DSP控制三相逆变器并联冗余技术精.docx

1、DSP控制三相逆变器并联冗余技术精浙江大学硕士学位论文DSP控制三相逆变器并联冗余技术姓名：周朝阳申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：徐德鸿20060501浙江大学硕士学位论文摘要摘要近年来随着用电设备对供电电源的性能和可靠性要求越来越高，不间断供电系统（）得到了广泛应用。模块化并联可实现大容量供电和冗余供电，是提高容量和可靠性的一条重要途径，因而被公认为当今逆变技术发展的重要方向之一。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实现的研究。首先探讨了基于电压电流双闭环控制的逆变器控制设计方法，在确定双闭环控制逆变器闭环传递函数并了解其等效输出阻抗特性的基

2、础上，建立了基于等效输出阻抗的并联系统模型分析其环流特性，并提出了一种新的基于有功功率和无功功率的逆变器并联控制方案，包括：基准电压相位和幅值的调整，控制参数设计，有功和无功功率计算，逆变输出电压同步锁相等。此外本文还特别讨论了双闭环控制逆变器输出电压直流分量产生原因，提出了逆变器输出电压直流分量检测与高精度数字调节方法，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。最后通过实验和实验波形验证本文所介绍的逆变器并联控制方案的可行性。关键词：不间断电源系统逆变器并联数字控制直流分量直流环流浙江大学硕士学位论文摘要曲哆凸“血（）盯嘶印，趾，血由，、萨，也也“州也幽姐细：】；丁；

3、浙江大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论及其并联技术的背景与意义随着现代通信技术、计算机网络技术和先进制造技术的迅速发展，各种用电设备不断增加，对供电系统容量和可靠性的要求也越来越高。当今电网的供电质量的普遍恶化，电网电压和频率的急剧波动，供电的瞬时和长期中断，以及在电网中所出现的各种人们无法预料与控制的干扰和高能浪涌都有可能导致用电设备的运行错误、数据丢失以及硬件损坏，造成重大损失”“。为满足电网中一些对供电电源敏感的设备如电脑系统、通讯系统、医疗系统等对高质量、高可靠性电源系统的需求，以逆变电源为核心的不间断电源系统（）已经越来越广泛应用于银行、证券、电信、军事、医疗等等各个领域。随着对供

4、电系统容量阱及供电质量和可靠性要求的进一步提高，输出电压稳定、输出频率精确不再是对逆变电源的唯一要求，目前高性能的逆变电源的设计应该考虑：（）高效率、高稳定性、高可靠性、高功率容量；（）低电磁干扰；（）高输入功率因数，低输出阻抗；（）模块化、智能化和网络化，显然单台或者传统的主备结构系统已经不能满足上述要求，除了常规的可靠性设计以外，在电源系统设计中采用并联冗余供电技术和容错技术是提高电源系统可靠性的重要手段。研究表明，采用手冗余并联供电技术是解决这些问题的重要方法”。谓栅冗余并联供电系统，是指拟台逆变器并联运行，均分台逆变器的额定功率，该方法具有很多优点。由于各逆变模块负担的负载功率均小于其

5、额定功率，因此只要同时出现故障的模块不多于个，并联系统就可以保证正常供电，提高系统的可靠性和生存能力。该方法降低了单逆变器模块的功率容量，有利于实现供电单元的模块化和标准化设计，使系统构成方式灵活，扩展方便。由于多个电源模块分担功率，可以分散系统的热应力，各模块功率开关器件的电流应力大大减少，从根本上提高可靠性、降低成本。因此，冗余供电技术是供电系统获得高可靠性、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。冗余供电技术以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。浙江火学硕士学位论文第一章绪论及其逆变器控制技术概述不间断供电系

6、统（）概述】所谓不间断供电电源是指电网（市电）输入发生异常或中断时，仍可以继续向负载供电，并能够保证供电质量，使负载不受影响的电源装置。系统主要由三个部分组成：整流器（仍）、逆变器（）、储能设备（）。整流器输出的直流电源向逆变器和充电器供电。的种类多种多样，根据工作方式的不同又可分为：后备式、在线式、在线互动式、】变换型。后备式（蕾）备式的结构如图卜所示，这种在市电正常时，由电网直接向负载供电；而在市电掉电时，由蓄电池经过逆变器向负载供电。这种具有电路简单、成本低、可靠性高的优点，但是其输出电压稳定精度差对电网的畸变和干扰没有抑制作用，市电掉电时负载供电有一段时间的中断，另外受切换电流和动作时

7、间的限制，输出功率一般较小因而仅作为一种应急电源使用。￥一一馘图卜后备式结构图在线式结构在线式（）在线式的结构如图所示，在市电正常时，通过整流器、逆变器向负载供电，同时向电池充电；在市电超出整流器允许范围或市电掉电时，由电池向逆变器供电。当逆变器出现故障时由电网向负载供电。在线式的特点是：当市电发生故障的瞬间输出电压不会产生任何间断；逆变器采用高频调制和反馈控制可以向负载提供电压稳定度高、波形畸变小、频率稳定以及动态响应速度快的高质量的电能；全部负载功率都由逆变器提供，输出能力受限制，整流器和逆变器都承担全部负载功率，整机效率比较低。浙江大学硕士学位论文第一章绪论在线互动式（）又被称为“准在线

8、式”电源，由一个身兼二职的逆变器充电器模块配以蓄电池组构成，其原理框图如图卜所示。当市电电源在正常时，负载由市电提供，双向变换器作为整流器向蓄电池充电。仅当市电电源异常时，双向变换器作为逆变器向负载提供正弦波电源。在线互动式具有效率高、结构简单、成本低、可靠性高的优点，但是它大部分时间由市电直接给负载供电，输出电压质量差，市电掉电时输出存在一定时间的电能中断。理自变换嚣图在线互动式结构图变换式结构变换型】又称串并联，它主要由低通滤波器、变换器和主变换器构成，如图卜所示。其中主变换器是一个四象限变换器，通过正弦波脉宽调制，向外输出恒压恒频、波形畸变率小、与电网电压同步的高质量的正弦电压，相当于一

9、个恒定的电压源。主变换器在市电正常时提供负载所需的全部无功功率和维持功率平衡所需的有功功率，吸收负载的谐波电流：市电故障时，提供负载所需的全部功率，保证输出电压连续不问断。变换型的特点是：负载电压由主变换器的输出电压决定，输出电能质量好：主变换器和变换器只对输出电压的差值进行调整和补偿、所以整机效率高、功率余量大，系统抗过载能力强、输入谐波电流小。但是变换型主电路和控制电路相对复杂可靠性差。逆变器控制技术概述逆变器的控制目标是提高逆变器输出电压的稳态和动态性能。稳态性能主要是指输出电压的稳态精度和提高带不平衡负载的能力；动态性能主要是指输出电压的（）和负载突变时的动态响应水平。浙江大学硕士学位

10、论文第一章绪论逆变电源的控制技术从总体上可以分为两大类：基于周期的控制、瞬时控制。基于周期的控制是通过对前几个周期的输出波形进行处理，利用所得到的结果对当前的控制进行校正的控制方法。从本质上看，基于周期的控制是通过对误差的周期性补偿，实现稳态的无静差效果。输出电压有效值反馈（图）就是一种典型的基于周期控制方法。这些对于周期性的扰动具有很好的校正作用，输出波形稳压精度较高，稳定性好，但是对于非周期性的扰动校正作用较差，动态响应非常慢，并且在周期扰动出现时，校正过程较长，动态性能比较差，为得到较好的输出波形和动态响应，需要与其它控制策略相结合。图有效值反馈控制框图为了提高逆变器输出电压波形的动态响

11、应速度，出现了瞬时值反馈的控制方法。基于瞬时控制是根据当前误差对输出波形进行有效的实时控制，可以分为滞环控制，瞬时值内环控制，电压电流双闭环控制等。图为电压电流双环反馈控制框图。图电压电流双环反馈控制框图在电压电流双环反馈控制中，逆变器通过采样输出电压和输出滤波电感或滤波电容上的电流，输出电压与参考给定的误差经过外环调节器输出作为内环电流环的参考给定，通过电流内环调节器来控制电感电流（或电容电流）跟踪电流参考给定，能够提高系统的动态响应。实践中，由于两个环的相互影响，参数整定比较困难。浙江大学硕学位论文第一童绪论逆变器并联技术的现状与发展趋势即】以为代表的分布式供电系统将取代集中式供电系统，其

12、核心技术就是如何处理好供电单元之间的功率分配，即供电单元的并联技术；并联是实现高可靠、大功率供电的关键技术。多逆变器模块并联，可以灵活构成各种功率容量，以模块化取代系列化，缩短研制周期，提高各类开关电源的标准化程度及可维护性等。与直流电源不同，逆变电源输出的是正弦波，并联时需要同时控制输出电压的幅值和相角，即要求同频率、同相位、同幅值运行，如果各逆变模块输出电压幅值或相位不一致，各模块之间会产生各种环流。逆变电源并联控制技术的研究始于上世纪七十年代，其间各种并联控制策略层出不穷，总体而言，得到比较广泛应用的逆变电源并联控制方法可以分为集中控制法、主从控制法、分散逻辑控制法和外特性下垂法。集中控

13、制法集中控制方法是设置专门公共的同步及均流模块，使各模块实现输出电压的频率、相位与幅值一致。但是一旦公共控制电路失效，整个并联系统无法工作，可靠性并不高。集中控制器并联法该方法控制框图如图卜所示由一个主逆变控制器和个功率模块组成，控制器控制采集输出电压信号产生统一的开关控制信号，各功率模块根据主控制器的信号进行开关转换。该方案控制策略简单，不设均流控制电路，可以方便的实现多模块并联工作。但单个模块无法脱离主控制器独立工作，外部控制器故障将导致整个系统崩溃，系统无冗余性。同时这种控制策略无法克服由于模块参数不一致引起的并联环流，并且难以实现热插拔。公用电压外环法】公用电压外环法控制框图如图卜所示

14、：系统主模块为电压控制模块，控制并联系统输出电压，并通过公共均流模块检测总的输出电流除以模块的并联数目得到各模块输出电流基准，给各模块提供统一的电流给定；通过用误差量来补偿各模块基准电压的幅值可以实现输出电流的平衡集中控制方式结构简单，均流效果较好，从模块为电流控制模块，控制各自输出电流跟随电流给定变化。该方浙江大学硕士学位论文第一章绪论法控制简单，各模块之间仅有一条均流信号线，系统稳定性和均流效果好。但由于共用电流给定，主模块故障将导致整个系统崩溃。图外部控制器并联法控制框图图卜公用电压外环法控制框图主从控制法该方法将并联控制器放到每台模块中，并联系统包括一个主模块和多个从模块，主模块为电压

15、型逆变器控制整个并联系统的输出电压幅值和频率，因而并联系统的输出电压幅值、频率精度仅取决于主模块的设计精度。从模块为电流型逆变器控制输出电流。功率分配中心控制法【】基于功率分配中心的主从并联控制方案如图卜所示。该方案由一个电压控制型主逆变器、一个功率分配中心和个电流控制型从逆变器组成。主模块，控制系统输出电压；从模块，控制自身输出电流跟踪给定电流变化；功率分配中心根据负载电流为每一个从模块提供电流基准信号，实现功率均分。该方案直接采用负载电流进行均流控制，无需用锁相环电路来实现同步控制，响应速度快；模块均有独立的控制环，均流控制电路易于实现，控制精度和稳定性均较好，且不受并联台数影响，容量扩展

16、灵活。但主模块一旦失效，整个系统无法工作，可靠性低；各模块之间的相互连接线引入噪声干扰；主从模块结构不同，系统构成复杂，难以实现模块化。民主主从控制法】民主主从并联控制法，其控制方式与功率分配法相似，但是其主机无需固定模块，各模块可通过莫种方式成为总机，模块内部结构框图如图卜所示，主浙江大学硕士学位论文第章绪论模块控制输出电压，产生各模块的电流给定信号；从模块控制自身输出电流跟踪主模块给定电流变化，当主模块故障时，任一从模块上升为主模块，亦即实现民主主从控制。民主主从控制法冗余性较好，可以实现系统模块化，提高可靠性，但模块间仍存在通讯互联线。综上所述，主从并联控制法控制简单；均流精度和控制稳定

17、性好：但主模块或核心控制器损坏将导致整个并联系统崩溃，系统冗余性差、可靠性低，或者需要通过一定的逻辑规则产生新的主模块如以输出电流最大的模块成为主模块，并联系统比较复杂。图一基于功率分配中心的主从并联框图图卜民主主从并联控制法框图分散逻辑控制法分散逻辑控制方式将均流控制分散在各个并联模块中，并通过模块间的互连线交换信息，如并联模块的输出电压、电流，有功、无功分量以及频率和相位信号，通过各模块内部的控制器产生各模块公共的基准电压信号、基准电流信号、以及相位同步信号。分散逻辑控制法的主要控制信号均为并联系统所有模块控制信号的综合值，各模块相互冗余，常用的分散逻辑控制方法包括：均分控制法【】这种控制

18、法的设计思想是在各模块中设置同步和相应控制变量的平均信号环节，图卜为一种平均控制方式的控制框图，并联模块间有两个互连线，分浙江大学硕士学位论文第一章绪论别为公共电压基准信号，和平均反馈电流信号，各并联模块通过锁相环与公共电压基准信号同步使得各模块输出电压相位和频率一致，以平均反馈电流，作为各个并联模块的电流参考值，各模块输出电流与参考值的误差调整电压参考值的幅值实现均流。分布式控制方式，设想思路清晰，均流效果较好，不需附加额外的并联控制模块，但并联各模块间的模拟信号线较多容易收到干扰，远距离通讯时抗干扰能力较差，可靠性降低。不利于多模块的并联。飞：厂一垴航二闭坠兰厂逆，门坠兰、。臣一。未医际翮

19、：。，医司图卜平均控制方式的控制框图环形链电流跟踪控制法（）【】在控制（）中各模块均基于电压电流双闭环控制，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。大大减少了模块之间的信号连线，因为子模块只与上下两模块之间进行通讯，而与其它一个模块无关。但在控制回路引入其它模块信号，加强了模块间的耦合，故常规控制方案难以实现，使得控制复杂化。实现原理见图即为基于环形链型控制方案的并联系统中单个

20、逆变模块原理框图。浙江大学硕士学位论文第一章绪论图环形链电流跟踪控制法控制框图平均功率控制法【图两台逆变器并联模型并联系统中各模块输出功率不均分的原因可归结为各模块输出电压相位有差、幅值有差。因此，如果能把各并联模块输出功率差转换为输出电压幅值差和相角差并相应调节，可以实现各模块均分负载电流。在图中，当逆变器输出电压为，。锄、并联汇流条电压为幼、滤波电感感抗为时，可推导逆交器输出有功功率。和无功功率鼠表达式：耻华仍蜘盟掣因为相位差仰很小，由式（）可见逆变器输出有功功率，主要与电压的相位差成正比，无功功率主要与幅值差成正比。通过调节各逆变器基准信号的相位和幅值，可实现各并联逆变器输出有功功率和无

21、功功率平衡。与集中控制方式和主从控制方式相比较，采用分布逻辑控制方式的并联系统中不存在公共控制电路，而且每个模块的地位平等，当某个模块旦发生故障，该模块就自动退出，其它模块仍然可以正常工作，它克服了集中控制和主从控制中存在的单个模块故障整个并联系统瘫痪的问题，提高了并联系统的可靠性。浙江大学顶士学位论文第一章绪论无互连线控制法为了减少并联模块间互连线的数目，近年来提出了无互连线控制方式一一一通过借鉴同步发电机的自同步和电压下垂特性，实现模块间无信号线的并联。其关键技术是通过调节模块自身的变量来实现系统中各模块问负载功率的分配，而负载功率一般包括有功功率和无功功率（若负载为非线性，还包括谐波功率

22、），对它们的调节，可以通过控制模块输出基波电压幅值和相位得以实现。法【】通过检测输出的有功功率（）和无功功率（）来调节输出电压的幅值和频率，能较好地满足线性负载，增加了谐波功率控制。输出串电阻法【借鉴直流并联方案采用了另外一种无连线并联的控制策略，它是通过输出电压幅值及频率随输出电流增大而改变的控制方法实现各模块间的均流。图一无互连线控制方式控制框图图】输出串电阻原理图利用逆变器输出的下垂特性，各模块以自身的有功和无功功率为依据，调赘自身输出电压的频率和幅值以达到各台逆变器的均流运行。无互连线控制方式在各并联模块间无互连线，消除了在分布控制方式中由于各模块之间互连线信号受干扰而引起并联系统不能

23、正常工作的问题，并联方式简单，提高了并联系统的可靠性。但是由于逆变器输出特性软化，稳态时会造成逆变器输出电压幅值、频率发生偏离，下垂系数和越大，各模块分担负载的效果越好，但是输出电压幅值和频率的精度越差，需要在逆变器输出电压幅值和频率的精度与功率均分效果之间折中考虑。浙江大学硕士学位论文第一章绪论数字技术概述传统的电源都是采用模拟控制系统，模拟控制经过多年的发展，已经非常成熟。然而，模拟控制有着固有的缺点：需要大量的分立元件，元器件数量很多，制造成本比较高；大量的模拟元器件问的连接相当复杂，从而使系统的故障检测与维修比较困难。模拟器件的老化问题和不可补偿的温漂问题，以及易受环境（如电磁噪声，工

24、作环境温度等）干扰等因素都会影响控制系统的长期稳定性】，此外模拟控制系统难以实现远程信息传输、通讯等先进控制技术。随着微电子技术和通讯技术的飞速发展，数字处理器的运算速度越来越快，集成度越来越高，功能更加强大，而成本也随着大规模的生产而下降，伴随着数字通讯技术的发展，数字控制己成为当今电源发展的方向。数字控制的特点与数字信号处理器（）嘲“数字控制电源与传统模拟控制相比，有如下特点：数字控制可以简化硬件电路，解决模拟控制元器件老化和温漂带来的问题，抗干扰能力也大大的增强：易实现先进控制，改善电源系统的控制效果：通用性强，可以在几乎不改变硬件的情况下，通过修改软件来实现不同的控制算法或提高系统的性

25、能，易于实现大规模产品生产；采用数字控制可以更好地与信息化接轨，使电源系统的操作使用界面更加人性化，还能实现故障自诊断等功能。在数字控制系统中要注意以下几个问题【：转换的精度和速度，采样频率的选取、载波频率，计算精度，控制算法的延时等。转换器不可避免存在量化误差，而这种量化误差对系统来说是一个不利影响。选择高精度的虽能提供系统采集进度，但同时增加了系统的成本。根据采样定理，信号的采样频率至少为被控电路系统带宽的两倍，才不会出现混叠效应。提高采样频率能提高控制系统的实时性，但是这通常受到采样芯片的速度及微处理器速度的限制。信号频率与功率开关的性能、开关损耗、微处理器的运算能力等息息相关。信号频率越高，开关损耗越大，留