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并联高频脉冲直流环节逆变器研究.pdf

并联高频脉冲直流环节逆变器研究

ilovecumt
2014-03-05 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《并联高频脉冲直流环节逆变器研究pdf》,可适用于人文社科领域

年月电工技术学报VolNo第卷第期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYJan并联高频脉冲直流环节逆变器研究陈道炼张蓉王建华李旭(福州大学电力电子研究所福州南京航空航天大学电气工程系南京)摘要提出了基于占空比扩展有源钳位正激式高频脉冲直流环节逆变器的并联逆变器电路结构并对其电路拓扑、稳态原理、三态DPM电流滞环控制技术、均流原理、关键电路参数设计进行了深入的分析研究。这类并联逆变器由N个共用电压外环、独立电流内环的占空比扩展有源钳位正激式高频脉冲直流环节逆变器模块构成。设计并研制成功的kVAVDCVHzAC并联逆变器样机具有体积重量小、变换效率高、静态精度高、动态响应快、输入电压变化范围宽、输出波形质量高、并联均流效果好、负载适应能力强、过载与短路能力强等优良的性能在大功率逆变场合有重要应用价值。关键词:并联逆变器高频脉冲直流环节三态离散脉冲调制均流中图分类号:TMParallelInvertersWithHighFrequencyPulseDCLinkChenDaolianZhangRongWangJianhuaLiXu(FuzhouUniversityFuzhouChinaNanjingUniversityofAeronauticsandAstonauticsNanjingChina)AbstractAparallelinverterbasedonthedutycycleextendedactiveclampforwardmodeinverterwithhighfrequencypulseDClinkisproposedThecircuittopology,steadyprinciple,controlstrategyofthreestatediscretepulsemodulation(DPM)hysteresiscurrent,currentsharing,andcriterionsofthekeycircuitparametersoftheparallelinverterareinvestigatedTheparallelinverterisconstitutedoftheNdutycycleextendedactiveclampforwardmodehighfrequencypulseDClinkinvertermoduleswithcommonoutervoltageregulatorandseparatelyinnercurrentregulatorAprototypeofkVAVDCVHzACparallelinverterhasexcellentperformancessuchassmallbulk,lowerweight,highconversionefficiency,highsteadyprecision,fastdynamicresponse,widerangeinputvoltage,goodoutputvoltagewaveforms,goodcurrentsharingeffect,strongabilityfordifferentnatureload,andstrongoverloadandshortcircuitabilityTheparallelinvertercanbeusedinlargepowerinversionfieldsKeywords:Parallel,inverter,highfrequencypulseDClink,threestatediscretepulsemodulation(DPM),currentsharing引言多个逆变器并联的主要优点是:①可以灵活扩大逆变系统的容量。②易于实现逆变器模块化组成并联冗余系统提高运行的可靠性。③系统的可维护性强。④单台逆变器功率开关的电流应力小。逆变器的并联要比同步发电机的并联运行难。按照均流方式划分并联逆变技术通常可分为自整步法、功率调节法、同步开关控制法、主从模块法和平均值电流控制法等。自整步法并联系统,是通过模块间的均流线来实现同步和均流通常适用于开环控制的低频调制逆变器电流检测、分离和控制电路复杂调节时间长、精度低。并联逆变器功率调节法中的外特性下垂法可实现模块间的无通信线工作各并联模块独立工作模块内部输出的收稿日期改稿日期第卷第期陈道炼等并联高频脉冲直流环节逆变器研究频率、电压和谐波电压分别随输出有功功率、无功功率和失真功率呈下垂特性从而实现同步和均流。逆变器模块并联同步开关控制法具有如下特点:①每个逆变器模块无法脱离外部控制器而独立工作系统的冗余性和模块通用性较差。②对逆变器模块的参数一致性要求很高模块输出阻抗的不一致性引起的负载不平衡现象无法克服均流精度差。③逆变器模块间的通信信号线多增加了控制电路的故障。主从式并联逆变器系统具有如下特点:①电压控制、电流控制PWM逆变器模块均有独立的控制环系统稳定性好易于容量扩展均流效果好。②电压控制PWM逆变器、电流控制PWM逆变器和功率分配中心是不同性质的模块单元主模块一旦失效从模块将无法工作系统未实现冗余可靠性低。③各模块间相互的连接线会引入噪声干扰。平均值电流控制逆变系统具有如下特点:①电压基准、电压反馈、电流基准均为各并联模块相应信号的平均值并联系统的动静态性能不比单模块性能差。②不需附加额外的并联控制模块。③模块间的模拟信号线较多易受干扰不适用于远距离通信。④并联控制电路复杂可靠性较低。本文提出并研究了基于三态DPM电流滞环控制占空比扩展有源钳位正激式高频脉冲直流环节逆变器的“民主”主从模块法并联逆变系统将任一逆变器模块设置为主模块并控制其输出电压电压环的输出即为所有模块的电流给定信号从模块的电压环不再起作用。并联高频脉冲直流环节逆变器的构成原理电路结构与拓扑并联高频脉冲直流逆变器电路结构如图所示。它由相同的三个三态DPM电流滞环控制高频脉冲直流环节逆变器构成每个逆变器模块的电感图并联高频脉冲直流环节逆变器电路结构FigCircuitstructureoftheparallelinverterwithhighfrequencypulsedclink电流跟踪同一电流给定信号ir从而实现每个模块的均流。该电路结构简单易于实现模块化结构。每个逆变器模块拓扑由占空比扩展有源钳位正激式高频脉冲直流环节逆变器实现如图所示。图占空比扩展有源钳位正激式高频脉冲直流环节逆变器拓扑FigCircuittopologyoftheactiveclampforwardmodeinverterwithdutycycleextendedhighfrequencypulsedclink将吸收支路开关Sr的关断时刻滞后功率开关S的关断时刻一段时间就可实现高频脉冲直流电压占空比的扩展。该电路拓扑有如下优点:①高频脉冲直流环节电路变得十分简洁。②高频变压器的工作频率与udo的频率相同功率密度明显提高。③有源钳位正激变换器占空比D可以大于的优越性得到充分利用。稳态原理为了确保正弦输出电压波形质量高频脉冲直流电压波udo的平均值应满足oavgdo,UNNDUUi=()相同的Ui、Uo值增大udo的占空比D可以减小比值NN从而降低逆变桥、吸收支路功率开关的电压应力UiNN。设钳位电容Cc、吸收电容Cr足够大分别用电压源Uc、UCr表示低频交变的负载在每个高频PWM开关周期内可近似认为恒定不变,用电流源iLf表示Df表示为逆变桥等效的续流回路。每个PWM开关周期内图所示逆变器等效电路模型及其稳态原理波形如图所示。图b中iLm为变压器磁化电流。每个PWM开关周期包含了八个工作模态:()t=t~t:t时刻S开通磁化电流iLm线性上升VD和VDr导通、VDf截止。()t=t~t:t时刻Sr开通VD仍导通、VDf仍截止。≥电工技术学报年月图每个开关周期等效电路及其稳态原理波形FigEquivalentcircuitandsteadyschematicwaveformswithinoneswitchingperiod()t=t~t:t时刻S关断吸收开关Sr继续导通吸收支路电容Cr开始对负载供电VD承受反压截止、VDf仍截止Lm和Cs谐振使iLm先增加后减小uDS上升。()t=t~t:t时刻uDS上升到钳位电压UcUiVDc开通Lm与Cc、Cs之间谐振Uc基本保持恒定iLm线性下降。()t=t~t:t时刻iLm为零随后iLm变负Sc导通Sc实现了ZVS开通。()t=t~t:t时刻Sr实现了ZVS关断VD仍截止iLf经VDf开始续流。()t=t~t:t时刻Sc关断后Lm与Cs谐振iLm继续反向增大Cs放电uDS下降负载iLf仍经VDf续流。()t=t~t:t时刻uDS下降到Ui、VD开通空载或轻载时t时刻S开通uDS可降为功率开关S实现了ZVS开通重载时uDS=Uit时刻S再次开通功率开关S是硬开通。控制策略高频脉冲直流环节电路采用输入电压前馈PWM控制。DCAC逆变桥采用三态DPM电流滞环跟踪控制技术如图所示。功率开关S、S、S、S在udo零电平期间转换调制电压uAB的控制规律为uAB=式中δ半个滞环宽度Udom高频脉冲直流电压幅值图三态离散脉冲电流滞环跟踪控制原理FigThreestatediscretepulsemodulationhysteresiscurrentcontrolprinciple并联高频脉冲直流环节逆变器的均流并联逆变系统的输出等效电路设逆变器Ⅰ、Ⅱ输出电压、调制电压的基波分量分别为Uo与Uo、UAB与UAB输出滤波电感、电容分别为Lf与Lf、Cf与Cf并联线路的等效阻抗分别为Zl、Zl负载阻抗为ZL则由两个逆变模块构成的共用电压外环三态DPM电流滞环控制并联逆变系统输出等效电路如图所示。图共用电压外环三态DPM电流滞环控制并联逆变系统输出等效电路图FigOutputequivalentcircuitofthreestateDPMhystersiscurrentcontrolledparallelinvertersystemwithacommonvoltageregulatorUdom状态(ir−if>δS、S导通)−Udom−状态(ir−if<−δS、S导通)()状态(|ir−if|<δS、S导通)第卷第期陈道炼等并联高频脉冲直流环节逆变器研究并联系统环流产生的原因及其抑制设共用电压调节器输出的电流给定信号为Ir由于两模块的输出滤波电感电流跟踪同一电流给定信号Ir(电流环等效放大倍数分别为kC、kC)故两模块的输出电流为oLfCfCrofoLfCfCrofjjkCkCωω=−=−⎧⎨=−=−⎩IIIIUIIIIU()由于输出线路阻抗Zl、Zl很小Uo≈Uo≈Uo故式()可简化为oLfCfCrofoLfCfCrofjjkCkCωω=−=−⎧⎨=−=−⎩IIIIUIIIIU()由式()可得环流IH为)(j)(ffoCCrooHCCkk−−−=−=ωUIIII()由式()可知两个并联逆变模块间的环流由两个分量组成:()由并联模块的电流等效放大倍数的差异(kC≠kC)引起的环流。()由并联模块的输出滤波电容的差异(Cf≠Cf)引起的环流。当kC=kC=kC、Cf=Cf=Cf时有⎩⎨⎧==−==jHoforCooIIUIIICkω()上述研究表明对于共用电压外环的主从式并联逆变系统而言当并联模块具有相同的电流环等效放大倍数、输出滤波电容和很小的输出线路阻抗时各并联模块的输出电流相等从而实现了均分负载电流。也就是说确保并联模块具有相同的电流环等效放大倍数(电流采样电阻、电流环误差放大倍数、滞环宽度等)、输出滤波电容和很小的输出线路阻抗是这类并联逆变系统实现均流的关键所在。试验结果设计实例:占空比扩展有源钳位正激式高频脉冲直流环节逆变器拓扑共用电压外环三态DPM电流滞环控制策略开关频率fs=kHz占空比D=~扩展的占空比∆D=钳位电容Cc=µF变压器磁心选用MnZnLP型铁氧体材料PM×变压器一次侧、二次侧匝比NN=磁化电感Lm=µH吸收支路电容Cr=µF输出滤波电感Lf=mH输出滤波电容Cf=µF。设计并研制成功的kVAVDCVHzAC并联逆变器样机获得了优良的综合性能:输入电压Ui=~VDC输出额定容量kVA负载功率因数(超前)~(滞后)输出电压V±V输出电压频率Hz±Hz输出电压波形THD<额定容性、阻性、感性负载及典型二极管整流电容滤波非线性负载时变换效率分别为、、、输出电压直流分量小于V额定负载min额定负载min短路时间s短路电流能力达×A额定负载时各模块输出电流差小于A重量小于×kg体积×××(cm)。并联高频脉冲直流环节逆变器不同负载时的试验波形如图所示。试验结果表明这类并联逆变器具有体积重量小、变换效率高、静态精度高、输入电压变化范围宽、输出波形质量高、并联均流效果好、负载适应能力强、过载与短路能力强等优良的综合性能。不同输入电压和不同负载时并联高频脉冲直流环节逆变器的变换效率曲线如图所示。该并联逆变器带额定阻性、感性、容性和非线性负载时的变换效率分别为、、、。结论()共用电压外环三态DPM电流滞环跟踪控制并联高频脉冲直流环节逆变器每个逆变器模块的电感电流跟踪同一电流给定信号ir从而实现了每个模块的均流。()分析了占空比扩展有源钳位正激式高频脉冲直流环节逆变器的稳态原理和三态DPM电流滞环跟踪控制策略。(a)高频脉冲直流电压波udo占空比的扩展电工技术学报年月(b)逆变桥功率管ZVS开关波形(c)空载时电压uo和电感电流iLf波形(d)阻性满载时电压uo和电感电流iLf波形(e)感性满载时电压uo和电感电流iLf波形(f)容性满载时电压uo和电感电流iLf波形(g)非线性满载时电压uo和电感电流iLf波形(h)输出端短路时电压uo和电感电流iLf波形(i)额定负载时uo和iLf波形图并联高频脉冲直流环节逆变器不同负载时的试验波形FigExperimentalwaveformsoftheparallelinverterwithhighfrequencypulsedclinkunderdifferentloads第卷第期陈道炼等并联高频脉冲直流环节逆变器研究图不同输入电压和不同负载时并联逆变器的变换效率曲线FigConversionefficiencycurvesfortheparallelinverterunderdifferentinputvoltagesandloads()并联逆变模块间的环流主要是由电流等效放大倍数、输出滤波电容的差异所引起的确保并联逆变模块具有相同的电流环等效放大倍数和输出滤波电容是这类并联逆变系统实现均流的关键所在。()设计并研制成功的kVAVDCHzAC并联逆变器样机具有体积重量小变换效率高、静态精度高、动态响应快、输入电压范围宽、输出波形质量高、并联均流效果好、负载适应能力强、过载与短路能力强等优良的综合性能。参考文献陈道炼DCAC逆变技术及其应用北京:机械工业出版社陈道炼静止变流器哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社TuladharA,etalParalleloperationofsinglephaseinvertermoduleswithnocontrolinterconnectionsIEEEAPEC,:~ChenJiannFuh,etalCombinationvoltagecontrolledandcurrentcontrolledPWMcnvertersforUPSparalleloperationIEEETransonPE,,():~ChenDaolian,LeiLiNovelstaticinverterwithhighfrequencypulsedclinkIEEETransonPowerElectronics,,():~作者简介陈道炼男年生教授博士生导师主要从事电力电子变换技术和航空航天电源系统的研究。张蓉女年生硕士研究生研究方向为功率变换及逆变器并联技术。

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