DSP控制三相逆变器并联冗余技术

1、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础上，建立了基于等效输出阻抗的并联

2、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；浙江大学硕士学位论文第一章绪论第一

3、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。随着对供电系统容量阱及供电质量和可靠性要求

4、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额定功率，因此只要同时出现故障的模

5、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统（）概述】所谓不间断供电电源是指

6、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间的限制，输出功率一般较小因而仅作

7、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“准在线式”电源，由一个身兼二职的逆变器充

8、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，相当于一个恒定的电压源。主变换器在市电正常

9、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。浙江大学硕士学位论文第一章绪论逆变电源的控制技术从

10、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应速度，出现了瞬时值反馈的控制方法

11、。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，其核心技术就是如何处理好供电单元之间

12、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。集中控制法集中控制方法是设置专门公共的同

13、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：系统主模块为电压控制模块，控制并

14、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，主模块为电压型逆变器控制整个并联系统的输出电压

15、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，容量扩展灵活。但主模块一旦失效，整个系统无

16、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性好：但主模块或核心控制器损坏将导

17、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【¨】这种控制法的设计思想是在各模块

18、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：。，医司图卜平均控制

19、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逆变模块原理框图。浙江

20、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功功率平衡。与集中控制

21、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），对它们的调节，可以

22、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正常工作的问题，并联方

23、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，工作环境温度等）干扰等因

24、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能，易于实现大规模产品

25、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

26、给微处理器的运算时间越少。所以在系统设计时要认真考虑所选用的频率。浙江大学硕士学位论文第一章绪论在运算过程中，数据最初来自转换器，转换器的位数即采样的分辨率首先影响后面计算所能得到的最大精度。另外，在数据处理及计算中，不可避免地存在需要对数据进行截尾等处理，这也会影响最后的控制精度。字长效应及计算精度也是影响系统控制精度指标一个重要因素。在数字系统中不可避免地存在采样和计算延时问题。这些延时对系统影响很大，不但影响系统的控制精度和实时性，还可能造成系统不稳定。由于采样和计算所引起的数字延时，会使系统的带宽变窄，动态响应速度变慢“。信号处理器（）的诞生与快速发展，使各种数字信号处理算法得以实时实

27、现，为数字信号处理的研究和应用打开了新局面。由于具有丰富的硬件资源、改进的并行结构、高速数据处理能力和强大的指令系统，已经成为世界半导体产业中紧随微处理器与微控制器之后的又一个热点，在通信、航空、航天、雷达、工业控制及家用电器等各个领域得到了广泛的应用。具有下列主要结构特点：采用改进型哈佛结构，具有独立的程序总线和数据总线，可同时访问指令和数据空间；多级流水线处理，支持并行操作，在一个指令周期内可以完成多重操作；片内含有硬件乘法器和高性能的运算器及累加器：片内集成了存储空间，因此不存在总线竞争和速度匹配问题，大大提高了数据读写文章的速度；新型的还集成了越来越多的其它部件，如刖，比较器，捕获器及

28、等，为将应用于智能测控，电机控制，电力电子技术等领域提供了资源条件。本课题中采用的控制芯片是公司专门为电机控制设计的，。现场总线和皿毗现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设各之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的控制网络，具有协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适用于频繁交换等特点。由于采用现场总线将使控制系统结构简单，系统安装费用减少并且易于维护等一系列的优点，现场总线技术越来越受到人们的重视。现场总线通信中绝大多数部分属于循环通信，需要周期性地从设各采样实时

29、浙江大学硕士学位论文第一章绪论数据。如果一个现场总线系统设计不恰当，网络导致周期性地数据不能反映其真实地实时数指，就会使现场控制失去它实际地意义。因此，当现场总线被应用于过程控制和自动化系统中时，必须考虑倒网络性能的最优化设计。全称为“仃”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初，其被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置之间交换信息，形成汽车电子控制网络。由于总线具有很高的实时性能和高抗干扰性，已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。是一种多主方式的串行通讯总线，具有十分优越的特点，包括：低成本；极高的总线利用率；很远的数据传输距离

30、（长达）；高速的数据传输速率（高达）；可根据报文的决定接收或屏蔽该报文；可靠的错误处理和检错机制；发送的信息遭到破坏后，可自动重发；节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到时，仍可提供高达的数据传输速率。通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。层的定义与开放系统互连模型（）一致。每一层与另一设备上相同的那一层通讯。实际的通讯发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连。的规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和

31、物理层。下表中展示了开放式互连模型的各层。应用层协议可以由用户定义成适合特别工业领域的任何方案。表开放系统互连模型最高层。用户、软件、网络终端等之间用来进行信息交换。如：将两个应用不同数据格式的系统信息转化为能共同理解的格式依靠低层的通信功能来进行数据的有效传递。两通讯节点之间数据传输控制。操作如：数据重发，数据错误修复规定了网络连接的建立、维持和拆除的协议。如：路由和寻址规定了在介质上传输的数据位的排列和组织。如：数据校验和帧结构规定通讯介质的物理特性。如：电气特性和信号交换的解释应用层表示层会话层传输层网络层数据链层物理层浙江大学硕士学位论文第一章绪论本文选题意义与研究内容本课题所要研究的

32、控制三相逆变器并联系统主要用在中等功率等级（）的逆变输出级。考虑并联系统冗余设计的特殊情况，另外还要实现的各种复杂的逻辑关系。本文的主要内容包括以下几个方面：第一章、介绍的逆变器及其并联技术的概述和常用的控制策略及采用数字控制的特点，并介绍了与总线的特点。第二章、根据本课题具体项目，介绍三相逆变系统的结构，分析逆变器的建模，根据具体电路，设计电压电流环的控制参数，并介绍了系统内阻抗计算和电压直流分量控制。第三章、通过逆变器并联系统环流特性分析，提出了基于控制的并联方案，此外特别对直流环流进行分析提出抑制方法，最后建立了完整的并联系统实现控制框图。第四章、基于并联冗余系统的实现，介绍冗余设计、同

33、步锁相、数据通讯和模拟控制器离散化。第五章、通过逆变器并联系统的实验波形验证并联方案的可行性。第六章、对本文的总结和展望。浙江大学硕士论文第二章逆变控制器的研究第二章逆变控制器的研究主电路模型本课题中，三相的逆变器部分采用三相四线式逆变拓扑，主要由直流侧、逆变桥及输出滤波器组成，如图所示。由于采用直流母线（电池）中点作为输出的零线，输出为三相四线制，可以很好地与前级三相双开关三电平电路结合起来。由于三相四线式电路的每一相都是独立的，相互之间不存在耦合关系，因而可以把三相逆变器看成是三个输出电压相位互差的单相半桥逆变器组合在一起，单相逆变器的控制方法可以直接用在这里，如可以采用电压电流双环的控制

34、方法。为了方便论述，本章将被控对象做为单相半桥式来分析，如图中、表示正负直流母线电压，、为半导体开关器件；，为输出三滤波器，忽略电感等效串联电阻；为负载。、图三相四线式逆变器主电路拓扑结构图单相半桥电路在逆变电路控制模型中，高频调制方式的基本思想是输入的参考正弦波（）和载波信号（如三角波）比较得到的脉冲去控制各功率开关器件。由于开关是不连续状态，分析时我们采用状态空间平均法建立连续的状态平均模型来分析。状态空间平均法是基于输出频率远小于开关频率的情况下，在一个开关周期内，用变量的平均值代替其瞬时值，从而得到连续状态空间平均模型。浙江大学硕士论文第二章逆变控制嚣的研究建立频域传递函数佃土其中厶为

35、电感，电容，输出电压砀和，两点之间电压所体）：哪，器墨（）双极性调制时，可以表示为：（）其中，占空比根据调制可表示为（）。扣抄扣净础其中。为参考正弦波信号，为三角载波峰值。由式代入式有（）：翌¨。或弩：堇止（）则从调制信号输入至逆变桥输出的传递函数为：，。薏器毒（）在中，载波频率（开关频率）远高于输出频率时，由式可将逆变桥部分看成是一个比例环节，比例系数定义为。联立式可得（）邸，器焉器志即为逆变器输入和输出的传递函数，根据该传递函数的表达式，可以得到其等效框图如图所示。在高频逆变器中，逆变器的输出滤波器主要是用来滤除开关频率（本课题中开关频率必臣眈）及其邻近频带的谐波。图单相逆变器主

36、电路等效框图浙江大学硕士论文第二章逆变控制器的研究控制器参数设计“州”本课题中主要采用电压电流双环反馈控制的方案，电感电流内环提高系统的动态性能，瞬时电压环改善输出电压波形，同时为了使输出电压具有较高的精度，采用输出电压平均值外环对输出电压的幅值进行反馈控制，如图所示。图逆变器控制框图输出电压经过整流滤波后得到的有效值与给定参考基准信号的有效值进行矿比较，得到的误差信号经过平均值外环调节器臣。二挚后的输出作为瞬时电。压内环参考正弦波的幅值，这个幅值乘以单位正弦波信号后作为瞬时电压内环参考信号。参考电压信号与瞬时输出电压相比较，所得误差信号经过瞬时电压环矿调节器，。警后输出作为电流内环参考给定，

37、滤波电感电流与电流参考给。定比较，得到的误差信号经过电流内环调节器石。后输出信号与三角波相比较，产生驱动脉冲，如图所示。图半桥逆变器控制结构图塑垩查兰堡圭笙兰电流内环参数设计苎三兰兰奎垄型兰塑翌垄对系统控制框图进行简化，得到电流内环控制框图如图所示。苦争斋糕从图中可以得到电流内环被控系统的开环传递函数为（反馈系数取）；，从上式可以看出，被控系统包含一个二阶振荡环节：一志巍足（足）巧上三正陋在本次系统中三日，世。点，由上述分析得到该振荡环节的转折频率为：五赢同时被控系统还包含一个随负载变化的零点：舷赢（）电流内环采用比例控制器，在设计控制器参数时，为使得被控系统在补偿后具有较大的相位裕度，考虑将

38、补偿后系统的穿越频率设置在开关频率的处，系统开关频率为乃触，则正击肼拓，有：由式可以计算得到电流内环控制器参数：，钉电流内环加入控制器后的闭环传递函数为：阶熹器堡：坠：坠！：羔±！擎一。一（）浙江大学硕士论文第二章逆变控制器的研究电压内环参数设计由式分析可得电流环传递函数为矗。根据系统控制框图简化得到瞬时电压内环控制框图，如图所示。图瞬时电压内环控制框图从图中可以得到电压内环被控系统的开环传递函数为（反馈系数取）：；（砂乏品瓦丽面考丧瓮丽啄石从上式可以看出，被控系统是一个二阶系统，转折频率为：上埋±堑！：堑！竺：三筇、牙去压一尼陋为了获得较大的低频段增益，同时又要保证系统具

39、有较大的相位裕度，将调节器的零点设置为厶王拓，补偿后系统穿越频率设置为厶胁可列出方程组：；：咒。：。盯五掣（），。从上述刀市呈组解得：。，；。瞬时电压内环控制器为：卅：堡塑丝（）瞬时电压内环加入控制器后的闭环传递函数为：俐尚筠：生：笠：！釜竺兰±堕：笠：！釜：墨浙江大学硕士论文第二章逆变控制器的研究平均值外环参数设计以瞬时电压内环闭环作为被控对象，平均值外环的控制框图如图所示。外环的参考值是输出电压的参考幅值，反馈量是输出电压的幅值信号，都为直流量。从控制的角度分析，被控对象的输入是胁正弦波的幅值，输出也是昵如正弦波的幅值，实际上被控对象的传递函数就是瞬时电压内环闭环传递函数幅频特性

40、上恐频率对应的增益。因此可以把瞬时电压电流内环闭环环节等效为一个比例系数凰，：。一儿¨¨。“可将平均值外环控制框图简化为如图所示。图平均值外环的控制框图在设计外环控制器时，控制器的零点设置为胁，补偿后系统穿越频率设置为兀。口胁，可列出方程组：（）从上述方程组可以解得：。；瓦。平均值外环控制器为：蹦）燮竽平均值外环闭环传递函数为（）叫老格意芝熹瓮（）浙江大学硕士论文第二章逆变控制器的研究逆变器输出阻抗分析对于图所示的采用电压电流双环控制的逆变器【，可以看作带内阻的电压源如图所示。逆变器的内阻抗可以分为两个部分：逆变器等效输出阻抗和线间传导阻抗胁。图双环控制逆变器控制框图电压电

41、流双环的闭环传递函数为嘲一图双环控制逆变器等效模型（）附丽而丽尚赫嚣篡筹再而丽逆变器负载为时输出电压表示为：矿：”三一，（巧；。酽一只巧峰。司点；。阿（）堡：坠：车竺兰±堡：整：！釜：墨：矿，浙江大学硕士论文第二章逆变控制器的研究逆变器空载输出电压表示为：矿：坠堡垒兰±坠生垒圪，（），（）尺一守。又有：矿，伽）【圪，（）（）一，。，（），。得蚴以沪）一竿。联立方程（，）（）其逆变器等效输出阻抗乙可以表示为：。）¨函伽口分七口系统中：坩，；妒，胛，岣，盎则逆变器等效输出阻抗。为：瓦钉吖由于逆变器系统内阻抗特性影响着下一章节所介绍的基于有功功率和无功功率的并联系统控制

42、策略，在此需要对逆变器参数对等效内阻的影响做一简要分析，如图所示：参考角！卜等效内阻抗比较值丫角（）滤波电容的变化会造成的等效内阻和等效内阻角的变化曲线浙江大学硕士论文第二章逆变控制器的研究等效尊内阻抗。比较值散内阻抗（固参考阻抗角（）滤波电容的变化会造成的等效内阻和等效内阻角的变化曲线等效内阻抗角（）电流环比例参数翰的变化会造成的等效内阻和等效内阻角的变化曲线等效内阻抗角（）电压环比例参数的变化会造成的等效内阻和等效内阻角的变化曲线浙江大学硕士论文第二章逆变控制器的研究等效内咀抗（），一踏嚣酋、，一，时，参考阻抗，。（）电压环积分参数狮的变化会造成的等效内阻和等效内阻角的变化曲线图逆变器参数

43、变化对等效内阻的影响由图分析可得：逆变系统滤波器的滤波电容和滤波电感对系统等效输出内阻影响较小，由于滤波电容和滤波电感的器件偏差基本小于，当系统其它参数不变的情况下，滤波器器件差异对等效输出内阻影响可以忽略不计。随着电流环比例参数晦，增大，等效输出内阻角缓慢变大，对等效输出内阻模影响较小。随着电压环比例参数晦。增大，等效输出内阻角缓慢变减小，对等效输出内阻模影响较小。由图（）可知电压积分参数岛对等效内阻和等效内阻角影响较大。随着电压积分参数变大，等效内阻模急速减小，等效输出内阻角变大。由上述分析可知电压电流双环控制的逆变器系统，其控制参数在一定程度上影响着其内阻抗特性，特别是电压环的积分参数，

44、但是一旦其控制参数确定，则输出内阻也将确定，电路元器件的偏差，对输出内阻影响很小可以忽略。因此可以任务采用同样参数和器件的逆变器，它们的内阻抗相同。浙江大学硕士论文第二章逆变控制器的研究逆变输出电压直流分量控制技术根据国家标准，逆变器输出电压为时，输出电压的直流分量应小于±。然而，由于逆变器控制电路中运算放大器的零点漂移，开关管本身及其驱动电路不一致等原因会使逆变器输出电压产生直流分量。对于通常的无输出隔离变压器的逆变器，其输出电压的直流分量常常达到，远远不能达到要求。此外，在无输出隔离变压器的逆变器直接并联系统中，由于逆变器各模块间连线的阻抗很小，较小的直流分量也会造成很大的直流环

45、流，使逆变器各模块不能均分负载，降低了并联系统的可靠性。因此必须将逆变器输出电压中的直流分量控制在合理的范围内。逆变输出电压直流分量产生“”（）采集精度对直流分量的影响由于正弦波的电压范围使一，在实际设计当中需要加入一定的余量，则出现一的电压范围，的进度为位，则出现了采样精度的问题，采集的电压精度。采样精度误差必然会造成调节误差，输出电压直流分量就无法避免。（）运算放大器的零点漂移对逆变器输出电压直流分量的影晌在为核心的双闭环控制逆变器的控制电路中需要利用运算放大器构成调理电路调节实际量使其能够适应口的采样，由于运算放大器存在零点漂移，这会对逆变器输出电压直流分量产生影响。虽然运算放大器的零点

46、漂移通常小于，但是误差仍然无法实现在下的直流分量精度。因此在实验过程中发现，运算放大器的零点漂移对逆变器输出电压直流分量确有一定的影响。这部分的直流分量可能是由于电压调节器造成的。（）功率开关管驱动信号及其特性不一致对直流分量的影响本文研究的双闭环控制逆变器主电路采用半桥结构，由于逆变桥功率管的离散性，其开关速度、饱和压降、存储时间不完全相同。同时由于电路的其它一些非理想因素，如驱动信号传输时间的差异，使得一个工作周期中，使得两个逆变浙江大学硕士论文第二章逆变控制器的研究桥臂中点正负电压伏秒积不等于零，从而使得逆变器输出电压含有直流分量。不失一般性，如现假设开关管的总导通压降为，开关管的总导通压降为，此时逆变器输出电压会产生正的直流分量。逆变输出电压直流分量检测由于直流分量的存在，逆变器输出电压为正弦波分量加上少量的直流分量：（）圪。刨（）其中，为逆变器输出电压的直流分量。传统的直流分量检测电路“（如图所示）主要有：和构成的滤波电路；，和构成积分电路。图传统直流分量检测电路直流分量检测电路的工作原理是：逆变器输出电压经和滤波后得到含交流成分的脉动直流电，此直流电经，和组成的积分电路积分后得到与逆变器输出电压直流分量成正比的电压量。可求得直流分量滤波积分电路的直流放大倍数为：如篆一彘交