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无输出隔离变压器的逆变器并联系统研究.pdf

无输出隔离变压器的逆变器并联系统研究

djinjin123
2013-10-29 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《无输出隔离变压器的逆变器并联系统研究pdf》,可适用于工程科技领域

南京航空航天大学博士学位论文无输出隔离变压器的逆变器并联系统研究姓名:陈良亮申请学位级别:博士专业:电力电子与电力传动指导教师:严仰光南京航空航天人学博十学位论文摘要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技术的研究。在分析和总结逆变器并联控制技术的原理及其研究现状的基础上本文主要对无输出隔离变压器的逆变器并联系统直流环流产生原因及其检测与抑制方法、双闭环控制逆变器并联系统环流特性及其并联控制方法、单闭环控制SPWM逆变器外特性及其并联系统环流特性等问题进行了的研究。对于逆变器并联系统各并联模块输出电压幅值和相位等参数不一致会产生不经过负载的环流降低了并联系统的可靠性。本文针对前人提出的利用电感抑制环流的缺点研究了一种新的基于耦合电感的逆变器并联系统环流抑制方法。这种方法适用于具有任意胛个模块的逆变器并联系统能够更有效的抑制环流(相对普通电感)并且不影响并联系统的稳态电压精度。对于无输出隔离变压器的逆变器并联系统各并联模块输出电压直流分量不一致会产生直流环流。本文讨论了双闭环控制逆变器输出电压直流分量产生原因分析了逆变器输出电压直流分璧检测与高精度数字调节方法。介绍了逆变器等效直流内阻的概念及其计算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。本文通过双闭环控制逆变器闭环传递函数求解出其等效输出阻抗的表达式得到了基于等效输出阻抗的双闭环控制逆变器及其并联系统模型。根据上述模型分析了主电路和控制电路参数对双闭环控制逆变器外特性的影响从等效输出阻抗的角度对逆变器并联系统各并联模块输出电压存在幅值差和相位差时的环流特性进行了仿真和实验研究。根据双闭环控制逆变器并联系统环流特性提出了~种新的基于有功和无功功率的逆变器并联控制方案并进行了仿真和实验验证。根据传统的基于频率电压下垂特性并联控制方案的不足提出了一种新的适用于双闭环控制逆变器并联系统的基于频率电压下垂特性的并联控制方案。研究了逆变桥臂控制信号死区时间对采用瞬时输出电压反馈控制技术的SPWM逆变器(单闭环控制SPWM逆变器)外特性及其并联系统环流特性的影响。分析了控制死区和开关死区时间造成的谐波电压的性质建立了考虑死区时的闭环控制SPWM逆变器线性化模型对不同电压调节器和死区时间以及不同负载时的SPWM逆变器外特性进行了研究。最后讨论了死区时间对SPWM逆变器并联系统环流特性的影响。关键词:逆变器并联耦合电感双闭环控制直流分量直流环流等效输出阻抗SPWM.外特性环流特性AbstractThisdissertationismainlydevotedtotheanalysisofcirculatingcurrent’scharacteristicsandthecontroltechnologiesofparallelinvertersystemwithoutoutputisolatingtransfowners.BasedoilcomprehensiveanalysisandsummarizationontheprincipleandpresentsituationofinverterparallelcontroltechnologiesthereasonsandmethodsfordetectingandrestrainingDCcirculatingcurrentinparallelinvertersystemthecharacteristicsofcirculatingcurrentandparallelcontrolstrategiesofparallelsystemconsistsofdoubleclose.pcontrolledinverterstheoutputcharacteristicsandcirculatingcurrent’ScharacteristicsofparallelSPWMinvertersaredeeplystudiedinthisPaper.Forparallelinvertersystem.theimbalanceofamplitudesandphasesofeachmodule’Soutputvoltageusuallyresultsinlargecirculatingcurrentwhichreducesthereliabilityofparallelsystem.AimingtoimprovethedisadvantagesofinductorbasedcirculatingcurrentrestrainingmethodproposedbeforeanovelcirculatingcurrentrestrainingmethodbasedoncoupledinductorsiSstudiedinthispaper.Thismethodhassuchadvantagesassuitableforanyparallelinvertersystemwithnmodules.betterperformanceonrestrainingcirculatingcurrent(comparedtouncoupledinductors)andnoinfiuenceonthesteadyvoltageaccuracyofparallelsystem.InthisPaDer,thereasonsofDCbiascontainedintheoutputvoltageofdoublecloseloopcontrolledinverterarediscussed.andthemethodsfordetectinganddigitaladjustingDCbiaswitllhighprecisionarealsoanalyzed.ThentheconceptionandcalculationofinverterequivalentoutputresistoriSintroduced.andthereasonsandmethodsfordetectingandrestrainingDCcirculatingcurrentinparallelsystembasedondoublecloseloopcontrolledinvertersarealsostudied.ExperimentalresultsprovethatthedetectingandrestrainingmethodsmentionedabovehavegoodperformanceonrestrainingDCcirculatingcurrentofparallelsystem.Theexpressionofequivalentoutputimpedanceisdeducedthroughthecloselooptransferfunctionsofdoublecloseloopcontrolledinverter,andthemodelsbasedonequivalentOUtputimpedancefordoublecloseloopcontrolledinverteranditsparallelsystemarealsoestablished.Basedonthesemodelstheinfluencesofmaincircuitandcontrolparametersontheoutputcharacteristicsofinverterareanalyzed.andsimulationandexperimentalresearchonmecharactefisticsofcirculatingcurrentarecarriedoutfromthepointofviewofequivalentoutputimpedancewhentheamplitudesandphasesofeachmodule’Soutputvoltageareineonsistent.Basedontheanalysisofcirculatingcurrentcharacteristicsofparallelinvertersystemanimprovedparallelcontrolstrategybasedonrealandreactivepowerispresentedandverifiedbysimulationandexperimentalresults.Aimingtoovercomethedefectoftraditionalstrategybasedondroopcharacteristicsanimprovedparallelcontrolprinciple南京航空航天火学博士学位论文basedonfrequency.droopandamplitudedroopschemesuitablefordoublecloseloopcontrolledinvertersispresentedinthispaper.TheinfluenceofdeadtimeontheoutputcharacteristicsofSPWMinvenerandthecirculatingcurrent’ScharacteristicsofparallelSPWMinvertersiSdeeplystudled.wheretheSPWMinverterisbasedoninstantarleousoutputvoltagefeedbackcontroltechnology(singlecloseloopcontrolledinvener).Basedontheanalysisofthepropertiesofharmonicvoltagescausedbydeadtime.thelinearmodelofcloseloopcontrolledSPWMinveaerwithdeadtimeiSestablishedandtheoutputcharacteristiesofSPWMinvenerunderdifrerentvoltageregulator,difierentdeadtimeanddifierentloadarealsostudied.AtastadeeplyresearchontheinfluencesofdeadtimeonthecirculatingCUlTent’ScharacteristicsofparallelSPWMnverteriScarriedOutinthispaDeLKeyWords:InverterParallelCoupledInductorsDoubleCloseloopControlDCBiasDCCirculatingcurrentEquivalentOutputImpedanceSPWMOutputCharacteristicsCirculatingcurrent’SCharacteristics承诺书本人郑重声明:所呈交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知除文中已经注明引用的内容外.本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体均己在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件允许论文被查阅和借阅.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用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名:也同期:洲..拈垂笪当堕曼銮竖矍堕丝壅璺茎壁至篓竺塞注释表不间断电源正弦脉宽调制寄存器算术逻辑运算单元特殊功能寄存器组高速输出部件高速输^部件总谐波禽量基准正弦渡基准正弦波有效值D/A(A/D)转换器参考电压逆变器直流母线电压逆变器空载输出电压逆变器负载电压基准上E铱波直流分罱逆变器输出电压直流分量三角载波幅值逆变器输出电压反馈信号谨变桥臂中点龟压差电压调节器输出电压SP釉逆变器第k次死区散府谐波电压直流分量(直流环流)检测电路输出电压逆变器输山电流逆变器输出电流有功分量逆变器输出电流无功分量双闭环控制逆变器滤波电感电流反馈信号双闭环控制逆变器滤波电感电流给定信号般【布环控制逆变器滤波电感电流给定信号直流分量逆变器输出滤波电感电流交流环流直流环流啉洲酬蜊㈣眦珊以‰%%以%%‰u%‰虬‰‰Lo%‘‘ko‘k.一堕蔓塾兰鉴墨查堂苎圭堂皇堡苎电压调节器比例系数电压调节器积分系数逆变器输出电压反馈系数双闭环控制逆变器滤波电感电流反馈系数双闭环控制逆变器电流环等效放人倍数逆变器控制屯路常数取闭环控制逆变器电流滞环宽度逆变器输出电压频率衰减系数逆变器输出电压幅值衰减系数逆变器输出电压频率SPInI逆变器三角载波频率sP嘲逆变器三角载波周期开关管开通延迟时间‘控制死区时间)开关管开通时间开关管关断时间第个逆变模块输出有功功率第i个逆变模块输出无功功率有功环流无功环流基准正弦波数据点逆变器输出滤波屯感逆变器输出滤波电容电感电感感抗电感厶与电感L之间的互感电感之间的耦台系数士功率开关管开关管反井=极管等效输出阻抗角负载阻抗角并联模块输出电压相位差第i个逆变模块空载输出电压相位电感电流LEM检测电阻砟E岛bK‰张%吩厂厶瓦Lo%只g^纵蹦oq£Ⅳ%k墨皿口∥p仍耳无输出隔离变压器的逆变器并联系统研究z止(月m)Z=Rj|xjZL=RiJxLz。。=Rm{x‰。等效直流内阻筛效输出阻抗负载阻抗输出引线阻抗南京航空航天大学博士学位论文第一章绪论.逆变电源并联运行技术的研究背景与研究现状..逆变电源并联运行技术的研究背景电源的任务是安全、可靠、不间断地供给计算机等电子设备所需的电能。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各不断增加对供电系统的容量和可靠性的要求也越来越高。目前交流电源供电系统正在从传统的集中式供电方式向分稚式供电方式发展这些新型供电方式的核心技术主要包括冗余供电技术、容错技术、不间断供电技术等【l“⋯。电源作为电子设备的一个重要组成部分其可靠性在很大程度上影响了整个设备系统的可靠性。除了常规的可靠性设计以外在电源设计中采用容错技术和冗余供电技术是提高电源系统可靠性的莺要手段。在电源系统中容错技术主要有硬件容错和结构容错两种按照其工作方式又可分为静态冗余和动态冗余以及混合冗余三种。所谓冗余供电技术指的是供电系统或者供电设备具有一套以上能完成给定功能的单元只有当规定的几套单元都发生故障时系统和设备才会丧失功能。因此冗余供电技术是供电系统或设备获得高可靠性、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、容错技术毗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。目前以逆变电源为核心的高性能不问断电源(UPSUninterruptiblePowerSupply)已{至应用于银行、邮电通信、计算机网络、自动生产线、医疗卫生、监控系统和军事等需要不间断高可靠性供电电源的场合。随着对供电系统容量以及供电质量和可靠性要求的进一步提高单台UPS或者传统的主备结构UPS系统已经不能满足要求【。研究表明采用Ⅳ手X冗余并联供电系统是解决这些问题的重要方法。此外目前正在得到广泛应用和关注的绿色能源如太阳能、风能、潮汐能以及燃料电池等它们在能量转换的过程中都有一个共同特点:单台能源变换器的输出功率比较小输出电压和电流不稳定必须用逆变器将转换后的电能变换成稳定的交流电压然后再馈入电网【。这也需要大量逆变器的并联以及逆变器与电网的并联工作盼。..逆变电源并联运行技术的研究意义与研究现状逆变电源并联运行是提高逆变电源供电系统的可靠性和扩大供电容量的重要·l·无输出隔离变压器的逆变器并联系统研究●l●I●一技术手段。当前大容量逆变电源的发展趋势是利用新型全控高频开关器件的优势减小系统的体积降低噪声、提高系统的动态响应速度同时利用并联技术提高逆变电源的通用性和灵活性使系统设计、安装和组合更加方便可靠性得到进一步的提高‘。在交流电源系统从传统的集中式供电方式向分布式供电方式发展过程中其中必须解决的一个重要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流器来满足不同的负载功率的要求。每个用户由一个独立的逆变电源供电这使得配电系统代价提高。采用逆变电源并联技术以后逆变电源可以设计为统一的规格而仅仅针对不同用户的要求采用一个或者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降低电源系统的成本【’”J。当今世界许多国家的研究机构及大公司都在逆变电源并联控制领域进行了研究日本、美国、德国和意大利等国家都已经有相应的产品。国外的很多公司如三菱、东芝(日本)、梅兰日兰(法国)、西门子(德国)、ERREPI(意大利)、Powerware(美国爱克赛)和Silcon(美国APC)等都推出了具有并联功能的逆变电源产品且一般都可并联台以上。在国内华中科技大学、西安交通大学、南京航空航天大学、台达电源、中兴电源、爱默生网络能源公司等高校和公司也对逆变器并联技术进行了大量的研究工作并已经取得了相应成果【‘琊】。..逆变电源并联的要求与现有的并联控制技术...逆变电源并联的技术要求逆变电源并联技术既是余度供电技术中的关键技术也是提高电源供电系统可靠性的关键技术之一。一个好的逆变电源并联供电系统应具有如下功能‘“l:()并联的逆变器能够自动投入电网投入时对电网电压和电流的冲击小。这就要求控制逆变器输出电压与电网电压之间的频率、相位、幅值、波形和相序等参数差别小于允许误差时才能投入电网否则会给电网造成强烈冲击:()在输入电压和负载变化范围内每台逆变器平均分担负载电流。各并联模块若不能实现负载功率均分负载较重的模块因为长期工作在过载状态承受过大的热应力和电应力会降低并联系统的可靠性:()当均流或者同步异常以及单台逆变器出现故障时并联系统应该能够快速检测故障逆变器并将其从电网中切除在故障模块发生故障和从电网切除的过程中不影响负载的正常工作:()系统应该有N十或者N冗余度即任意切除一个或者两个子模块不会降低南京航空航天大学博士学位论文整个电源系统的额定功率(系统应具有热插拔功能即在线投入和切除任意模块。...逆变电源并联控制技术逆变电源并联技术的研究始于世纪年代。目前欧荚等国家和地区的多个公司和研究机构根据不同的控制策略推出了具有并联功能的逆变电源产品。总体而言得到比较广泛应用的逆变电源并联控制方法可咀分为电流跟踪控制法、功率误差控制法、串联限流电感法和频率电压下垂特性控制法(无互连线控制技术)四大类下面分别加以说明。A.电流跟踪控制法电流跟踪控制法的控制思想是在基于瞬时电压电流双闭环控制逆变器的基础上通过控制各并联模块的输出电流跟踪给定电流变化实现负载均分。主从控制法是一种出现较早的并联控制方式其电路结构包括一个电压型逆变器(主模块)和N个电流型逆变器(从模块)图.给出了两种典型的控制框图。(a)E图.!主从控制并联系统原理图图.(a)是一种出现较早的并联主从控制方法其主要优点是:①并联系统不需测量负载电流和各模块输出电流易于扩大系统容量。②系统的均流效果好.其精度只取决于各从模块的一致性。ChenJ.F和ChuC.L等人在文献】中提出了另一种基于主从控制的逆变器并联系统其结构如图.(b)所示。在这种控制系统··无输出隔离变压器的逆变器并联系统研究中一个功率分配中心用于测量总的负载电流并给出各从模块的电流给定信号。这两种主从控制逆变器并联系统存在的主要缺点是:①主模块或者功率分配中心一旦失效整个系统无法工作。因此系统没有实现冗余可靠性不高。②并联系统从模块的数目会影响并联系统的稳定性p“J。文献【的作者提出了一种平均值控制并联方法其控制框图如图.所示。这种控制方案的特点是:各并联模块基准『F弦波同步、平均后得到的平均值作为各模块电压调节器的基准信号各模块输出电压反馈信号的平均值作为各模块电压调节器的电压反馈信号各模块电压调节器输电压的平均值作为各模块电流调节器的给定信号。因此各模块输出滤波电感电流均跟踪给定电流变化能够实现各模块均分负载电流。其缺点是:各模块间的模拟信号线较多易受干扰并联控制电路复杂可靠性降低口^“。同步信号鳢幽.平均值控制并l|j}系统原理幽文献月JJ提出了一种基于电流跟踪控制的C型逆变器并联控制方案。这种方案中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在功率输出方面形成并联关系。图.即为由两个模块组成的基于C型控制方案的并联系统原理框图。闰.C型逆变器并联控制框图南京航空航天大学i霉士学位论文逆变器并联时由于c型控制方案主动引入其它模块的电流信号从而强化了各并联模块间的耦合关系。控制电路中存在环形的信号通路虽然每一模块仅接收上一模块的信号但是信号中已经包含了其它模块的电流信息。根据这些信息采用适当的控制器可以实现各模块均分负载电流。这种并联控制方案有明显缺点如并联控制器比较复杂设计难度大以及不能实现冗余并联控制等。B.功率误差控制法“’””“从理论上讲DC/AC逆变模块的并联要求控制各模块输出电压的频率、相位和幅值以及逆变器等效内阻抗完全相等才能实现各并联模块输出电流(功率)完全相等。实际上每个DC/AC逆变模块的参数不可能完全相同飞机上应用则由于环境温度变化范围很大更容易造成各模块参数不一致:各逆变模块的基准正弦波的频率和幅值也会有微小差异频率的微小差异会导致各模块输出电压相位差的逐渐增加。尽管造成各模块输出功率(电流)不均衡的原因很多但最后都可归结为两个方面:()相位差造成()幅值差造成。因此通过检测各模块输出功率差根据某种控制规律相应调节各模块输出电压的幅值和相位可以实现备并联模块均分负载电流这里将这一类方法称之为功率误差控制法。现以两台电压源逆变器并联系统为例进行分析其原理如图.所示。图.电压源逆变器井联系统模型假设每个逆变模块输出端到并联汇流条的等效电阻很小可以忽略不计Ⅸ.和邑是线路感抗虬。z仍、U么奶和V。ZO分别是模块和模块以及并联汇流条电压a为了简化分析令口l=肼:=∥。由图l可以得到模块l和模块的输出电流分别为k型型专粤丛生()j。::坠!!!塑±!!!!型二竺堂㈤、设逆变模块输出有功功率和无功功率分别为只和Q块l供给负载的复功率为,tlSI=鼻Ql=U“C视在功率为S。则模一丕笪坐堕曼至垦塑竺望变量茎壁至笙竺塞由于一般逆变器并联系统各模块输出电压与并联汇流条电压之间的相位差很小故有sin仍z纪sinp。妒cos々ol=cosqz。由式(.)可以得到模块I输出有功功率和无功功率分别为只=毕媚()爿⋯、⋯’Q:型霉丝()同理可求得模块输出有功和无功功率表达式为只=半妒:(.)Q:型筝堡f式(·)“(·)说明各并联模块输出有功功率的大小主要取决于功率角p和口的大小输出无功功率的大小主要由各模块输出电压的幅值u。.和u。决定。茜止÷j通过检测各模块输出的有功环流和无功环流相应调节各模块输出电压的相位和幅值能够实现各并联模块均分负载电流。基于这种控制思想的逆变器并联系统控制()(b)图.功率误著并联控制方案幽.(a)中第七个逆变模块通过检测其自身输出电流与各并联模块平均输出电流之差得到环流信号再经过计算得到有功环流匕和无功环流鲔。根据只和Q一的大小调节逆变器输出电压的相位和幅值使得各模块输出有功功率和无南功率的偏差最小从而达到并联均流的目的。..由于单模块逆变器输出功率与其输出电压的相位有关文献】提出了另一种基于有功功率误差的并联控制方案其原理如图.(b)所示。电压螽节器可使逆甚器输出电压保持恒定幅值电流内环的限幅电路保证输出不会过载。单模块运妄磊南京航空航天人学博士学位论文根据其自身输出电流与各并联模块平均输出电流计算出环流i。以及环流的有功功率乃。啊被送到电流内环对电感电流进行调节岛经过处理后作为相位误差信号对逆变器基准正弦波相位进行调节实现各并联模块均分负载功率。目前这种控制方案已经在美国APC(AmericanPowersupplyCorporation)、美国Libert公司和意大利西力公司的并联电源产品中得到了应用。C.外加限流电感法“””在逆变器输出端串联电感是一种十分有效的抑制环流的方法。基于这种方法的逆变器并联系统原理如图.所示㈨。J一图.普通电感抑制环流原理图图.中互、Z:分别是逆变器等效输出阻抗厶、上:是环流抑制电感Z是负载阻抗uU。z及U“分别是两台逆变器空载输出电压和并联汇流条电压。为简化分析设L=L=LZ=Z=z根据图有U。I一(ZjcoL)。=U“(.)U。一(ZmE)n=U。n(.)定义两台逆变器之间的环流为j。:鱼二生:坠二生f(z十jmL)通常取jcaL>>Z由式(.to)可知逆变器输出端串联电感能够较好的抑制由于各并联逆变器输出电压幅值差和相位差引起的环流。但是要想达到很好的环流抑制效果必须使用较大的电感从而导致逆变器体积重量增加环流抑制电感上的电压降也相应增加。为了补偿电感上的电压降文献提出了~种相位反馈补偿法来解决这个问题。针对普通电感抑制环流时存在的上述缺点文N】介绍了一种可以用于两台逆变器并联的耦合电感法来抑制环流其工作原理如图所示。图.中三I和上:是绕在同一个铁心柱上的两个电感线圈其同名端如图所示。殴Lt=L=上Z=Z=Z当两个电感耦合系数为《=E=时有至塑坐堕曼銮墨墨墼丝銮矍茎些至釜竺f茎I●lIl一一一图.耦台电感抑制环流原理图●●●●●UmZloljoL(rtj。=Ut{U。一zlnjcoL(c,、=UⅢ●●●UⅢ=ZIjtIm|n、(.)()()并联逆变器之间的环流和负载电压分别为j。:尘二尘:坠二坠f』H=一【llqI(ZjcoLl一学Z().Z、。比较式(.)和式(.)的结果可知如果忽略逆变器等效输出阻抗用耦合电感抑制环流可以使环流减小为普通电感时环流大小的I/。此外分析式(.)可以发现并联汇流条电压只与逆变器等效输出阻抗和负载有关与环流抑制电感无关。因此使用耦合电感不仅能够获得更好的环流抑制效果还可以消除电感上的压降。D.电压频率下垂特性控制法。”””“这种并联控制思想仍然利用的是式(I.)~式(.)的结论即并联系统各逆变模块输出有功功率和无功功率分别是其输出电压相位和幅值的函数通过调节逆变器输出电压的相位和幅值可以控制其输出的有功和无功功率。因此当逆变电源并联运行时可以通过控制电路使各逆变模块输出电压的频率(相位)和幅值随输出有功功率和无功功率的增加而下降这样承担有功功率越多的模块输出电压频率降低越多承担无功功率越多的模块输出电压幅值降低越多最终各并联模块输出电压的频率和幅值会稳定在一个新的平衡点从而实现负载功率的均分和环流的抑制。基于频率电压下垂特性的逆变器并联控制方案如图.所示。任意逆变模块输出电压频率和幅值随输出有功功率和无功功率变化的规律为f=。一m:Pjt。、u=u。一行Qf.)!!堡坠竺鉴苎苎竺坚.!兰!兰丝兰一一一式l|。、∽分别址笫f个逆变模块空载输出电压频率和幅值m、n分别是第f个逆娈帧块输j⋯n胍频j私嵌出系数利忆值衰减系数。U.U。lQ:Q(b)删逆变器并暇系统蝴牢L乜乐F难特性控制示意幽儿“粜¨{汪个逆坚帧块能他根圳蚝!l定容靖分担负载任意模块的频率衰减系数朋舢‰缸嵌波系数岳满足如li条件朋IS{=S二=···=朋^S女(I.)t。S="S=··="女S^(.)川ls、、S、⋯、s。分刖址再外暇模块的额定输出功率。j是r蝴半U脏Ft特z㈨’n逆变擀并联控制原理框图.所示。㈧I、J.!』。蝴率jU压rm:特性行联控制原理址然I¨j:俘n『U¨三和频:红F咂特性』:联后随着负载的投入输出电压的幅值刖%}:嗣j会低J:i!拽值。此外寝减系放越大各并联模块均分负载的效果越好似足输⋯IUJ¨JJ蛳仳棚频率精J业比越蘑。面介绍的控制方案仅考虑了有功功率和厄J山J山红均分ll能适川一旦·r:负披对rII线性睫载由于波形畸变仔在谐波功术f义:jr/一P、∥一u州币控删九法’戈珧功牢均分。针刈l:述问题文献【..'】提H了坤i一懈决j:『。÷』jIlJJ楸越l计早波助牢f人小凋WIujE增益。。¨皆波功率人时l乜爪增:I小输⋯n抗尚许波』J』半小州lUjli增益火输出阻抗低。这样就能在电·无输出隔离变压器的逆变器并联系统研究压增益与谐波功率之间建立下垂特性关系使各并联模块按比例分担谐波功率。这种控制方案的最大优点是可以实现各逆变器无通讯线N冗余控制是一种值得深入研究的方法。..一种新的基于耦合电感的逆变器并联系统环流抑制方法由前文的分析可知外加限流电感是一种十分有效的逆变器并联系统环流抑制方法。文献提出的基于耦合电感的环流抑制方法不仅解决了用普通电感抑制环流时产生的并联系统稳态电压精度降低的问题还提高了电感的环流抑制能力。但是上述文献都只是对两台逆变器并联时耦合电感抑制环流的原理作了介绍在并联模块数"≥时能否用耦合电感以及如何使用耦台电感抑制环流尚未见到文献报道。本文对上述问题进行了研究得到了任意模块数”("≥)时耦合电感的设计方法。基于耦合电感的n("≥)台逆变器并联系统原理如图所示。幽.多台逆燹器并联系统耦台电感抑制环流原理图.中令输出阻抗互=Z一乙=z电感值厶=厶一.=£:L为防止电感饱和每个电感均有气隙。设k。是任意两个电感三.与上之间的耦合系数M是电感L与L之间的互感。根据耦合系数的定义K⋯=M。/、Z:i如果图.中各电感完全耦合贝JJ:fi’.盯。K⋯赢石(.)实际上要做到任意两个电感之间完全耦合几乎是不可能的即有K。。s/(n一)。不妨设任意两个电感实际耦合系数为≮。。K,/(nO(K≤)则任意两个电感之间的互感表达式为r吖Ⅳ=吖若(≤fJ≤”)(.)当逆变器并联系统各模块输出电压的相位和幅值不相同时备模块闯存在有功南京航空航天大学博士学位论文和无功环流。设j。j。:⋯j。分别是各模块输出电流j。是总的负载电流其参考方向如图.所示。定义。一:⋯Im是并联系统模块问的环流其值为各模块输出电流与单模块平均输出负载电流之差即IM=。。一。/"(≤f≤.v/)(.)由于环流只在逆变器并联系统各模块之间流动由基尔霍夫电流定理可得FJⅢ=o(.)f设并联汇流条电压为U“负载阻抗为Z则有U“=乙∑“=Zn(.)i=l设并联系统各模块空载输出电压为己。(≤i≤H)由基尔霍夫电压定理(KVLI)可得方程组●●●●●●UnIUnL=(ZljcoLl)IoIjcoMu“一jcoM¨一t·一jcoMl。w●●●●●●U葩一U“=一以AZ.tf“(zjoJL)。一埘In’·····一joJM.。fnnn.)●●●●●●。u帅一u州=一jcoM帆IolfroM玑n‘’···一joJM川H一l(z越)』唧联立式(.)~式(.)解方程式(.)可得环流和负载电压的表达式为IH,=∞一)}nU。一∑U。竹(月一)ZjcoL(nK一I)(≤i≤t)(.).z【∑UwUⅣLnZLZ』生(K,)一jcoL(.、根据式(.)*n式(.)分别令三=、K=以及K=可以得到直接并联、电感不耦合、电感完全耦合三种情况下环流和负载电压的表达式如表.所示。分析表.可知耦合电感抑制环流的能力优于普通电感。对于图.所示的由”台逆变器组成的并联系统根据表.可以得到用耦合电感和非耦合电感抑制环流两种情况下环流的比值为ZicoL"一KH。ZjncoL/(n)了(·)n\⋯。式(.)表明利用耦合电感可以使环流减小为普通电感抑制环流时环流大小的∽一)/na此外从表.也可看出逆变器直接并联和利用耦合电感抑制环流时负载电压的表达式相同说明耦合电感不影响并联系统的稳态电压精度。无输山隔离变压器的逆变器并联系统研究表.三种情况时环流和负载电压比较f环流负载电压●月●"●nU。一了jU。ZyU。l直接并联笪‘』一。二L"ZnZ^ZnU一∑U。zi∑U普通电感n(ZjcoL)nZLZjcoLnU一∑u。z.∑U。耦合电感nzjnmL/(n)nzz.本文的选题依据目前对逆变电源并联控制技术的研究已经取得了较大进展但是仍然有部分理论性的问题和关键技术需要研究和解决这些问题主要有:()隔离变压器和直流环流问题。当前大多数并联系统单模块逆变器输出端装配有低频隔离变压器。低频隔离变压器的体积和重量会增加并联系统的体积和重量降低并联系统的功率密度而逆变器直接并联则可以避免上述问题。但是对于无输出隔离变压器的电压源逆变器并联系统逆变器控制电路中运算放大器的零点漂移功率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””。由于逆变器等效直流内阻很小各并联模块输出电压中直流分量的较小差别都会产生较大的直流环流【】。因此对于无输出隔离变压器的逆变器并联系统如何检测和抑制直流环流是首先要解决的问题之一。()无输出隔离变压器的逆变器并联系统环流特性分析及其并联控制方法。前文介绍了基于功率误差控制和基于电压频率下垂特性的逆变器并联控制方法尤其是后者由于这种控制方案能够实现逆变电源无互联线N冗余并联控制因而受到了广泛关注。这两类并联控制方案都是基于式(.)~式(.)的结论即各并联模块输出有功功率的大小主要取决于其输出电压相位角缈和妒:的大小输出无功功率的大小主要由各模块输出电压的幅值U。。和U。:决定通过调节各模块输出电压的相位和幅值能够分别调节各模块输出有功功率和无功功率,。本文通过对基于输出电压和滤波电感电流双闭环控制逆变器并联系统的研究发现用上述均流控制方法会产生较大误差。本文对这种误差存在原因及其解决方法进行了研究。()SPWM逆变器已经在大功率UPS、变频调速系统等很多场合得到了应用。南京航空航天大学博士学位论文目前已经有很多文献对SPWM逆变器逆变桥臂控制信号死区时间对逆变器输出电压的影响进行了研究‘“”l。这些研究基本上都是建立在SPWM逆变器开环工作的基础上对于控制信号死区时间对闭环控制SPWM逆变器及其并联系统环流特性的影响.目前尚未见到有文献报道。本文在这方面做了一些工作。.本文研究的主要内容本文主要以双闭环控制逆变器和SPWM逆变器作为研究对象对无输出隔离变压器的逆变器并联系统相关问题进行了研究。全文共分为五章。本文第一章首先介绍了逆变器并联运行系统的研究背景、研究意义与研究现状对现有的逆变电源并联控制技术进行了分析和总结指出了逆变器并联系统中需要进一步解决的问题确定本文的研究对象为无输出隔离变压器的逆变器并联系统。第二章主要对双闭环控制逆变器并联系统的设计以及并联系统直流环流检测与抑制方法进行了研究。本章首先介绍了双闭环控制逆变器工作原理分析了双闭环控制逆变器输出电压产生直流分量的原因讨论了逆变器输出电压直流分量检测以及数字调节原理与方法。最后介绍了双闭环控制逆变器并联系统设计方案分析了并联系统直流环流产生原因给出了双闭环控制逆变器并联系统直流环流检测与抑制方法。第三章对双闭环控制逆变器外特性及其并联系统环流特性与并联控制方案作了研究。本章首先从等效输出阻抗的角度对双闭环控制逆变器外特性及其并联系统环流特性作了分析研究了逆变器输出滤波电感和输出端串联电感对并联系统环流特性的影响。然后分析了传统的基于功率误差的逆变器并联控制方案存在的不足针对双闭环控制逆变器并联系统环流特性提出了适用于双闭环控制逆变器并联系统的基于功率误差的并联控制方案和基于频率电压下垂特性的并联控制方案。第四章对SPWM逆变器外特性及其并联系统环流特性进行了研究。根据逆变桥臂死区效应造成的谐波电压的特征得到考虑死区效应的闭环SPWM逆变器控制模型分析了死区时间对SPWM逆变器外特性和并联系统环流特性的影响并进行了仿真和实验验证。第五章对本文的研究工作进行总结展望了下一步的工作。.本章小结本章主要对逆变电源并联运行系统的研究背景、本文的选题依据以及主要研究内容等做了阐述:··无输出隔离变压器的逆变器并联系统研究.介绍了逆变电源并联运行系统的研究背景分析了逆变电源并联运行系统的研究意义与研究现状。.将目前得到较多应用的逆变电源并联控制技术分为四类并介绍了其主要特点针对耦合电感法抑制并联系统环流时存在的问题提出了一种新的基于耦合电感的逆变器并联系统环流抑制方法这种方法具有如下特点:()适用于具有任意模块数和任意模块电路结构的电压源逆变器并联系统:()利用耦合电感抑制环流可使环流减小为普通电感抑制环流时环流大小的m一)/”其中"是并联系统模块数()耦合电感不影响逆变器并联系统的稳态电压精度。.分析和总结了现有逆变电源并联控制方案的特点阐述了逆变电源并联控制技术中需要进~步研究的问题以及本文的选题依据介绍了本文的主要研究内容。南京航空航天人学博士学位论文.引言第二章双闭环控制逆变器及并联系统直流环流检测与抑制方法电流控制技术可以使逆变器获得良好的稳态和动态性能便于逆变器并联运行为并联系统性能打下基础【,。双闭环控制逆变器采用输出电压和输出滤波电感电流瞬时反馈控制技术电压调节器将基准正弦波与输出电压反馈信号经过比例积分运算后作为电感电流的给定电流调节器通过三态滞环电流控制使逆变器输出滤波电感电流跟踪电感电流给定信号。由于电流内环相当于⋯个电流跟随器具有自然限流能力适合于并联运行。因此本章主要以双闭环控制逆变器并联系统为研究对象对无输出隔离变压器的逆变器并联系统相关问题进行研究。无输出隔离变压器的逆变器并联系统能够解决低频隔离变压器带来的体积重量增加和功率密度下降等问题。但是对于无输出隔离变压器的电压源逆变器并联系统逆变器控制电路中运算放大器的零点漂移功率丌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由于逆变器等效直流内阻很小各并联模块输出电压中直流分量的较小差别都会产生较大的直流环流。因此对于无输出隔离变压器的逆变器并联系统如何检测和抑制直流环流是首先要解决的问题之一。本章首先介绍了双闭环控制逆变器的工作原理讨论了逆变器基准正弦波设计方法以及基准正弦波高精度幅值和频率调节方法。然后具体分析了双闭环控制逆变器输出电压产生直流分量的原因介绍了逆变器输出电压直流分量高精度检测方法提出y种逆变器输出电压直流分量数字调节方法并进行了对比。最后给出了双闭环控制逆变器并联系统直流环流检测与抑制方法并进行了实验验证。.双闭环控制逆变器工作原理与基准正弦波的设计..双闭环控制逆变器的结构与工作原理本文研究的双闭环控制逆变器主电路采用全桥结构其主电路和工作原理分别如图.(a)和图.(b)所示其中U是逆变器基准正弦波U是输出电压反馈信号是滤波电感电流反馈信号a其工作原理是:电流调节器对逆变器输出滤波电感电流进行三态滞环控制使之跟踪电流给定信号。从而提高系统的动态性能电压lS九输{Il稍高窆Jl、擀I'l"J逆受器J联系统研究外J下惭j吲iiI弦波’J迎业措犏f反馈lUJIi信号U棚比较产乍的跌麓信纤比例杉!分运”肝作为I【!流|~蚪旧给定.从叭达到稳』J!的H的使双刚环控制逆变器J.}仃仇囊的阽艟.HI“IJ}J寸r矧.逆业器p,Ix路及其挖制原圳小fUI‘“i"J“IdJJ、拧圳逆坚{:{】U爪【J=Idr擀干¨电流调节器电路(【||图.J,J÷。定义’I:ml州¨器比似糸数乃凡=/j凡、."t'b系数tq.=I(RG)输⋯I乜爪反锁系数乃Ⅳ=/://、I【!’出UjicJi纠i系数为凡=IR。I。挖书¨b路讹’数足。:/、/:。UfU小川蚓椰劁.I】J以f‘f刮舣川环拎制逆变器结构框图如蚓所爪。JrrIK⋯≮≮琴数的定义如|li『tJ进K垃{L!流内坏I乜流误差放大倍数。|||ItIdJJ下控制逆业器结构={l利..本文研究的双闭环控制逆变器主要参数小卫叭跚:J舣川』小托圳逆变器}:。挺技术参数见表.』圻示。·】·南京航空航天大学博士学位论文表.双闭环控制逆变器主要技术参数输入电胜V输Ⅲ电压V输出电压频率Hz额定输出电流A{总谐波含量≤%阻性满载效率≥%本文研究的双闭环控制逆变器主要结构参数和控制电路参数分别见表.和表所示。表.双闭环控制逆变器主要结构参数f输入滤波电容嫒输出滤波电感lmHI输出滤波电容ktF主开关管IGBTBSMGBlDNl运算放大器LM滞环电流比较器LM表双闭环控制逆变器主要控制参数l电压调节器比例系数电压调节器积分系数.l输出电压反馈系数l电感电流反馈系数【控制电}l苦常数电流滞环宽度±lV..CKB的特点及其功能。。“本文研究的并联系统控制芯片是单片机CKB是由Intel公司生产的MCS系列单片机其内部结构框图如图.所示。图.单片机CKB内部结构框图无输出隔离变压器的逆变器并联系统研究单片机CKB的主要组成部分是寄存器文件(RegisterFile)和寄存器算术逻辑运算单元(RALU)。CPU可以通过特殊功能寄存器组(SFR)和存储控制器(MemortController)与外部进行数据传送。RALu具有累加器的功能可以直接在组成寄存器文件的个字节寄存器空间旱进行操作使得CPU能够对运算前后的数据进行迅速变换同时提供高速的数据处理能力和频繁的输入输出能力。定时器CKB芯片内部有两个位硬件定时器可供使用分别记作定时器T和定时器T。这两个定时器都可以向相应的特殊功能寄存器读取定时值它们共用一个中断向量入口地址。定时器Tl主要用于HSI(高速输入)韶件使事件的发生与实时同步在晶振频率为MHz时最小计时时阳J为微秒定时

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