的结果。华中科技大学硕士学位论文大功率三相逆变器主电路分析三相逆变器主电路拓扑结构目前常用的三相逆变器主电路拓扑结构有两种一为三桥臂结构的三相桥式逆变器二为由三个单相逆变器组成的组合式三相逆变器如图所示。LLLCCCTTTTVDCABTTC(a)三桥臂三相逆变器UaUbUcLTTTTTVDCabcnTTTTTTTTC(b)组合式三相逆变器图三相逆变器主电路基本结构三相桥式逆变器当三桥臂的三相桥式逆变器输出接为三相三线制时通常只能带三相线性对称负载。但实际供电系统中存在大量单相负载以及负载经常变化的情况负载往往不平衡。当有不对称负载时会造成负载中性点的偏移从而使相电压和相电流不平衡可能使某相负载因电压过高而损坏而另一相负载因欠压而不能正常工作。因此为了给不平衡负载供电提高三相逆变器带不平衡负载的能力需要采用三相四线输出。常见方法有:)在三相逆变器输出端加一个中点形成变压器(NeutralFormedTransformer,NFT)构成三相四线输出以提高带不平衡负载的能力如图(a)所示。增加一个NFT会使逆变器的体积重量增大而且带不平衡负载能力有限。)由三个半桥式三相逆变器合成将电源输入端两个串联电容的中点作为输出华中科技大学硕士学位论文的中点构成三相四线输出如图(b)所示。半桥式电路直流电源利用率低只合适于小功率的场合。)加输出变压器隔离时变压器采用△yn的连接形式可以构成无中线的三相三线制或者有中线的三相四线制如图(c)所示。)在三相桥式逆变器的基础上增加一个桥臂来构成输出中点将三相输出中点接在该桥臂上从而构成四桥臂结构如图(d)所示。这样电流可以流过中线从而具备带不平衡负载的能力。LLLCCCTTTTVDCABTTCNTFnLLLCCCTTTTVDCABTTCn(a)输出端带NFT的三相逆变器(b)半桥式合成三相逆变器UaUbUcLLLCCCTTTTTVDCabcnTT(c)输出变压器带中线连接的三相逆变器LLLCCTTTTVDCABTTCTTNnnT(d)三相四桥臂三相逆变器图三相四线制输出的三相逆变器主电路结构逆变器输出接成三相四线制可以提高逆变器带不平衡负载的能力但却为三相逆变器所产生的零序电压分量提供了回路。中线上可能流过过大的电流从而使中线烧坏降低了系统的安全性。华中科技大学硕士学位论文组合式三相逆变器组合式三相逆变器由三个单相全桥逆变器构成。三个单相逆变器的开关管驱动信号互差o三相输出电压VaVbVc大小相等相差o构成一个平衡对称的三相交流电源。每相之间相互独立可看作单相逆变器来分析可以采用较为灵活的控制方案可以三相独立控制也可以统一控制可以采用单极倍频技术降低开关频率。组合式三相逆变器具有良好的带不平衡负载能力和优良的电气性能。在相同功率条件下六桥臂十二个开关管的三相逆变器与三桥臂的三相逆变器相比每个IGBT承担的电流低一半被广泛应用于大功率场合。本文研究的大功率逆变器就采用这种组合式三相逆变器主电路拓扑结构如图所示。由ABC三个单相逆变器组合而得分别通过LC滤波器得到三相电压经三相隔离变压器最后输出三相交流电压。其中隔离变压器原方的三相绕组独立分别接三个单相逆变器的输出副方三相绕组为无中线的Y型接法。******UoaUobUocLCTTTTTVDCabcnTTTTTTTTrIoaIobIocIaIbIcUaUbUcA相B相C相图组合式三相逆变器主电路拓扑结构其中L为滤波电感C为滤波电容r为对应于死区效应、开关管压降、线路阻抗的等效电阻T为输出隔离变压器。IaIbIc为三相逆变器的电感电流IoaIobIoc为三相负载电流忽略滤波电容的影响三相负载电流等于三相电感电流。UaUbUc为逆变桥输出三相相电压UoaUobUoc为三相逆变器输出相电压忽略变压器上的压降输出相电压等于电容电压。滤波电容和滤波电感设置在变压器的原方可以利用三相变压器的漏感来充当并机电感减小了逆变器的成本体积和重量。为减轻体积和成本其三相滤波电感和三相输出变压器通常采用三磁柱的铁芯结构。组合式三相逆变器的数学模型建立三相逆变器的数学模型是对三相逆变器进行理论分析和实际研究的基础也是实现逆变器并联的基础。分析清楚三相逆变器的控制系统模型和波形控制技术更方便分析三相逆变器并联系统模型和控制方案。华中科技大学硕士学位论文目前三相逆变器的控制技术目前主要有三类。第一类在三相abc静止坐标系中对三相瞬时变量分别进行瞬时值反馈控制第二类是基于Clarke变换在αβ坐标系下对α、β轴的瞬时变量进行反馈控制第三类是基于Park变换在dq旋转坐标系中对d、q轴的瞬时变量进行反馈控制。为此下文将分析三相逆变器在三种不同坐标系下的连续时间域数学模型和状态空间平均模型。三相静止ABC坐标系下的数学模型借助电机学的概念三相定子绕组A、B、C在空间上对称分布且静止不动ABC坐标系称为三相静止(S)坐标系。假定图中三相逆变器主电路三相平衡三相滤波电感均为L三相滤波电容均为C等效电阻均为r以电感电流和电容电压为状态变量。由电路理论中的电压电流基尔霍夫定律(KVL和KCL)可得三相逆变器的电压电流方程其中为负载电流为逆变桥输出电压。,,abciii,,oaobocuuu,,oaobociii,,abcuuu三相逆变器的电压方程:aaaobbbocccodiuriLudtdiuriLudtdiuriLudt⎧=⎪⎪⎪=⎨⎪⎪=⎪⎩abc()三相逆变器的电流方程:oaaoobbooccoduiCidtduiCidtduiCidt⎧abc=⎪⎪⎪=⎨⎪⎪=⎪⎩()根据()式和()式可得三相逆变器的状态方程:oaoaobobococaabbccCCuuCCuuuuCCiirLLLiirLLLiirLLL⎡⎤−⎢⎥⎡⎤⎡⎤⎢⎥−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥−−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥−−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎢⎥−−⎢⎥⎣⎦������abcoaobocuuuiii⎡⎤⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦()由()式可得三相逆变器在三相静止ABC坐标系下的模型框图如图所示B、C两相与A相相同。LsrsC−−aioaioauau图三相逆变器在三相静止ABC坐标系下的模型框图(s域)华中科技大学硕士学位论文可见ABC三相之间的电压电流相互独立三相之间无耦合关系。因此组合式三相逆变器在三相静止坐标系中的可以采用三相完全独立的控制技术可采用比较灵活的控制方式。三相独立控制技术把每一相看成一个单相全桥逆变器即使输出接成无中线的三相三线制也有很好的抗负载不平衡能力。两相静止αβ坐标系下的数学模型把两个相互垂直的坐标轴、β固定取α轴与A相轴重合β轴超前α轴o得到坐标系称为两相静止(S)坐标系。从ABC坐标系到αβ坐标系的变换成为静止三相两相(SS)变换。ABC坐标系和αβ坐标系的关系如图。ααβOABCaxβxαbxcxxβα图三相静止ABC两相静止坐标系αβABC坐标系下的空间矢量为cbaχχχ,,变换到坐标系在α轴和轴的分量分别为αββxα和xβ。变换后使各变量的极值不变可以得到SS坐标变换公式:ssT→⎡⎤−−⎢⎥⎢=⎢⎥−⎢⎥⎣⎦⎥()根据()坐标变换公式将三相静止坐标系中的电压电流变换到两相静止坐标系中计算得在两相静止坐标系中的三相逆变器电压电流方程分别为:ooouiuiCCααoiiαβββ⎡⎤⎡⎤⎡=−⎢⎥⎢⎥⎢⎣⎦⎣⎦⎣��⎤⎥⎦()ooiuiruiLLLiαααuuαββββ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=−−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦��()由()和()式可得三相逆变器在两相静止坐标系下的模型框图如图所示。αβsCoiα−ouα−iαuαLsrLsrsC−−βiβoiβouβu图三相逆变器在两相静止αβ坐标系下的模型框图(s域)华中科技大学硕士学位论文可见从ABC坐标系变换到αβ坐标系后组合式三相逆变器转换为两个相互独立单相全桥PWM逆变器三相减少到两相相应地控制回路也减少为两个。同时在两相静止坐标系中αβ两相之间的电压电流也是相互独立的因此也可以在坐标系下对轴两相进行独立控制单相逆变器中的波形控制技术同样可以在α与β轴上使用。αβαβαβ同步旋转dq坐标系下的数学模型同步旋转dq坐标系定义为:相互垂直的坐标系d轴和q轴同时以为角频率旋转得到两相同步旋转(dq)坐标系如图示。空间矢量变换到dq坐标系在轴和β轴的分量分别为ωαdχ和qχ根据两相静止与旋转dq系之间的关系可得dq坐标变换公式:αβαβ()()()()srcostsintTsintcostωωωω→⎡⎤=⎢−⎣⎦⎥()根据()坐标变换公式将三相逆变器坐标系中的电压电流变换到坐标系中计算得坐标系中三相逆变器的电压电流方程分别为:αβdqdqdooddoqoqqoquuiuuiCCωω⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥−⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦��odii()dodddoqqqqriuiuLuirLCLiLωω⎡⎤−⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥−−⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦��u()由()和()式可得三相逆变器在同步旋转dq坐标系下的模型框图如图所示。oαβdqtθω=ωxβxαdxqxCsLωLωCωCωduquodiqioqioduoqudiCsLsrLsr图两相静止两相旋转dq坐标系图三相逆变器在dq坐标系下的模型框图(s域)αβ由图可见三相逆变器在同步旋转坐标系下的数学模型与ABC、αβ坐标下的数学模型不同。d轴和q轴不是相互独立的而是相互耦合的。q轴输出电压以及电感电流分量耦合到d轴上而d轴的输出电压以及电感电流分量耦合到q轴上即坐标系下的三相逆变器数学模型是一个两输入两输出的耦合系统。由模型框图得输出电压分别为:dqdqodUoqU华中科技大学硕士学位论文()()()()dqoqododqdodoquLisLrCusLriuLCsrCsuLisLrCusLriuLCsrCsωωωω−⎧=⎪⎪⎨−−−⎪=⎪⎩oq()三相逆变器在同步旋转dq坐标系下不是相互独立的存在耦合关系所以不能像在ABC、αβ坐标下可以对采取三相独立控制的方式而需要用三相统一控制。以下分析三相逆变器输出电压经坐标变换到dq坐标系后的表达式。假定三相输出电压完全对称忽略谐波的影响只考虑基波。设三相逆变器输出的三相电压为:()()()oamobmocmu=Ucostu=Ucostu=Ucostωπωπω⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩()其中为相电压幅值输出电压变换到dq坐标系的变量为和则:mUodUoqUoaoaodmsssrobsroboqococuuuUTTuTuuuu→→→⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⋅⋅=⋅=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦()其中三相静止ABC(S)坐标系到两相旋转dq坐标系的转换矩阵为:()()()(abcdqcostcostcostTsintsintsintωωπωπωωπωπ→−)⎡⎤=⎢⎥−−−−⎣⎦()由()式可见在三相逆变器输出电压对称的情况下经过三相静止ABC坐标系到两相旋转dq坐标系的变换之后坐标系下三相逆变器输出电压的d轴分量为一常量等于ABC坐标系下相电压幅值而q轴分量为零。在dq坐标系中输出电压d轴q轴分量都直流常量这样方便三相逆变器的控制以及并联调压的实现。dqmUkVA三相逆变器主电路设计本文所研究的大功率三相逆变器以两台kVA三相逆变器为实验对象。在介绍大功率三相逆变器的控制和并联技术之前先说明大功率三相逆变器主电路的参数设计kVA三相逆变器的主要性能指标为:()直流输入电压:DC~V()额定输出电压:线电压ACV±相电压ACV±()额定输出频率:Hz±Hz()额定输出功率:三相kVA()额定功率因素:cos=ϕ()带额定负载时总谐波畸变率≤THD单次谐波畸变率≤THD华中科技大学硕士学位论文()负载短路时自动限流保护至A±AmS内不停机由于IGBT具有输入阻抗高驱动功率小开关速度快饱和压降低电压、电流容量大安全工作区较宽等优点在大功率应用领域开关器件通常选用IGBT。考虑到大功率情况下开关频率越高开关管的开关损耗及导通损耗较大因此三相逆变器的功率器件的开关频率定为kHzfs=。用于大功率场合的组合式三相逆变器由三个单相全桥逆变器构成每相之间相互独立电路结构完全相同设计时可选取其中一相来分析。输出变压器的设计三相逆变器额定输出相电压有效值为V其峰值为V。当直流输入电压为V时变压器的变比:::===NNk考虑到死区、变压器、滤波器的电压损失等选定变压器变比k=:。在变比为:的情况下直流输入电压V~V时对应调制比为~。逆变器额定输出功率为kVA一般来说变压器的耐过载能力较强因此选择变压器的容量为kVA。为了减少成本减轻体积输出变压器和三相输出滤波电感都通常采用三磁柱的铁芯结构。输出滤

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大功率三相逆变器控制与并联技术研究

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