DSP控制三相逆變器并聯(lián)冗余技術(shù)(精)

1、浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文DSP控制三相逆變器并聯(lián)冗余技術(shù)姓名：周朝陽(yáng)申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：電力電子與電力傳動(dòng) 指導(dǎo)教師：徐德鴻20060501浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要摘要 近年來(lái)隨著用電設(shè)備對(duì)供電電源的性能和可靠性要求越來(lái)越高，不間斷供電系統(tǒng)(uPs )得到了廣泛應(yīng)用。uPs模塊化并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)大容量供電和冗余供電， 是提高uPs容量和可靠性的一條重要途徑，因而被公認(rèn)為當(dāng)今逆變技術(shù)發(fā)展的 重要方向之一。本文主要致力于無(wú)輸出隔離變壓器的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流特性及其并聯(lián)控制實(shí)現(xiàn) 的研究。首先探討了基于電壓電流雙閉環(huán)控制的逆變器控制設(shè)計(jì)方法，在確定雙 閉環(huán)控制逆變器閉環(huán)傳遞函數(shù)并了解其等效輸出阻抗特性的基礎(chǔ)

2、上，建立了基于 等效輸出阻抗的并聯(lián)系統(tǒng)模型分析其環(huán)流特性，并提出了一種新的基于有功功率 和無(wú)功功率的逆變器并聯(lián)控制方案，包括：基準(zhǔn)電壓相位和幅值的調(diào)整，PI控 制參數(shù)設(shè)計(jì)，有功和無(wú)功功率計(jì)算，逆變輸出電壓同步鎖相等。此外本文還特別 討論了雙閉環(huán)控制逆變器輸出電壓直流分量產(chǎn)生原因， 提出了逆變器輸出電壓直 流分量檢測(cè)與高精度數(shù)字調(diào)節(jié)方法，研究了雙閉環(huán)控制逆變器并聯(lián)系統(tǒng)直流環(huán)流 產(chǎn)生原因及其檢測(cè)與抑制方法。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)波形驗(yàn)證本文所介紹的逆變 器并聯(lián)控制方案的可行性。關(guān)鍵詞：不間斷電源系統(tǒng)逆變器并聯(lián)數(shù)字控制直流分量直流環(huán)流 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要AbstractAsmerequiremen

3、lo flli曲q ualityandreliab ili哆powersupplyincreasi ll凸used.AIldtheUPsmod eworkingu血terruptiblepowersystem(UPS)盯。嘶del yinparallelwhichcanecsX印uPaPacPnild tyya Il d r e a li z er e d u n d a n c y i n P o w e ra r es ys t c m 5i n cr e a se t h e c a P a b i l i t y a n d r e l ia b il i t yo f P o wer

4、 s y s t e mS o t 1 1 e y c o n s i d er e dT h isa s o n eno wo f nl e m os ti sm a i n l yin l P o n趾t P a r td e V o t e dtoi1 1t l l ef i eI d o f in Ve n e r t e c h n o l o g y l h ea n a l y s i so fc ir c u l at i n gcu r r e n t? sth es i sc ha r a c te r i s ti cs a 1 1 d t h e c o n t r o

5、 l t ec h n 01 0 9i e s of P a r a l le l i n V e r t e r s y s t emw i t h out o u t P ut i s 0 1 a t in gtr a n s f o mer s I nth is t h es i st h e in V e r t e r c o n t r D l m e t h o d is d u al 1 0 0 Pa 1 1onV o lt a g ea n d i n d u c t o r一c u r r e n t f e e d b ac k wit h o u t er a V er

6、 a g e V o l t a g e l o o P B a s e o n t hein V er t cr mo d el 5 T h e e XP r e s s i o n o f e q ui V ale m o u t P u ti m P e d a I l c e i s d e d u c e d a I l dt l lemodelsralld allelsystetablished.lysisofatingcurreelillvertelcontrOlstdreactivep ud血gthencevonagepzedindifreageofdoubl ,po、verc

7、alascontaineonally,theslOOpcontrO sed,andthefordetecti iaswithhigmBasedntcharactersystem,anrategybaseowerispres haseandamprentinvert eculationandin lledinVertngallddigi hprccisionmsobased onequiva fordouclose oninvene itsparare alsoestheana circulparall aralle onrcalan chinclrefere chroniutvolta由ust

8、slta薩ofDCbiare AdditireasonclOse discus arcmemodsingDCb and也e reasonle n t o u tput i m p edatlceb l el o o p c o ntrO l l e dristicsofimprovedpdemed.wlilitudesyneLtlleompdoutputVoertaladjust analyzed,andme也odsfordetectingandrestrainingDConcircul ngarccurreminparallelsystembased studied.Intheendmeha

9、vegoodperforman cedodblecloseloopcomrolledillVerters alsoexp州mentalonresultsprovemattheme也odsmentiOnedaboVeRe幽md姐tparallelsys細(xì)n.Keywords:Unintern】ptiblepowersystem;inverte r;pa丁allelcontrol;digitalcontroIDCEias;DCCirculaling cuHCm IV.浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論第一章緒論1.1UPS及其并聯(lián)技術(shù)的背景與意義隨著現(xiàn)代通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的迅速發(fā)展

10、，各種用電設(shè)備 不斷增加，對(duì)供電系統(tǒng)容量和可靠性的要求也越來(lái)越高。當(dāng)今電網(wǎng)的供電質(zhì)量的 普遍惡化，電網(wǎng)電壓和頻率的急劇波動(dòng)，供電的瞬時(shí)和長(zhǎng)期中斷，以及在電網(wǎng)中 所出現(xiàn)的各種人們無(wú)法預(yù)料與控制的干擾和高能浪涌都有可能導(dǎo)致用電設(shè)備的運(yùn) 行錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)丟失以及硬件損壞，造成重大損失 ”。“。為滿足電網(wǎng)中一些對(duì)供電電源敏感的設(shè)備如電腦系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)等對(duì) 高質(zhì)量、高可靠性電源系統(tǒng)的需求，以逆變電源為核心的不間斷電源系統(tǒng)（UP S）已經(jīng)越來(lái)越廣泛應(yīng)用于銀行、證券、電信、軍事、醫(yī)療等等各個(gè)領(lǐng)域。隨著 對(duì)供電系統(tǒng)容量阱及供電質(zhì)量和可靠性要求的進(jìn)一步提高，輸出電壓穩(wěn)定、輸出 頻率精確不再是對(duì)逆變電源的唯

11、一要求，目前高性能的逆變電源的設(shè)計(jì)應(yīng)該考 慮：（1）高效率、高穩(wěn)定性、高可靠性、高功率容量；（2）低電磁干擾；（3）高輸入功率因數(shù)，低輸出阻抗；（4）模塊化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化，顯然單 臺(tái)uPS或者傳統(tǒng)的主備結(jié)構(gòu)uPs系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足上述要求，除了常規(guī)的可 靠性設(shè)計(jì)以外，在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用并聯(lián)冗余供電技術(shù)和容錯(cuò)技術(shù)是提高電源 系統(tǒng)可靠性的重要手段。研究表明，采用W手W冗余并聯(lián)供電技術(shù)是解決這些問(wèn) 題的重要方法”11。謂W柵冗余并聯(lián)供電系統(tǒng)，是指W擬臺(tái)逆變器并聯(lián)運(yùn)行，均分W臺(tái)逆變器的額定 功率，該方法具有很多優(yōu)點(diǎn)。由于各逆變模塊負(fù)擔(dān)的負(fù)載功率均小于其額定功 率，因此只要同時(shí)出現(xiàn)故障的模塊不多于W個(gè)

12、，并聯(lián)系統(tǒng)就可以保證正常供電，提高系統(tǒng)的可靠性和生存能力。該方法降低了單逆變器模塊的功率容量，有利于 實(shí)現(xiàn)供電單元的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)構(gòu)成方式靈活，擴(kuò)展方便。由于多 個(gè)電源模塊分擔(dān)功率，可以分散系統(tǒng)的熱應(yīng)力，各模塊功率開(kāi)關(guān)器件的電流應(yīng)力 大大減少，從根本上提高可靠性、降低成本。因此，冗余供電技術(shù)是供電系統(tǒng)獲 得高可靠性、高安全性和高生存能力的重要設(shè)計(jì)方法之一，是實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)功能的重 要手段。冗余供電技術(shù)以及不間斷供電技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)在供電系統(tǒng)中的逐步應(yīng) 用，極大地提高了供電系統(tǒng)的可靠性等綜合性能。浙江火學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論1.2UPS及其逆變器控制技術(shù)概述不間斷供電系統(tǒng)（UPS ）概述8

13、】1.2.1所謂不間斷供電電源是指電網(wǎng)（市電）輸入發(fā)生異?；蛑袛鄷r(shí)，仍可以繼續(xù)向負(fù) 載供電，并能夠保證供電質(zhì)量， 使負(fù)載不受影響的電源裝置。 系統(tǒng)主要由三個(gè)部 分組成： 整流器（AC仍C）、逆變器（DC/AC）、儲(chǔ)能設(shè)備（DC/DC）。整流器輸出的直流電源向逆變器和充電器供電。UPS的種類多種多樣， 根據(jù)工作方式的不同又可分為：后備式UPS、在線式UPS、在線互動(dòng)式UP S、Dc】ta變換型UPS。后備式（0蕾li nc）uPs備式uPs的結(jié)構(gòu)如圖卜1所示，這種uPs在市電正常時(shí)，由電網(wǎng)直接向負(fù)載 供電；而在市電掉電時(shí)，由蓄電池經(jīng)過(guò)逆變器向負(fù)載供電。這種uPS具有電路 簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高的

14、優(yōu)點(diǎn)，但是其輸出電壓穩(wěn)定精度差對(duì)電網(wǎng)的畸變和干 擾沒(méi)有抑制作用，市電掉電時(shí)負(fù)載供電有一段時(shí)間的中斷，另外受切換電流和動(dòng) 作時(shí)間的限制，輸出功率一般較小因而僅作為一種應(yīng)急電源使用。1m 一.J. 馘#T圖卜1后備式uPs結(jié)構(gòu)T圖1.2在線式UPS結(jié)構(gòu)在線式（On. 1inc）UPS在線式uPs的結(jié)構(gòu)如圖1.2所示，在市電正常時(shí)，通過(guò)整流器、逆變器向負(fù) 載供電，同時(shí)向電池充電；在市電超出整流器允許范圍或市電掉電時(shí)，由電池向 逆變器供電。當(dāng)逆變器出現(xiàn)故障時(shí)由電網(wǎng)向負(fù)載供電。在線式uPs的特點(diǎn)是： 當(dāng)市電發(fā)生故障的瞬間輸出電壓不會(huì)產(chǎn)生任何間斷；uPs逆變器采用高頻sP WM調(diào)制和反饋控制可以向負(fù)載提供

15、電壓穩(wěn)定度高、波形畸變小、頻率穩(wěn)定以及 動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快的高質(zhì)量的電能；全部負(fù)載功率都由逆變器提供，輸出能力受限 制，整流器和逆變器都承擔(dān)全部負(fù)載功率，整機(jī)效率比較低。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論在線互動(dòng)式(Leractive)UPS又被稱為 準(zhǔn)在線式”uPS電源，由一個(gè)身兼二職的逆變器/充電器模塊配以蓄 電池組構(gòu)成，其原理框圖如圖卜3所示。當(dāng)市電電源在正常時(shí)，負(fù)載由市電提 供， 雙向變換器作為整流器向蓄電池充電。 僅當(dāng)市電電源異常時(shí)， 雙向變換器作 為逆變器向負(fù)載提供正弦波電源。在線互動(dòng)式UPs具有效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成 本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但是它大部分時(shí)間由市電直接給負(fù)載供電

16、，輸出電壓質(zhì) 量差，市電掉電時(shí)UPs輸出存在一定時(shí)間的電能中斷。理自變換囂T圖1 3在線互動(dòng)式UPs結(jié)構(gòu)圖1 .4Delta變換式UPs結(jié)構(gòu)Delta變換型17】又稱串并聯(lián)uPs，它主要由低通濾波器、Dena變換器和主變換器構(gòu)成，如 圖卜4所示。其中主變換器是一個(gè)四象限PwM變換器，通過(guò)正弦波脈寬調(diào)制， 向外輸出恒壓恒頻、波形畸變率小、與電網(wǎng)電壓同步的高質(zhì)量的正弦電壓，相當(dāng) 于一個(gè)恒定的電壓源。主變換器在市電正常時(shí)提供負(fù)載所需的全部無(wú)功功率和維 持功率平衡所需的有功功率，吸收負(fù)載的諧波電流：市電故障時(shí)，提供負(fù)載所需 的全部功率，保證輸出電壓連續(xù)不問(wèn)斷Delta變換型uPs的特點(diǎn)是：負(fù) 載電壓由

17、主變換器的輸出電壓決定，輸出電能質(zhì)量好：主變換器和Delta變 換器只對(duì)輸出電壓的差值進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)償、所以整機(jī)效率高、功率余量大，系統(tǒng) 抗過(guò)載能力強(qiáng)、輸入諧波電流小。但是Delta變換型uPS主電路和控制電 路相對(duì)復(fù)雜可靠性差。1.2.2逆變器控制技術(shù)概述1逆變器的控制目標(biāo)是提高逆變器輸出電壓的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。穩(wěn)態(tài)性能主要是指 輸出電壓的 穩(wěn) 態(tài) 精 度 和 提 高 帶 不 平 衡 負(fù) 載 的 能 力 ； 動(dòng) 態(tài) 性 能 主 要 是 指 輸 出 電 壓 的THD(TOtalHarrnonicDistortio n)和負(fù)載突變時(shí) 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)水平。.3 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論逆變電源的控制

18、技術(shù)從總體上可以分為兩大類：基于周期的控制、瞬時(shí)控制。基 于周期的控制是通過(guò)對(duì)前幾個(gè)周期的輸出波形進(jìn)行處理，利用所得到的結(jié)果對(duì)當(dāng) 前的控制進(jìn)行校正的控制方法。從本質(zhì)上看，基于周期的控制是通過(guò)對(duì)誤差的周 期性補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的無(wú)靜差效果。輸出電壓有效值反饋(圖1.5)就是一種 典型的基于周期控制方法。這些對(duì)于周期性的擾動(dòng)具有很好的校正作用，輸出波 形穩(wěn)壓精度較高，穩(wěn)定性好，但是對(duì)于非周期性的擾動(dòng)校正作用較差，動(dòng)態(tài)響應(yīng) 非常慢，并且在周期擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，校正過(guò)程較長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)性能比較差，為得到較好 的輸出波形和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，需要與其它控制策略相結(jié)合。圖1.5有效值反饋控制框圖為了提高逆變器輸出電壓波形的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

19、速度，出現(xiàn)了瞬時(shí)值反饋的控制方法。 基于瞬時(shí)控制是根據(jù)當(dāng)前誤差對(duì)輸出波形進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)控制，可以分為滯環(huán)控 制，瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)控制，電壓電流雙閉環(huán)控制等。圖1.6為電壓電流雙環(huán)反饋控 制框圖。圖1.6電壓電流雙環(huán)反饋控制框圖在電壓電流雙環(huán)反饋控制中，逆變器通過(guò)采樣輸出電壓和輸出濾波電感或?yàn)V波電 容上的電流，輸出電壓與參考給定的誤差經(jīng)過(guò)外環(huán)調(diào)節(jié)器輸出作為內(nèi)環(huán)電流環(huán)的 參考給定，通過(guò)電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器來(lái)控制電感電流（或電容電流）跟蹤電流參考給 定，能夠提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。實(shí)踐中，由于兩個(gè)環(huán)的相互影響，參數(shù)整定比較 困難。浙江大學(xué)碩+學(xué)位論文第一童緒論1.3逆變器并聯(lián)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)即7】以u(píng)Ps為代表

20、的分布式供電系統(tǒng)將取代集中式供電系統(tǒng)，其核心技術(shù)就是如何 處理好供電單元之間的功率分配，即供電單元的并聯(lián)技術(shù)；并聯(lián)是實(shí)現(xiàn)高可靠、 大功率供電的關(guān)鍵技術(shù)。多逆變器模塊并聯(lián)，可以靈活構(gòu)成各種功率容量，以模 塊化取代系列化，縮短研制周期，提高各類開(kāi)關(guān)電源的標(biāo)準(zhǔn)化程度及可維護(hù)性 等。與直流電源不同，逆變電源輸出的是正弦波，并聯(lián)時(shí)需要同時(shí)控制輸出電壓 的幅值和相角，即要求同頻率、同相位、同幅值運(yùn)行，如果各逆變模塊輸出電壓 幅值或相位不一致，各模塊之間會(huì)產(chǎn)生各種環(huán)流。逆變電源并聯(lián)控制技術(shù)的研究始于上世紀(jì)七十年代，其間各種并聯(lián)控制策略層出 不窮，總體而言，得到比較廣泛應(yīng)用的逆變電源并聯(lián)控制方法可以分為集中控

21、制 法、主從控制法、分散邏輯控制法和外特性下垂法。1.3.1集中控制法集中控制方法是設(shè)置專門公共的同步及均流模塊，使各模塊實(shí)現(xiàn)輸出電壓的頻 率、相位與幅值一致。但是一旦公共控制電路失效，整個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)無(wú)法工作，可 靠性并不高。a集中控制器并聯(lián)法該方法控制框圖如圖卜7所示由一個(gè)主逆變控制器和N個(gè)功率模塊組成，控制器 控制采集輸出電壓信號(hào)產(chǎn)生統(tǒng)一的PWM開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，各功率模塊根據(jù)主控制 器的信號(hào)進(jìn)行開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換。該方案控制策略簡(jiǎn)單，不設(shè)均流控制電路，可以方便的 實(shí)現(xiàn)多模塊并聯(lián)工作。但單個(gè)模塊無(wú)法脫離主控制器獨(dú)立工作，外部控制器故障 將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰，系統(tǒng)無(wú)冗余性。同時(shí)這種控制策略無(wú)法克服由于模塊參數(shù)

22、 不一致引起的并聯(lián)環(huán)流，并且難以實(shí)現(xiàn)熱插拔。b公用電壓外環(huán)法11】公用電壓外環(huán)法控制框圖如圖卜8所示：系統(tǒng)主模塊為電壓控制模塊，控制并聯(lián) 系統(tǒng)輸出電壓，并通過(guò)公共均流模塊檢測(cè)總的輸出電流除以模塊的并聯(lián)數(shù)目得到 各模塊輸出電流基準(zhǔn)，給各模塊提供統(tǒng)一的電流給定；通過(guò)用誤差量來(lái)補(bǔ)償各模 塊基準(zhǔn)電壓的幅值可以實(shí)現(xiàn)輸出電流的平衡集中控制方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，均流效果較 好，從模塊為電流控制模塊，控制各自輸出電流跟隨電流給定變化。該方 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論法控制簡(jiǎn)單，各模塊之間僅有一條均流信號(hào)線，系統(tǒng)穩(wěn)定性和均流效果好。但由 于共用電流給定，主模塊故障將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。圖17外部控制器并聯(lián)法控制框圖圖

23、卜8公用電壓外環(huán)法控制框圖1.3.2主從控制法該方法將并聯(lián)控制器放到每臺(tái)模塊中，并聯(lián)系統(tǒng)包括一個(gè)主模塊和多個(gè)從模塊， 主模塊為電壓型逆變器控制整個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓幅值和頻率，因而并聯(lián)系統(tǒng) 的輸出電壓幅值、頻率精度僅取決于主模塊的設(shè)計(jì)精度。從模塊為電流型逆變器 控制輸出電流。a.功率分配中心控制法【12】基于功率分配中心的主從并聯(lián)控制方案如圖卜9所示。該方案由一個(gè)電壓控制型PwM主逆變器、一個(gè)功率分配中心和N個(gè)電流控制型PwM從逆變器組成。主 模塊，控制系統(tǒng)輸出電壓；從模塊，控制自身輸出電流跟蹤給定電流變化；功率 分配中心根據(jù)負(fù)載電流為每一個(gè)從模塊提供電流基準(zhǔn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)功率均分。該方 案直接采

24、用負(fù)載電流進(jìn)行均流控制，無(wú)需用鎖相環(huán)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)同步控制，響應(yīng)速 度快；模塊均有獨(dú)立的控制環(huán)，均流控制電路易于實(shí)現(xiàn)，控制精度和穩(wěn)定性均較 好，且不受并聯(lián)臺(tái)數(shù)影響，容量擴(kuò)展靈活。但主模塊一旦失效，整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法工 作，可靠性低；各模塊之間的相互連接線引入噪聲干擾；主從模塊結(jié)構(gòu)不同，系 統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)模塊化。b.民主主從控制法13】116】民主主從并聯(lián)控制法，其控制方式與功率分配法相似，但是其主機(jī)無(wú)需固定模 塊，各模塊可通過(guò)莫種方式成為總機(jī)，模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖卜10所示，主 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論模塊控制輸出電壓，產(chǎn)生各模塊的電流給定信號(hào)；從模塊控制自身輸出電流跟蹤 主模塊給定電流變化，

25、當(dāng)主模塊故障時(shí)，任一從模塊上升為主模塊，亦即實(shí)現(xiàn)民 主主從控制。民主主從控制法冗余性較好，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊化，提高可靠性，但模塊間仍存在通訊互聯(lián)線。綜上所述，主從并聯(lián)控制法控制簡(jiǎn)單；均流精度和控制穩(wěn)定性好：但主模塊或核 心控制器損壞將導(dǎo)致整個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)崩潰，系統(tǒng)冗余性差、可靠性低，或者需要通 過(guò)一定的邏輯規(guī)則產(chǎn)生新的主模塊如以輸出電流最大的模塊成為主模塊，并聯(lián)系 統(tǒng)比較復(fù)雜。L圖1一9基于功率分配中心的主從并聯(lián)框圖圖卜10民主主從并聯(lián)控制法框圖1.3.3分散邏輯控制法分散邏輯控制方式將均流控制分散在各個(gè)并聯(lián)模塊中，并通過(guò)模塊間的互連線交 換信息，如并聯(lián)模塊的輸出電壓、電流，有功、無(wú)功分量以及頻率

26、和相位信號(hào)， 通過(guò)各模塊內(nèi)部的控制器產(chǎn)生各模塊公共的基準(zhǔn)電壓信號(hào)、基準(zhǔn)電流信號(hào)、以及 相位同步信號(hào)。分散邏輯控制法的主要控制信號(hào)均為并聯(lián)系統(tǒng)所有模塊控制信號(hào) 的綜合值，各模塊相互冗余，常用的分散邏輯控制方法包括：a均分控制法【J這種控制法的設(shè)計(jì)思想是在各模塊中設(shè)置同步和相應(yīng)控制變量的平均信號(hào)環(huán)節(jié)， 圖卜11為一種平均控制方式的控制框圖，并聯(lián)模塊間有兩個(gè)互連線，分 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論別為公共電壓基準(zhǔn)信號(hào)v,和平均反饋電流信號(hào)f,各并聯(lián)模塊通過(guò)鎖相環(huán)與 公共電壓基準(zhǔn)信號(hào)同步使得各模塊輸出電壓相位和頻率一致，以平均反饋電流f,作為各個(gè)并聯(lián)模塊的電流參考值，各模塊輸出電流與參考值的誤差調(diào)整

27、電壓 參考值的幅值實(shí)現(xiàn)均流。分布式控制方式，設(shè)想思路清晰，均流效果較好，不需 附加額外的并聯(lián)控制模塊，但并聯(lián)各模塊間的模擬信號(hào)線較多容易收到干擾，遠(yuǎn) 距離通訊時(shí)抗干擾能力較差，可靠性降低。不利于多模塊的并聯(lián)。飛=:廠一垴航.1二閉l.LL Jn墜蘭廠逆，1f門墜蘭r0、.。臣一kVnoh未.醫(yī).際翩：。，.醫(yī)=司 圖卜11平均控制方式的控制框圖b.環(huán)形鏈電流跟蹤控制法(3C)【15】在3C控制(CircularChainContrO1)中各模塊均基于電 壓電流雙閉環(huán)控制，第一臺(tái)逆變器的輸出濾波電感電流反饋信號(hào)加到第二臺(tái)逆變 器的電感電流給定信號(hào)中，第二臺(tái)逆變器的輸出濾波電感電流反饋信號(hào)加到第三

28、 臺(tái)電感電流給定信號(hào)中，依次連接，最后一臺(tái)逆變器濾波電感電流反饋信號(hào)再加 到第一臺(tái)逆變器電感電流給定信號(hào)，使并聯(lián)系統(tǒng)在信號(hào)上形成一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)。大 大減少了模塊之間的信號(hào)連線，因?yàn)樽幽K只與上下兩模塊之間進(jìn)行通訊，而與 其它n2個(gè)模塊無(wú)關(guān)。但在控制回路引入其它模塊信號(hào)，加強(qiáng)了模塊間的耦合，故常規(guī)控制方案難以實(shí)現(xiàn)，使得控制復(fù)雜化。實(shí)現(xiàn)原理見(jiàn)圖1 .12即為基 于環(huán)形鏈型控制方案的并聯(lián)系統(tǒng)中單個(gè)逆變模塊原理框圖。-8?浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論圖1 .12環(huán)形鏈電流跟蹤控制法控制框圖c平均功率控制法【18圖1 ? 13兩臺(tái)逆變器并聯(lián)模型并聯(lián)系統(tǒng)中各模塊輸出功率不均分的原因可歸結(jié)為各模塊輸出電壓相

29、位有差、幅 值有差。因此，如果能把各并聯(lián)模塊輸出功率差轉(zhuǎn)換為輸出電壓幅值差和相角差 并相應(yīng)調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)各模塊均分負(fù)載電流。在圖1 .13中，當(dāng)逆變器1輸出 電壓為L(zhǎng),。A鋤、并聯(lián)匯流條電壓為L(zhǎng)7j幼D、濾波電感感抗為J時(shí)，可推 導(dǎo)逆交器1輸出有功功率R。和無(wú)功功率鼠表達(dá)式：恥華sin仍蜘盟掣因?yàn)橄辔徊钛龊苄?，由式?.1）可見(jiàn)逆變器輸出有功功率，主要與電壓的 相位差成正比，無(wú)功功率9 0 1主要與幅值差成正比。通過(guò)調(diào)節(jié)各逆變器基準(zhǔn)信 號(hào)的相位和幅值，可實(shí)現(xiàn)各并聯(lián)逆變器輸出有功功率和無(wú)功功率平衡。與集中控制方式和主從控制方式相比較，采用分布邏輯控制方式的并聯(lián)系統(tǒng)中不 存在公共控制電路，而且每個(gè)

30、模塊的地位平等，當(dāng)某個(gè)模塊旦發(fā)生故障，該模 塊就自動(dòng)退出，其它模塊仍然可以正常工作，它克服了集中控制和主從控制中存 在的單個(gè)模塊故障整個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)癱瘓的問(wèn)題，提高了并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性。浙江大學(xué)頂士學(xué)位論文第一章緒論1.3.4無(wú)互連線控制法為了減少并聯(lián)模塊間互連線的數(shù)目，近年來(lái)提出了無(wú)互連線控制方式 通過(guò) 借鑒同步發(fā)電機(jī)的自同步和電壓下垂特性，實(shí)現(xiàn)模塊間無(wú)信號(hào)線的并聯(lián)。其關(guān)鍵 技術(shù)是通過(guò)調(diào)節(jié)模塊自身的變量來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各模塊問(wèn)負(fù)載功率的分配，而負(fù)載 功率一般包括有功功率和無(wú)功功率（若負(fù)載為非線性，還包括諧波功率），對(duì)它 們的調(diào)節(jié)，可以通過(guò)控制模塊輸出基波電壓幅值和相位得以實(shí)現(xiàn)。a.PQ法【20】21】

31、通過(guò)檢測(cè)輸出的有功功率（P）和無(wú)功功率（Q）來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值和頻 率，能較好地滿足線性負(fù)載，增加了諧波功率控制。b.輸出串電阻法【2 0借鑒直流并聯(lián)方案采用了另外一種無(wú)連線并聯(lián)的控制策略，它是通過(guò)輸出電壓幅 值及頻率隨輸出電流增大而改變的控制方法實(shí)現(xiàn)各模塊間的均流。圖1一15無(wú)互連線控制方式控制框圖圖1.】6輸出串電阻原理圖利用逆變器輸出的下垂特性，各模塊以自身的有功和無(wú)功功率為依據(jù)，調(diào)贅自身 輸出電壓的頻率和幅值以達(dá)到各臺(tái)逆變器的均流運(yùn)行。無(wú)互連線控制方式在各并 聯(lián)模塊間無(wú)互連線，消除了在分布控制方式中由于各模塊之間互連線信號(hào)受干擾 而引起并聯(lián)系統(tǒng)不能正常工作的問(wèn)題，并聯(lián)方式簡(jiǎn)單，提高了

32、并聯(lián)系統(tǒng)的可靠 性。但是由于逆變器輸出特性軟化，穩(wěn)態(tài)時(shí)會(huì)造成逆變器輸出電壓幅值、頻率發(fā) 生偏離，下垂系數(shù)m和n越大，各模塊分擔(dān)負(fù)載的效果越好，但是輸出電壓幅值 和頻率的精度越差，需要在逆變器輸出電壓幅值和頻率的精度與功率均分效果之 間折中考慮。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論1.4數(shù)字技術(shù)概述傳統(tǒng)的電源都是采用模擬控制系統(tǒng)，模擬控制經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)非常成熟。 然而，模擬控制有著固有的缺點(diǎn)：需要大量的分立元件，元器件數(shù)量很多，制造 成本比較高；大量的模擬元器件問(wèn)的連接相當(dāng)復(fù)雜，從而使系統(tǒng)的故障檢測(cè)與維 修比較困難。模擬器件的老化問(wèn)題和不可補(bǔ)償?shù)臏仄瘑?wèn)題，以及易受環(huán)境（如電 磁噪聲，工作環(huán)境溫度

33、等）干擾等因素都會(huì)影響控制系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性1 7】，此外模擬控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息傳輸、通訊等先進(jìn)控制技術(shù)。隨著微電子技術(shù)和通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字處理器的運(yùn)算速度越來(lái)越快，集成 度越來(lái)越高，功能更加強(qiáng)大，而成本也隨著大規(guī)模的生產(chǎn)而下降，伴隨著數(shù)字通 訊技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制己成為當(dāng)今電源發(fā)展的方向。1.4.1數(shù)字控制的特點(diǎn)與數(shù)字信號(hào)處理器（DsP）嘲,2 “數(shù)字控制電源與傳統(tǒng)模擬控制相比，有如下特點(diǎn)：數(shù)字控制可以簡(jiǎn)化硬件電路， 解決模擬控制元器件老化和溫漂帶來(lái)的問(wèn)題，抗干擾能力也大大的增強(qiáng)：易實(shí)現(xiàn) 先進(jìn)控制，改善電源系統(tǒng)的控制效果：通用性強(qiáng)，可以在幾乎不改變硬件的情況 下，通過(guò)修改軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)

34、不同的控制算法或提高系統(tǒng)的性能，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn) 品生產(chǎn)；采用數(shù)字控制可以更好地與信息化接軌，使電源系統(tǒng)的操作使用界面更 加人性化，還能實(shí)現(xiàn)故障自診斷等功能。在數(shù)字控制系統(tǒng)中要注意以下幾個(gè)問(wèn)題【3 0:AD轉(zhuǎn)換的精度和速度，采樣 頻率的選取、PwM載波頻率，計(jì)算精度，控制算法的延時(shí)等。AD轉(zhuǎn)換器不可避免存在量化誤差，而這種量化誤差對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)不利影 響。選擇高精度的AD雖能提供系統(tǒng)采集進(jìn)度，但同時(shí)增加了系統(tǒng)的成本。 根據(jù)采樣定理，信號(hào)的采樣頻率至少為被控電路系統(tǒng)帶寬的兩倍，才不會(huì)出現(xiàn)混 疊效應(yīng)。提高采樣頻率能提高控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，但是這通常受到AD采樣芯片 的速度及微處理器速度的限制。PW

35、M信號(hào)頻率與功率開(kāi)關(guān)的性能、開(kāi)關(guān)損耗、微處理器的運(yùn)算能力等息息相 關(guān)PWM信號(hào)頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗越大，留給微處理器的運(yùn)算時(shí)間越少。所以 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要認(rèn)真考慮所選用的PwM頻率。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論在運(yùn)算過(guò)程中，數(shù)據(jù)最初來(lái)自AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換器的位數(shù)即采樣的分辨率首 先影響后面計(jì)算所能得到的最大精度。另外，在數(shù)據(jù)處理及計(jì)算中，不可避免地 存在需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行截尾等處理，這也會(huì)影響最后的控制精度。字長(zhǎng)效應(yīng)及計(jì)算 精度也是影響系統(tǒng)控制精度指標(biāo)一個(gè)重要因素。在數(shù)字系統(tǒng)中不可避免地存在采樣和計(jì)算延時(shí)問(wèn)題。這些延時(shí)對(duì)系統(tǒng)影響很大， 不但影響系統(tǒng)的控制精度和實(shí)時(shí)性，還可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。由于采樣

36、和計(jì)算所 引起的數(shù)字延時(shí)，會(huì)使系統(tǒng)的帶寬變窄，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度變慢P。信號(hào)處理器（DsP）的誕生與快速發(fā)展，使各種數(shù)字信號(hào)處理算法得以實(shí)時(shí)實(shí) 現(xiàn)，為數(shù)字信號(hào)處理的研究和應(yīng)用打開(kāi)了新局面。由于DsP具有豐富的硬件資 源、改進(jìn)的并行結(jié)構(gòu)、高速數(shù)據(jù)處理能力和強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，已經(jīng)成為世界半導(dǎo) 體產(chǎn)業(yè)中緊隨微處理器與微控制器之后的又一個(gè)熱點(diǎn)，在通信、航空、航天、雷 達(dá)、工業(yè)控制及家用電器等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。DsP具有下列主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：采用改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序總線和數(shù) 據(jù)總線，可同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)空間；多級(jí)流水線處理，支持并行操作，在一個(gè) 指令周期內(nèi)可以完成多重操作；片內(nèi)含有硬件乘法器和高性

37、能的運(yùn)算器及累加 器：片內(nèi)集成了存儲(chǔ)空間，因此不存在總線競(jìng)爭(zhēng)和速度匹配問(wèn)題，大大提高了數(shù) 據(jù)讀/寫文章的速度；新型的DsP還集成了越來(lái)越多的其它部件，如刖D，比 較器，捕獲器及PwM等，為將DsP應(yīng)用于智能測(cè)控，電機(jī)控制，電力電子技 術(shù)等領(lǐng)域提供了資源條件。本課題中采用的控制芯片是TI公司專門為電機(jī)控制 設(shè)計(jì)的TMS320I，F(xiàn)2407 Ao1.4.2現(xiàn)場(chǎng)總線和CANBUS皿毗現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局 域網(wǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)各之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多 節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的控制網(wǎng)絡(luò)，具有協(xié) 議簡(jiǎn)

38、單開(kāi)放、容錯(cuò)能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高、安全性好、成本低、適用于頻繁交換等特 點(diǎn)。由于采用現(xiàn)場(chǎng)總線將使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)安裝費(fèi)用減少并且易于維護(hù) 等一系列的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視?，F(xiàn)場(chǎng)總線通信中絕大多 數(shù)部分屬于循環(huán)通信，需要周期性地從設(shè)各采樣實(shí)時(shí) 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論數(shù)據(jù)。如果一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)不恰當(dāng)，網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致周期性地?cái)?shù)據(jù)不能反映其真 實(shí)地實(shí)時(shí)數(shù)指，就會(huì)使現(xiàn)場(chǎng)控制失去它實(shí)際地意義。因此，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)總線被應(yīng)用于 過(guò)程控制和自動(dòng)化系統(tǒng)中時(shí)，必須考慮倒網(wǎng)絡(luò)性能的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。CAN全稱為Con仃DllcrArcaNetwork ”，即控制器局域 網(wǎng)，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一

39、。最初，其被設(shè)計(jì)作為汽車環(huán)境中的微 控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng) 絡(luò)。由于CAN總線具有很高的實(shí)時(shí)性能和高抗干擾性，已經(jīng)在汽車工業(yè)、航空 工業(yè)、工業(yè)控制、安全防護(hù)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。CAN是一種多主方式的串行通訊總線，具有十分優(yōu)越的特點(diǎn)，包括：低成本； 極高的總線利用率；很遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸距離（長(zhǎng)達(dá)1 OKm）;高速的數(shù)據(jù)傳輸速 率（高達(dá)1 Mbit/s）;可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文；可靠的 錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制；發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)；節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的 情況下具有自動(dòng)退出總線的功能；報(bào)文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來(lái) 指示功能

40、信息、優(yōu)先級(jí)信息。基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾 性，而且能夠檢測(cè)出產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤。當(dāng)信號(hào)傳輸距離達(dá)到1OKm時(shí)，CAN仍可提供高達(dá)5OKbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。cAN通訊協(xié)議主要描述設(shè)備之間的信息傳遞方式cAN層的定義與開(kāi)放系統(tǒng) 互連模型 （OsI）致。每一層與另一設(shè)備上相同的那一層通訊。實(shí)際的通訊 發(fā)生在每一設(shè)備上相鄰的兩層，而設(shè)備只通過(guò)模型物理層的物理介質(zhì)互連CA N的規(guī)范定義了模型的最下面兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。下表中展示了OSI開(kāi)放式互連模型的各層。應(yīng)用層協(xié)議可以由CAN用戶定義成適合特別工業(yè)領(lǐng)域 的任何方案。7654321表1OsI開(kāi)放系統(tǒng)互連模型最高層。 用戶、

41、軟件、 網(wǎng)絡(luò)終端等之間用來(lái)進(jìn)行 信息交換。 口：DeviceNet將兩個(gè)應(yīng)用不同數(shù)據(jù)格式的系統(tǒng)信息轉(zhuǎn)化為 能共同理解的格式依靠低層的通信功能來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的有效傳遞。兩通訊節(jié)點(diǎn)之間 數(shù)據(jù)傳輸控制。操作如：數(shù)據(jù)重發(fā)，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤修復(fù)規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)連接的建立、維持 和拆除的協(xié)議。如：路由和尋址規(guī)定了在介質(zhì)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位的排列和組織。 如：數(shù)據(jù)校驗(yàn)和幀結(jié)構(gòu)規(guī)定通訊介質(zhì)的物理特性。如：電氣特性和信號(hào)交換的解 釋應(yīng)用層表示層會(huì)話層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈層物理層 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論1.5本文選題意義與研究?jī)?nèi)容 本課題所要研究的DsP控制三相逆變器并聯(lián)系統(tǒng)主要用在中等功率等級(jí)（10 KVA_30KVA）uPs的

42、逆變輸出級(jí)?？紤]并聯(lián)系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)的特殊情 況，另外還要實(shí)現(xiàn)UPS的各種復(fù)雜的邏輯關(guān)系。本文的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè) 方面： 第一章、介紹UPS的逆變器及其并聯(lián)技術(shù)的概述和常用的控制策略及采用數(shù)字 控制的特點(diǎn)，并介紹了DSP與cAN總線的特點(diǎn)。第二章、根據(jù)本課題具體項(xiàng)目，介紹三相逆變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析逆變器的建模， 根據(jù)具體電路，設(shè)計(jì)電壓電流環(huán)的控制參數(shù)，并介紹了系統(tǒng)內(nèi)阻抗計(jì)算和電壓直 流分量控制。第三章、通過(guò)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流特性分析，提出了基于PQ控制的并聯(lián)方案， 此外特別對(duì)直流環(huán)流進(jìn)行分析提出抑制方法，最后建立了完整的并聯(lián)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控 制框圖。第四章、基于并聯(lián)冗余系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，介紹冗余設(shè)計(jì)、同步鎖

43、相、數(shù)據(jù)通訊和模擬 控制器離散化。第五章、通過(guò)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)波形驗(yàn)證并聯(lián)方案的可行性。第六章、對(duì)本 文的總結(jié)和展望。浙江大學(xué)碩士論文第二章逆變控制器的研究第二章逆變控制器的研究2.1主電路模型本課題中，三相UPS的逆變器部分采用三相四線式逆變拓?fù)?，主要由直流?cè)、 逆變橋及輸出L C濾波器組成，如圖2.1所示。由于采用直流母線(電池) 中點(diǎn)作為輸出的零線，輸出為三相四線制，可以很好地與前級(jí)三相雙開(kāi)關(guān)三電平PFC電路結(jié)合起來(lái)。由于三相四線式電路的每一相都是獨(dú)立的，相互之間不存 在耦合關(guān)系，因而可以把三相逆變器看成是三個(gè)輸出電壓相位互差1 2 0 0的單 相半橋逆變器組合在一起，單相逆變器的控

44、制方法可以直接用在這里，如可以采 用電壓電流雙環(huán)的控制方法。為了方便論述，本章將被控對(duì)象做為單相半橋式來(lái) 分析，如圖22中E1、E2表示正負(fù)直流母線電壓，s1、s2為半導(dǎo)體開(kāi) 關(guān)器件；L,c為輸出三c濾波器，忽略電感等效串聯(lián)電阻；zo為負(fù)載。yots、圖21三相四線式逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖22單相半橋電路在逆變電路控制模型中，高頻SPwM調(diào)制方式的基本思想是輸入的參考正弦 波%sin( )和載波信號(hào)(如三角波)比較得到的脈沖去控制各功率開(kāi)關(guān) 器件。由于開(kāi)關(guān)是不連續(xù)狀態(tài)，分析時(shí)我們采用狀態(tài)空間平均法建立連續(xù)的狀態(tài) 平均模型來(lái)分析。狀態(tài)空間平均法是基于輸出頻率遠(yuǎn)小于開(kāi)關(guān)頻率的情況下，在 一個(gè)開(kāi)關(guān)周

45、期內(nèi)，用變量的平均值代替其瞬時(shí)值，從而得到連續(xù)狀態(tài)空間平均模 型。浙江大學(xué)碩士論文第二章逆變控制囂的研究建立頻域傳遞函數(shù)G佃土其中厶S為電感L,/cS電容，輸出電壓,碭和a，b兩點(diǎn)之間電壓所體)：哪，=器=墨=)匕X+CSR1(2 1)雙極性sPwM調(diào)制時(shí)，v,可以表示為：v = E(2D 1)其中，占空比D根據(jù)SPWM調(diào)制可表示為（22）。=扣抄扣凈sine礎(chǔ)其中V。為參考正弦波信號(hào)，vr,為三角載波峰值。由式2.3代入式2.2有（2 3）V:E.翌匚或弩：堇止V.（2 4）則從調(diào)制信號(hào)輸入至逆變橋輸出的傳遞函數(shù)為：K,。二薏器=毒（2.5）在sPwM中，載波頻率（開(kāi)關(guān)頻率）遠(yuǎn)高于輸出頻率時(shí)

46、，由式2.5可將逆變橋 部分看成是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，比例系數(shù)定義為Jo。聯(lián)立式21可得（26）邸，2器2焉器5志？oR即為逆變器輸入和輸出的傳遞函數(shù)，根據(jù)該傳遞函數(shù)的表達(dá)式，可以得到其等效 框圖如圖2.4所示。在高頻SPwM逆變器中，逆變器的輸出Le濾波器主要 是用來(lái)濾除開(kāi)關(guān)頻率（本課題中開(kāi)關(guān)頻率必=6臣眈）及其鄰近頻帶的諧 波。圖24單相逆變器主電路等效框圖 浙江大學(xué)碩士論文第二章逆變控制器的研究2.2控制器參數(shù)設(shè)計(jì) 州”1本課題中主要采用電壓電流雙環(huán)反饋控制的方案，電感電流內(nèi)環(huán)提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài) 性能，瞬時(shí)電壓環(huán)改善輸出電壓波形，同時(shí)為了使輸出電壓具有較高的精度，采 用輸出電壓平均值外環(huán)對(duì)輸出電壓

47、的幅值進(jìn)行反饋控制，如圖2.5所示。V圖25逆變器控制框圖輸出電壓經(jīng)過(guò)整流濾波后得到的有效值與給定參考基準(zhǔn)信號(hào)的有效值進(jìn)行礦比較，得到的誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)平均值外環(huán)PI調(diào)節(jié)器臣。+二摯后的輸出作為瞬時(shí) 電。壓內(nèi)環(huán)參考正弦波的幅值，這個(gè)幅值乘以單位正弦波信號(hào)后作為瞬時(shí)電壓內(nèi)環(huán)參 考信號(hào)。參考電壓信號(hào)與瞬時(shí)輸出電壓相比較，所得誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)瞬時(shí)電壓環(huán) 礦PI調(diào)節(jié)器K，o+警后輸出作為電流內(nèi)環(huán)參考給定，濾波電感電流與電流參考 給。定比較， 得到的誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)電流內(nèi)環(huán)P調(diào)節(jié)器石。 后輸出信號(hào)與三角波相比 較， 產(chǎn)生PwM驅(qū)動(dòng)脈沖，如圖2.6所示。圖2.6半橋逆變器控制結(jié)構(gòu)圖 塑堊查蘭堡圭笙蘭電流內(nèi)環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)苧

48、三蘭蘭奎壟型蘭塑翌壟 一一對(duì)系統(tǒng)控制框圖2.5進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到電流內(nèi)環(huán)控制框圖如圖2? 7所示。二苦二爭(zhēng)齋糕從圖2.7中可以得到電流內(nèi)環(huán)被控系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為（反饋系 數(shù)取1）;S5從上式可以看出，被控系統(tǒng)包含一個(gè)二階振蕩環(huán)節(jié)：一志2巍1足M ?（足？c ? s + 1）巧JI上.C.R.S2+三tS + R=1Is=2z正陋8 ?在本次系統(tǒng)中三= 660 /日，C=90 /F,世川。=點(diǎn)= 3 8 0,R=7Q由上述分析得到該振蕩環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率為：五贏2同時(shí)被控 系統(tǒng)還包含一個(gè)隨負(fù)載R變化的零點(diǎn)：t65D舷2贏（2.9 ）電流內(nèi)環(huán)采用 比例P控制器，在設(shè)計(jì)控制器參數(shù)時(shí)，為使得被控系統(tǒng)在補(bǔ)償后

49、具有較大的相位 裕度，考慮將補(bǔ)償后系統(tǒng)的穿越頻率設(shè)置在開(kāi)關(guān)頻率的1/10處，系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻 率為乃2觸，則正2擊z=1 ? 6肼拓，有：由式2.9可以計(jì)算得到電流內(nèi)環(huán)P控制器參數(shù)：K，=0，0J釘電流內(nèi)環(huán)加入P控制器后的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：q階熹器2堡：墜：墜?。焊?!L ? C ? R ?擎+q+KK一? R , Qs+R + KEoK一（2 10）浙江大學(xué)碩士論文第二章逆變控制器的研究電壓內(nèi)環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)由式210分析可得電流環(huán)傳遞函數(shù)為Gj矗Jo根據(jù)系統(tǒng)控制框圖2.5簡(jiǎn)化得到瞬時(shí)電壓內(nèi)環(huán)控制框圖，如圖2.8所示。圖2.8瞬時(shí)電壓內(nèi)環(huán)控制框圖從圖2 8中可以得到電壓內(nèi)環(huán)被控系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為（反饋系

50、數(shù)取1）:汶=6;（砂乏品2瓦麗面考喪甕麗啄石pm從上式可以看出， 被控系統(tǒng)是一個(gè) 二階系統(tǒng)， 轉(zhuǎn)折頻率為：上埋垛?。簤q！竺：三2筇、L.C.R2牙去壓一尼陋為了獲得較大的低頻段增益，同時(shí)又要保證系統(tǒng)具有較大的相位裕度，將PI調(diào) 節(jié)器的零點(diǎn)設(shè)置為厶=5DD王拓，補(bǔ)償后系統(tǒng)穿越頻率設(shè)置為厶= JD脅可 列出方程組：j;L：2咒.f o：:o。0盯五nv掣（2 13）G，rsJ1s = i2 foo=J從上述刀市呈組解得：Ko，2nD7;Ko 220o瞬時(shí)電壓內(nèi)環(huán)PI控制器為：qr卅：堡塑 尋絲（2.14）瞬時(shí)電壓內(nèi)環(huán)加 入PI控制器后的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：玄俐=尚筠:生：笠：！釜竺蘭墮：笠：！釜：墨

51、,2_15 ?浙江大學(xué)碩士論文第二章逆變控制器的研究平均值外環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)以瞬時(shí)電壓內(nèi)環(huán)閉環(huán)作為被控對(duì)象，平均值外環(huán)的控制框圖如圖29所示。外環(huán)的參考值是輸出電壓的參考幅值，反饋量是輸出電壓的幅值信號(hào)，都為直流 量。從控制的角度分析，被控對(duì)象的輸入是5D脅正弦波的幅值，輸出也是J昵 如正弦波的幅值，實(shí)際上被控對(duì)象的傳遞函數(shù)就是瞬時(shí)電壓內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)幅 頻特性上5D恐頻率對(duì)應(yīng)的增益。因此可以把瞬時(shí)電壓電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)環(huán)節(jié)等效為 一個(gè)比例系數(shù)凰，：Ko=lGo一兒二二n9J可將平均值外環(huán)控制框圖簡(jiǎn)化為如圖2.9所示。圖2.9平均值外環(huán)的控制框圖在設(shè)計(jì)外環(huán)控制器時(shí)，PI控制器的零點(diǎn)設(shè)置為/0二DD脅，補(bǔ)償

52、后系統(tǒng)穿越頻率設(shè)置為兀。=2口脅，可列出方程組：（2 】6）從上述方程組可以解得：Ko=n2；瓦=3。平均值外環(huán)PI控制器為：蹦S）二燮竽平均值外環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為（217）叫=老格=意芝熹甕（218）浙江大學(xué)碩士論文第二章逆變控制器的研究2.3逆變器輸出阻抗分析對(duì)于圖2.1 0所示的采用電壓電流雙環(huán)控制的逆變器【101,可以看作帶內(nèi) 阻的電壓源如圖2.1 1所示。逆變器的內(nèi)阻抗zf可以分為兩個(gè)部分：逆變器 等效輸出阻抗。和線間傳導(dǎo)阻抗z脅。.圖2.10雙環(huán)控制逆變器控制框圖電壓電流雙環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為嘲一圖2.11雙環(huán)控制逆變器等效模型（219）附麗而麗尚赫囂篡籌再而麗逆變器負(fù)載為R時(shí)輸出電壓

53、表示為：礦：？”三一cR ? ., + （+巧？.21;。? R ? q ?釅一只+巧？。+ 人紹峰？.玄。?司？s+K ?%?點(diǎn)；。？R ?阿（2 ? 2 0）堡：墜：車竺 蘭堡：整：！釜：墨：礦，浙江大學(xué)碩士論文第二章逆變控制器的研究逆變器空載輸出電壓表示為：礦：墜堡壘蘭墜生壘屹，（s）=L,（s）尺j ,一LC守+KMmK CO+q+KMoiKmK Os+K。KmKj又有：礦，82.23 ）其逆變器等效輸出阻抗乙可以表示為：zln=Rm+jXoLS2+Kp|KmmSO）V函 伽口LC分+KmmKpCS2 + q七KmmKmK口Os+KmmKpiK 系統(tǒng)中：L=66O坩，Kpv = o.O

54、7.C=9Dz , F.I;妒，胛=38O,.峋，f = n O4jK|v = 2 2O,盎25OHz則逆變器等效輸出阻抗zo為：瓦=O.釘吖J.33由于逆變器系統(tǒng)內(nèi)阻抗特性影響著下一章節(jié)所介紹的基于有功功率和無(wú)功功率的 并聯(lián)系統(tǒng)控制策略，在此需要對(duì)逆變器參數(shù)對(duì)等效內(nèi)阻的影響做一簡(jiǎn)要分 析，如圖212所示：參考角B! 卜 等效內(nèi)阻抗 比較值丫角（a）濾波電容c的變化會(huì)造成的等效內(nèi)阻和等效內(nèi)阻角的變化曲線P伽）【屹，（s）二（s）一 得p蚴 以滬w）竿Zf。 聯(lián)立方程（2，1 9）（o,(s)Z,。浙江大學(xué)碩士論文第二章逆變控制器的研究 等效尊內(nèi) 阻 抗fZj。f比較值1散內(nèi)阻抗(固參考阻抗f角

55、(b)等 效 內(nèi) 阻 抗 角(c)等 效 內(nèi) 阻 抗 角(d)2 3.浙江大學(xué)碩士論文第二章逆變控制器的研究濾波電容L的變化會(huì)造成的等效內(nèi)阻和等效內(nèi)阻角的變化曲線電流環(huán)比例參數(shù)一翰的變化會(huì)造成的等效內(nèi)阻和等效內(nèi)阻角的變化曲線電壓環(huán)比例參數(shù)j%。的變化會(huì)造成的等效內(nèi)阻和等效內(nèi)阻角的變化曲線一3等效內(nèi)咀抗1Z.nl(n),一踏囂酋、，一Klv,KlV時(shí)？，參考阻抗fKiv,Kjv,F(e)電壓環(huán)積分參數(shù)獅的變化會(huì)造成的等效內(nèi)阻和等效內(nèi)阻角的變化曲線圖2.12逆變器參數(shù)變化對(duì)等效內(nèi)阻的影響由圖2.12分析可得：1.逆變系統(tǒng)濾波器的濾波電容C和濾波電感L對(duì)系統(tǒng)等效輸出內(nèi)阻影響較 小，由于濾波電容C和濾

56、波電感L的器件偏差基本小于10%,當(dāng)系統(tǒng)其它 參數(shù)不變的情況下，濾波器器件差異對(duì)等效輸出內(nèi)阻影響可以忽略不計(jì)。2.隨著電流環(huán)比例參數(shù)晦，增大，等效輸出內(nèi)阻角緩慢變大，對(duì)等效輸出內(nèi) 阻模影響較小。3.隨著電壓環(huán)比例參數(shù)晦。增大，等效輸出內(nèi)阻角緩慢變減小，對(duì)等效輸出 內(nèi)阻模影響較小。4.由圖(c)可知電壓積分參數(shù)島對(duì)等效內(nèi)阻和等效內(nèi)阻角影響較大。隨 著電壓積分參數(shù)。變大，等效內(nèi)阻模急速減小，等效輸出內(nèi)阻角變大。 由上述分析可知電壓電流雙環(huán)控制的逆變器系統(tǒng)，其控制參數(shù)在一定程度上影響 著其內(nèi)阻抗特性，特別是電壓環(huán)的積分參數(shù)，但是一旦其控制參數(shù)確定，則輸出 內(nèi)阻也將確定，電路元器件的偏差，對(duì)輸出內(nèi)阻影

57、響很小可以忽略。因此可以任 務(wù)采用同樣參數(shù)和器件的逆變器，它們的內(nèi)阻抗相同。浙江大學(xué)碩士論文第二章逆變控制器的研究2.4逆變輸出電壓直流分量控制技術(shù)根據(jù)國(guó)家uPs標(biāo)準(zhǔn)， 逆變器輸出電壓為2 2 0V/50HZ時(shí)， 輸出電壓的直 流分量應(yīng)小于10 0mV。然而，由于逆變器控制電路中運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂 移，開(kāi)關(guān)管本身及其驅(qū)動(dòng)電路不一致等原因會(huì)使逆變器輸出電壓產(chǎn)生直流分量。 對(duì)于通常的無(wú)輸出隔離變壓器的逆變器，其輸出電壓的直流分量常常達(dá)到4 0 0 mV,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到要求。此外，在無(wú)輸出隔離變壓器的逆變器直接并聯(lián)系統(tǒng) 中，由于逆變器各模塊間連線的阻抗很小，較小的直流分量也會(huì)造成很大的直流 環(huán)流，使逆

58、變器各模塊不能均分負(fù)載，降低了并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性。因此必須將逆 變器輸出電壓中的直流分量控制在合理的范圍內(nèi)。2.4.1逆變輸出電壓直流分量產(chǎn)生“”(1)A/D采集精度對(duì)直流分量的影響由于正弦波的電壓范圍使+311一311,在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中需要加入一定的 余量，貝U出現(xiàn)+一4 0 0的電壓范圍，DsP的AD進(jìn)度為1O位，貝U出現(xiàn)了采 樣精度的問(wèn)題，DsP采集的電壓精度0 .78V。采樣精度誤差必然會(huì)造成調(diào) 節(jié)誤差，輸出電壓直流分量就無(wú)法避免。(2)運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移對(duì)逆變器輸出電壓直流分量的影晌在DSP為核心的雙閉環(huán)控制逆變器的控制電路中需要利用運(yùn)算放大器構(gòu)成調(diào)理 電路調(diào)節(jié)實(shí)際量使其能夠適應(yīng)A/D

59、口的采樣，由于運(yùn)算放大器存在零點(diǎn)漂移， 這會(huì)對(duì)逆變器輸出電壓直流分量產(chǎn)生影響。雖然運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移通常小于1 OmV，但是O. 01/1.65= 0.6%誤差仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)在220v下10 0mv的直流分量精度。因此在實(shí) 驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移對(duì)逆變器輸出電壓直流分量確有一定的影 響。這部分的直流分量可能是由于電壓調(diào)節(jié)器造成的。（3）功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)及其特性不一致對(duì)直流分量的影響本文研究的雙閉環(huán)控制逆變器主電路采用半橋結(jié)構(gòu)，由于逆變橋功率管的離散 性，其開(kāi)關(guān)速度、飽和壓降、存儲(chǔ)時(shí)間不完全相同。同時(shí)由于電路的其它一些非 理想因素，如驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳輸時(shí)間的差異，使得一個(gè)工作周期中，使得

60、兩個(gè)逆變 浙江大學(xué)碩士論文第二章逆變控制器的研究橋臂中點(diǎn)正負(fù)電壓伏秒積不等于零，從而使得逆變器輸出電壓含有直流分量。不 失一般性，如現(xiàn)假設(shè)開(kāi)關(guān)管si的總導(dǎo)通壓降為3V,開(kāi)關(guān)管S2的總導(dǎo)通壓降 為4V,此時(shí)逆變器輸出電壓會(huì)產(chǎn)生正的直流分量。2.4.2逆變輸出電壓直流分量檢測(cè)由于直流分量的存在，逆變器輸出電壓為正弦波分量加上少量的直流分量：Vm（f）=屹。si n刨+%1（225）其中，pZ，為逆變器輸出電壓的直流分量。傳統(tǒng)的直流分量檢測(cè)電路4 1（如圖2 19所示）主要有：R1和C1構(gòu)成的濾波電路；R2,C2和R3構(gòu)成積分電路。13圖219傳統(tǒng)直流分量檢測(cè)電路直流分量檢測(cè)電路的工作原理是：逆變器