（电力电子与电力传动专业论文）轴带发电机逆变器并联的设计与研究.pdf

英文摘要 r e s e a r c ha n dd e s i g nf o rp a r a l l e li n v e r t e rm o d u l e so fs h a f tg e n e r a t o r a b s t r a c t s h a f tg e n e r a t o rh a v eal o t so fa d v a n t a g e s ，s u c ha sm o r ee c o n o m i c a ls u f f i c i e n t ，l e s s f u e lc o n s u m p t i o n ，c h e a p e rf u e lc o s t ，r e d u c e dn o i s e si nc a b i n ，s p a c i n gs a v i n ga n ds oo n t h e r e f o r ei th a sb e e n u s e dm u c hw i d e ra n do f t e n r e c e n t l ym o s to ft h o s en e w l y p r o d u c e ds h i p sh a di n s t a l l e d s h a f t g e n e r a t o rs y s t e m ，s u c h a sc a r g o s h i p ，b u l kb o a t e s p e c i a l l yt h es h i po fp r o p e l l e rb yd u a l - s h a f t i n g i no r d e r t oi n s t a l lt w os h a f tg e n e r a t o r s s y s t e m so np r o p e l l e rb yd u a l s h a f t i n g ，o n ei m p o r t a n ta s p e c ti sp a r a l l e lc o n t r o lo ft w o s h a f tg e n e r a t o r s d u r i n gt h ep a r a l l e lc o n n e c t i o ni nt h es y s t e mo ft w os h a f tg e n e r a t o r s ，t h em a i n p o i n ti st h ep a r a l l e lc o n n e c t i o nb e t w e e nt h ei n v e r t e rm o d u l e sw h i c hh a st oa d o p tt h e t e c h n i q u ec a l l e dp a r a l l e lo fi n v e r t e r b a s e do np a r a l l e lo fi n v e r t e rt e c h n i q u e ，f i r s t l yd u a l - l o o pi n s t a n t a n e o u sc o n t r o li s s e l e c t e da st h ec o n t r o ls t r a t e g yo fas i n g l ei n v e r t e r w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fg o o d s i n u s o i d a lo u t p u tw a v e f o r m ，f a s td y n a m i cr e s p o n s e ，e x c e l l e n tl o a dc h a r a c t e r i s t i ca n d h i g hp r e c i s i o no fo u t p u tv o r a g e t h i sp a p e ra l s oc o n c e n t r a t e do nt h es t u d yo fp a r a l l e l c o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nr e a la n dr e a c t i v ep o w e r , w h i c hc a nr e d u c et h ec i r c u l a t o r y c u r r e n to b v i o u s l y i no r d e rt oi m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m ，t h i st h e s i ss u g g e s t e d f u z z yc o n t r o lt oa m e n dt h ep a r a l l e lc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nr e a la n dr e a c t i v ep o w e r t h ea m e n d e dp a r a l l e lc o n t r o ls t r a t e g yi s p r e s e n t e da n dv e r i f i e db ym a t l a b s s i m u l a t i o nr e s u l t s b ya d d i n gf u z z yc o n t r o li nt ot h es y s t e m ，f e a s i b i l i t ya n dd y n a m i cf u n c t i o nw e r e o b v i o u s l yi n c r e a s e d a st h er e s u l tt h ew h o l es y s t e mb e c o m em o r ee f f e c t i v e ，s u f f i c i e n t a n dh a sg o o dc o n t r o lo u t c o m e s k e y w o r d s ：s h a f tg e n e r a t o r ；i n v e r t e r ；p a r a l l e lc o n t r o l ；d u a l - l o o p i n s t a n t a n e o u sc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：麴董蕉电扭逆变矍羞隧的遮让生亟塞：。除论文中已经 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：多够湛i 矽g 年弓月砂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名弓岳瑶l 导师签名： 日期：卵乎年弓月 轴带发电机逆变器并联的设计与研究 1 1 选题的背景和意义 第1 章绪论 1 1 1 轴带发电机简述 船舶轴带发电是由船舶主机驱动发电机供电的装置，它利用主机富余功率来 达到节能的目的。最近几年来新造的集装箱船、矿砂船、散装液货船大多数安装 了轴带发电机系统。其主要优点体现在以下几个方面【l l ： ( 1 ) 发电驱动机械装置采用劣质燃油作为燃料，所以经济性好，节省燃料和燃 料费用，并且充分利用主机1 0 - 1 5 的功率储备裕量，使主机高效率、低消耗运 行降低发电成本。 ( 2 ) 减少副柴油发电机的工作量，也就是降低辅助柴油机组的运行时间和消 耗，所以减少了相应的维修工作量和维修费用。 ( 3 ) 有利于机舱的布置。由于辅助柴油发电机组总的工作时问缩短，故可选用 较高速的柴油发电机组。使用轴带发电机时，往往会减少一台副机，机舱的空间 节省了。 ( 4 ) 改善机舱环境，航行期间柴油发电机不运行，减少了机舱的噪声和热源。 在船舶航运费用中，燃料费用占5 0 6 0 。随着国际石油危机以及由此引起 的石油价格上涨，因此在国际航运造船界对于节能措施的要求越来越强烈。自7 0 年代初，轴带发电机系统开始装船，发展至今已有3 0 多年的历史，已被广泛应用 于大、中型集装箱船上。早期的轴带发电机系统属于无频率补偿型，如1 9 8 0 年日 本k a w a s a k i 造船厂建造的滚装船系列的主机轴带发电机。这种轴带发电机受到 海况的影响较大，一旦遇到风浪，主机转速变化将会引起电网频率的波动，严重 时不得不改用船舶柴油发电机供电，且不能与其它柴油发电机长时间并联运行， 只能短时换机时使用，限制较多。随后出现了机械控制的频率补偿型轴带发电机 系统比早期的无频率补偿型轴带发电机系统前进了一步。在这种系统中，主机推 进轴与轴带发电机之间装有定速装置。当主机推进轴转速发生变化时，轴带发电 机的转速保持恒定。但是在这种系统中，主机的当前速度与额定转速差异较大时， 装置的容量将受到限制，故其应用范围受到了限制。随着电气控制技术的发展， 第1 章绪论 电力电子技术被应用到船舶轴带发电机系统中。其中，采用整流和逆变相组合的 方式来实现对原始电能的变换是最常用的变换方式。 按照机械或电气控制手段不同，轴带发电机系统常见的有下述两种类型【2 1 ： ( 1 ) 变距桨型：主机转速和转向保持不变的轴带发电机系统，由于这种主机必 须配有可变螺距的螺旋桨，所以称为变距桨型或c p p ( c o n t r o l l a b l ep i t c hp r o p e l l e r ) 型。可变螺距螺旋桨的主机在恒速调速器的作用下，主轴转速与转向恒定不变， 但是当船舶在风浪中航行时，螺旋桨负荷会急剧变化，主机虽有调速器，但转速 仍有较大的波动，致使发电机的频率发生变化。 ( 2 ) 定距桨型：目前，船舶主机大多采用定距桨，它是指主机转速可变的轴带 发电机系统。由于轴带发电机的频率随主机转速而变，故这类系统必须配有频率 或转速补偿装置，以获得恒定频率的交流电。由于主机配有固定螺距的螺旋桨， 故称这种轴带发电机为定距桨型或f p p ( f i x e dp i t c hp r o p e l l e r ) 型。 对于定距桨型轴发系统解决频率恒定有各种不同的方式，归纳起来有：旋转 变流机组稳频型，行星齿轮传动型，整流一逆变型。近年来电力电子器件的高速发 展，尤其是以i g b t 为代表的新型器件的广泛应用，使得整流一逆变型轴带发电机 得到更多的应用，所以本文所涉及到的轴带发电机系统采用整流一逆变型。 图1 1 定距桨型轴带发电机系统 f i g 1 1s h a f tg e n e r a t o rs y s t e m 轴带发电机逆变器并联的设计与研究 定距桨型晶闸管变流器轴带发电机如图1 1 所示，系统主要由三大部分组成： 1 轴带发电机、2 整流器、3 滤波电抗器、4 逆变器和5 电抗器构成主回路 有功通道。1 1 变压器和7 整流器是轴带发电机的励磁电流调节电路； 6 是具有自动调压器的调相机，作为无功通道； 8 是控制器调节和控制系统频率的有功功率。 定距螺旋桨型船舶轴带发电装置系统基本的工作原理简述为1 1 】：轴带发电机是 低频无刷同步发电机，发出非恒定频率的交流电再经过整流器变成直流电在经 过逆变器将直流电变成标准频率的交流电，与调相机并联向电网供电。轴带发电 机只向电网提供负载所需要的有功功率，而调相机向电网提供无功功率。调相机 在系统开始时是靠同轴的异步电动机拖动，作为同步发电机运行，在自动调压器 的作用下建立起正常频率的额定电压，提供有源逆变的逆变源，所以系统的电压 和频率就决定于调相机的电压和频率。在控制器8 的作用下，当轴带发电机的逆 变器已输出与调相机相同的电压和频率时，调相机的异步电动机将被自动从辅助 发电机电网上断开，而此时调相机则由逆变器输入功率继续保持与逆变器并联运 行。 系统频率的调节是用改变轴带发电机的励磁电流来调节，增加励磁电流，轴 带发电机的电压升高，逆变器的输入电压升高和输出功率增加，因电网负载不变， 故使调相机的输入功率增加、转速增加，频率上升。 系统有功负载平衡调节：当电网负载的有功功率增加时，电网吸收有功功率， 由于输出功率不变，所以系统无功电流下降，使调相机转速和频率下降，也就是 靠调相机的动能的减少暂时提供有功功率。与此同时频率控制器根据频率的变化 增加发动机的励磁电流，使逆变器输出的有功功率增加来与电网负载的有功功率 平衡，并恢复额定频率。 系统的无功功率平衡的调节：当负载无功功率变化时，调相机输出的无功电 流随之变化，从而引起它的电压变化，而自动调压器a v r 相应的改变它的励磁电 流以保持电压的恒定和无功功率的平衡。这与一般的同步发电机调节无功功率的 原理相同。 轴带发电机的输出功率受额定电流的限制，对于恒定转速的发电机允许输出 的功率就是其额定功率，是不变的。变转速的轴带发电机允许输出的功率因受到 第1 章绪论 电枢电流和励磁电流额定值的限制，在不同的转速范围内有所不同。功率输出特 性如图1 2 所示，当主机的转速在1 0 0 7 5 额定转速范围内可以输出额定功率， 在7 5 4 0 范围内输出功率将随转速的下降而成正比的下降，当转速低于额定转 速的4 0 时发电机所产生的电压已无法维持逆变器的工作，轴带发电机系统停止 工作。 乏 1 0 0 o 图1 2 轴带发电机系统的功率输出特性 f i g 1 2t h eo u t p u tp o w e r c h a r a c t e r i s t i co fs h a f tg e n e r a t o r 目前，由于电力电子元件在电气领域中的发展和应用，整流一逆变型轴带发电 机系统被采用得越来越多。而且因为采用了现代电力电子器件，使得轴带发电机 系统性能变得更加优越，尤其当整流器和逆变器采用i g b t 等新型开关器件并且加 入了d s p 等高级的处理器控制之后，使得传统的晶闸管整流一逆变型轴带发电机系 统发生了很大的变化，新型轴带发电机系统主要组成如图1 3 所示。 图1 3 新型轴带发电机系统主结构 f i g 1 3s h a f tg e n e r a t o rs y s t e m 轴带发电机逆变器并联的设计与研究 1 1 2 轴带发电机系统并联的研究意义 双主轴推进船舶具有灵活性好等优点，所以目前许多工程船舶都采用双轴推 进，比如一些滚装船、搜救船等。所以当在双轴推进的船舶两个推进轴上均采用 轴带发电机发电时，就需要两台轴带发电机的并联运行。 图1 4 新型轴带发电机主电路系统并联 f i g 1 4p a r a l l e lc o n n e c t i o no fs h a f tg e n e r a t o rs y s t e m s 由图1 4 可以知道，在轴带发电机系统并联运行中，主要是两个轴带发电机 系统的逆变模块的并联，也就是逆变器的并联。为了实现逆变器的并联运行，不 但要求两电源输出电压幅值相等，而且要求其频率与相位严格一致，这是因为轴 带发电机并联系统与发电机并联不同，没有自同步功能，所以幅值和相位的不同 必然会导致产生环流。为了使各并联模块的功率均分，最主要的是解决系统环流 问题。 轴带发电机系统的启动程序为：当船舶离港进入正常航行后，轴带发电机转 速达到要求时，先接通控制电源；再检查启动条件尤其是转速要大于7 5 额定转速： 检测频率、相位、幅值在允许的误差之内；达到要求之后轴带发电机系统具备并 联供电能力，起动成功。可以看出轴带发电机的并车方法与一般的船舶电站并车 的操作基本相同，不同的是并车成功后的逆变器并联运行问题，既要保证逆变电 源输出的频率、相位、幅值很严格的保持一致也要考虑有功功率的均分和无功功 率的补偿问题，并且还要减小环流。所以轴带发电机并联运行需要解决的主要问 题其实就是逆变电源的并联运行问题。 第l 章绪论 逆变器并联运行技术不仅可以应用在轴带发电机系统，在其他的领域也有很 广泛的作用，如在风力发电中，受风力变化的影响，风力发电机所发出的交流电 很不稳定，这与轴带发电机的情况很类似，并网或直接供应给用电设备都非常危 险，在这种情况下，就可以采用先将风力发电机产生的交流电整流为直流电，然 后再利用逆变器将他逆变成为幅值和相位都稳定的交流电馈入电网，当两台或更 多的风力发电机并联运行时，就可以采用逆变电源并联技术。所以轴带发电机系 统中的逆变器并联运行技术可以应用在与此类似的很多场合。 逆变电源并联技术吸引了世界上许多的大公司和科研院所的研究，国外的很 多公司如三菱、东芝、梅兰日兰、西门子、e r r e p i 、p o w e r w a r e 和s i l c o n 等，都推 出了具有并联功能的逆变电源产品，且一般都可并联6 台以上。在国内，华中科 技大学、西安交通大学、南京航空航天大学、台达电源、中兴电源、爱默生网络 能源公司等高校和公司也对逆变器并联技术进行了大量的研究工作，并已经取得 了相应成果，也对轴带发电机系统中的逆变器并联运行的设计起到了很积极的作 用。 1 2 本文主要研究的内容 轴带发电机系统的并联问题的实质就是轴带发电机的逆变器并联，也就是逆 变器的功率均分，需要解决的问题就是抑制系统的环流，采用的手段就是保持输 出电压信号的频率、相位、幅值一致。针对这几个需要解决的问题，首先研究了 单台逆变器的电压电流双闭环控制，目的是使单台逆变器的输出动态响应快、稳 态定性好。接着介绍了目前逆变电源的并联策略，重点研究基于有功功率和无功 功率的控制方法并且加以改进，通过仿真可以看到改进的功率控制策略使轴带发 电机逆变电源并联的环流得到了较好的抑制。为了提高系统的稳定性又提出了基 于模糊控制算法修正的功率差控制法。并且通过m a t l a b 仿真得到了比较好的效 果，模糊控制的加入使功率控制法的稳定时间大大缩短，明显加强了系统的稳定 性和动态性能，使系统性能更加优越，调整和过渡时间减少，具有很好的控制效 果。 轴带发电机逆变器并联的设计与研究 第2 章基于s p ? m 的轴带发电机逆变器构成 轴带发电机并联运行需要解决的主要问题，其实就是逆变器的并联运行问题。 轴带发电机系统的并联问题就是逆变器的功率均分和抑制环流，这就需要对单台 逆变器的输出进行控制，所以有必要对单台逆变器的构成和控制方法进行分析 与所有电力电子装置一样，根据功能不同，可以将轴带发电机的逆变模块划 分为主电路、控制电路和辅助电路三大部分，本章首先介绍了单台逆变器的主电 路拓扑结构，并对正弦脉宽调制进行了分析。为了提高逆变器的动态响应特性和 稳定性，引入了目前比较先进的电压电流双闭环控制，并进行了仿真。 2 1 轴带发电机逆变器主电路结构 按照一般的定义，逆变就是将直流变换为交流的过程。逆变器的主电路结构 形式有很多种，常用的有全桥型、半桥型及推挽型等。中小容量逆变电源多采用 半桥式逆变器结构，成本低，结构简单，易于控制。中大容量逆变电源一般采用 全桥式结构。逆变桥后级均接有l c 滤波器，可以滤除高次谐波。大容量正弦波输 出的逆变电源因其电压电流一般都比较大，因此多采用i g b t 作为它的开关器件。 三相逆变器主电路由三个单项全桥式逆变器组成，三个单项逆变器的激励脉冲之 间彼此相差1 2 0 。1 3 。其电路如图2 1 所示： 了r 图2 1 三相全桥逆变器拓扑电路图 f i g 2 1t h r e e p h a s ei n v e r t e r 三相逆变器的设计需要考虑到三相的平衡要求，在轴带发电机的逆变电源并 第2 章基于s p w m 的轴带发电机逆变器构成 联的设计中如果考虑三相的平衡要求那么设计将非常复杂【4 j ，而三相逆变器主电路 由三个单项全桥式逆变器组成，所以本文以单项的全桥逆变电源进行计算和设计。 单项全桥逆变器电路【5 1 ，如图2 2 所示。 j 图2 2 单相全桥逆变器结构电路图 f i g 2 2s i n g l e - p h a s ei n v e r t e r 2 2 正弦脉宽调制逆变技术 随着电力电子技术的不断发展，电力电子器件已从原来的半控型器件如晶闸 管发展n f q 极可关断的全控型大功率器件如g t o ，i g b t 等。而现代电力电子技术 和现代控制理论相结合产生的新型交流输电技术使得逆变器的功能变得更加完 善。由全控型器件组成的s p w m 逆变电路己在谐波抑制、无功功率补偿、改善电 网质量等方面得到了良好的应用。为了对单台逆变器的输出进行控制，本文将 s p w m 逆变技术运用到轴带发电机逆变器的控制中。 2 2 1 正弦脉宽调制简介 所谓的正弦波脉宽调制( s p w m ) 1 6 1 ，就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的 矩形脉冲波形。它的原理是：把正弦波分成，l 等分，然后把每一等分的正弦曲线与 横轴包围的面积用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替。矩形脉冲的幅值是不变 的，各脉冲的中点与每一等分的中点重合，这样由九个等幅不等宽的矩形脉冲组成 的波形与f 弦波等效，称作s p w m 波形。利用这种等幅而不等宽的矩形脉冲信号 去激励单相逆变电路中的开关元件，再经过逆变桥输出到l c 滤波器中，就能还原 正弦信号。 - 8 - 轴带发电机逆变器并联的设计与研究 s p w m 控制技术根据控制信号极性的不同可分为单极性和双极性两种i 刀。单 极性s p w m 是指在一个载波周期内，逆变桥的输出电压( 即两桥臂中点间电压) u 。只有0 和正电压或0 和负电压；双极性s p w m 则是指一个载波周期内，逆变 桥的输出电压玑。既有正电压，又有负电压。与单极性控制模式相比，双极性s p w m 控制技术的信号产生和主电路的结构方面都比较简单，因此应用更加广泛。本文 采用的是双极性的s p w m 控制技术，波形如图2 3 。 图2 3 双极性s p w i 波形 f i g 2 3b i p o l a rs p w m i n v e r t e r 在s p w m 控制技术中有两个重要的定义，载波信号频率，c 与调制信号厂肘之比 称为载波比，可以用p 来表示，即 ， pt 且 ( 2 1 ) 1 嘱 在多数情况下，提高载波比对改善逆变器输出波形的质量和性能都有很大的 帮助，这主要是因为以下两个原因。首先，s p w m 控制产生的谐波在大多数时候 都集中分布在载波频率的整数频率附近，载波比p 越大意味着在一定的调制信号 频率( 实际上就是逆变器的输出频率) 下，载波频率越高，主要谐波的频率也就 越高，而对于大多数感性负载来说，高频电压的实际影响远比低频谐波小；其次， 通过提高载波比，将主要谐波的频率提高到音频范围以外可以大大降低负载的运 第2 章基于s p w m 的轴带发电机逆变器构成 行噪声。当然，载波频率在绝大多数的情况下实际上就等于逆变器功率开关器件 的开关频率，因此载波比的提高首先受到开关频率的制约，另外由于开关损耗等 原因，开关频率在逆变器的设计和运行中还会受到很多因素的影响，相应的对载 波比的大小也有一定的限制。 正弦调制信号幅值与三角载波信号幅值的比值称为调制深度，即： m ，：u m p u 伊 ( 2 2 ) 当三角载波信号不变而m 变化时，由于比较器输出s p w m 脉冲串所有脉冲的 宽度都将成比例的发生改变，从而也改变s p w m 输出电压的大小，因此在s p w m 控制技术中，调制深度m 都用来对s p w m 的输出大小进行控制。 这两个定义在逆变器的控制中非常重要，不仅实现逆变器的动态控制，还能 根据控制信号来改变逆变器的输出，尤其是实现两台逆变器并联的必要条件：幅 值、频率、相位等参数保持一致，必须通过改变载波比和调制深度来实现i 引。 2 2 2 正弦脉宽调制的实现方法 在模拟电路中，s p w m 的实现就是用正弦信号发生器和三角波信号发生器的 信号通过比较器，即在比较器输出端直接输出s p w m 矩形波。这种方法的电路原 理和结构都非常简单，但由于输出频率、调制深度或载波比的改变都必须通过调 整正弦波或三角波的频率和幅值来完成，而利用模拟电路对模拟正弦波或三角波 的幅值和频率进行较大范围、平滑的调整和控制是比较困难的，因此这种方法在 需要变频或变压控制的逆变器中极少采用【剐。 根据数字s p w m 的发生原理，要在微处理器中实现数字s p w m 控制一般采用 两种方法实现。一种是表格法，它是将正弦波一个周期中不同电角度的j 下弦值预 先算好，作为一个表格存入计算机内存，工作时按照一定的时间间隔读取并输出 数据，便可得到s p w m 波形。这种方法中，正弦波的频率由改变从正弦表中读取 的数据和时间间隔决定，所以它的优点是简单，但是表格占据内存很大空间而且 调整的精度和准确度不够；另一种方法是实时计算法，它是根据数学模型，实时 计算出开关的转换时刻，控制逆变器主开关导通与关断。而实时采样法又分为自 轴带发电机逆变器并联的设计与研究 然采样和规则采样，所谓自然采样就是将正弦波调制信号与三角载波相比较，由 两者的交点决定逆变器开关状态的方法，即为自然采样法。其调制方法是：当调制 波大于载波时，s p w m 输出高电平；当调制波小于载波时，s p w m 输出低电平。 这种采样方式的脉冲的中心不是等间隔的，且脉冲宽度无法用解析式表示，而是 超越方程。这种采样方式适合于模拟电路，不适合实时计算。而规则采样法是由 自然采样法演变而来，它的采样效果接近自然采样法，但所花费的计算机运行时 间少，是一种工程实用采样方法。规则采样法的主要原则是这样的，在三角载波 每一周期内固定时刻，找到正弦调制波上的对应电压值，就用此值对三角载波进 行采样，以决定功率管的导通与关断时刻，而不管在采样点上正弦波与三角载波 是否相交。这样做虽然会引起一定误差，但采取某些措施后，在工程实践中是可 行的。这种采样方式又可分为对称规则采样法和不对称规则采样法1 8 l 。 ( 1 ) 对称规则采样法是指在三角载波峰点( 谷点) 的时刻采样正弦波调制信号 而形成的波形。其效果接近自然采样法，但计算量却比自然采样法少了许多。 ( 2 ) 不对称规则采样法是指在三角载波的峰点和谷点均采样正弦波，因此采 样周期仅为对称规则采样法的一半。相比对称规则采样法，不对称规则采样法更 接近正弦波，所以高次谐波分量幅值较小，不过其采样频率则是对称规则采样法 的两倍。不对称规则采样的实现比对称规则采样复杂。 规则采样法是针对自然采样法中需要求解的复杂的超越方程，难以在实时控 制中在线计算而采用的一种对正弦波与三角波交点求解的一种简化方法。由于对 称规则采样法效果接近自然采样法，但计算量却比自然采样法少了许多，所以这 种方法非常适合在控制芯片中使用，工程中是可行的。 除了上述的两种方法之外还有一种就是集成电路生成s p w m 的方法，目前许 多厂家都开发研制了多种类型的专门产生s p w m 信号的集成电路，这种方法简单 可靠，方便易行。如s l e 4 5 2 0 就是专门用于s p w m 的驱动信号。s l e 4 5 2 0 是一个 可编程三相p w m 集成电路，它能把3 个8 位数字量同时转换成三路相应脉宽的矩 形波信号，与8 位或1 6 位微机联合使用，可产生三相交频器所需的6 路控制信号， 输出的s p w m 波的开关频率达2 0 k h z ，基波频率可达2 6 0 0h z 因此，适用于i g b t 变频器或其它中频电源变频器。而且它由微处理器中的定时器决定逆变器的开关 频率，具有内部封锁能力，特别适合交流逆变电源系统。 第2 章基于s p 删的轴带发电机逆变器构成 2 2 3 基于正弦脉宽调制控制的逆变器仿真 在本节仿真中采用目前比较常用的仿真软件m a t l a b ，它是一种科学计算软 件。m a t l a b 是m a t r i xl a b o r a t o r y ( 矩阵实验室) 的缩写，这是一种以矩阵为基 础的交互式程序计算语言。早期m a t l a b 主要用于解决科学和工程的复杂数学计 算问题。由于它使用方便、输入便捷、运算高效、适应科技人员的思维方式，并 且有绘图功能，有用户自行扩展空间，因此特别受到用户的欢迎，使它成为在科 技界广为使用的软件，也是国内外高校教学和科学研究的常用软件。自1 9 8 0 年问 世以来，已广泛应用于生物医学工程、图像信号处理、信号分析、时间序列分析、 控制论和系统论各个领域。m a t l a b 软件中提供了自动控制、信号处理、神经网 络、模糊处理、小波处理、图象处理等诸多工具箱，功能强大，应用广泛。 1 9 9 3 年出现了s i m u l i n k ，这是一个基于框图的仿真平台，s i m u l i n k 挂接在 m a t l a b 的强大计算功能为基础，以直观的模块框图进行仿真和计算。s i m u l i n k 提供了各种仿真工具，尤其是它不断的扩展、内容丰富的模块库，为系统的仿真 提供了极大的便利。s i m u l i n k 在建模分析各种物理和数学系统方面有着得天独厚的 优势，采用框图表示系统的各个环节，用有方向的连线来表示各环节的输入输出 关系，非常简便。s i m u l i n k 中包括如下模型库：信号源库、输出库、离散系统库、 线性系统库、非线性系统库及扩展系统库。因此，应用s i m u l i n k 可以方便的建立 出系统仿真模型，分析系统运行状况。 在s i m u l i n k 平台上，拖拉和连接典型模块就可以绘制仿真对象的模型框图， 并对模型进行仿真。仿真模型的可读性很强，这就避免了在m a t l a b 窗口使用命 令和函数仿真时，需要熟悉记忆大量m 函数的麻烦。现在的m a t l a b 都同时捆 绑了s i m u l i n k ，s i m u l i n k 的版本也在不断升级，从1 9 9 3 年的m a t l a b 4 0 s i m u l i n k l 0 版到2 0 0 7 年的m a t l a b7 o s i m u l i n k 5 0 版。现在m a t l a b 已经 成为了高级计算机仿真平台。 从s i m u l i n k 4 1 版开始，有了电力系统模型模块库( p o w e rs y s t e mb l o c ks e t ) ， 在s i m u l i n k 环境下用电力系统模块库的模块，可以很方便的进行r l c 电路、电力 电子电路、电机控制系统和电力系统的仿真1 9 加l 。 仿真如图2 4 ，需要特别需要指出的是，在m a t l a b6 5 s i m u l i n k 5 0 的电力系 轴带发电机逆变器并联的设计与研究 统信号发生器中没有等腰三角波发生器，所以在这里采用的是方波信号发生器经 过积分，再进行信号的调理得到三角载波。 图2 4 双极性正弦脉宽调制逆变器在s i m u l i n k 下的电力系统仿真 f i g 2 4p o w e rs y s t e m ss i m u l a t i o no fb i p o l a rs p w m i n v e r t e r 在s i m u l i n k 的仿真中加入了总谐波失真( t h d ) ，它是衡量一个电源中谐波成 分多少的量，定义为： t h d = 一肛 ( 2 3 ) 式中c 二、q 。、c 三。分别表示一个周期信号的总有效值、一次谐波有效值、 n 次谐波有效值的平方。d f 是另外一个衡量电源质量的参数，称为失真指数 ( d i s t o r t i o nf a c t o r ) ，它定义为一次谐波有效值与总有效值之比。对于标准正弦波， 它的t h d = 0 。可以看出总谐波失真( t h d ) 是评价正弦信号的j 下弦度的好坏的标 准，总谐波失真( t h d ) 越小，表明信号正弦度越好。 通过观察器，在图2 4 的电压输出中总谐波失真( t h d ) 很小( 小于2 3 ) ， 可以证明s p w m 逆变电路在谐波抑制方便发挥了很好的作用，输出波形的正弦度 第2 章基丁二s p 删的轴带发电机逆变器构成 好，如图2 5 和图2 6 所示。 ii ： ； 书ij | i 瓣 卜融艮 ，f 筹， lj p ， 卜7 ： ：f 砖7 ；f 。r + 7 r 7 一 ， 二：v 二兰蟹二v i ：二磁：二fz 进娥：v 二 7 飞 ：e 、f ：v ：i ； 图2 5 输出电流波形 f i g 2 5c u r r e n tw a v e f o r mo fo u t p u t 图2 6 输出电压波形 f i g 2 6v o l t a g ew a v e - f o r mo u t p u t 2 3 电压电流双闭环控制 2 3 1 逆变器控制方法简介 在逆变器的控制方法中一般为了保证输出电压的稳定性和良好的动态响应性 能一般采用反馈控制的方法控制逆变器。常用的有电压环控制、电流环控制、瞬 时值内环反馈双环控制、电压电流双环反馈控制等方式1 1 1 1 2 】。 电压环控制方案：电压单环控制策略中，仅采样输出电压值，采样电压与给 定电压相比较，获得误差信号，误差信号再经过p l 调节，其输出信号即为调制波 信号，调制波信号与三角载波相比较即获得开关管的s p w m 驱动信号。如果对采 样的电压值通过相关算法得到平均值，并且利用其来获得开关管的s p w m 驱动信 轴带发电机逆变器并联的设计与研究 号，就称作电压平均值控制。这种电路相对简单，实现方便，对输出电压的幅值 可连续调节，能保证系统的稳定性。但系统动态响应速度缓慢，当直流侧电压或 负载突变时，系统重新达到新的平衡常需要几个输出周期。另外系统的负载适应 性差，当负载为非线性负载时，电流为脉冲状，输出电压波形产生畸变，总失真 度较高。 电流环控制方案：这种控制策略采样输出电流，相比电压单环控制，它是一 种新颖的控制方法。它主要有三种控制方式，即电流峰值控制、电流滞环控制、 平均电流控制。电流峰值控制检测开关管电流，其开关频率恒定。在一个开关周 期内，s p w m 输出信号由高电平开始，直到采样电流达到峰值电流大小，然后变 为低电平。这种控制方式对噪声相当敏感，并且在一定条件下t h d ( 总谐波失真) 较大。电流滞环控制法采样电感电流，开关频率并不恒定，控制算法中有一个滞 环逻辑控制器，通过滞环的比较来输出s p w m 的高低电平。这种控制方式的主要 缺点是负载大小对开关频率影响太大，由于开关频率变化幅度大，设计输出滤波 器时，要按最低开关频率考虑。因此不可能得到体积和重量最小的设计。对于平 均值控制，它采样的是电感电流，开关频率恒定，通过采样电流与平均电流的比 较来控制s p w m 输出的高低电平。平均电流控制方式的t h d ( 总谐波失真) 很小， 对噪声不敏感，电感电流峰值与平均值之间误差小，可以适用任意拓扑。 瞬时值内环反馈双环控制方案：一般内环为瞬时值环，用来控制输出电压波 形的正弦度，外环采用平均值控制，以保证电压的平均值和参考值一致。如果波 形正弦度好的话，平均值就和有效值有一一对应的关系，如果平均值恒定，有效 值就恒定，采用这种控制方法可以保证输出电压的精度。 图2 7 瞬时值内环反馈双环控制框图 f i g 2 7i n s t a n t a n e o u sd u a l l o o pc o n t r o ls y s t e m 第2 章基于s p w m 的轴带发电机逆变器构成 2 3 2 电压电流双闭环反馈控制 电压电流瞬时值双闭环反馈控制是目前先进的控制技术之一，如图2 8 所示。 其组成是输出滤波电感电流和输出电压( 即输出滤波电容电压) 反馈构成的“电流型 控制逆变器”( 1 刁。其外环为输出电压反馈，电压调节器一般采用p i 形式，其输出 作为内环给定；电感电流反馈构成内环，电流环设计为电流跟随器性质。但电流 跟随的实现方法有多种，其中常用的有s p w m 控制和滞环控制两种。对于s p w m 控制方法来说，它的优点是：利用高频方波，和微机或数控合成，谐波含量低， 动态性能好，效率高，可靠性高，而且有相对成熟的集成电路来生成s p w m 波， 硬件实现起来比较容易，因此，通常采用s p w m 控制。 图2 8 电压电流双环反馈控制框图 f i g 2 8c u r r e n ta n dv o l t a g ed u a l - l o o pc o n t r o ls y s t e m 弦 本文主要以双闭环控制逆变器并联系统为研究对象，对逆变电源并联系统相 关问题进行研究。将在后续的章节将详细分析双环控制，并计算相应的参数和进 行仿真试验。 轴带发电机逆变器并联的设计与研究 第3 章轴带发电机逆变器并联策略 3 1 逆变器并联策略简介 轴带发电机系统并联首要解决的问题就是轴带发电机逆变器的并联。并联的 方法与一般逆变电源的并联策略是一致的。轴带发电机并联不具有自同步的特性， 所以输出幅值、相位、频率不同必然会导致系统产生较大的环流，系统并联需要 解决的问题是使两台逆变器的输出要保持很严格的同频、同压、同相位，最重要 的是功率的均分，减少环流。轴带发电机的逆变电源的并联实质就是逆变器的并 联。 目前，许多公司推出了具有并联功能的逆变电源产品，其控制策略也是各有 千秋，下面将对常用的几种方法进行概述f 1 3 1 羽。 ( 1 )基于有功功率和无功功率逆变电源并联控制法 从理论上讲，逆变模块的并联要求控制各模块输出电压的频率、相位和幅值以 及逆变器等效内阻抗完全相等，才能实现各并联模块的功率均分和减小环流。 图3 1 有功功率和无功功率逆变电源并联控制法 f i g 3 1p a r a l l e li n v e r t e rc o n t r o ls t r a t e g yb a s e d 0 1 1r e a la n dr e a c t i v ep o w e r 第3 章轴带发电机逆变器并联策略 实际上，每个逆变模块的参数不可能完全相同，船舶上的应用则由于工作环 境复杂，变化范围很大，更容易造成各模块参数不一致；各逆变模块的基准正弦 波的频率和幅值也会有微小差异，频率的微小差异会导致各模块输出电压相位差 的逐渐增加。尽管造成各模块输出功率( 电流) 不均衡的原因很多，但最后都可归 结为两个方面：相位差造成或者幅值差造成。因此，通过检测各模块输出功率差， 根据某种控制规律相应调节各模块输出电压的幅值和相位，可以实现各并联模块 均分负载电流，这里将这一类方法称之为功率误差控制法，如图3 1 。 这种方法应用的比较广泛而且已经有了很好的理论研究基础，所以本文选用 的正是基于有功功率和无功功率的逆变电源并联控制法，将会在后续的介绍中详 细分析。 ( 2 ) 集中控制方案 所谓的集中控制方式，就是由一个并联控制单元给每个逆变器模块发送同步 的脉冲信号，这个脉冲信号可以由晶振产生，各个模块都有锁相环电路用来保证 输出电压与同步信号同频同相。并联控制单元检测总负载电流l ，除以并联单元数 n 作为各个逆变电源模块的电流指令，各个逆变电源检测各单元实际输出电流，求 出电流偏差。如果各个单元由一个同步信号控制时输出电压频率和相位偏差不大， 就能认为个电源模块中电流的偏差是由电压幅值的不一致造成的，所以这种控制 方式直接把电流偏差作为电压指令的补偿量加入各个逆变电源中，用以消除电流 不平衡。这种方法适合于2 台以上的逆变器并联，在轴带发电机系统中不太适用。 ( 3 ) 主从控制方案 主从模块控制方式是选择一个模块作为主模块运行，其他各并联模块受主模 块控制，以实现各个模块均匀分配负载电流。由图3 2 所示，由一个电压控制p w m 逆变器( v c p l ) 单元、数个电流控制p w m 逆变器( c c p i ) 单元( 功率单元) 和 功率分配中心( p d c ) 单元组成并联系统。并联系统的基本结构如图所示，其基 本机构包括： 一个v c p i 主控单元，其电压调节器保证系统输出幅度、频率稳定的正弦电压； n 个c c p i 从单元，设计其具有电流跟随器性质，分别跟随p d c 单元分配的电流； p d c 单元检测负载电流，并平均分配给个c c p i 单元，且是同步的。 轴带发电机逆变器并联的设计与研究 图3 2 主从并联系统 f i g 3 2m a s t e r - s e r v a n tp a r a l l e lc o n t r o ls y s t e m v c p i 单元通过锁相环( p l l ) 使其正弦输出电压与市电或自身产生的基准电 压信号同步，而输出电流取决于负载性质，它与常规的逆变器或u p s 无异。c c p i 单元必须具备快速响应性能以跟随所分担的负载电流，不需要p l l 实现同步，故 可以适应v c p i 输出频率的变化。p d c 的主要功能是监控整个系统的工作状态， 并按各单元的视在功率墨为各工作单元分配电流。 该并联控制法采用单一电压调节器，c c p i 单元无需同步电路，所以系统稳定 性好，易于容量扩展，均流效果好。问题是v c p i 、c c p i 和p d c 是不