13无互联线模块化输入串联输出并联逆变器系统控制策略

1、无互联线模块化输入串联输出并联逆变器系统控制策略1,2，1,2(1. 东南大学、电气，210096；2. 东南大学、先进电能变换技术与装备，210096)摘要：输入串联输出并联逆变器系统适用于高电压输入大电流输出场合。针对该系统，本文提出一种输出电压幅值随输入电压上翘的无互联线模块化控制策略。该控制策略通过调整各个逆变器模块输出电压的幅值与频率来实现其输入均压与输出均流。由于各个逆变器模块具有独立的控制电路并且其不需要任何通讯线连接，因此实现了完全模块化设计。分析了所提控制控制策略的工作原理和实施方案，搭建了两个模块组成的ISOP 逆变器系统样机，验证了所提控制策略的正确性。：输入串联输出并联

2、；逆变器；无互联线；输出电压幅值上翘Wireless Modular Control Strategy for Input-Series Output-ParallelInverter SystemJIANG Xiaojian1,2, CHEN Wu1,2(1. School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China; 2. Center for Advanceder-ConverTechnology and Equipment,Southeast University, Nanjing 210

3、096, China)Abstract: Input-series output-parallel inverter system iitable for high input voltage and large outpurrent occas. A modular control strategybased onitive output-voltage-litude gradient is proed for the systemhis pr. Thelitude and frequency of each inverter module are reg-ulated to achieve

4、 input voltage sharing and outpurrent sharing of the system. Becauset each constituent module has the independent controlcircuit and the sharing-bus is eliminated, the fully modular design is competed. The principle of the control strategy isyzed and the implemen ion ofthe system is designed.ast, a

5、two-module ISOP inverter system is fabricated and the experimental results verify the effectiveness of the presented strategy.Keywords: input-series output-parallel; inverter; wireless;引言1itive output-voltage-litude gradient联系统包括输入串联输出串联(ISOS)，输入串联输出并联(ISOP)，输入并联输出串联(I)以及输入并联输出并联多模块串并联组合系统是提高电压和功率等级

6、的一(IPOP)四类系统1。此外，串并联系统中的变换器模块可以是直流变换器，也可以是交流变换器。不同组合方式的种重要途径，其将标准变换器的输入侧及输出侧串联或并联在一起以提高系统两量。根据变换器的组合方式，串并系统适用于不同的场合，以 ISOP 逆变器系统为例，其适基金项目：国家自然科学基金（基金51677028）用于高电压输入大电流输出的场合，例如城市轨道交通、Project Supported by the National Natural Science Foundations ofChina under Award 51677028船舶及高速电气铁路电气系统中的逆变电源2-4。采用模块

7、化的结构具有诸多优点：降低了单模块开关器件的电压 逆变器系统输入均压与输出均流应力；缩短了研发周期；易于和扩两。的关系对于 逆变器系统而言，首先，必须实现各变换器模块间的输入均压和输出均流，以保证系统正常运行； 逆变器系统的主电路原理图如图 所示，该电路其次，不但功率电路要实现模块化设计，控制电路也应该由 个模块组成。其中 为各模块输入端分压电两； 和 分别为各模块的输入电压和输入电流；实现模块化设计，这样才能提高系统的可靠性和故障冗余性。对于两级式 逆变器系统，文献提出了一 种 为各模块的输出电流。假设各个变换器的效率为三环控制策略输入均压环，输出电压环，各个模块的电流，由输入输出功率守恒的

8、关系内环，该控制策略在加入输入均压控制的基础上，控制逆 变器滤波电感电流或者输出电流的幅值或相位一致，从而如果采用输入均压控制策略并且各模块输入电压均实现各模块的功率均衡。文献提出了 逆变器系统衡能够实现，则有短路、空载等极限负载下的控制策略。对于高频链式 逆变器系统，文献提出了一种输出滤波电感电流交叉反在稳控时，各个模块输入侧分压电两的充放电电流平馈的控制策略。事实上，这些控制策略仅仅实现了各个模均值零。由于系统输入侧是串联的，则各个模块输入电流块均衡工作的功能，而从模块化角度而言，其属于集中控相等，即制方式。当集中控制器出现故障时，将会引起整个系统的瘫痪。为了提高 逆变器系统的可靠性，文献

9、联立式、和可以推导出各个模块出的有功功提出了一种分布式控制策略，即各个模块具有完全独立的率相等，即控制电路。该系统具有一定的故障冗余控制性能，但是各 个模块的控制电路需要通过输出电压基准同步母线、输入说明了输入均压可以保证各个模块输出的有功功均压母线和平均电流母线进行相互通信。在通讯受到干扰率均衡。事实上，输入均压控制仅仅影响了各模块的输入或者通讯失败的情况下，系统也会停运。因此，为了进一功率及相应模块输出的有功功率，然而各模块输出的无功步提高 逆变器系统的可靠性，就有必要取消模块间功率并不受其影响，其可以表示为的通讯线。 输出并联逆变器系统可采用电压幅值与频率双下垂在输入均压控制的基础上，如

10、果能够控制各模块输出的控制策略实现无互联线均流控制。受此启发，本文提无功功率的均衡，则有出了针对 逆变器系统的一种输出电压幅值随输入电 联立、及可以得到压上翘的无互联线控制策略。由于 逆变器系统中的各个逆变器模块仅仅需要检测并反馈本模块的输入、输出 信号，并且各个模块的控制电路不需要任何通讯线连接，从中可以看出，各模块输出电流的有效值和相位都因此通过上为控制策略实现了完全的模块化设计。相同，因此实现了输出均流。从上为推导可以得到如下结到稳控，即所提控制策略对 ISOP 逆变器系统是稳定的。而系统中各模块无功功率的均衡， 则仍然采用传统的下垂法实现，这里不再赘为。由于该控制方案在加输入均压 Vr

11、efj sin(wrefjt)erefj(11)加入虚拟电阻后，得到的逆变器电压环的参考电压为vrefj erefj iLfj Rv Vrefj sin(wrefjt) iLfj Rv(12)由于式(9)是基于逆变器输出阻抗呈阻性的条件下提出的，为此，可以在控制中加入虚拟电阻以提高均分效果。控制策略的动控调控过控，两个模块的输入分压电两均衡的两个模块的输出电流及系统输出电压电流并不受取不同值：Cd1Cd2。图 6 给出了当系统输入电压突变输入电压扰动的影响。图 10 给出了负载在满载和半载间相互切换时ISOP时的仿真波形。从图中可以看出，当系统输入电压突变时，两个模块的输入电压也随之发生突变。

12、而在这个过控中，逆变器系统的实验波形。可以看出，已经均衡的两个模块输入电压偏高的模块增加了其有功功率的输出；输入电压的输入电压并不受负载切换的影响，并且系统输出电压始偏低的模块减小了其有功功率的输出。从而，两个模块的终保持稳定。因此，从图 7-10 可以看出输入均压和输出均输入电压重新收敛。当系统输入电压突升或突降时，由于流在稳控和暂控条件下都能够实现。上翘控制特性，系统输出电压幅值 Vom 也发生了微小的上升和下降。同时可以看出，输出电压 vo 的波形在输入电压突变的过控中始终保持稳定，系统具有良好的动控性能。4.2 实验验证为了验证前文所提控制策略的正确性，搭建了两个模块组成的ISOP 逆

13、变器系统样机。实验的参数如表 1 示。表 1 实验参数Tab.1 Experimental parameters系统输入电 Vin360440V DC直流母线电压 Vdc180VDC系统输出电压 VO110V 50Hz AC系统两量1.2kVA前级开关频率100kHz后级DC-AC 开关频率20kHz输入均压环增益 kp0.023无功功率下垂系数 kq0.004图 7 为系统输入电压由 360V 变化到 440V 时，理论计算的两个模块的输入电压曲线 Vcal 和两个模块的实际所测的输入电压曲线 Vin1、Vin2 以及系统输出电压幅值上翘特性曲线 Vom。实际所测的两个模块的最大输入电压偏差不到 4V，因此输入电压的偏差可以控制在 2%以内。图8 给出了稳控满载时ISOP 逆变器系统的实验波形。可以看出两个模块能够很好地均分系统输入电压和输出电流并且系统的输出电压波形完美。图