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电压电流双闭环反馈逆变器并联控制_徐顺刚.pdf

电压电流双闭环反馈逆变器并联控制_徐顺刚

yuanfenxinkong
2014-01-07 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《电压电流双闭环反馈逆变器并联控制_徐顺刚pdf》,可适用于高等教育领域

电压电流双闭环反馈逆变器并联控制徐顺刚许建平曹太强(.西南交通大学电气工程学院四川成都.重庆师范大学物理学与信息技术学院重庆)摘要:对电压电流双闭环反馈控制单相逆变器的输出特性进行了研究给出了单相逆变器并联系统的等效模型分析了并联系统中电流环流与逆变器基准信号幅值和相位的关系并在此基础上提出了一种通过对逆变器输出电流进行有功、无功分解然后对基准信号的幅值和相位进行解耦控制的逆变器并联控制策略。针对单相逆变器的有功、无功电流分解问题通过构造三相对称电流运用瞬时无功理论对输出电流进行有功、无功分解从而得到输出有功电流、无功电流并给出电流分解的实现框图。基于上述原理研制了实验样机实现了台kV·A逆变器的并联运行控制实验结果验证了所提出方法的可行性和有效性。关键词:均流逆变器环流锁相环有功功率无功功率中图分类号:TM文献标识码:A文章编号:()收稿日期:--修回日期:--基金项目:国家自然科学基金资助项目()“十一五”国家科技支撑计划(BAGA)电力自动化设备ElectricPowerAutomationEquipmentVol.No.Oct第卷第期年月引言在逆变电源设计中多台逆变器并联运行是提高电源容量和增加系统可靠性的有效方法。逆变器并联运行的关键在于负载电流的分配要使负载电流在每台逆变器之间均匀分配就需要保证每台逆变器输出电压的幅值、相位及频率保持一致否则将产生环流。负载电流分配不均将有可能造成个别逆变器过载此外环流的存在将降低整个并联系统的效率及可靠性[]。目前常用的逆变器并联控制策略主要有主从控制[]、无互联线控制[]及分散逻辑控制[]种其中以采用环流功率进行均流控制的分散逻辑控制应用最为广泛。该控制思想是由建立在并机阻抗为感性基础上的电力系统同步电机并网理论演化而来认为输出有功功率取决于相位差输出无功功率取决于幅值差[]。但是为了减小装置的体积和提高系统的输出特性一般采取减小甚至去除并机电感的并联方式此时逆变器的并机阻抗特性受逆变器反馈控制参数的影响较大并联系统的均流性能不理想[]。本文分析了电压电流双闭环反馈控制单相逆变器并联系统中环流与逆变器基准信号幅值和相位的关系提出了一种对逆变器输出电流进行有功、无功分解然后对基准信号的幅值和相位进行解耦控制的并联控制策略实验结果验证了该控制策略的可行性和有效性。逆变器并联控制原理单相逆变器由逆变桥和LC输出滤波器组成通常采用输出电容电压瞬时值和滤波电感电流瞬时值双闭环反馈控制结构。电压外环采用比例积分(PI)调节器控制输出电压uo跟踪基准正弦波电压uref的变化kPu和kIu分别是PI调节器的比例和积分系数PI调节器的输出作为电流给定iref电感电流内环采用比例(P)调节器kPi为比例调节系数控制电感电流iL跟踪电流给定iref的变化提高系统的动态响应能力。双闭环反馈控制的单相逆变器结构框图如图所示。双闭环反馈控制单相逆变器可以看作是理想电压源和其等效输出阻抗的串联理想电压源的电压值为逆变器的空载输出电压。uo=G(s)urefZ(s)io()其中G(s)是增益系数Z(s)为等效输出阻抗它们都与逆变器输出滤波器参数L、C和双闭环反馈控制参数kPu、kIu、kPi有密切的关系如式()和式()所示。G(s)=kPukPiskPikIuLCskPiCs(+kPukPi)skPikIu()VTVTiLLiCuoCioVTVTPWMkPiirefkPuskIusuref图双闭环反馈控制单相逆变器结构框图FigSinglephaseinverterwithdualclosedloopcontroluoUiniLZ(s)=LskPisLCskPiCs(+kPukPi)skPikIu()由于等效输出阻抗为复阻抗可看作是纯电阻和纯电感串联构成因此可以把台双闭环反馈控制单相逆变器构成的并联系统等效为如图所示电路。图中I=E(cosδjsinδ)EoR+jXI=E(cosδjsinδ)EoR+jXIo=II�����������������()台逆变器间的环流定义为[]IH=(II)/()在并联逆变器系统设计中每个逆变器模块的参数都相同因此有IH=kPukPiskPikIu(LskPis)(urefuref)()其中uref、uref分别为台逆变器模块的基准正弦波信号。环流可以分解为有功环流和无功环流当台逆变器基准信号相位相同而幅值变化时基准信号电压幅值大的逆变器发出有功环流和无功环流而基准信号电压幅值小的逆变器则吸收有功环流和无功环流。当基准信号电压幅值相同而相位变化时基准信号相位超前的逆变器发出有功环流吸收无功环流而基准信号相位滞后的逆变器则吸收有功环流发出无功环流。有功电流和无功电流分解逆变器并联控制的关键是控制每个逆变器模块的有功电流和无功电流只要并联系统中每个逆变器模块的有功电流和无功电流完全相等逆变器模块之间就没有电流环流负载电流就能够在并联系统中均匀分配。传统理论中的有功和无功都是在平均值基础上定义的而瞬时无功理论是在瞬时值的基础上定义不仅适用于正弦波也适用于非正弦波和任何过渡过程。对于单相逆变器而言要想计算有功电流和无功电流的瞬时值都需要借助于瞬时无功理论中的方法。由于瞬时无功理论是基于三相系统来定义的对于单相逆变器首先需要根据输出电流io构造三相电流[]令ia=io()将ia延时π/(ω)并反相得到ic再用ia和ic构造ib得:ib=iaic()显然ia、ib、ic为对称的三相电流然后将其变换到αβ轴上得到瞬时分量iα和iβ:iαiβtt=Cαβiaibictttttttttttttttttt()Cαβ=姨姨tttttttttttttttttttttttt再运用瞬时无功功率理论对其进行dq变换即可得到单相逆变器输出的有功电流和无功电流:ipiqtt=Cpqiαiβtt()Cpq=sinωtcosωtcosωtsinωttt矩阵Cpq中sinωt是与逆变器输出电压同频的正弦波它是由PLL电路得到的。利用瞬时无功理论对单相逆变器输出电流进行有功和无功分解的原理框图如图所示分解得到的有功电流ip和无功电流iq经过低通滤波器(LPF)滤除高频分量后就得到了有功电流和无功电流的瞬时值i軃p和i軃q。并联控制策略实现在并联系统中第i台逆变器模块输出的有功功率、无功功率与该模块输出电压的幅值和相位的关系满足:Pi=Eo(REiREoXEiδi)RXQi=Eo(XEiREiδiXEo)RX�������������()由于P=Eoi軃p/姨Q=Eoi軃q/姨因此有i軃p=姨(REiREoXEiδi)RXi軃q=姨(XEiREiδiXEo)RX���������������()根据式()可以得到根据有功环流和无功环流进行逆变器输出电压幅值、相位调节的解耦控制策略如图所示。通过对逆变器模块输出电压幅值和LPFsinωtcosωtCαβiaibiciαiβCpqipiqPLLLPFi軃pi軃q构造三相电流iouo图有功电流、无功电流分解FigBlockdiagramofactiveandreactivecurrentdecomposition第卷电力自动化设备E∠δIRjXjXRZoIoE∠IE∠δ图并联逆变器等效电路图FigEquivalentcircuitofparalleloperatinginverters徐顺刚等:电压电流双闭环反馈逆变器并联控制第期V/格A/格ms/格图阻性负载电压、电流波形FigVoltageandcurrentwaveformswithresistiveloaduoiiRPIEoXX/EoR/EoIHQIHPEPIδ图解耦控制策略FigDecouplingcontrolstrategy相位的调节使每个逆变器模块输出相同大小的有功电流和无功电流消除逆变器模块之间的电流环流从而使各模块输出电流实现完全均流。在逆变器模块中对输出电压、输出电流的瞬时采样计算输出的有功电流和无功电流以及解耦控制策略的实现都可以由数字信号处理器完成。实验结果基于上述分析及设计本文使用台kV·A的逆变器进行并联实验。逆变电源的输出滤波电感为μH输出滤波电容为μF逆变电源的输入直流母线电压为V输出交流电压为V/Hz双闭环反馈控制参数为kPu=kPi=kIu=。闭环控制、解耦算法和SPWM控制信号产生都由TI公司数字信号处理芯片TMSF处理器完成。图和图为稳态时台逆变器的输出波形图和图分别为突增负载电流(负载电阻从Ω改变为Ω)和突减负载电流(负载电阻从Ω改变为Ω)时台逆变器的输出电流波形从实验波形可以看到系统中台逆变器的输出电流一致性非常好负载电流被均匀的分配到了台逆变器中。在稳态时台逆变器的环流非常小在突增负载和突减负载时也能很好地均流。结论本文研究了使用电压电流双闭环反馈控制的单相逆变器构成的并列逆变器系统发现系统的环流不但与逆变器的基准信号的相位和幅值紧密相关并且与逆变器反馈控制环路的参数关系很大。在对并联环流定量分析的基础上提出了一种对逆变器输出电流进行有功、无功分解然后对基准信号的幅值和相位进行解耦控制的并联控制策略最后通过实验验证了该控制策略的可行性和有效性。参考文献:[]何中一邢岩付大丰.模数混合分布式逆变器并联控制方法[J].中国电机工程学报():.HEZhongyiXINGYanFUDafengDistributedhybridcurrentsharingcontrolforinvertersinparalleloperation[J]ProceedingsoftheCSEE():[]段善旭刘邦银康勇等.UPS并联系统的SPWM再调制控制技术研究[J].中国电机工程学报():.DUANShanxuLIUBangyinKANGYongetalThetechniquesofSPWMremodulationofUPSinparalleloperation[J]ProceedingsoftheCSEE():[]SUNXiaoWONGLikkinLEEYimshuetalDesignandanalysisofanoptimalcontrollerforparallelmultiinvertersystems[J]IEEETransonCircuitsandSystems():[]PEIYunqingJIANGGuibinYANGXuetalAutomasterslavecontroltechniqueofparallelinvertersindistributedACpowersystemsandUPS[C]∥IEEEPowerElectronicsSpecialistsConferenceAachenGermany:IEEE:[]ZHANGChunjiangCHENGuitaoGUOZhongnanetalAnalternatingmastersalveparallelcontrolresearchforsinglephaseparalleledinvertersbasedonCANbus[C]∥IEEEPowerElectronicsandMotionControlConferenceShanghaiChina:IEEE:[]GUERREROJMdeVICUN軒ALGMATASJetalAwirelesscontrollertoenhancedynamicperformanceofparallelinvertersV/格A/格ms/格图阻感性负载电压、电流波形FigVoltageandcurrentwaveformswithinductiveloaduoiiV/格A/格ms/格图突减负载波形FigVoltageandcurrentwaveformswithsuddenloaddecreaseV/格A/格ms/格图突增负载波形FigVoltageandcurrentwaveformswithsuddenloadincreaseiiuouoiiControlofparalleloperatinginverterwithvoltageandcurrentclosedloopsXUShungangXUJianpingCAOTaiqiang(SchoolofElectricalEngineeringSouthwestJiaotongUniversityChengduChinaCollegeofPhysicsandInformationTechnologyChongqingNormalUniversityChongqingChina)Abstract:TheoutputcharacteristicsofsinglephaseinverterwithvoltageandcurrentclosedloopcontrolsareanalyzedandtheequivalentmodelofparalleloperatingsinglephaseinvertersystemisintroducedTherelationshipbetweenthecirculatingcurrentandtheamplitudeandphaseofinverterreferenceisanalyzedbasedonwhichthecontrolstrategyofparalleloperatinginvertersystemisproposedItdecomposestheactiveandreactivecomponentsofinverteroutputcurrentandthencarriesoutthedecoupledcontrolofinverterreferenceamplitudeandphaseAthreephasesymmetricalcurrentisconstructedaccordingtotheinstantaneousreactivepowertheorytodecomposetheactiveandreactivecomponentsofinverteroutputcurrentanditsimplementationblockdiagramisgivenTheprototypeisdevelopedandthecontroloftwoparalleloperatingkV·AinvertersisrealizedTheexperimentalresultsshowitsfeasibilityandeffectivenessThisprojectissupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina()andtheNationalScienceTechnologyPillarProgramduringthethFiveYearPlanPeriod(BAGA)Keywords:currentsharinginvertercirculatingcurrentPLLactivepowerreactivepowerindistributedgenerationsystems[J]IEEETransonPowerElectronics():[]TULADHARAJINHUNGERTetalControlofparallelinvertersindistributedACpowersystemswithconsiderationoflineimpedanceeffect[J]IEEETransonIndustrialApplications():[]LINXinchunFENGFengDUANShanxuetalModelingandstabilityanalysisfortwoparalleledUPSwithnocontrolinterconnection[C]∥IEEEElectricMachinesandDrivesConferenceWisconsinUSA:IEEE:[]肖岚陈良亮李睿等基于有功和无功环流控制的DCAC逆变器并联系统分析与实现[J]电工技术学报():XIAOLanCHENLiangliangLIRuietalAnalysisandrealizationofDCACinverterparallelsystembasedonactiveandreactivecirculatingcurrentcontrol[J]TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety():[]马学军张志刚李伟.基于DSP的无主从双模块单相逆变器并联控制技术[J].电力自动化设备():.MAXuejunZHANGZhigangLIWeiParallelcontroltechnologyofsinglephaseinverterwithdualequitymodulesbasedonDSP[J]ElectricPowerAutomationEquipment():[]CHENGYeongjiaSNGEKKAnovelcommunicationstrategyfordecentralizedcontrolofparalleledmultiinvertersystems[J]IEEETransonPowerElectron():[]王宪生李先祥李宏.基于高频链并联逆变器控制系统设计[J].电力自动化设备():.WANGXianshengLIXianxiangLIHongDesignofhighfrequencylinkparallelinvertercontrolsystem[J]ElectricPowerAutomationEquipment():[]LEECSKIMSKIMCBetalParallelUPSwithainstantaneouscurrentsharingcontrol[C]∥IEEEIndustrialElectronicsSocietyAachenGermany:IEEE:[]余密康勇张宇等基于环流阻抗的逆变器并联控制策略[J]中国电机工程学报():YUMiKANGYongZHANGYuetalResearchonanovelcurrentsharingschemebasedoncirculatingimpedanceofmultiinverterparallelsystem[J]ProceedingsoftheCSEE():[]姜桂宾裴云庆杨旭等SPWM逆变电源的无互联线并联控制技术[J]中国电机工程学报():JIANGGuibinPEIYunqingYANGXuetalParalleloperationofsinusoidwaveinverterswithoutcontrolinterconnections[J]ProceedingsoftheCSEE():[]戴瑜兴张义兵陈标达检测单相系统谐波电流和无功电流的一种新方法[J]电工技术学报():DAIYuxingZHANGYibingCHENBiaodaAnoveldetectionapproachtoharmonicandreactivecurrentsofasinglephasesystem[J]TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety():(责任编辑:柏英武)作者简介:徐顺刚()男重庆人博士研究生主要从事大功率开关变换器、电力电子与电力传动方面的研究(Email:shungangxucom)许建平()男贵州贵阳人教授博士研究生导师从事电力电子与电力传动方面的研究曹太强()男四川自贡人博士研究生主要从事大功率开关变换器及光伏发电、电力电子与电力传动方面的研究。第卷电力自动化设备

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