下载

1下载券

加入VIP
  • 专属下载特权
  • 现金文档折扣购买
  • VIP免费专区
  • 千万文档免费下载

上传资料

关闭

关闭

关闭

封号提示

内容

首页 一种用于无互连线逆变器并联的多环控制方法

一种用于无互连线逆变器并联的多环控制方法.pdf

一种用于无互连线逆变器并联的多环控制方法

love22206
2014-01-07 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《一种用于无互连线逆变器并联的多环控制方法pdf》,可适用于高等教育领域

年月电工技术学报VolNo第卷第期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYJan一种用于无互连线逆变器并联的多环控制方法姚玮陈敏陈晶晶朱鹏军钱照明(浙江大学电气工程学院杭州)摘要针对传统逆变器无线并联系统稳态均流精度低和动态响应差等缺点提出基于传统无线并联下垂法的新型多环控制结构分析了逆变器并联系统有功和无功功率的环流模型。在传统的双环控制结构中增加了负载电流和输出电压补偿环提高了单台逆变器的性能基于PQ下垂系数法增加了瞬时电压基准补偿环和输出阻抗调节环提高了系统的动态均流能力和对线阻抗等参数不平衡的调节能力。仿真和实验结果均验证了该方案的良好性能。关键词:无线并联逆变器环流多环控制中图分类号:TMAnImprovedWirelessControlStrategyforParallelOperationofDistributedGenerationInvertersYaoWeiChenMinChenJingjingZhuPengjunQianZhaoming(ZhejiangUniversityHangzhouChina)AbstractInthispaper,anovelcontrolschemeispresented,whichisabletoimprovethetransientresponseandpowersharingaccuracyofparallelconnectedinverterswithnocontrolinterconnections,andtheactiveandreactivecirculatingcurrentoftheparallelsystemmodelareanalyzedAmultipleloopcontrollerisdevelopedbasedonthetraditionaldroopmethodTheoutputvoltageandloadcurrentcompensationloopsareaddedintheschemetoimprovetheperformanceandrobustofsingleinverterTheinstantaneousreferenceadjustmentloopandvariableimpedanceadjustmentloopareaddedtoenhancedynamicperformanceofparallelinverters,aswellasreducethecirculatingcurrentattheparallelinverter’sstartupandrunningTheproposedcontrollerprovidesbothsteadystateobjectivesandagoodtransientperformanceSimulationandexperimentalresultsarereported,confirmingthevalidityoftheproposedcontroltechniqueKeywords:Parallelwithnocontrolinterconnections,inverter,circulatingcurrent,multipleloopcontrol引言随着电力电子技术的迅速发展越来越多的场合开始使用N+的分布式冗余供电系统以确保功率输出的可靠性和稳定性。大容量逆变器逐渐被许多个小逆变器所组成的并联系统取代大大增加了系统的灵活性和可靠性。对于逆变器的并联控制国外文献中提出了很多种方法但这些方法都需要在并联的单台逆变器之间有信号通信线来实现均流这些通信线不仅限制了逆变器地理位置上的分布同时这些额外的连接线更是给系统引入了干扰。所以有互连线的逆变器并联系统不能称之为真正意义上的分布式冗余系统。无互连线并联是指并联逆变器模块间仅有交流母线相连而没有别的信号线相连。这是一种完全冗余的并联方案具有广泛的应用领域。无线并联方法只需要检测逆变器自身的输出通过调整自身输出电压的频率和幅值来控制输出的有功和无功功率实现整个并联系统的功率均分和稳定。但是这种传统的PQ下垂系数法存在动态响应慢和周期性调节的固有缺点因为它需要通过低通滤波器计算每个工频周期逆变器输出的有功和无功功率。并且由于各种条件制约逆变器输出连线阻抗有差异国家自然科学基金资助项目()。收稿日期改稿日期第卷第期姚玮等一种用于无互连线逆变器并联的多环控制方法会很大程度上影响均流的效果国内外文献对输出阻抗和线阻抗的影响也进行了系统研究并针对无线并联系统调节稳态精度和动态性能提出了相应的改进方法。本文主要基于传统的PQ下垂法提出一种新颖的多环控制结构。该方案相比传统下垂系数法可以提高无线逆变器并联系统的瞬态响应性能和稳态功率精度。整个控制结构分成两个部分:①针对传统的双环控制增加了负载电流和输出电压的反馈补偿提高单台逆变器的输出性能和增强对负载的适应性②基于无连线PQ下垂法增加了瞬时基准补偿环和输出阻抗调节环改善系统的均流动态特性和静态精度。最后根据本文提出的控制策略进行了仿真和实验验证。逆变器并联系统分析系统环流特性分析图所示为两台逆变器并联的等效输出模型。uo和uo分别是两台逆变器的输出电压uo是交流母线电压忽略连接线阻抗的影响Z=RijXi为两台逆变器模块的等效输出阻抗并且简单地认为Ri=Ri=RiXi=Xi=Xi等效阻抗输出角为α。系统的环流为iH有功和无功环流分别为PH、QH并推导如下:令oouUδ=∠�oouUδ=∠�()当δ=δUo≠Uo时oooHiiii(j)UUUiRXRXα−∆==∠−()ooHiicosUUPRXα∆=()ooHiisinUUQRXα∆=()图逆变器并联等效输出模型FigEquivalentmodeloftwoparallelinginvertersystem()当Uo=Uoδ≠δ∆δ=δ−δ时oooHiiii(j)UUUiRXRXδδα−∆π∆⎛⎞=≈∠−⎜⎟⎝⎠()ooHiisinUUPRXδα∆=()ooHiicosUUQRXδα∆=−()从上式可以看出两台逆变器输出电压的幅值和相位的差异决定了逆变器并联时系统环流的大小并且环流的大小和逆变器模块的输出阻抗成反比。两台逆变器输出电压同幅不同相有功环流和无功环流比值为tanα当输出电压同相不同幅时有功环流和无功环流的比值为cotα。下垂系数控制法每个并联的逆变器都需要通过连接线连到交流母线。如图所示把逆变器等效成为一个有内阻的电压源。由于闭环控制技术和滤波电感的使用逆变器的等效输出阻抗大多呈感性记ZXθ∠≈∠°。根据图所示模型可以得到有功和无功功率表达式为ooosinUUPXδ=()oooo(cos)UUUQXδ−=()其中X为逆变器的输出阻抗δ为逆变器输出和母线交流电压的相位差δ非常小所以sin,δδ≈cosδ≈。对上面两式进行求导可得oooUUPXδ∆=∆()oooUQUX∆=∆()从式()、式()可知通过调节相位和幅值可以分别控制有功和无功功率。在实际应用中常通过调节输出电压的角频率来实现相位的调节。利用简单的一次函数实现下垂系数控制方法可得传统的PQ下垂法调节关系为mPωω=−()VVnQ=−()式()和式()所表示的下垂系数法中由于每个工频周期的有功和无功功率计算都需要在这个周期结束后才能得到所以存在固有的周期性响应慢的缺点。传统的PQ下垂系数法用于无互连线的逆变器并联系统具有瞬态响应慢的局限性并且下垂系数的大小和系统的输出阻抗、连线阻抗对系统的各种性能起着至关重要的影响。无互连线并联逆变器多环控制结构针对无互连线的逆变器并联系统本文提出一电工技术学报年月种基于传统下垂系数法的改进型多环控制策略。它可以根据系统参数差异引起的输出电流变化瞬时调整电压基准以减小环流并能根据自身的输出无功环流适当调节输出阻抗提高并联系统的有功和无功功率稳态精度提供较好的响应速度。图所示为本文提出的无互连线并联逆变器多环控制结构示意图。这种新颖的控制结构在传统控制结构基础上增加了两个部分:①输出电压和负载电流补偿环②瞬时基准补偿环和输出阻抗调节环。图无互连线并联逆变器多环控制结构FigProposedmultipleloopcontrolschemeforparalleloperationofinverterswithnocontrolinterconnections输出电压和负载电流补偿环图所示为针对单台逆变器使用的控制框图。三个反馈信号分别是电感电流iL负载电流io和输出电压UoKPWM为逆变器的等效输出增益。电感电流和输出电压分别用来构成电流内环和电压外环并在普通的双环结构上增加了输出电压反馈补偿和输出电流反馈补偿。(a)(b)图输出电压和负载电流补偿环示意框图FigBlockdiagramoftheoutputvoltageandloadcurrentcompensationloops如图a中虚线所示把输出电压反馈补偿增益设为KPWM这样输出电压对控制系统的两个环路可以互相抵消从而可以基本消除负载对系统的扰动。根据内模原理当电流内环增益足够高时电流内环在电压外环的分析中可以简单地认为是一个常数增益Kfi以简化电压外环的分析。同理如图b中虚线所示增加了负载电流补偿环从而能较好地抵消负载变化对系统的性能影响。根据图所示的控制框图得到系统增加补偿环后的系统传递函数如式()所示可以看到系统传递函数通过补偿之后不存在和负载有关的项所以系统的控制性能随负载变化而产生的影响减小大大增加了系统的鲁棒性。oref()()()VAsGsVBs==()式中pcPWMicPWM()AsKKKsKKK=fcPWM()()iLBsLCsKKKCrCs=fcPWMpfcPWMivvKKKKsKKKK图所示为没有增加输出电压和负载电流补偿环时逆变器双环控制系统的频域特性。在没有补偿之前控制系统的带宽和相位裕度都会随着负载的增加而变差和不稳定。新的控制结构增加了输出电压和负载电流补偿环之后可以消除由负载变化所引起的对控制系统特性的影响使系统在各种负载条件下能够保持稳定。图无补偿环时控制系统频率响应特性FigThefrequencyresponseofthesystemwithoutcompensationwhenloadvariation瞬时基准调节环和输出阻抗调节环整个控制系统通过DSP编程实现其中PLL锁相控制环也是通过DSP检测过零点电压然后启动以实现热插拔功能。但是当一台逆变器刚接入交流母线时由于PLL模块检测误差和控制延时不可避免的会有一个瞬时环流引入。环流的峰值可以由下式表示:第卷第期姚玮等一种用于无互连线逆变器并联的多环控制方法opUILϕω≈×∆()式中∆ϕ接入母线时的相位差Uo输出电压ωL等效阻抗在传统的下垂系数方法中输出电压的幅值和频率必须在每个工频周期之后才能调节所以刚接入交流母线时的启动环流较大。为了减小这种初始的环流尖峰在原有的下垂系数法中增加了一个瞬时的电压基准调节环。传统方法必须在每个工频周期计算有功和无功功率之后进行本文采用的电压基准调节不同于传统调节通过采样输出电流在有大的环流流动时提供电压基准的瞬时调节立即减小环流消除环流尖峰大大增加了系统的稳定性和可靠性。瞬时电压基准调节环如图所示输出电流经由一阶高通滤波器叠加在电压基准上。正常时输出电流都为低频信号当存在环流尖峰时瞬时对电压基准提供补偿使系统环流瞬时减小。在ωi的选择上ωi必须大于输出电压频率不然会对系统本身的电压外环反馈造成影响。在实际中可以综合谐波电流的频率和系统的阶跃响应特性选择合适的ωi。图瞬时电压基准调节环FigThediagramoftheinstantaneousreferenceadjustment根据本文提出的逆变器多环控制结构如图所示逆变器的输出阻抗表达式为oo()()()VCsRsDsi==()式中()LCsLsrs=−−fcPWM()()iLDsLCsKKKCrCs=fcPWMpfcPWMivvKKKKsKKKK根据式()分析可知电压环PI调节参数中积分系数对输出阻抗影响很大间接决定了对环流和线阻抗的敏感度。图所示为逆变器系统输出阻抗随积分系数变化的频域特性。可以看出在工频周围系统输出阻抗接近电感性并且在工频频率周围输出阻抗的大小随着电压环PI环节积分系数Ki的变大而迅速变大。图逆变器输出阻抗随积分参数变化的频域特性FigThesensitivityofinverteroutputimpedancewiththeintegralcoefficient(Ki)variation针对逆变器控制系统的这种特性本文提出了用于抑制系统无功环流的输出阻抗调节环如图所示。逆变器根据系统检测自身的无功功率而改变积分系数的大小。在正常工作时由于系统环流很小逆变器的积分系数接近正常值当系统出现很大的环流时这种环流通常表现为无功环流的增加所以通过检测输出无功功率能够及时得到环流信息从而调节输出阻抗。根据式()系统增加输出阻抗无功环流被减小并随着环流的减小积分系数又回到正常值。输出阻抗调节环的加入提高功率均分精度并快速地抑制环流的产生。图逆变器输出阻抗调节环FigThevariableimpedanceadjustmentloop仿真和实验结果基于上述理论分析设计了两台基于DSPTMSLFA控制的单相kW逆变器,组成无互连线并联系统。每个逆变器由单相全桥电路构成开关管工作频率为kHz并通过LC滤波器输出V工频交流电压。逆变器控制系统根据前述的多环控制结构设计并增加了跟踪市电和支持热插拔的锁相模块。在系统启动时经过一个软启动过程跟踪上母线电压后控制输出继电器逆变器并入交流母线实现并联。并根据实际设计的参数和模型基于MatlabSimulink建立了仿真模型。电工技术学报年月图a和图b表示了在两台逆变器存在一定的初始相位差时并联的仿真波形。相比传统的PQ下垂法改进多环控制系统的初始环流峰值大大减小。改进的多环控制系统具有更好的动态均流性能和功率均分精确度。(a)未改进启动环流波形(b)改进后启动环流波形图并联系统环流仿真FigSimulationresultsofparallelinverterssystem在实际实验中两台逆变器的连线阻抗有一定差值根据实验结果可知并联系统的环流可以做到非常小并联时逆变器的输出电压在线性和非线性负载条件下都保持了很好的正弦度在逆变器接入交流母线并联时能迅速的实现均流。实验波形如图所示。(a)逆变器并联时的输出电压波形(b)逆变器并联时的环流波形(c)整流性负载条件下逆变器并联输出电压、电流波形(d)第台逆变器接入交流母线时第一台逆变器的输出电流波形(e)第台逆变器接入交流母线时的输出电流波形图逆变器并联实验波形FigExperimentalresultsofparallelinverterssystem结论本文基于传统的下垂系数法提出了新型的用于逆变器并联的多环控制系统并在控制结构中增加了负载电流和输出电压补偿环提高了单台逆变器的性能并基于PQ下垂法增加了瞬时电压基准补偿环和输出阻抗调节环提高系统的均流响应速度和对线阻抗等参数不平衡的调节能力。文中分别从频域和时域对系统进行了分析检验。仿真和实验结果均表明了所提出的多环控制系统不仅具有良好的负载特性和输出特性并在并联中具有较强的参数适应性、良好的动态响应性能和均流性能。参考文献CByungchoComparativestudyonparallelingschemesofconvertermodulesfordistributedpowerapplicationsJIEEETransactionsonIndustrialElectronics,,:WuTF,HuangYH,ChenYK,etalACstrategyformultimoduleinvertersinparalleloperationtoachieveanequalcurrentdistributionJPESC’Record,thAnnualIEEE,,():STamai,MKinoshitaParalleloperationofdigitalcontrolledUPSsystemCProcIntConfIndustrialElectronics,ControlandInstrumentation第卷第期姚玮等一种用于无互连线逆变器并联的多环控制方法Conf,:OgasawaraS,TakagakiJ,AkagiH,etalAnovelcontrolschemeofaparallelcurrentcontrolledPWMinverterJIndustryApplications,IEEETransactionson,,():JMGuerrero,LGarciadeVicuna,JMatas,etalAwirelesscontrollertoenhancedynamicperformanceofparallelinvertersindistributedgenerationsystemsJIEEETransPowerElectron,,():ATuladhar,HJin,TUnger,etalControlofparallelinvertersindistributedacpowersystemswithconsiderationoflineimpedanceJIEEETransIndApplicat,,():姜桂宾,裴云庆,杨旭,等SPWM逆变电源的无互联信号线并联控制技术研究J中国电机工程学报,,():JiangGuibin,PeiYunqing,YangXu,etalParalleloperationofsinusoidwaveinverterswithoutinterconnectionJProceedingsoftheCSEE,,():JMGuerrero,LGarciadeVicuna,JMatas,etalWirelesscontrolstrategyforparalleloperationofdistributedgenerationinvertersJIEEETransIndElecron,,():JMGuerrero,LGarciadeVicuna,JMatas,etalOutputimpedancedesignofparallelconnectedUPSinverterswithwirelessloadsharingcontrolJIEEETransIndElectron,,():JMGuerrero,LGarciadeVicuna,JMatas,etalAwirelesscontrollertoenhancedynamicperformanceofparallelinvertersindistributedgenerationsystemsJIEEETransPowerElectron,,():林新春,段善旭,康勇,等UPS无互联线并联中基于解耦控制的下垂特性控制方案J中国电机工程学报,,():LinXinchun,DuanShanxu,KangYong,etalThedroopcharacteristiccontrolschemebasingondecouplingcontrolintheparalleloperationofUPSwithnocontrolinterconnectionJProceedingsoftheCSEE,,():林新春,段善旭,康勇,等基于下垂特性控制的无互联线并联UPS建模与稳定性分析J中国电机工程学报,,():LinXinchun,DuanShanxu,KangYong,etalModelingandstabilityanalysisforparalleloperationofUPSwithnocontrolinterconnectionbasingondroopcharacteristicJProceedingsoftheCSEE,,():作者简介姚玮男年生博士研究生主要从事逆变器及其并联、并网等方面的研究。陈敏男年生博士后讲师主要从事逆变器系统、高强度气体放电灯电子镇流器等方面的研究。

用户评价(0)

关闭

新课改视野下建构高中语文教学实验成果报告(32KB)

抱歉,积分不足下载失败,请稍后再试!

提示

试读已结束,如需要继续阅读或者下载,敬请购买!

文档小程序码

使用微信“扫一扫”扫码寻找文档

1

打开微信

2

扫描小程序码

3

发布寻找信息

4

等待寻找结果

我知道了
评分:

/6

一种用于无互连线逆变器并联的多环控制方法

VIP

在线
客服

免费
邮箱

爱问共享资料服务号

扫描关注领取更多福利