飞跨电容逆变器电容起什么作用dsp驱动电路用什么型号
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飞跨电容型双降压五电平逆变器
flying-capacitor dual buck five-level inverter.pdf 8页
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飞跨电容型双降压五电平逆变器
flying-capacitor dual buck five-level inverter
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第 32卷 第 l2期
中 国 电 机 工 程 学 报
Vo1．32No．12 Apr．25，2012
2012年 4月 25日
ProceedingsoftheCSEE
~2012Chin．Soc．forElec．Eng
=== == === == === === == = = == === == === == === == === =一
文章编号：(14—08
中图分类号：TM46
文献标志码：A
学科分类号：4704·0
飞跨电容型双降压五电平逆变器
刘苗，洪峰，王成华
(南京航空航天大学电子信息工程学院，江苏省 南京市 210016)
Flying—-capacitorDualBuckFive--levelInverter
LIU M iao，HONG Feng，WANG Chenghua
(CollegeofElectronicandInformationEngineering，NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics。
Nanjing210016，JiangsuProvince，China)
ABSTRACT：In orderto utilize the meritsofboth flying 0 引言
capacitor inverter and dual Buck inverter， a novel
多电平变换器具有器件电压应力低、输出波形
flying—capacitordualBuck five—levelinverterwasanalyzed．
Thiskindofflying—capacitorinverterwasbasedonthemain 总谐波畸变率(totalharmonicdistortion，THD1低、
circuit of dualBuck inverter．Compared with traditional 系统 电磁干扰 (electromagneticinterference，EMI)
flying--capacitormulti--levelinverter,thetopologycherishesthe 小、损耗小等优点，受到并网发 电、新能源、燃料
merits of dualBuck inverter,such as no shoot-through 电池、交流 电机调速领域的极大关注 】【]。多电平变
problem， non—body—diode reverse recovery problem
换器分为二极管钳位型、飞跨 电容型和级联型 3种
half-periodworkmode．Thetopologyalsohastheflexibiliytof
基本类型。随着电平数增加，其所需钳位器件数成
the flying—capacitor switches array, which realizes the
balancing statement of flying—capacitors by charging and 2倍甚至平方关系增长，除了增加系统成本和控制
discharging the flying capacitors through choosing proper 复杂度外，大量的器件意味着发生故障的可能性增
logicalcontrolling．Thedegreeofcomplexiyt ofthecircuitis 大 4J。对于 7／电平电路，二极管钳位型需要 一1)
正在加载中，请稍后...中图分类号：TM464 学科分类号：080804论文编号：-0035博士学位论文PWM 逆变器的控制及并联运行 控制研究研究生姓名 学科、专业 研究方向 指导教师何中一 电力电子与电力传动 功率电子变换技术 邢 岩 教授南京航空航天大学研究生院 自动化学院二ОО八年十二月 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate School College of Automation EngineeringResearch on the Control and Parallel Operation Control for PWM InvertersA Thesis in Electrical Engineering by He Zhongyi Advised by Prof. Xing Yan Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of PhilosophyDecember, 2008 承诺书本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：年月 南京航空航天大学博士学位论文摘要数字控制技术是实现高性能逆变器的关键技术之一，并联运行控制技术是实现模块化、高 可靠性冗余逆变电源系统的基础。随着数字信号处理器技术的迅速发展和逆变电源系统的应用 日益广泛，数年来上述问题一直是电力电子领域的研究热点和难点。 本文对 PWM (Pulse Width Modulation)逆变器的数字控制方法和技术进行了较为系统的研 究，建立了逆变器系统的等效数学模型，研究了调节器的设计和实现方法。提出了利用数字调 制信号中心值对数字电压基准信号进行实时调节的方法，有效地消除了数字运算截断误差累积 等因素造成的输出变压器直流偏磁问题；提出了一种采用电压电流双闭环控制与重复控制相结 合的复合控制策略，有效地改善了逆变器带非线性负载的输出特性。 提出了一种基于电力线通信（PLC）的逆变器并联系统结构和控制方法，将并联控制解耦 成为基准同步控制和输出均流控制，简化了并联控制尤其是模块热插拔控制的实现，实现了很 好的均流特性。各并联模块之间首先交换电压基准信号的相位信息，直接据此分别调节各自电 压基准信号的频率、达到相互同频同相，并且在并联运行时也始终进行电压基准信号的同步控 制，在此基础上，模块间交换输出电流或功率信息，结合电压调节器统一实现逆变桥 PWM 脉 宽调节。 研究了基于同步母线的电压基准同步控制，采用线与逻辑方法在逆变器并联系统中实现基 准同步控制；提出了基于电力线通信（PLC）的基准同步控制方法，各模块均根据相同的相位 参考信号计算各自方波同步信号的相位，在各逆变器之间传递各方波同步信号的频率和相位差 信息，据此调节各基准信号的相位，实现各逆变器基准相位信号始终保持同频同相。 提出了一种基于功率差调节的逆变器输出均流控制方法，各模块分别计算本机输出的有功 功率和无功功率，经 PLC 交换相互之间的输出有功功率差和无功功率差，利用功率差异信息调 节各自电压基准信号的相位和幅度。提出了功率调节累加算法，实现了负载功率的均分。 逆变器中通常采用输出有效值调节以获得好的负载调整率。本文研究了带输出有效值调节 逆变器分布式并联系统的环流特性，揭示了均流控制与有效值调节之间的互相妨碍，提出了一 种克服逆变器中输出有效值调节器影响均流效果的控制方法，在各模块中将其输出电流有效值 或其输出环流信号引入输出电压有效值调节算法，能够兼顾实现并联系统很好的负载调整率和 均流精度。 将上述研究的正弦波 PWM 逆变器并联运行控制的原理和实现方法推广应用到 U/f 控制三 相通用变频器并联系统中， 在规定的输出频率变化范围内实现两模块的电压基准信号同频同相； 采用主从式均流控制方法，在从机中检测各相输出环流，分别对从机各相电压基准信号进行调 I PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究 节，实现了并联系统带三相异步电机负载的均流控制。 研制了单相全桥逆变器、单相二极管箝位型三电平半桥逆变器和三相通用变频器等实验系 统样机，实验证实了研究结果的正确性和可行性。研究成果已经成功应用于民用和军用逆变器 产品样机中。关键词：功率变换器，逆变器，不间断电源，控制，同步，均流，并联，电力线通信II 南京航空航天大学博士学位论文AbstractDigital control and parallel operation control are among the key techniques for high performance inverters with the features of excellent regulation, modular, high reliability, and redundancy etc, and the corresponding research activities have been implementing since the development of digital signal processing and wide application of inverter power supply systems. Methods and techniques for digital control PWM (Pulse Width Modulation) inverters are researched systematically. Equivalent mathematical model of inverter is built, and digital regulators are designed and implemented. The control strategy for real-time regulation of digital voltage reference signal with mean value of digital modulating signal is proposed to eliminate the flux imbalance in output transformer or output filter inductor effectively. A compound digital control strategy combining output voltage and inductor current dual-loop control with repetitive control is proposed for inverter to improve its voltage regulation and nonlinear load performance. A novel system configuration and parallel control method for inverter parallel system based on power line communication (PLC) are porposed, in which the parallel operation control is decoupled to voltage reference synchronization control and output current distribution control to simplify the parallel realization, especially the module hot-swap operation realization. The frequency and phase information of voltage reference signal in each module is delivered to all the other modules in the parallel system, and the frequency of each voltage reference signal is adjusted accordingly to realize synchronization control. Based on pre-synchronized voltage reference signals, output current or output power information is shared among the parallel system, and current distribution control is implemented by modified SPWM (Sinusoidal PWM) output regulation. The voltage reference synchronization control based on synchronization bus is researched and realized by means of interconnecting line and wired-and logic in uninterruptible power supply (UPS) parallel system. The voltage reference synchronization control based on PLC is proposed, in which the phase angle of each voltage reference signal is calculated with the same phase reference, and phase difference information is exchanged by PLC among the parallel modules. With the same synchronization regulation algorithm as that of the former method, all the voltage reference signals share the identical frequency and phase. A load distribution control based on output power difference is proposed, in which the active power and reactive power are calculated in each module to obtain the active power difference and III PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究 reactive power difference among the modules by PLC, and the phase and amplitude of each voltage reference signal are regulated in accordance with output power difference. The power regulation accumulative algorithm is proposed to realize load power distribution. In inverter system, output voltage root-mean-square (RMS) regulation is a common solution to improving good load regulation. The circulating current characteristics of the distributed inverter parallel system with analog control are researched to reveal the interference between current distribution and load regulation. A novel control method for compensating the impact on load distribution by output voltage RMS regulator is proposed, in which the amplitude of output current or circulating current in each moduled in each module is introduced into the output voltage RMS regulator to give attention to both good load regulation and precise current distribution. The application scope of decoupled parallel control for PWM inverter parallel system is extended to general-purpose three-phase inverter system with conventional U/f control to realize voltage reference synchronization control within the frequency range of zero to 50 Hz. By detecting the circulating current signals and adding them into the corresponding digital modulating signals of each phase in the slave module, the master-slave current distribution control is realized with three-phase asynchronous machine load. Different experimental platforms are built to verify the control methods mentioned previously, including single-phase full-bridge inverter, single-phase diode-clamped three level half-bridge inverter, and three-phase inverter. Theoretical analysis, simulation evaluation, and experimental results are provided to demonstrate the validity and feasibility of the proposed control methods. Furthermore, the main control methods in this dissertation have been transfered successfully to both civil and military parallel inverter and UPS products. Keywords: power converter, inverter, uninterruptible power supply (UPS), control, synchronization, current distribution, parallel, power line communication (PLC)IV 南京航空航天大学博士学位论文目录第一章 绪论 ..........................................................................................................................................1 1.1 概述 .........................................................................................................................................1 1.2 正弦波逆变器的数字控制......................................................................................................2 1.2.1 模拟控制.......................................................................................................................2 1.2.2 数字 PID 控制 ..............................................................................................................2 1.2.3 无差拍控制...................................................................................................................3 1.2.4 重复控制.......................................................................................................................4 1.2.5 滑模变结构控制...........................................................................................................5 1.3 正弦波逆变器的并联控制......................................................................................................6 1.3.1 集中式控制...................................................................................................................6 1.3.2 主从式控制...................................................................................................................7 1.3.3 3C 控制..........................................................................................................................8 1.3.4 分布式控制...................................................................................................................9 1.3.5 无连线控制.................................................................................................................10 1.4 电力线通信及其应用............................................................................................................12 1.5 本文的研究意义和主要工作................................................................................................13 1.5.1 研究意义.....................................................................................................................13 1.5.2 论文主要工作.............................................................................................................14 第二章 逆变器的控制技术.................................................................................................................16 2.1 逆变器的拓扑........................................................................................................................16 2.2 输出电压单闭环 PID 控制 ...................................................................................................17 2.2.1 数学模型.....................................................................................................................17 2.2.2 模拟实现方式.............................................................................................................18 2.2.3 数字实现方式.............................................................................................................20 2.2.4 实验结果与分析.........................................................................................................22 2.3 双闭环 PI 控制 ......................................................................................................................25 2.3.1 数学模型.....................................................................................................................26 2.3.2 控制参数设计.............................................................................................................27 2.3.3 实验结果与分析.........................................................................................................29 V PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究 2.4 双闭环 PI 控制+重复控制的复合控制 ................................................................................30 2.4.1 复合控制.....................................................................................................................30 2.4.2 实验结果与分析.........................................................................................................32 2.5 结论 .......................................................................................................................................34 第三章 逆变器并联系统的解耦控制方法.........................................................................................35 3.1 逆变器并联系统的模型分析................................................................................................35 3.2 电压基准信号的差异对于均流的影响................................................................................37 3.3 并联控制的解耦....................................................................................................................39 3.3.1 电压基准信号的同步控制.........................................................................................39 3.3.2 输出均流控制.............................................................................................................41 3.4 基于解耦控制的逆变器并联系统........................................................................................42 3.5 结论 .......................................................................................................................................43 第四章 电压基准信号的同步控制.....................................................................................................44 4.1 基于同步母线的基准同步控制............................................................................................44 4.1.1 线与逻辑运算.............................................................................................................45 4.1.2 瞬态过程中的同步控制.............................................................................................46 4.1.3 实验结果与分析.........................................................................................................47 4.2 基于 PLC 的基准同步控制 ..................................................................................................48 4.2.1 硬件设计.....................................................................................................................48 4.2.2 软件算法.....................................................................................................................50 4.2.3 同步调节误差分析.....................................................................................................55 4.2.4 实验结果与分析.........................................................................................................59 4.3 结论 .......................................................................................................................................61 第五章 并联系统的输出均流控制.....................................................................................................63 5.1 基于功率差调节的并联控制研究........................................................................................63 5.1.1 功率计算方法.............................................................................................................63 5.1.2 改进的 PQ 均流算法..................................................................................................64 5.1.3 仿真结果与分析.........................................................................................................66 5.1.4 实验结果与分析.........................................................................................................68 5.2 分布式数字控制逆变器并联系统环流特性分析................................................................70 5.2.1 并联控制方法的有效性.............................................................................................70 5.2.2 环流与控制参数的关系.............................................................................................73VI 南京航空航天大学博士学位论文 5.2.3 实验结果与分析.........................................................................................................75 5.3 分布式模拟控制逆变器并联系统环流特性分析................................................................76 5.3.1 影响环流的因素.........................................................................................................76 5.3.2 均流控制环的特性分析.............................................................................................78 5.3.3 加权均流控制.............................................................................................................80 5.4 输出电压有效值调节器的影响............................................................................................81 5.4.1 有效值调节器对并联均流的影响.............................................................................81 5.4.2 减小有效值调节器影响的措施.................................................................................83 5.4.3 实验结果与分析.........................................................................................................84 5.5 结论 .......................................................................................................................................86 第六章 三相变频器的并联控制.........................................................................................................88 6.1 系统结构与控制原理............................................................................................................88 6.2 三相变频器的控制................................................................................................................89 6.2.1 U/f 控制方式 ...............................................................................................................89 6.2.2 基准信号的产生.........................................................................................................89 6.3 并联控制 ...............................................................................................................................90 6.3.1 控制方法.....................................................................................................................90 6.3.2 同步控制的实现.........................................................................................................91 6.3.3 均流控制的实现.........................................................................................................93 6.4 实验结果与分析....................................................................................................................95 6.4.1 单机实验结果.............................................................................................................96 6.4.2 并联实验结果.............................................................................................................97 6.5 结论 .......................................................................................................................................99 第七章 总结与展望 ..........................................................................................................................100 7.1 全文工作总结......................................................................................................................100 7.2 进一步工作的展望..............................................................................................................101 参考文献 ............................................................................................................................................102 致 谢 ................................................................................................................................................109在学期间的研究成果及发表的学术论文......................................................................................... 110VII PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究图表清单图 1.1 理想的重复控制器.....................................................................................................................4 图 1.2 实际的重复控制器.....................................................................................................................5 图 1.3 插入式结构 ................................................................................................................................5 图 1.4 级联式结构 ................................................................................................................................5 图 1.5 集中控制逆变器并联系统.........................................................................................................7 图 1.6 主从控制逆变器并联系统.........................................................................................................8 图 1.7 3C 控制逆变器并联系统 ............................................................................................................9 图 1.8 基于输出电流均分的分布式控制逆变器并联系统...............................................................10 图 1.9 基于输出功率均分的分布式控制逆变器并联系统............................................................... 11 图 1.10 逆变器输出等效电路............................................................................................................. 11 图 1.11 带虚拟阻抗的下垂调节逆变器控制框图.............................................................................12 图 1.12 电力线通信原理图.................................................................................................................13 图 2.1 桥式逆变电路 ..........................................................................................................................16 图 2.2 多电平逆变电路.......................................................................................................................17 图 2.3 输出电压单闭环逆变器传递函数控制框图...........................................................................18 图 2.4 模拟控制 PID 电压调节器 ......................................................................................................19 图 2.5 输出电压单闭环数字控制逆变器的传递函数控制框图.......................................................20 图 2.6 数字控制逆变器偏磁调节原理图...........................................................................................22 图 2.7 UPS 的市电态稳态输出波形 ...................................................................................................23 图 2.8 UPS 的市电态瞬态输出波形 ...................................................................................................24 图 2.9 UPS 带整流性负载时市电态与电池态的切换 .......................................................................24 图 2.10 数字控制逆变器的偏磁校正.................................................................................................25 图 2.11 整流性负载参数.....................................................................................................................25 图 2.12 数字控制逆变器负载突变时的输出波形.............................................................................25 图 2.13 数字控制双闭环逆变器传递函数控制框图.........................................................................26 图 2.14 简化的电流环控制框图.........................................................................................................27 图 2.15 电流环闭环传递函数波特图.................................................................................................28 图 2.16 简化的双闭环控制框图.........................................................................................................28 图 2.17 电流闭环的未校正系统开环波特图.....................................................................................29VIII 南京航空航天大学博士学位论文 图 2.18 电流闭环的 PI 校正系统开环波特图 ...................................................................................29 图 2.19 双闭环数字控制逆变器突加额定感性负载的仿真结果.....................................................29 图 2.20 双闭环数字控制逆变器的输出波形.....................................................................................30 图 2.21 复合控制逆变器结构框图.....................................................................................................31 图 2.22 双闭环控制加有效值调节的复合控制逆变器实验波形.....................................................33 图 2.23 双闭环控制加重复控制的复合控制逆变器实验波形.........................................................33 图 2.24 复合控制逆变器突加突卸整流性满载的输出波形.............................................................34 图 3.1 并联逆变器输出电气连接.......................................................................................................35 图 3.2 双机并联系统电压基准矢量图...............................................................................................37 图 3.3 正弦波/方波变换电路 .............................................................................................................40 图 3.4 正弦波/方波变换电路的输入输出关系..................................................................................40 图 3.5 基于解耦控制的逆变器结构框图...........................................................................................42 图 4.1 基于同步母线的逆变器基准同步控制原理框图...................................................................44 图 4.2 基于同步母线的 UPS 基准同步控制原理框图 .....................................................................45 图 4.3 方波信号的与逻辑...................................................................................................................46 图 4.4 双机并联系统模块 2 的同步调节...........................................................................................47 图 4.5 UPS 并联系统的热插拔响应 ...................................................................................................47 图 4.6 输入市电中断和恢复时 UPS 并联系统的响应 .....................................................................48 图 4.7 PLC 通信单元功能框图 ...........................................................................................................49 图 4.8 SC1128 与 DSP 接口 ................................................................................................................49 图 4.9 并联系统同步控制硬件框图...................................................................................................50 图 4.10 两路三角波信号的求和.........................................................................................................50 图 4.11 UPS 状态切换图 .....................................................................................................................51 图 4.12 基于 PLC 的市电态同步控制功能框图 ...............................................................................51 图 4.13 基于 PLC 的电池态同步控制功能框图 ...............................................................................52 图 4.14 UPS 并联系统的通信和同步控制流程图 .............................................................................53 图 4.15 s1 与 s2 的相位关系判断图......................................................................................................54 图 4.16 同步调节算法流程图.............................................................................................................55 图 4.17 过渡态 I 同步控制算法流程 .................................................................................................56 图 4.18 同步调节过程中方波信号的周期变化轨迹.........................................................................58 图 4.19 市电态 51.5 Hz 时同步调节实验波形 ..................................................................................60 图 4.20 电池态下向 50 Hz 调节过程中同步调节实验波形 .............................................................61 IX PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究 图 4.21 市电态与电池态相互切换瞬间的同步波形.........................................................................61 图 5.1 逆变器双机并联系统等效电路...............................................................................................64 图 5.2 全补偿算法的仿真结果...........................................................................................................67 图 5.3 累加算法的仿真结果...............................................................................................................68 图 5.4 逆变器并联系统稳态波形.......................................................................................................69 图 5.5 逆变器并联系统负载突变的输出波形...................................................................................69 图 5.6 逆变器并联系统热插拔时的输出波形...................................................................................70 图 5.7 无均流控制的双闭环数字控制逆变器并联运行传递函数控制框图 ...................................71 图 5.8 Φcc_ori(s)的波特图 .....................................................................................................................72 图 5.9 采用平均电流法的双闭环数字控制逆变器并联运行传递函数控制框图 ...........................73 图 5.10 Φcc(s)的波特图........................................................................................................................74 图 5.11 Φcc(s)的等效传递函数控制框图 ............................................................................................74 图 5.12 Φcc(s)的根轨迹图....................................................................................................................74 图 5.13 整流性负载结构.....................................................................................................................75 图 5.14 并联系统带载稳态输出波形.................................................................................................75 图 5.15 并联系统突加突卸整流性负载的输出波形.........................................................................76 图 5.16 并联系统带整流性负载热插拔过程的输出波形.................................................................76 图 5.17 单闭环模拟控制逆变器并联运行传递函数控制框图.........................................................77 图 5.18 环流信号的等效传递函数控制框图.....................................................................................78 图 5.19 均流环传递函数的波特图.....................................................................................................78 图 5.20 输出电压瞬时值调节器原理图.............................................................................................79 图 5.21 加权均流控制仿真结果.........................................................................................................81 图 5.22 逆变模块投入并联过程中基准幅度差的仿真结果.............................................................82 图 5.23 带输出电压有效值调节器的逆变模块的传递函数控制框图 .............................................82 图 5.24 基准、并联输出电压及环流的矢量关系.............................................................................84 图 5.25 并联系统空载输出波形.........................................................................................................85 图 5.26 图 5.25 (a)中环流信号的频谱 ...............................................................................................85 图 5.27 并联系统的稳态输出波形.....................................................................................................86 图 5.28 并联系统负载突变时的输出波形.........................................................................................86 图 6.1 变频器单机结构框图...............................................................................................................88 图 6.2 U/f 曲线 .....................................................................................................................................89 图 6.3 变频器并联系统的结构框图...................................................................................................91X 南京航空航天大学博士学位论文 图 6.4 同步脉冲信号的产生...............................................................................................................92 图 6.5 并联系统输出端连接图...........................................................................................................93 图 6.6 主模块单机运行实验结果.......................................................................................................96 图 6.7 主模块单机运行从 20 Hz 到 45 Hz 的变频过程 ...................................................................97 图 6.8 同步调节实验波形...................................................................................................................97 图 6.9 两台变频器并联运行实验结果...............................................................................................98 图 6.10 两台变频器并联运行从 20 Hz 到 45 Hz 的变频过程..........................................................99表 1.1 下垂策略与输出阻抗的关系...................................................................................................12 表 2.1 模拟控制单闭环 UPS 额定参数 .............................................................................................22 表 2.2 UPS 市电态带阻性负载的实验数据 .......................................................................................23 表 2.3 UPS 市电态带整流性负载的实验数据 ...................................................................................23 表 2.4 各种负载条件下的逆变输出电压 THD..................................................................................25 表 2.5 数字控制双闭环逆变器额定参数...........................................................................................30 表 2.6 复合控制三电平半桥逆变器额定参数...................................................................................33 表 4.1 市电态 uD/A_1 的电平与 Δφ1_ac 的关系 ....................................................................................59 表 4.2 电池态或过渡过程中 uD/A_1 的电平与 Δφ1_r 的关系 ..............................................................59 表 5.1 逆变器双机并联全补偿算法仿真条件...................................................................................67 表 5.2 逆变器双机并联累加算法仿真条件.......................................................................................67 表 5.3 数字控制单相全桥逆变器设计参数.......................................................................................68 表 5.4 双闭环数字控制逆变器的控制参数.......................................................................................72 表 5.5 数字控制逆变器单机额定参数...............................................................................................75 表 5.6 单闭环模拟控制逆变器的均流环参数...................................................................................78 表 5.7 UPS 并联系统电池态的实验数据 ...........................................................................................86XI PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究XII 南京航空航天大学博士学位论文第一章 绪论现代社会用电设备的迅速发展和广泛应用，对其电源变换系统的容量、性能、可靠性和可 维护性要求越来越高，采用标准逆变功率模块积木式叠加、灵活组成任意所需容量的或冗余逆 变功率系统被公认是实现这些要求的最佳结构之一；另一方面，风能、太阳能等可再生能源技 术，大力推动着对分布式发电和变换并网技术的研究。 逆变器的控制及并联控制技术的深入研究，是改善逆变器及其系统的输出特性、提高可靠 性的基础，近年来一直是电力电子领域的研究热点，对于改变我国高能耗的局面、减少环境污 染、缓解能源危机等方面具有重要的战略意义。1.1 概述随着全球经济社会的发展，能源危机以及由此带来的环境问题日趋严重。传统的煤、石油、 天然气等矿物能源日益耗尽，迫使人们加速对诸如太阳能、风能、潮汐能、燃料电池等新能源 的探索和应用研究[1-3]。 上个世纪九十年代以来，各种利用可再生能源的发电及电能变换技术得到了迅猛发展，与 之伴随的是供电系统从集中式电源系统（Centralized Power System, CPS）向分布式电源系统 （Distributed Power System, DPS）的逐渐过渡。与 CPS 相比，DPS 具有冗余性、模块化、容错、 可靠性、维护性等一系列优点[4, 5]。 分布式发电（Distributed Generation, DG）是分布式供电系统的核心，意指在用户现场或靠 近用电现场利用多种小型能源如燃气轮机和各种可再生能源发电，以满足特定用户的需要并支 持电网的经济运行，或同时满足这两方面的要求。这些小型能源包括上述新能源或燃气轮机。 基于新能源的分布式发电技术主要包括太阳能光伏发电技术[6, 7]、风力发电技术[8, 9]、燃料电池 发电技术[10, 11]等。在这一领域，德国、丹麦、日本、美国具有领导地位[12]。作为新能源开发利 用中的一种关键技术，逆变控制已成为当前电力电子的研究热点之一。 另一方面，多模块并联实现大容量高可靠性电源变换系统是当今电源技术的发展方向之一。多 个电源模块并联分担负载功率，各个模块中主开关器件的电流应力小，从根本上保证了可靠性。同 时，每个模块的容量较小，功率密度高，从而使整个电源体积重量下降，标准模块化取代系列化， 也大大降低了生产和维护成本。N + X 冗余并联运行方式（X 为冗余模块数）以较小代价获得容错 冗余功率，无论国防和民用，都是实现关键电源高可靠性、高功率密度大功率电源系统的优选方案。 直流电源变换器的并联运行方式在服务器电源等已广泛应用。但是逆变器是交流输出，各模块输出 电压不仅要幅值相等，而且必须波形相同、频率一致、相位同步，所以较直流输出变换器并联运行1 PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究 的难度大得多。 基于上述认识，论文工作围绕逆变器的输出控制和并联运行控制展开，首先对逆变电源的 发展历史和研究现状进行系统分析，研究数字控制逆变器的关键技术及复合控制方法，再从并 联解耦控制的角度，研究目前逆变电源并联系统中最具代表性和实用价值的两种控制方法―― 分布式控制和无连线控制，在实现电压基准信号预同步调节的基础上，研究并联系统的输出均 流控制方法，并且在单相逆变器/不间断电源（Uninterruptible Power Supply, UPS）并联系统和 三相变频器并联系统中进行实验验证。1.2 正弦波逆变器的数字控制最典型的逆变器的输出波形为正弦波，称为正弦波逆变器，以下简称为逆变器。逆变器正 弦输出的实现方法通常可以分为模拟控制、数字控制和模数混合控制。1.2.1 模拟控制传统的逆变器采用模拟控制方式，将给定信号与逆变输出采样信号经过由运算放大器、电 阻、电容等元件构成的调节器电路得到调制信号，再通过与高频载波的交截产生功率开关管的 PWM 控制信号，实现逆变输出跟踪正弦给定信号。 对模拟控制的研究主要集中在调节器的设计上，由于调节器电路无法实现复杂的控制律， 通常的调节器电路为 PID 形式。PID 参数常基于经验法设计然后在现场调试中最后整定，或者 基于频率特性反复试凑设计。文献[13]提出了一种基于极点配置的 PID 参数设计方法，适用于 输出电压单闭环控制，逆变器动态响应快速，非线性负载情况下输出电压 THD 较低。 模拟控制逆变器硬件电路较为复杂，元件数量众多，型号多样。复杂的硬件电路对于逆变 器的可靠性和功率密度的提高都是不利的。模拟控制逆变器设计方法成熟，控制特性较好，缺 点主要在于产品升级换代困难、控制方式比较单一、难以实现网络化管理维护等。1.2.2 数字 PID 控制伴随着数字信号处理技术的飞速发展，数字信号处理器（Digital Signal Processor, DSP）的 成本逐渐下降，数字控制在逆变器中的应用不断扩大。逆变器采用数字控制方式时，其控制律 通过软件算法实现，系统中模拟量、数字量的接口包括输出信号的 A/D 采样转换、PWM 控制 信号的产生。DSP 将 A/D 转换得到的输出信号数字量与数字基准信号进行比较，将误差信号经 过差分方程运算得到数字调制信号，再利用 DSP 内部的 PWM 信号发生器模块，产生带死区时 间的 PWM 控制信号。 需要注意的是， 基于离散系统理论的数字控制逆变器中， 由于 DSP 的有效字长、 计算延时、 输出延时等因素的影响，降低了控制系统的稳定性，使离散化后的系统阶数变高[14]。受到逆变2 南京航空航天大学博士学位论文 器功率开关管开关频率的限制，逆变输出信号的采样频率不可能太高，使控制的实时性受到影 响。此外，数字调制信号的计算需要时间，并且从算得数字调制信号到 PWM 控制信号的占空 比随之变化之间存在延时。文献[15]提出了两种补偿数字控制逆变器中控制延时的 PWM 信号 产生方法，分别称为两极 PWM 方法、不对称 PWM 方法。与传统的延时补偿策略如状态观测 器[16]、Kalman 滤波器[17]、考虑延时的逆变器建模[18]等相比，文献[15]提出的 PWM 方法的优点 在于与逆变器模型无关，且无需复杂的运算。 DSP 软件算法的灵活性为逆变器数字控制方式的多样性提供了可能。数字控制逆变器的控 重复控制[24-28]、 制方法包括经典的数字 PID 控制， 以及各种先进的控制算法如无差拍控制[19-23]、 滑模变结构控制[29-34]、神经网络控制[35-38]、模糊控制[39-42]及其它数字算法[43-46]。逆变器的数字 PID 控制方式以其实用性在实际产品中得到了广泛应用。 数字 PID 控制参数的设计方法主要有模拟化设计和直接数字化设计两种。模拟化设计法是 s 平面上的一种设计方法，把控制系统按模拟化进行分析，求出数字部分的等效连续环节，然 后按连续系统理论设计校正装置，再将该校正装置数字化。直接数字设计法是 z 平面上的一种 设计方法，把控制系统按数字化进行分析，求出系统的脉冲传递函数，然后按离散系统理论设 计数字控制器。直接数字设计法所设计的调节器是数字控制器能直接实现的算法，利用数字控 制器的运算处理功能，即可实现比较复杂的控制规律，这是模拟控制系统难以做到的。 数字 PID 控制是研究逆变器数字控制的基础，逆变器的其它数字控制算法可以与 PID 控制 结合使用，构成复合控制，进而提高数字控制逆变器的性能。1.2.3 无差拍控制数字 PID 控制可视为对模拟 PID 控制的离散化结果。数字控制的固有问题如控制延时等引 起逆变器稳定性下降，通常数字 PID 控制逆变器无法达到模拟 PID 控制逆变器的性能。 为了解决上述问题，K.P. Gokhale 等人在 1987 年首次提出了逆变器的无差拍控制方法[19]。 无差拍控制的基本思想是对基准正弦信号的周期进行等分，每个分度的持续时间为采样周期， 将每个采样周期内的基准正弦值作为逆变器的输出，建立逆变器的离散形式状态方程，利用逆 变器的数学模型及输出反馈信号计算下一个采样周期的逆变器功率开关管 PWM 信号的脉冲宽 度，实现每个采样周期内逆变输出均与基准正弦信号保持相同。 根据上述无差拍控制算法，逆变输出电压理论上为标准正弦信号，在相位上滞后基准正弦 给定信号一个采样周期。任何由于负载扰动或非线性负载而引起的输出电压畸变，在一个采样 周期内就会被消除。无差拍控制的优点在于输出电压波形跟踪速度快、稳态特性好。另一方面， 无差拍控制也存在一些缺点[21]，例如：无差拍控制对逆变器输出滤波器和负载参数的变化比较 敏感；只对输出电压进行无差拍控制，虽然瞬态响应速度快但超调量大；只控制采样点上的电3 PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究 压，没有控制输出电压的变化率，导致输出电压在采样点之间脉动很大。 上述分析过程中没有考虑数字系统的控制延时，事实上延时问题对于无差拍逆变器性能有 明显的影响。采用现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array, FPGA）能够减小无差拍 控制算法的执行时间，但 FPGA 增加了系统的复杂度和成本[20]。 为了降低无差拍控制器对逆变器模型参数的依赖程度，文献[22]在无差拍控制中引入扰动 观测器用来估计负载电流及其它类型的误差。文献[23]提出了一种改进的三相电压源逆变器鲁 棒预测电流算法，通过控制当前拍的电流误差等于前两拍的电流误差信号的差异，提高了系统 的鲁棒性，但控制参数的变化降低了系统的稳定性。1.2.4 重复控制重复控制是针对周期性扰动而提出的一种控制策略，最早应用于质子加速器控制中[24]。重 复控制以其相对简单的结构、高精度的控制效果，广泛应用于包含周期信号的控制场合，如机 械手轨迹控制、光盘驱动器、卫星姿态校正的伺服机构等。 逆变器的指令信号为正弦波，PID 控制无法消除正弦信号的跟踪静差。另一方面，逆变器 的扰动如非线性负载、功率开关管驱动信号的死区时间影响等都是周期性的。为了提高逆变器 输出波形质量，可以将重复控制器引入逆变器的控制环路中。 重复控制是一种基于内模原理的控制原理，即如果希望控制系统对某一参考指令实现无静 差跟踪，那么产生该指令的模型必须包含在稳定的闭环控制系统内部[25]。重复控制系统中，加 到被控对象的输入信号除偏差信号外， 还叠加了一个过去的偏差及上一采样周期该时刻的偏差， 偏差信号被重复利用，经过几个周期后，能够实现输出信号很好地跟踪给定信号。重复控制算 法不仅适用于跟踪周期性给定信号，也适用于抑制周期性的干扰。 图 1.1 所示为理想的重复控制器原理图，相当于周期信号发生器。图中，E(z)为偏差信号； Urep(z)为重复控制器的输出信号；Nsp 为正弦输出周期内的采样次数。E( z)+ +z? N spU rep ( z )图 1.1 理想的重复控制器 控制系统采用图 1.1 所示的理想重复控制器时，重复控制器的稳定性取决于被控对象的参 数，系统容易受到干扰，无法稳定工作。图 1.2 所示为实际的重复控制器原理图，在理想的重 复控制器的正反馈通道插入 Q 补偿器，再在前向通道中串入 S 补偿器。 重复控制器通常可视为对传统的反馈控制器的补充。系统稳定性由传统反馈控制器保证， 稳态跟踪精度则通过重复控制器实现[26]。重复控制器与传统反馈控制器的组合通常由两种形 式，称为插入式结构[27]、级联式结构[26, 28]，分别如图 1.3、图 1.4 所示。图中，Yd(z)为周期性参4 南京航空航天大学博士学位论文 考信号；E(z)为偏差信号；Grep(z)为重复控制器传递函数；Gc(z)为反馈控制器离散传递函数； Gs(z)为被控对象的离散传递函数；D(z)为扰动信号；Y(z)为输出信号；Uc(z)为复合参考信号。E( z)+ +z? N spS ( z)U rep ( z )Q( z )图 1.2 实际的重复控制器Grep ( z )Yd ( z )+?E( z)++ U rep ( z ) Gc ( z )Gs ( z )+ D( z ) Y ( z ) +图 1.3 插入式结构Yd ( z )+?E( z)Grep ( z )U rep ( z ) + U c ( z )+ +?Gc ( z )Gs ( z )+ D( z ) Y ( z ) +图 1.4 级联式结构 图 1.3 中的重复控制器与系统控制环并联连接，输出信号 Grep(z)注入误差信号 E(z)中。图 1.4 中的重复控制器与系统控制环级联连接，输出信号 Grep(z)对系统的参考信号 Yd(z)进行调节。 比较而言，图 1.4 更适用于在已有的闭环反馈控制系统中增加重复控制器的场合，该结构便于 重复控制器的设计和实现。 重复控制具有良好的稳态响应特性，能够明显改善逆变器带整流性负载时的输出电压波形 质量，动态性能还有待进一步完善，所以重复控制往往与其它控制方式结合使用。实际上，如 果重复控制器设计不好，将引起系统跟踪精度、收敛速度下降，甚至造成系统不能稳定工作。1.2.5 滑模变结构控制滑模变结构控制是前苏联学者 S.V. Emelyanov、V.I. Utkin 于 20 世纪 50 年代提出的一种控 1978 年 Utkin 完成了“Sliding modes and their applications in variable structure systems” 制方法[29]。 一书及综述论文[30]，人们认识到变结构控制具有滑动模态运动与控制量大小无关的特点，可以 把高维系统分解成两个互不相关的低维孤立子系统的问题，使控制算法易实现并且滑动模态具 有对系统内部干扰和外部干扰及系统参数摄动的不变性、完全自适应性、鲁棒性等特点，从而 引起了各国学者对滑模变结构控制的浓厚兴趣。经过半个多世纪的发展，滑模变结构控制已成 为控制理论的重要分支，广泛应用于空间飞行器、机器人、电力电子变换器等领域，解决了对5 PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究 控制要求较高、控制对象复杂、高度非线性的控制问题。近年来滑模变结构控制的研究方向主 要集中在滑模面设计、振抖问题、离散系统的滑模变结构控制、自适应滑模变结构控制、智能 滑模变结构控制等[31]。 滑模变结构控制是一种非线性控制方法，它是利用某种不连续的开关控制策略来强迫系统 的状态变量沿着相平面中某一预先设计好的“滑动模态”轨迹运动，从而达到预期的性能。 滑模变结构控制应用于逆变电源中时，还存在一些问题没有很好地解决。首先是逆变电源 的理想滑模切换面很难选取；其次，数字式滑模变结构控制只有当采样频率足够高时才能有较 好的控制效果，这些缺点限制了它的应用[32]。1.3 正弦波逆变器的并联控制信息处理技术的迅速发展和广泛应用，对其电源变换系统的容量、性能、可靠性和可维护 性要求越来越高。 多模块并联实现大容量电源系统是当今电源技术的发展方向。多个电源模块并联分担负载 功率，各模块中功率开关管的电流应力降低，从根本上保证了可靠性。每个模块的容量较小， 功率密度高，从而使整个电源系统的体积重量下降。N + 1 或 N + X 冗余并联运行方式（X 为冗 余模块数）以较小代价获得容错冗余功率，是实现高可靠性、大功率电源系统的优选方案。 逆变器/UPS 的并联 直流电源变换器的并联运行在服务器电源等场合已得到广泛应用[47, 48]。 控制要比直流变换器的并联控制复杂得多，原因在于逆变器的输出波形为交流正弦信号。为了 实现各模块均分负载，理论上各模块输出电压不仅要幅值相等，而且必须波形相同、频率一致、 相位同步。 20 世纪 90 年代以来，逆变器的并联运行技术成为电力电子的研究热点之一。逆变器并联 运行的目的在于扩充系统容量或提高系统冗余度，典型应用是分布式发电或分布式供电系统[49-51]。总体上讲，逆变器并联系统必须具备如下特征：各模块输出电压的幅度、频率和相位分别对应相同；模块之间的负载电流均分；可灵活地增减并联模块数目；各模块的热插拔。 根据模块之间是否使用互连线，逆变器并联控制方法可以分为主动均流技术和无连线下垂 控制两大类[49]，其中主动均流技术又可分为集中控制、主从控制、3C (Circular Chain Control) 控制和分布式控制。1.3.1 集中式控制图 1.5 所示为集中控制逆变器并联系统原理框图[52]，并联系统由 N 台逆变器组成。图中， φur 为电压基准信号的初始相位；Urm 为电压基准信号幅度；uref 为电压基准信号；uof 为输出电压 反馈信号；ue 为电压误差信号；Gv(s)为电压调节器；Gc(s)为均流调节器；iofj 为第 j 个模块输出 电流反馈信号；iload 为并联系统总负载电流。集中控制器（Centralized Controller）为各并联模6 南京航空航天大学博士学位论文 块提供平均负载电流信号 iload/N，以及各模块共享的电压基准相位信号。Module 1 Average load current?ururef+ue?Gv ( s )+PWMInverterU rmuof? Gc ( s )iload N+iof 1?Sharing phase referenceCentralized controllerModule N?ururef+ue?Gv ( s )+PWMInverterU rmuof? Gc ( s )iload N+iofN?图 1.5 集中控制逆变器并联系统 并联运行时，各模块的电压基准信号的差异很小，但由于各模块的参数不可能完全相同， 微小的电压基准差异也能导致较大的输出电流偏差即环流信号。 图 1.5 中，均流控制器将环流信号经均流调节器 Gc(s)叠加到电压调节器的输出信号中，经 PWM 信号发生器产生逆变器功率开关管的控制信号。也可以将环流信号经 PI 环节叠加到电压 误差信号 ue 中[53]，实现各模块输出均流。 集中控制方法简单，并联系统均流效果较好，但可靠性和冗余度较低，并且集中控制器必 须准确获知并联模块数目 N，限制了集中控制方法在逆变器/UPS 并联系统中的应用。1.3.2 主从式控制主从式控制逆变器并联系统包含一个主模块和若干个从模块，主模块为电压型逆变器，调 节并联输出电压，并为各从模块提供电流参考信号，从模块为电流型逆变器，具有电流跟随器 的特性[54-57]。 图 1.6 所示为主从控制逆变器并联系统原理框图， 由一个主模块和 N 个从模块组成。 图中， uref 为电压基准信号；uof 为输出电压反馈信号；Gv(s)为电压调节器；Gc(s)为电流调节器；iLM 为 主模块输出滤波电感电流；iLSj 为从模块输出滤波电感电流。主模块电感电流 iLM 作为各从模块 的电感电流参考信号，从模块中的电流调节器控制其电感电流 iLSj 跟踪 iLM。 图 1.6 所示的并联系统中，主模块是固定不变的，一旦主模块损坏，并联系统将无法正常 运行。文献[55]提出了一种可任意选择主模块的主从式控制结构，具有如下特点：并联系统各7Load PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究 模块完全相同；各模块之间通过两根信号通信线自由选择主模块；当前主模块退出并联时，从 各从模块中自动产生新的主模块；新的模块投入并联时，自动作为从模块运行；总负载电流在 所有模块之间均分，与并联模块数目无关。Master (VSI)uref ? uof+Gv ( s )+Gc ( s )? iLMPWMInverterSlave (CSI)iLM+? iLS 1Gc ( s )PWMInverterLoad Slave (CSI)iLM+?Gc ( s )iLSNPWMInverter图 1.6 主从控制逆变器并联系统 文献[56]提出了另一种确定主模块的方法，比较并联系统各模块输出的有功功率、无功功 率的大小，将最大值所在的模块设为主模块，其余为从模块。 主从控制的特点在于无需进行输出电压同步调节，在各种负载条件下以及动态过程中均可 很好地实现均流。尽管可以通过轮换主模块提高并联系统的可靠性，但相应的控制较为复杂。1.3.3 3C 控制图 1.7 所示为 3C 控制逆变器并联系统结构框图[58]。 图中， 各模块的电流参考信号取自前一 个模块，第一个模块的电流参考取自最后一个模块，所有的电流参考信号将全部模块构成一个 环形[58, 59]。iLj_r 为第 j 个模块的电感电流参考信号；iLj 为第 j 个模块的电感电流信号。各模块的 输出电流、输出电压分别由电流内环和电压外环调节，电流内环的响应速度很快。各模块共享 电压基准信号，它们的输出电压非常接近。 理论分析表明，并联系统电压外环传递函数特性随着并联模块数目、负载的改变而变化。 文献[58]采用了基于 H∞鲁棒控制器的输出电压外环，提高了并联系统的鲁棒性，减小了并联模 块之间相互作用的影响。通过在并联系统各模块之间进行双向通信，可以提高 3C 并联系统的 可靠性及实现热插拔功能。 3C 并联控制的缺点在于并联系统各模块之间的相互影响较大， 输出电压外环的设计较为复 杂，为了提高系统可靠性而采取的措施较多。8 南京航空航天大学博士学位论文iL1_ rModule 1iL1LoadiL 2 _ rModule 2iL 2Module NiLN _ riLN图 1.7 3C 控制逆变器并联系统1.3.4 分布式控制分布式控制或称平均负载分配控制 （Average Load Sharing） 是将并联控制分散在各个模块 ， 中[60-63]，并联系统各模块完全相同，它们的地位均等，通过模块间的信号互连线交换信息，产生各模块共享的参考信号，各模块控制其输出跟踪共享的参考信号，实现负载均分。 图 1.8 所示为一种基于输出电流均分的分布式并联控制结构框图。图中，各模块完全相同， 均采用电压电流双闭环控制。各模块之间共有两根信号互连线――同步母线、均流母线，同步 母线为各模块中的电压基准信号发生器提供频率和相位信息，产生同频同相的电压基准信号 urefj；均流母线综合各模块输出滤波电感电流 iLj 产生并联系统的平均电感电流信号 iL_ave，作为 各模块的电感电流参考信号。为了简单起见，图 1.8 中没有给出同步母线信号、均流母线信号 的产生原理。 文献[61]给出了一种均流中心的实现电路， 能够实现图 1.8 中的电流偏差计算功能， 但各模块均必须同时检测所有模块的电感电流信号，各模块之间的信号互连线较多。 实际的分布式并联系统中，均流母线的平均电感电流信号不可避免地包含较多的噪声，影 响并联系统的性能，甚至导致系统无法正常运行。注意到逆变器的输出功率在负载稳定时为直 流电平信号，如果将并联模块之间的信号互连线改为传递有功功率、无功功率信息，则有功母 线、无功母线信号对噪声的影响不敏感，对于提高并联系统的稳定性是有利的。9 PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究Module 1 LoaduofSynchronization busCurrent sharing busPWM?uref 1+Gv ( s )iL _ ave+ +Gc ( s )+iL1?Module NuofurefN+PWM?Gv ( s )iL _ ave+Gc ( s )+iLN?+图 1.8 基于输出电流均分的分布式控制逆变器并联系统 一种基于输出功率均分的分布式并联控制结构框图如图 1.9 所示。各模块之间共有三根信 号互连线，分别为同步母线、有功功率母线和无功功率母线。有功功率母线、无功功率母线上 的信号分别为并联系统平均有功功率 Pave、平均无功功率 Qave，通过综合各模块的输出功率 Pj、 Qj 生成。各模块分别计算其输出功率与平均输出功率的差异 ΔPj、ΔQj，利用功率差分别调节本 模块电压基准信号发生器的相位 φrj 和幅度 Urmj，实现均流控制。图中，PLL 为锁相环，由 PLL 得到的电压基准信号相位为 φr0；Urm0 为电压基准信号幅度给定量；相位调节单元、幅度调节单 元取决于采用的均流控制策略[63]。图 1.9 所示的分布式并联控制方法能够实现负载基波功率的 均分，并联系统带非线性负载时，对谐波电流的均分效果不够理想。 分布式控制不依赖于任何一个模块及模块数，可以真正实现冗余系统，但互连线仍增加了 系统的硬件复杂性，降低了并联系统的可靠性。采用分布式控制原理可以方便地进行不同输出 容量的模块并联，或称为加权均流控制[64, 65]。值得注意的是，在各种主动均流技术中，分布式 控制具有高度的模块化和扩展性，在实际的电源系统如 UPS 并联系统中得到了广泛应用。1.3.5 无连线控制逆变器并联系统的无连线控制思想源自电力系统理论，当电网输出功率增加时，相应减小10 南京航空航天大学博士学位论文 电网频率。各模块之间没有用于并联控制的信号通信线，通常是基于外特性下垂法，仅需检测 本模块的输出功率，进行有功和无功功率分解后，分别调整模块输出电压的频率和幅度以实现 均流[66-73]。Module 1 Synchronization busPavePLL Phase regulation Amplitude regulationΔP 1+ P 1Q sharing busP sharing bus?+ ? r1 +?r 0Qave?ΔQ1U rm1++ U rm 0Voltage reference generatorInverter+ Q1Module NPavePLL Phase regulation Amplitude regulationΔPN+ PN?+ ? rN+?r 0Qave?ΔQN+ QNU rmN+ + U rm 0Voltage reference generatorInverter图 1.9 基于输出功率均分的分布式控制逆变器并联系统 计及逆变器的输出线路阻抗，得到如图 1.10 所示的等效电路。图中，E、φ 分别为逆变输 出电压的幅度、功率角；Z、θ 分别为逆变器输出阻抗（包括线路阻抗）的幅值、相位角；U 为 并联输出电压，将其相位角定为 0?。E ∠?IZ ∠θU ∠0S = P + jQ图 1.10 逆变器输出等效电路 由图 1.10 可得逆变器输出功率表达式[68]。当 θ = 90?时，逆变器输出阻抗为纯感性；当 θ = 0?时，逆变器输出阻抗为纯阻性。下垂控制策略根据输出阻抗的特性不同而变化，如表 1.1 所 示。表中，ω、ω*分别为逆变输出角频率的实际值、给定值；E、E*分别为逆变输出幅度的实际 值、给定值；m、n 分别为频率、幅度下垂系数。 传统的下垂控制具有动态响应较慢、均流效果与输出频率和幅度调节的制约关系、受逆变 器输出阻抗和线路阻抗影响较大等缺点，限制了其应用范围。文献[67]提出了用于下垂控制的* 虚拟阻抗的概念，其原理在于采用瞬时输出电流调节电压基准信号，如图 1.11 所示。图中， uoLoad11 PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究 为基准信号发生器产生的电压基准信号；ZD(s)为虚拟阻抗；uref 为电压基准信号。 表 1.1 下垂策略与输出阻抗的关系 输出阻抗 有功功率 无功功率 频率下垂 幅度下垂uo ioP QZ = jX（纯感性） P = (EUsinφ)/X ≈ EUφ/X Q = (EUcosφ C U2)/X ≈ U(E C U)/X ω = ω* C mP E = E* C nQ* uoZ = R（纯阻性） P = (EUcosφ C U2)/R ≈ U(E C U)/R Q = C(EUsinφ)/R ≈ CEUφ/R ω = ω* + mQ E = E* C nPurefio+?Z D (s)图 1.11 带虚拟阻抗的下垂调节逆变器控制框图 无连线控制逆变器并联系统中，由于模块间没有必要的信息交流，并联系统在非线性负载 下或动态过程中的均流性能不够理想，热插拔控制比较困难。文献[50]采用下垂调节与平均功 率控制相结合的方法，文献[74]在无连线系统结构的基础上采用在各并联模块之间进行通信的 方法，均在一定程度上改善了并联系统的控制特性。1.4 电力线通信及其应用电力线通信（Power Line Communication, PLC）是指在输电导体上传输数据和话音信号的 一种通信方式，已经有数年的发展历史。在中高压输电领域（35 KV 以上） ，通常用电力线载波 机利用较低的频率以较低的速率传送数据或话音；在低压领域（220 V） ，PLC 借助调制解调技 术，通过低压电力线载波以串行方式传送数据，基于微处理器或 DSP 等实现。目前 PLC 在电 力系统和自动化等领域已有较多应用，如自动抄表系统等，近几年的研究热点主要是提高传输 速度和可靠性以及在交叉学科领域的推广应用[75-77]。理论上，并联逆变模块之间通过其连接总 负载的功率输出线以 PLC 方式通信，理论和技术上是完全可行的。 发送方将数字信号经过编码和调制后的所 低压电网中的电力线通信原理如图 1.12 所示[78]。 产生的信号经耦合器耦合到低压电网上，经低压电网的传输到达接收方后，先从电网解耦出调 制信号，再经过与发送方相匹配的解调和解码得到数字信号。 电力线通信环境恶劣，最主要的问题是噪声和信号衰减。电力线通信的噪声和信号衰减是 随机变化的，很难找到规律。为了在环境恶劣的电力网上实现安全可靠的数据传输，一般可采 用的 PLC 技术有两种：扩频通信（Spread Spectrum Communication, SSC）技术和正交频分复用12 南京航空航天大学博士学位论文 （Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）技术。发送方 CPU 接收方 CPU 解码器 解调器 耦合器 编码器 调制器 耦合器 低压电网图 1.12 电力线通信原理图 根据香农公式，对一定的信道容量，若频带宽度增大，则信噪比将相应减小；若频带宽度 减小，则信噪比将相应增大。这意味着若增加频带宽度，就可在较小的信噪比下以小的差错概 率传输数据。扩频通信就是根据该理论，用比发送数据速率高许多倍的伪随机编码将待传输的 数据信息进行调制，实现频谱扩展之后再传输；在接收方则采用同样的编码进行解调等相关处 理得到数据[79]。 扩频通信抗干扰能力强，可实现码分多址技术，且因为信号的功率谱密度低，所以不容易 被截获，隐蔽性好。但由于扩频技术本身要求频带宽度的 100~1000 倍，而 PLC 通信的带宽一 般为 90~400 KHz，所以传输速率受到了很大的限制，一般为 Kbps 数量级。 近年来，在功率变换器系统中也有应用 PLC 技术实现通信的实例[75, 80-82]。文献[82]研究了 一种基于 PLC 的并联 UPS 逆变器的均流控制方法，各模块通过低压交流输出母线以 PLC 方式 交换彼此的信息，实现了负载的有功和无功均分，验证了该技术的可行性。1.5 本文的研究意义和主要工作1.5.1 研究意义PWM 逆变器广泛应用于 UPS、可再生能源的转换、分布式发电等场合，PWM 逆变器的控 制及并联运行控制技术对于缓解日益严重的能源危机、提高供电系统可靠性、降低电源系统的 设计成本等问题具有重要的理论意义和实用价值。 逆变器本体的控制是并联运行控制的前提和基础，已有的模拟控制技术的局限性已经无法 满足当前对功率变换器越来越苛刻的要求，逆变器从模拟控制向数字控制的转变已成为其发展 趋势。一方面，数字控制器的时间量化和数值量化造成系统控制特性下降，需要克服这些问题 带来的不利影响；另一方面，数字控制器强大的运算处理能力为复杂控制律如重复控制的实现 带来了可能，但是单一的控制算法可能无法兼顾逆变器的稳态和动态性能要求。已有的文献主 要侧重于对数字控制逆变器中的一个或若干问题进行深入研究，很少有对数字控制逆变器的几 种实现方法及相互之间的关系进行系统研究。13 PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究 逆变器的并联运行控制能够扩充电源系统的容量，提高电源系统的可靠性，是实现分布式 发电的关键技术。各种可行的并联控制方法中，分布式控制具有并联输出电压波形质量高、能 够实现基波和谐波的均流、动态响应迅速、输出频率和幅度稳定等优点，在 UPS 并联系统中得 到了广泛应用，但分布式控制中的信号互连线降低了系统的可靠性和冗余程度；无连线控制无 需模块间的信号互连线，对各模块的相对位置有很大的灵活性，系统模块化程度高，是一种很 有发展潜力的并联控制方法，但无连线控制系统的动态响应有待改进，谐波功率均分困难，输 出频率、幅度与均流效果之间存在一定的制约关系。 在无连线并联系统各模块之间进行通信是一种提高系统性能的方法， PLC 技术能够以电 力线载波扩频通信的方式在各模块之间传递信息， 并且 PLC 电路的引入不会改变并联系统的无 信号互连线的结构。 采用基准同步控制和输出均流控制解耦的方法，能够简化逆变器并联控制的实现，特别是 热插拔控制的实现。将解耦的并联控制方法推广到三相变频器并联系统中，具有显著的理论和 实际意义。1.5.2 论文主要工作本文研究 PWM 逆变器的控制和并联运行控制，主要由以下内容组成： 第一章阐述了论文的研究背景和应用价值，回顾了国内外对于 PWM 逆变器控制及并联控 制的发展现状，研究了数字控制、分布式并联控制、无连线并联控制的特点和存在的问题，分 析了 PLC 通信的原理及其在功率变换器中的应用，介绍了本文的研究工作。 第二章首先建立数字控制逆变器的数学模型， 针对 DSP 的时间量化和数值量化造成的系统 控制特性下降的问题，提出较为系统的解决方案：首先通过采用数字调制信号中心值实时调节 电压基准的方法有效消除数字运算截断误差累积等因素造成的输出变压器直流偏磁问题，实现 逆变器的单闭环 PID 数字控制；为了克服单闭环 PID 算法中输出电压微分运算引起的噪声，研 究电压电流双闭环数字控制，并且通过在电流环中引入输出电压反馈补偿，使负载对系统的扰 动基本消除；双闭环数字逆变器控制稳定性好、动态响应速度较快，但带载能力尤其是整流性 负载的特性不佳，通过将重复控制器与双闭环控制器级联连接构成复合控制，有效提高逆变器 的输出精度和带整流性负载的能力。在不同的实验样机中对上述各种控制方法进行仿真和实验 验证。 第三章基于并联系统中各模块输出连接关系，研究得到输出环流或输出功率偏差取决于本 模块电压基准信号与平均电压基准信号之间的差异的结论；分析电压基准信号的差异对于负载 均分的影响， 指出并联系统的耦合关系很强， 各模块输出功率或输出电流的均分控制较难实现。 研究逆变器并联系统的解耦控制方法，将并联控制解耦成基准同步控制和输出均流控制，前者14 南京航空航天大学博士学位论文 实现各模块电压基准信号的同频同相，是并联系统正常运行的前提；后者补偿各模块控制参数 之间的差异，减小环流。研究并联解耦系统中各模块的结构框图，指出与同步控制单元和均流 控制单元紧密关联的通信单元可以根据应用场合的需要采用不同的实现方式，并提出一种基于 PLC 通信的无信号互连线逆变器并联控制结构。 第四章研究并联解耦控制中基准同步控制的两种典型的实现方法：有信号互连线方法和无 信号互连线方法。有信号互连线方法通过连接各模块的同步母线，根据线与逻辑运算的规律得 到各模块共享的方波同步信号，提出基于 DSP 的实现算法，控制各模块的基准相位信号与共享 的方波同步信号保持同频同相，并且在 UPS 并联系统中实现基准同步控制。提出基于 PLC 通 信的无信号互连线基准同步控制方法，在各 UPS 之间采用 PLC 方式传递各基准相位信号的频 率和相位差信息， 据此调节各基准信号的相位， 实现各逆变器基准相位信号始终保持同频同相。 对基于 PLC 的同步调节进行系统研究，分析影响同步调节误差的各种因素，且有量化的结果， 进而给出提高同步调节效果的措施。 第五章研究并联解耦控制中输出均流控制的各种实现方法。提出一种基于功率差调节的逆 变器并联运行输出均流控制方法，各逆变器分别计算本模块输出的有功功率和无功功率，经 PLC/CAN 通信得到各逆变器之间的输出有功功率差和无功功率差， 利用功率差调节各自电压基 准信号的相位和幅度，提出实现功率均分的累加算法，实现负载功率的均分。研究分布式数字 控制逆变器并联系统、分布式模拟控制逆变器并联系统的环流特性，提出一种克服逆变器中输 出有效值调节器影响均流效果的控制方法，在各逆变器中将其输出电流有效值引入输出电压有 效值调节器，特别地，对于由两台逆变器组成的并联系统，独创性地提出改善均流效果的方法， 在各逆变器中将其输出环流信号与输出电压采样信号进行叠加，利用环流信号补偿输出有效值 调节器对均流效果的不利影响，并且能够保持并联系统外特性不变。 第六章研究三相通用变频器的并联运行控制。变频器也是一类 PWM 逆变器，但与普通的 正弦波逆变器相比，变频器输出变频、没有 LC 滤波器。将逆变器并联运行解耦控制方法进行 推广并成功应用到三相通用变频器系统中，用主从式基准同步方法，判断主机、从机基准信号 的相位差，微调从机基准信号的频率，实现两台变频器的电压基准信号同频同相；采用主从式 均流控制方法，在从机中检测各相输出环流，分别对从机各相电压基准信号进行调节，实现并 联系统带三相异步电机负载的均流控制。 第七章对全文工作进行总结，并对下一}
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飞跨电容型双降压五电平逆变器
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飞跨电容型双降压五电平逆变器
flying-capacitor dual buck five-level inverter
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第 32卷 第 l2期
中 国 电 机 工 程 学 报
Vo1．32No．12 Apr．25，2012
2012年 4月 25日
ProceedingsoftheCSEE
~2012Chin．Soc．forElec．Eng
=== == === == === === == = = == === == === == === == === =一
文章编号：(14—08
中图分类号：TM46
文献标志码：A
学科分类号：4704·0
飞跨电容型双降压五电平逆变器
刘苗，洪峰，王成华
(南京航空航天大学电子信息工程学院，江苏省 南京市 210016)
Flying—-capacitorDualBuckFive--levelInverter
LIU M iao，HONG Feng，WANG Chenghua
(CollegeofElectronicandInformationEngineering，NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics。
Nanjing210016，JiangsuProvince，China)
ABSTRACT：In orderto utilize the meritsofboth flying 0 引言
capacitor inverter and dual Buck inverter， a novel
多电平变换器具有器件电压应力低、输出波形
flying—capacitordualBuck five—levelinverterwasanalyzed．
Thiskindofflying—capacitorinverterwasbasedonthemain 总谐波畸变率(totalharmonicdistortion，THD1低、
circuit of dualBuck inverter．Compared with traditional 系统 电磁干扰 (electromagneticinterference，EMI)
flying--capacitormulti--levelinverter,thetopologycherishesthe 小、损耗小等优点，受到并网发 电、新能源、燃料
merits of dualBuck inverter,such as no shoot-through 电池、交流 电机调速领域的极大关注 】【]。多电平变
problem， non—body—diode reverse recovery problem
换器分为二极管钳位型、飞跨 电容型和级联型 3种
half-periodworkmode．Thetopologyalsohastheflexibiliytof
基本类型。随着电平数增加，其所需钳位器件数成
the flying—capacitor switches array, which realizes the
balancing statement of flying—capacitors by charging and 2倍甚至平方关系增长，除了增加系统成本和控制
discharging the flying capacitors through choosing proper 复杂度外，大量的器件意味着发生故障的可能性增
logicalcontrolling．Thedegreeofcomplexiyt ofthecircuitis 大 4J。对于 7／电平电路，二极管钳位型需要 一1)
正在加载中，请稍后...中图分类号：TM464 学科分类号：080804论文编号：-0035博士学位论文PWM 逆变器的控制及并联运行 控制研究研究生姓名 学科、专业 研究方向 指导教师何中一 电力电子与电力传动 功率电子变换技术 邢 岩 教授南京航空航天大学研究生院 自动化学院二ОО八年十二月 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate School College of Automation EngineeringResearch on the Control and Parallel Operation Control for PWM InvertersA Thesis in Electrical Engineering by He Zhongyi Advised by Prof. Xing Yan Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of PhilosophyDecember, 2008 承诺书本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：年月 南京航空航天大学博士学位论文摘要数字控制技术是实现高性能逆变器的关键技术之一，并联运行控制技术是实现模块化、高 可靠性冗余逆变电源系统的基础。随着数字信号处理器技术的迅速发展和逆变电源系统的应用 日益广泛，数年来上述问题一直是电力电子领域的研究热点和难点。 本文对 PWM (Pulse Width Modulation)逆变器的数字控制方法和技术进行了较为系统的研 究，建立了逆变器系统的等效数学模型，研究了调节器的设计和实现方法。提出了利用数字调 制信号中心值对数字电压基准信号进行实时调节的方法，有效地消除了数字运算截断误差累积 等因素造成的输出变压器直流偏磁问题；提出了一种采用电压电流双闭环控制与重复控制相结 合的复合控制策略，有效地改善了逆变器带非线性负载的输出特性。 提出了一种基于电力线通信（PLC）的逆变器并联系统结构和控制方法，将并联控制解耦 成为基准同步控制和输出均流控制，简化了并联控制尤其是模块热插拔控制的实现，实现了很 好的均流特性。各并联模块之间首先交换电压基准信号的相位信息，直接据此分别调节各自电 压基准信号的频率、达到相互同频同相，并且在并联运行时也始终进行电压基准信号的同步控 制，在此基础上，模块间交换输出电流或功率信息，结合电压调节器统一实现逆变桥 PWM 脉 宽调节。 研究了基于同步母线的电压基准同步控制，采用线与逻辑方法在逆变器并联系统中实现基 准同步控制；提出了基于电力线通信（PLC）的基准同步控制方法，各模块均根据相同的相位 参考信号计算各自方波同步信号的相位，在各逆变器之间传递各方波同步信号的频率和相位差 信息，据此调节各基准信号的相位，实现各逆变器基准相位信号始终保持同频同相。 提出了一种基于功率差调节的逆变器输出均流控制方法，各模块分别计算本机输出的有功 功率和无功功率，经 PLC 交换相互之间的输出有功功率差和无功功率差，利用功率差异信息调 节各自电压基准信号的相位和幅度。提出了功率调节累加算法，实现了负载功率的均分。 逆变器中通常采用输出有效值调节以获得好的负载调整率。本文研究了带输出有效值调节 逆变器分布式并联系统的环流特性，揭示了均流控制与有效值调节之间的互相妨碍，提出了一 种克服逆变器中输出有效值调节器影响均流效果的控制方法，在各模块中将其输出电流有效值 或其输出环流信号引入输出电压有效值调节算法，能够兼顾实现并联系统很好的负载调整率和 均流精度。 将上述研究的正弦波 PWM 逆变器并联运行控制的原理和实现方法推广应用到 U/f 控制三 相通用变频器并联系统中， 在规定的输出频率变化范围内实现两模块的电压基准信号同频同相； 采用主从式均流控制方法，在从机中检测各相输出环流，分别对从机各相电压基准信号进行调 I PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究 节，实现了并联系统带三相异步电机负载的均流控制。 研制了单相全桥逆变器、单相二极管箝位型三电平半桥逆变器和三相通用变频器等实验系 统样机，实验证实了研究结果的正确性和可行性。研究成果已经成功应用于民用和军用逆变器 产品样机中。关键词：功率变换器，逆变器，不间断电源，控制，同步，均流，并联，电力线通信II 南京航空航天大学博士学位论文AbstractDigital control and parallel operation control are among the key techniques for high performance inverters with the features of excellent regulation, modular, high reliability, and redundancy etc, and the corresponding research activities have been implementing since the development of digital signal processing and wide application of inverter power supply systems. Methods and techniques for digital control PWM (Pulse Width Modulation) inverters are researched systematically. Equivalent mathematical model of inverter is built, and digital regulators are designed and implemented. The control strategy for real-time regulation of digital voltage reference signal with mean value of digital modulating signal is proposed to eliminate the flux imbalance in output transformer or output filter inductor effectively. A compound digital control strategy combining output voltage and inductor current dual-loop control with repetitive control is proposed for inverter to improve its voltage regulation and nonlinear load performance. A novel system configuration and parallel control method for inverter parallel system based on power line communication (PLC) are porposed, in which the parallel operation control is decoupled to voltage reference synchronization control and output current distribution control to simplify the parallel realization, especially the module hot-swap operation realization. The frequency and phase information of voltage reference signal in each module is delivered to all the other modules in the parallel system, and the frequency of each voltage reference signal is adjusted accordingly to realize synchronization control. Based on pre-synchronized voltage reference signals, output current or output power information is shared among the parallel system, and current distribution control is implemented by modified SPWM (Sinusoidal PWM) output regulation. The voltage reference synchronization control based on synchronization bus is researched and realized by means of interconnecting line and wired-and logic in uninterruptible power supply (UPS) parallel system. The voltage reference synchronization control based on PLC is proposed, in which the phase angle of each voltage reference signal is calculated with the same phase reference, and phase difference information is exchanged by PLC among the parallel modules. With the same synchronization regulation algorithm as that of the former method, all the voltage reference signals share the identical frequency and phase. A load distribution control based on output power difference is proposed, in which the active power and reactive power are calculated in each module to obtain the active power difference and III PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究 reactive power difference among the modules by PLC, and the phase and amplitude of each voltage reference signal are regulated in accordance with output power difference. The power regulation accumulative algorithm is proposed to realize load power distribution. In inverter system, output voltage root-mean-square (RMS) regulation is a common solution to improving good load regulation. The circulating current characteristics of the distributed inverter parallel system with analog control are researched to reveal the interference between current distribution and load regulation. A novel control method for compensating the impact on load distribution by output voltage RMS regulator is proposed, in which the amplitude of output current or circulating current in each moduled in each module is introduced into the output voltage RMS regulator to give attention to both good load regulation and precise current distribution. The application scope of decoupled parallel control for PWM inverter parallel system is extended to general-purpose three-phase inverter system with conventional U/f control to realize voltage reference synchronization control within the frequency range of zero to 50 Hz. By detecting the circulating current signals and adding them into the corresponding digital modulating signals of each phase in the slave module, the master-slave current distribution control is realized with three-phase asynchronous machine load. Different experimental platforms are built to verify the control methods mentioned previously, including single-phase full-bridge inverter, single-phase diode-clamped three level half-bridge inverter, and three-phase inverter. Theoretical analysis, simulation evaluation, and experimental results are provided to demonstrate the validity and feasibility of the proposed control methods. Furthermore, the main control methods in this dissertation have been transfered successfully to both civil and military parallel inverter and UPS products. Keywords: power converter, inverter, uninterruptible power supply (UPS), control, synchronization, current distribution, parallel, power line communication (PLC)IV 南京航空航天大学博士学位论文目录第一章 绪论 ..........................................................................................................................................1 1.1 概述 .........................................................................................................................................1 1.2 正弦波逆变器的数字控制......................................................................................................2 1.2.1 模拟控制.......................................................................................................................2 1.2.2 数字 PID 控制 ..............................................................................................................2 1.2.3 无差拍控制...................................................................................................................3 1.2.4 重复控制.......................................................................................................................4 1.2.5 滑模变结构控制...........................................................................................................5 1.3 正弦波逆变器的并联控制......................................................................................................6 1.3.1 集中式控制...................................................................................................................6 1.3.2 主从式控制...................................................................................................................7 1.3.3 3C 控制..........................................................................................................................8 1.3.4 分布式控制...................................................................................................................9 1.3.5 无连线控制.................................................................................................................10 1.4 电力线通信及其应用............................................................................................................12 1.5 本文的研究意义和主要工作................................................................................................13 1.5.1 研究意义.....................................................................................................................13 1.5.2 论文主要工作.............................................................................................................14 第二章 逆变器的控制技术.................................................................................................................16 2.1 逆变器的拓扑........................................................................................................................16 2.2 输出电压单闭环 PID 控制 ...................................................................................................17 2.2.1 数学模型.....................................................................................................................17 2.2.2 模拟实现方式.............................................................................................................18 2.2.3 数字实现方式.............................................................................................................20 2.2.4 实验结果与分析.........................................................................................................22 2.3 双闭环 PI 控制 ......................................................................................................................25 2.3.1 数学模型.....................................................................................................................26 2.3.2 控制参数设计.............................................................................................................27 2.3.3 实验结果与分析.........................................................................................................29 V PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究 2.4 双闭环 PI 控制+重复控制的复合控制 ................................................................................30 2.4.1 复合控制.....................................................................................................................30 2.4.2 实验结果与分析.........................................................................................................32 2.5 结论 .......................................................................................................................................34 第三章 逆变器并联系统的解耦控制方法.........................................................................................35 3.1 逆变器并联系统的模型分析................................................................................................35 3.2 电压基准信号的差异对于均流的影响................................................................................37 3.3 并联控制的解耦....................................................................................................................39 3.3.1 电压基准信号的同步控制.........................................................................................39 3.3.2 输出均流控制.............................................................................................................41 3.4 基于解耦控制的逆变器并联系统........................................................................................42 3.5 结论 .......................................................................................................................................43 第四章 电压基准信号的同步控制.....................................................................................................44 4.1 基于同步母线的基准同步控制............................................................................................44 4.1.1 线与逻辑运算.............................................................................................................45 4.1.2 瞬态过程中的同步控制.............................................................................................46 4.1.3 实验结果与分析.........................................................................................................47 4.2 基于 PLC 的基准同步控制 ..................................................................................................48 4.2.1 硬件设计.....................................................................................................................48 4.2.2 软件算法.....................................................................................................................50 4.2.3 同步调节误差分析.....................................................................................................55 4.2.4 实验结果与分析.........................................................................................................59 4.3 结论 .......................................................................................................................................61 第五章 并联系统的输出均流控制.....................................................................................................63 5.1 基于功率差调节的并联控制研究........................................................................................63 5.1.1 功率计算方法.............................................................................................................63 5.1.2 改进的 PQ 均流算法..................................................................................................64 5.1.3 仿真结果与分析.........................................................................................................66 5.1.4 实验结果与分析.........................................................................................................68 5.2 分布式数字控制逆变器并联系统环流特性分析................................................................70 5.2.1 并联控制方法的有效性.............................................................................................70 5.2.2 环流与控制参数的关系.............................................................................................73VI 南京航空航天大学博士学位论文 5.2.3 实验结果与分析.........................................................................................................75 5.3 分布式模拟控制逆变器并联系统环流特性分析................................................................76 5.3.1 影响环流的因素.........................................................................................................76 5.3.2 均流控制环的特性分析.............................................................................................78 5.3.3 加权均流控制.............................................................................................................80 5.4 输出电压有效值调节器的影响............................................................................................81 5.4.1 有效值调节器对并联均流的影响.............................................................................81 5.4.2 减小有效值调节器影响的措施.................................................................................83 5.4.3 实验结果与分析.........................................................................................................84 5.5 结论 .......................................................................................................................................86 第六章 三相变频器的并联控制.........................................................................................................88 6.1 系统结构与控制原理............................................................................................................88 6.2 三相变频器的控制................................................................................................................89 6.2.1 U/f 控制方式 ...............................................................................................................89 6.2.2 基准信号的产生.........................................................................................................89 6.3 并联控制 ...............................................................................................................................90 6.3.1 控制方法.....................................................................................................................90 6.3.2 同步控制的实现.........................................................................................................91 6.3.3 均流控制的实现.........................................................................................................93 6.4 实验结果与分析....................................................................................................................95 6.4.1 单机实验结果.............................................................................................................96 6.4.2 并联实验结果.............................................................................................................97 6.5 结论 .......................................................................................................................................99 第七章 总结与展望 ..........................................................................................................................100 7.1 全文工作总结......................................................................................................................100 7.2 进一步工作的展望..............................................................................................................101 参考文献 ............................................................................................................................................102 致 谢 ................................................................................................................................................109在学期间的研究成果及发表的学术论文......................................................................................... 110VII PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究图表清单图 1.1 理想的重复控制器.....................................................................................................................4 图 1.2 实际的重复控制器.....................................................................................................................5 图 1.3 插入式结构 ................................................................................................................................5 图 1.4 级联式结构 ................................................................................................................................5 图 1.5 集中控制逆变器并联系统.........................................................................................................7 图 1.6 主从控制逆变器并联系统.........................................................................................................8 图 1.7 3C 控制逆变器并联系统 ............................................................................................................9 图 1.8 基于输出电流均分的分布式控制逆变器并联系统...............................................................10 图 1.9 基于输出功率均分的分布式控制逆变器并联系统............................................................... 11 图 1.10 逆变器输出等效电路............................................................................................................. 11 图 1.11 带虚拟阻抗的下垂调节逆变器控制框图.............................................................................12 图 1.12 电力线通信原理图.................................................................................................................13 图 2.1 桥式逆变电路 ..........................................................................................................................16 图 2.2 多电平逆变电路.......................................................................................................................17 图 2.3 输出电压单闭环逆变器传递函数控制框图...........................................................................18 图 2.4 模拟控制 PID 电压调节器 ......................................................................................................19 图 2.5 输出电压单闭环数字控制逆变器的传递函数控制框图.......................................................20 图 2.6 数字控制逆变器偏磁调节原理图...........................................................................................22 图 2.7 UPS 的市电态稳态输出波形 ...................................................................................................23 图 2.8 UPS 的市电态瞬态输出波形 ...................................................................................................24 图 2.9 UPS 带整流性负载时市电态与电池态的切换 .......................................................................24 图 2.10 数字控制逆变器的偏磁校正.................................................................................................25 图 2.11 整流性负载参数.....................................................................................................................25 图 2.12 数字控制逆变器负载突变时的输出波形.............................................................................25 图 2.13 数字控制双闭环逆变器传递函数控制框图.........................................................................26 图 2.14 简化的电流环控制框图.........................................................................................................27 图 2.15 电流环闭环传递函数波特图.................................................................................................28 图 2.16 简化的双闭环控制框图.........................................................................................................28 图 2.17 电流闭环的未校正系统开环波特图.....................................................................................29VIII 南京航空航天大学博士学位论文 图 2.18 电流闭环的 PI 校正系统开环波特图 ...................................................................................29 图 2.19 双闭环数字控制逆变器突加额定感性负载的仿真结果.....................................................29 图 2.20 双闭环数字控制逆变器的输出波形.....................................................................................30 图 2.21 复合控制逆变器结构框图.....................................................................................................31 图 2.22 双闭环控制加有效值调节的复合控制逆变器实验波形.....................................................33 图 2.23 双闭环控制加重复控制的复合控制逆变器实验波形.........................................................33 图 2.24 复合控制逆变器突加突卸整流性满载的输出波形.............................................................34 图 3.1 并联逆变器输出电气连接.......................................................................................................35 图 3.2 双机并联系统电压基准矢量图...............................................................................................37 图 3.3 正弦波/方波变换电路 .............................................................................................................40 图 3.4 正弦波/方波变换电路的输入输出关系..................................................................................40 图 3.5 基于解耦控制的逆变器结构框图...........................................................................................42 图 4.1 基于同步母线的逆变器基准同步控制原理框图...................................................................44 图 4.2 基于同步母线的 UPS 基准同步控制原理框图 .....................................................................45 图 4.3 方波信号的与逻辑...................................................................................................................46 图 4.4 双机并联系统模块 2 的同步调节...........................................................................................47 图 4.5 UPS 并联系统的热插拔响应 ...................................................................................................47 图 4.6 输入市电中断和恢复时 UPS 并联系统的响应 .....................................................................48 图 4.7 PLC 通信单元功能框图 ...........................................................................................................49 图 4.8 SC1128 与 DSP 接口 ................................................................................................................49 图 4.9 并联系统同步控制硬件框图...................................................................................................50 图 4.10 两路三角波信号的求和.........................................................................................................50 图 4.11 UPS 状态切换图 .....................................................................................................................51 图 4.12 基于 PLC 的市电态同步控制功能框图 ...............................................................................51 图 4.13 基于 PLC 的电池态同步控制功能框图 ...............................................................................52 图 4.14 UPS 并联系统的通信和同步控制流程图 .............................................................................53 图 4.15 s1 与 s2 的相位关系判断图......................................................................................................54 图 4.16 同步调节算法流程图.............................................................................................................55 图 4.17 过渡态 I 同步控制算法流程 .................................................................................................56 图 4.18 同步调节过程中方波信号的周期变化轨迹.........................................................................58 图 4.19 市电态 51.5 Hz 时同步调节实验波形 ..................................................................................60 图 4.20 电池态下向 50 Hz 调节过程中同步调节实验波形 .............................................................61 IX PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究 图 4.21 市电态与电池态相互切换瞬间的同步波形.........................................................................61 图 5.1 逆变器双机并联系统等效电路...............................................................................................64 图 5.2 全补偿算法的仿真结果...........................................................................................................67 图 5.3 累加算法的仿真结果...............................................................................................................68 图 5.4 逆变器并联系统稳态波形.......................................................................................................69 图 5.5 逆变器并联系统负载突变的输出波形...................................................................................69 图 5.6 逆变器并联系统热插拔时的输出波形...................................................................................70 图 5.7 无均流控制的双闭环数字控制逆变器并联运行传递函数控制框图 ...................................71 图 5.8 Φcc_ori(s)的波特图 .....................................................................................................................72 图 5.9 采用平均电流法的双闭环数字控制逆变器并联运行传递函数控制框图 ...........................73 图 5.10 Φcc(s)的波特图........................................................................................................................74 图 5.11 Φcc(s)的等效传递函数控制框图 ............................................................................................74 图 5.12 Φcc(s)的根轨迹图....................................................................................................................74 图 5.13 整流性负载结构.....................................................................................................................75 图 5.14 并联系统带载稳态输出波形.................................................................................................75 图 5.15 并联系统突加突卸整流性负载的输出波形.........................................................................76 图 5.16 并联系统带整流性负载热插拔过程的输出波形.................................................................76 图 5.17 单闭环模拟控制逆变器并联运行传递函数控制框图.........................................................77 图 5.18 环流信号的等效传递函数控制框图.....................................................................................78 图 5.19 均流环传递函数的波特图.....................................................................................................78 图 5.20 输出电压瞬时值调节器原理图.............................................................................................79 图 5.21 加权均流控制仿真结果.........................................................................................................81 图 5.22 逆变模块投入并联过程中基准幅度差的仿真结果.............................................................82 图 5.23 带输出电压有效值调节器的逆变模块的传递函数控制框图 .............................................82 图 5.24 基准、并联输出电压及环流的矢量关系.............................................................................84 图 5.25 并联系统空载输出波形.........................................................................................................85 图 5.26 图 5.25 (a)中环流信号的频谱 ...............................................................................................85 图 5.27 并联系统的稳态输出波形.....................................................................................................86 图 5.28 并联系统负载突变时的输出波形.........................................................................................86 图 6.1 变频器单机结构框图...............................................................................................................88 图 6.2 U/f 曲线 .....................................................................................................................................89 图 6.3 变频器并联系统的结构框图...................................................................................................91X 南京航空航天大学博士学位论文 图 6.4 同步脉冲信号的产生...............................................................................................................92 图 6.5 并联系统输出端连接图...........................................................................................................93 图 6.6 主模块单机运行实验结果.......................................................................................................96 图 6.7 主模块单机运行从 20 Hz 到 45 Hz 的变频过程 ...................................................................97 图 6.8 同步调节实验波形...................................................................................................................97 图 6.9 两台变频器并联运行实验结果...............................................................................................98 图 6.10 两台变频器并联运行从 20 Hz 到 45 Hz 的变频过程..........................................................99表 1.1 下垂策略与输出阻抗的关系...................................................................................................12 表 2.1 模拟控制单闭环 UPS 额定参数 .............................................................................................22 表 2.2 UPS 市电态带阻性负载的实验数据 .......................................................................................23 表 2.3 UPS 市电态带整流性负载的实验数据 ...................................................................................23 表 2.4 各种负载条件下的逆变输出电压 THD..................................................................................25 表 2.5 数字控制双闭环逆变器额定参数...........................................................................................30 表 2.6 复合控制三电平半桥逆变器额定参数...................................................................................33 表 4.1 市电态 uD/A_1 的电平与 Δφ1_ac 的关系 ....................................................................................59 表 4.2 电池态或过渡过程中 uD/A_1 的电平与 Δφ1_r 的关系 ..............................................................59 表 5.1 逆变器双机并联全补偿算法仿真条件...................................................................................67 表 5.2 逆变器双机并联累加算法仿真条件.......................................................................................67 表 5.3 数字控制单相全桥逆变器设计参数.......................................................................................68 表 5.4 双闭环数字控制逆变器的控制参数.......................................................................................72 表 5.5 数字控制逆变器单机额定参数...............................................................................................75 表 5.6 单闭环模拟控制逆变器的均流环参数...................................................................................78 表 5.7 UPS 并联系统电池态的实验数据 ...........................................................................................86XI PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究XII 南京航空航天大学博士学位论文第一章 绪论现代社会用电设备的迅速发展和广泛应用，对其电源变换系统的容量、性能、可靠性和可 维护性要求越来越高，采用标准逆变功率模块积木式叠加、灵活组成任意所需容量的或冗余逆 变功率系统被公认是实现这些要求的最佳结构之一；另一方面，风能、太阳能等可再生能源技 术，大力推动着对分布式发电和变换并网技术的研究。 逆变器的控制及并联控制技术的深入研究，是改善逆变器及其系统的输出特性、提高可靠 性的基础，近年来一直是电力电子领域的研究热点，对于改变我国高能耗的局面、减少环境污 染、缓解能源危机等方面具有重要的战略意义。1.1 概述随着全球经济社会的发展，能源危机以及由此带来的环境问题日趋严重。传统的煤、石油、 天然气等矿物能源日益耗尽，迫使人们加速对诸如太阳能、风能、潮汐能、燃料电池等新能源 的探索和应用研究[1-3]。 上个世纪九十年代以来，各种利用可再生能源的发电及电能变换技术得到了迅猛发展，与 之伴随的是供电系统从集中式电源系统（Centralized Power System, CPS）向分布式电源系统 （Distributed Power System, DPS）的逐渐过渡。与 CPS 相比，DPS 具有冗余性、模块化、容错、 可靠性、维护性等一系列优点[4, 5]。 分布式发电（Distributed Generation, DG）是分布式供电系统的核心，意指在用户现场或靠 近用电现场利用多种小型能源如燃气轮机和各种可再生能源发电，以满足特定用户的需要并支 持电网的经济运行，或同时满足这两方面的要求。这些小型能源包括上述新能源或燃气轮机。 基于新能源的分布式发电技术主要包括太阳能光伏发电技术[6, 7]、风力发电技术[8, 9]、燃料电池 发电技术[10, 11]等。在这一领域，德国、丹麦、日本、美国具有领导地位[12]。作为新能源开发利 用中的一种关键技术，逆变控制已成为当前电力电子的研究热点之一。 另一方面，多模块并联实现大容量高可靠性电源变换系统是当今电源技术的发展方向之一。多 个电源模块并联分担负载功率，各个模块中主开关器件的电流应力小，从根本上保证了可靠性。同 时，每个模块的容量较小，功率密度高，从而使整个电源体积重量下降，标准模块化取代系列化， 也大大降低了生产和维护成本。N + X 冗余并联运行方式（X 为冗余模块数）以较小代价获得容错 冗余功率，无论国防和民用，都是实现关键电源高可靠性、高功率密度大功率电源系统的优选方案。 直流电源变换器的并联运行方式在服务器电源等已广泛应用。但是逆变器是交流输出，各模块输出 电压不仅要幅值相等，而且必须波形相同、频率一致、相位同步，所以较直流输出变换器并联运行1 PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究 的难度大得多。 基于上述认识，论文工作围绕逆变器的输出控制和并联运行控制展开，首先对逆变电源的 发展历史和研究现状进行系统分析，研究数字控制逆变器的关键技术及复合控制方法，再从并 联解耦控制的角度，研究目前逆变电源并联系统中最具代表性和实用价值的两种控制方法―― 分布式控制和无连线控制，在实现电压基准信号预同步调节的基础上，研究并联系统的输出均 流控制方法，并且在单相逆变器/不间断电源（Uninterruptible Power Supply, UPS）并联系统和 三相变频器并联系统中进行实验验证。1.2 正弦波逆变器的数字控制最典型的逆变器的输出波形为正弦波，称为正弦波逆变器，以下简称为逆变器。逆变器正 弦输出的实现方法通常可以分为模拟控制、数字控制和模数混合控制。1.2.1 模拟控制传统的逆变器采用模拟控制方式，将给定信号与逆变输出采样信号经过由运算放大器、电 阻、电容等元件构成的调节器电路得到调制信号，再通过与高频载波的交截产生功率开关管的 PWM 控制信号，实现逆变输出跟踪正弦给定信号。 对模拟控制的研究主要集中在调节器的设计上，由于调节器电路无法实现复杂的控制律， 通常的调节器电路为 PID 形式。PID 参数常基于经验法设计然后在现场调试中最后整定，或者 基于频率特性反复试凑设计。文献[13]提出了一种基于极点配置的 PID 参数设计方法，适用于 输出电压单闭环控制，逆变器动态响应快速，非线性负载情况下输出电压 THD 较低。 模拟控制逆变器硬件电路较为复杂，元件数量众多，型号多样。复杂的硬件电路对于逆变 器的可靠性和功率密度的提高都是不利的。模拟控制逆变器设计方法成熟，控制特性较好，缺 点主要在于产品升级换代困难、控制方式比较单一、难以实现网络化管理维护等。1.2.2 数字 PID 控制伴随着数字信号处理技术的飞速发展，数字信号处理器（Digital Signal Processor, DSP）的 成本逐渐下降，数字控制在逆变器中的应用不断扩大。逆变器采用数字控制方式时，其控制律 通过软件算法实现，系统中模拟量、数字量的接口包括输出信号的 A/D 采样转换、PWM 控制 信号的产生。DSP 将 A/D 转换得到的输出信号数字量与数字基准信号进行比较，将误差信号经 过差分方程运算得到数字调制信号，再利用 DSP 内部的 PWM 信号发生器模块，产生带死区时 间的 PWM 控制信号。 需要注意的是， 基于离散系统理论的数字控制逆变器中， 由于 DSP 的有效字长、 计算延时、 输出延时等因素的影响，降低了控制系统的稳定性，使离散化后的系统阶数变高[14]。受到逆变2 南京航空航天大学博士学位论文 器功率开关管开关频率的限制，逆变输出信号的采样频率不可能太高，使控制的实时性受到影 响。此外，数字调制信号的计算需要时间，并且从算得数字调制信号到 PWM 控制信号的占空 比随之变化之间存在延时。文献[15]提出了两种补偿数字控制逆变器中控制延时的 PWM 信号 产生方法，分别称为两极 PWM 方法、不对称 PWM 方法。与传统的延时补偿策略如状态观测 器[16]、Kalman 滤波器[17]、考虑延时的逆变器建模[18]等相比，文献[15]提出的 PWM 方法的优点 在于与逆变器模型无关，且无需复杂的运算。 DSP 软件算法的灵活性为逆变器数字控制方式的多样性提供了可能。数字控制逆变器的控 重复控制[24-28]、 制方法包括经典的数字 PID 控制， 以及各种先进的控制算法如无差拍控制[19-23]、 滑模变结构控制[29-34]、神经网络控制[35-38]、模糊控制[39-42]及其它数字算法[43-46]。逆变器的数字 PID 控制方式以其实用性在实际产品中得到了广泛应用。 数字 PID 控制参数的设计方法主要有模拟化设计和直接数字化设计两种。模拟化设计法是 s 平面上的一种设计方法，把控制系统按模拟化进行分析，求出数字部分的等效连续环节，然 后按连续系统理论设计校正装置，再将该校正装置数字化。直接数字设计法是 z 平面上的一种 设计方法，把控制系统按数字化进行分析，求出系统的脉冲传递函数，然后按离散系统理论设 计数字控制器。直接数字设计法所设计的调节器是数字控制器能直接实现的算法，利用数字控 制器的运算处理功能，即可实现比较复杂的控制规律，这是模拟控制系统难以做到的。 数字 PID 控制是研究逆变器数字控制的基础，逆变器的其它数字控制算法可以与 PID 控制 结合使用，构成复合控制，进而提高数字控制逆变器的性能。1.2.3 无差拍控制数字 PID 控制可视为对模拟 PID 控制的离散化结果。数字控制的固有问题如控制延时等引 起逆变器稳定性下降，通常数字 PID 控制逆变器无法达到模拟 PID 控制逆变器的性能。 为了解决上述问题，K.P. Gokhale 等人在 1987 年首次提出了逆变器的无差拍控制方法[19]。 无差拍控制的基本思想是对基准正弦信号的周期进行等分，每个分度的持续时间为采样周期， 将每个采样周期内的基准正弦值作为逆变器的输出，建立逆变器的离散形式状态方程，利用逆 变器的数学模型及输出反馈信号计算下一个采样周期的逆变器功率开关管 PWM 信号的脉冲宽 度，实现每个采样周期内逆变输出均与基准正弦信号保持相同。 根据上述无差拍控制算法，逆变输出电压理论上为标准正弦信号，在相位上滞后基准正弦 给定信号一个采样周期。任何由于负载扰动或非线性负载而引起的输出电压畸变，在一个采样 周期内就会被消除。无差拍控制的优点在于输出电压波形跟踪速度快、稳态特性好。另一方面， 无差拍控制也存在一些缺点[21]，例如：无差拍控制对逆变器输出滤波器和负载参数的变化比较 敏感；只对输出电压进行无差拍控制，虽然瞬态响应速度快但超调量大；只控制采样点上的电3 PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究 压，没有控制输出电压的变化率，导致输出电压在采样点之间脉动很大。 上述分析过程中没有考虑数字系统的控制延时，事实上延时问题对于无差拍逆变器性能有 明显的影响。采用现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array, FPGA）能够减小无差拍 控制算法的执行时间，但 FPGA 增加了系统的复杂度和成本[20]。 为了降低无差拍控制器对逆变器模型参数的依赖程度，文献[22]在无差拍控制中引入扰动 观测器用来估计负载电流及其它类型的误差。文献[23]提出了一种改进的三相电压源逆变器鲁 棒预测电流算法，通过控制当前拍的电流误差等于前两拍的电流误差信号的差异，提高了系统 的鲁棒性，但控制参数的变化降低了系统的稳定性。1.2.4 重复控制重复控制是针对周期性扰动而提出的一种控制策略，最早应用于质子加速器控制中[24]。重 复控制以其相对简单的结构、高精度的控制效果，广泛应用于包含周期信号的控制场合，如机 械手轨迹控制、光盘驱动器、卫星姿态校正的伺服机构等。 逆变器的指令信号为正弦波，PID 控制无法消除正弦信号的跟踪静差。另一方面，逆变器 的扰动如非线性负载、功率开关管驱动信号的死区时间影响等都是周期性的。为了提高逆变器 输出波形质量，可以将重复控制器引入逆变器的控制环路中。 重复控制是一种基于内模原理的控制原理，即如果希望控制系统对某一参考指令实现无静 差跟踪，那么产生该指令的模型必须包含在稳定的闭环控制系统内部[25]。重复控制系统中，加 到被控对象的输入信号除偏差信号外， 还叠加了一个过去的偏差及上一采样周期该时刻的偏差， 偏差信号被重复利用，经过几个周期后，能够实现输出信号很好地跟踪给定信号。重复控制算 法不仅适用于跟踪周期性给定信号，也适用于抑制周期性的干扰。 图 1.1 所示为理想的重复控制器原理图，相当于周期信号发生器。图中，E(z)为偏差信号； Urep(z)为重复控制器的输出信号；Nsp 为正弦输出周期内的采样次数。E( z)+ +z? N spU rep ( z )图 1.1 理想的重复控制器 控制系统采用图 1.1 所示的理想重复控制器时，重复控制器的稳定性取决于被控对象的参 数，系统容易受到干扰，无法稳定工作。图 1.2 所示为实际的重复控制器原理图，在理想的重 复控制器的正反馈通道插入 Q 补偿器，再在前向通道中串入 S 补偿器。 重复控制器通常可视为对传统的反馈控制器的补充。系统稳定性由传统反馈控制器保证， 稳态跟踪精度则通过重复控制器实现[26]。重复控制器与传统反馈控制器的组合通常由两种形 式，称为插入式结构[27]、级联式结构[26, 28]，分别如图 1.3、图 1.4 所示。图中，Yd(z)为周期性参4 南京航空航天大学博士学位论文 考信号；E(z)为偏差信号；Grep(z)为重复控制器传递函数；Gc(z)为反馈控制器离散传递函数； Gs(z)为被控对象的离散传递函数；D(z)为扰动信号；Y(z)为输出信号；Uc(z)为复合参考信号。E( z)+ +z? N spS ( z)U rep ( z )Q( z )图 1.2 实际的重复控制器Grep ( z )Yd ( z )+?E( z)++ U rep ( z ) Gc ( z )Gs ( z )+ D( z ) Y ( z ) +图 1.3 插入式结构Yd ( z )+?E( z)Grep ( z )U rep ( z ) + U c ( z )+ +?Gc ( z )Gs ( z )+ D( z ) Y ( z ) +图 1.4 级联式结构 图 1.3 中的重复控制器与系统控制环并联连接，输出信号 Grep(z)注入误差信号 E(z)中。图 1.4 中的重复控制器与系统控制环级联连接，输出信号 Grep(z)对系统的参考信号 Yd(z)进行调节。 比较而言，图 1.4 更适用于在已有的闭环反馈控制系统中增加重复控制器的场合，该结构便于 重复控制器的设计和实现。 重复控制具有良好的稳态响应特性，能够明显改善逆变器带整流性负载时的输出电压波形 质量，动态性能还有待进一步完善，所以重复控制往往与其它控制方式结合使用。实际上，如 果重复控制器设计不好，将引起系统跟踪精度、收敛速度下降，甚至造成系统不能稳定工作。1.2.5 滑模变结构控制滑模变结构控制是前苏联学者 S.V. Emelyanov、V.I. Utkin 于 20 世纪 50 年代提出的一种控 1978 年 Utkin 完成了“Sliding modes and their applications in variable structure systems” 制方法[29]。 一书及综述论文[30]，人们认识到变结构控制具有滑动模态运动与控制量大小无关的特点，可以 把高维系统分解成两个互不相关的低维孤立子系统的问题，使控制算法易实现并且滑动模态具 有对系统内部干扰和外部干扰及系统参数摄动的不变性、完全自适应性、鲁棒性等特点，从而 引起了各国学者对滑模变结构控制的浓厚兴趣。经过半个多世纪的发展，滑模变结构控制已成 为控制理论的重要分支，广泛应用于空间飞行器、机器人、电力电子变换器等领域，解决了对5 PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究 控制要求较高、控制对象复杂、高度非线性的控制问题。近年来滑模变结构控制的研究方向主 要集中在滑模面设计、振抖问题、离散系统的滑模变结构控制、自适应滑模变结构控制、智能 滑模变结构控制等[31]。 滑模变结构控制是一种非线性控制方法，它是利用某种不连续的开关控制策略来强迫系统 的状态变量沿着相平面中某一预先设计好的“滑动模态”轨迹运动，从而达到预期的性能。 滑模变结构控制应用于逆变电源中时，还存在一些问题没有很好地解决。首先是逆变电源 的理想滑模切换面很难选取；其次，数字式滑模变结构控制只有当采样频率足够高时才能有较 好的控制效果，这些缺点限制了它的应用[32]。1.3 正弦波逆变器的并联控制信息处理技术的迅速发展和广泛应用，对其电源变换系统的容量、性能、可靠性和可维护 性要求越来越高。 多模块并联实现大容量电源系统是当今电源技术的发展方向。多个电源模块并联分担负载 功率，各模块中功率开关管的电流应力降低，从根本上保证了可靠性。每个模块的容量较小， 功率密度高，从而使整个电源系统的体积重量下降。N + 1 或 N + X 冗余并联运行方式（X 为冗 余模块数）以较小代价获得容错冗余功率，是实现高可靠性、大功率电源系统的优选方案。 逆变器/UPS 的并联 直流电源变换器的并联运行在服务器电源等场合已得到广泛应用[47, 48]。 控制要比直流变换器的并联控制复杂得多，原因在于逆变器的输出波形为交流正弦信号。为了 实现各模块均分负载，理论上各模块输出电压不仅要幅值相等，而且必须波形相同、频率一致、 相位同步。 20 世纪 90 年代以来，逆变器的并联运行技术成为电力电子的研究热点之一。逆变器并联 运行的目的在于扩充系统容量或提高系统冗余度，典型应用是分布式发电或分布式供电系统[49-51]。总体上讲，逆变器并联系统必须具备如下特征：各模块输出电压的幅度、频率和相位分别对应相同；模块之间的负载电流均分；可灵活地增减并联模块数目；各模块的热插拔。 根据模块之间是否使用互连线，逆变器并联控制方法可以分为主动均流技术和无连线下垂 控制两大类[49]，其中主动均流技术又可分为集中控制、主从控制、3C (Circular Chain Control) 控制和分布式控制。1.3.1 集中式控制图 1.5 所示为集中控制逆变器并联系统原理框图[52]，并联系统由 N 台逆变器组成。图中， φur 为电压基准信号的初始相位；Urm 为电压基准信号幅度；uref 为电压基准信号；uof 为输出电压 反馈信号；ue 为电压误差信号；Gv(s)为电压调节器；Gc(s)为均流调节器；iofj 为第 j 个模块输出 电流反馈信号；iload 为并联系统总负载电流。集中控制器（Centralized Controller）为各并联模6 南京航空航天大学博士学位论文 块提供平均负载电流信号 iload/N，以及各模块共享的电压基准相位信号。Module 1 Average load current?ururef+ue?Gv ( s )+PWMInverterU rmuof? Gc ( s )iload N+iof 1?Sharing phase referenceCentralized controllerModule N?ururef+ue?Gv ( s )+PWMInverterU rmuof? Gc ( s )iload N+iofN?图 1.5 集中控制逆变器并联系统 并联运行时，各模块的电压基准信号的差异很小，但由于各模块的参数不可能完全相同， 微小的电压基准差异也能导致较大的输出电流偏差即环流信号。 图 1.5 中，均流控制器将环流信号经均流调节器 Gc(s)叠加到电压调节器的输出信号中，经 PWM 信号发生器产生逆变器功率开关管的控制信号。也可以将环流信号经 PI 环节叠加到电压 误差信号 ue 中[53]，实现各模块输出均流。 集中控制方法简单，并联系统均流效果较好，但可靠性和冗余度较低，并且集中控制器必 须准确获知并联模块数目 N，限制了集中控制方法在逆变器/UPS 并联系统中的应用。1.3.2 主从式控制主从式控制逆变器并联系统包含一个主模块和若干个从模块，主模块为电压型逆变器，调 节并联输出电压，并为各从模块提供电流参考信号，从模块为电流型逆变器，具有电流跟随器 的特性[54-57]。 图 1.6 所示为主从控制逆变器并联系统原理框图， 由一个主模块和 N 个从模块组成。 图中， uref 为电压基准信号；uof 为输出电压反馈信号；Gv(s)为电压调节器；Gc(s)为电流调节器；iLM 为 主模块输出滤波电感电流；iLSj 为从模块输出滤波电感电流。主模块电感电流 iLM 作为各从模块 的电感电流参考信号，从模块中的电流调节器控制其电感电流 iLSj 跟踪 iLM。 图 1.6 所示的并联系统中，主模块是固定不变的，一旦主模块损坏，并联系统将无法正常 运行。文献[55]提出了一种可任意选择主模块的主从式控制结构，具有如下特点：并联系统各7Load PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究 模块完全相同；各模块之间通过两根信号通信线自由选择主模块；当前主模块退出并联时，从 各从模块中自动产生新的主模块；新的模块投入并联时，自动作为从模块运行；总负载电流在 所有模块之间均分，与并联模块数目无关。Master (VSI)uref ? uof+Gv ( s )+Gc ( s )? iLMPWMInverterSlave (CSI)iLM+? iLS 1Gc ( s )PWMInverterLoad Slave (CSI)iLM+?Gc ( s )iLSNPWMInverter图 1.6 主从控制逆变器并联系统 文献[56]提出了另一种确定主模块的方法，比较并联系统各模块输出的有功功率、无功功 率的大小，将最大值所在的模块设为主模块，其余为从模块。 主从控制的特点在于无需进行输出电压同步调节，在各种负载条件下以及动态过程中均可 很好地实现均流。尽管可以通过轮换主模块提高并联系统的可靠性，但相应的控制较为复杂。1.3.3 3C 控制图 1.7 所示为 3C 控制逆变器并联系统结构框图[58]。 图中， 各模块的电流参考信号取自前一 个模块，第一个模块的电流参考取自最后一个模块，所有的电流参考信号将全部模块构成一个 环形[58, 59]。iLj_r 为第 j 个模块的电感电流参考信号；iLj 为第 j 个模块的电感电流信号。各模块的 输出电流、输出电压分别由电流内环和电压外环调节，电流内环的响应速度很快。各模块共享 电压基准信号，它们的输出电压非常接近。 理论分析表明，并联系统电压外环传递函数特性随着并联模块数目、负载的改变而变化。 文献[58]采用了基于 H∞鲁棒控制器的输出电压外环，提高了并联系统的鲁棒性，减小了并联模 块之间相互作用的影响。通过在并联系统各模块之间进行双向通信，可以提高 3C 并联系统的 可靠性及实现热插拔功能。 3C 并联控制的缺点在于并联系统各模块之间的相互影响较大， 输出电压外环的设计较为复 杂，为了提高系统可靠性而采取的措施较多。8 南京航空航天大学博士学位论文iL1_ rModule 1iL1LoadiL 2 _ rModule 2iL 2Module NiLN _ riLN图 1.7 3C 控制逆变器并联系统1.3.4 分布式控制分布式控制或称平均负载分配控制 （Average Load Sharing） 是将并联控制分散在各个模块 ， 中[60-63]，并联系统各模块完全相同，它们的地位均等，通过模块间的信号互连线交换信息，产生各模块共享的参考信号，各模块控制其输出跟踪共享的参考信号，实现负载均分。 图 1.8 所示为一种基于输出电流均分的分布式并联控制结构框图。图中，各模块完全相同， 均采用电压电流双闭环控制。各模块之间共有两根信号互连线――同步母线、均流母线，同步 母线为各模块中的电压基准信号发生器提供频率和相位信息，产生同频同相的电压基准信号 urefj；均流母线综合各模块输出滤波电感电流 iLj 产生并联系统的平均电感电流信号 iL_ave，作为 各模块的电感电流参考信号。为了简单起见，图 1.8 中没有给出同步母线信号、均流母线信号 的产生原理。 文献[61]给出了一种均流中心的实现电路， 能够实现图 1.8 中的电流偏差计算功能， 但各模块均必须同时检测所有模块的电感电流信号，各模块之间的信号互连线较多。 实际的分布式并联系统中，均流母线的平均电感电流信号不可避免地包含较多的噪声，影 响并联系统的性能，甚至导致系统无法正常运行。注意到逆变器的输出功率在负载稳定时为直 流电平信号，如果将并联模块之间的信号互连线改为传递有功功率、无功功率信息，则有功母 线、无功母线信号对噪声的影响不敏感，对于提高并联系统的稳定性是有利的。9 PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究Module 1 LoaduofSynchronization busCurrent sharing busPWM?uref 1+Gv ( s )iL _ ave+ +Gc ( s )+iL1?Module NuofurefN+PWM?Gv ( s )iL _ ave+Gc ( s )+iLN?+图 1.8 基于输出电流均分的分布式控制逆变器并联系统 一种基于输出功率均分的分布式并联控制结构框图如图 1.9 所示。各模块之间共有三根信 号互连线，分别为同步母线、有功功率母线和无功功率母线。有功功率母线、无功功率母线上 的信号分别为并联系统平均有功功率 Pave、平均无功功率 Qave，通过综合各模块的输出功率 Pj、 Qj 生成。各模块分别计算其输出功率与平均输出功率的差异 ΔPj、ΔQj，利用功率差分别调节本 模块电压基准信号发生器的相位 φrj 和幅度 Urmj，实现均流控制。图中，PLL 为锁相环，由 PLL 得到的电压基准信号相位为 φr0；Urm0 为电压基准信号幅度给定量；相位调节单元、幅度调节单 元取决于采用的均流控制策略[63]。图 1.9 所示的分布式并联控制方法能够实现负载基波功率的 均分，并联系统带非线性负载时，对谐波电流的均分效果不够理想。 分布式控制不依赖于任何一个模块及模块数，可以真正实现冗余系统，但互连线仍增加了 系统的硬件复杂性，降低了并联系统的可靠性。采用分布式控制原理可以方便地进行不同输出 容量的模块并联，或称为加权均流控制[64, 65]。值得注意的是，在各种主动均流技术中，分布式 控制具有高度的模块化和扩展性，在实际的电源系统如 UPS 并联系统中得到了广泛应用。1.3.5 无连线控制逆变器并联系统的无连线控制思想源自电力系统理论，当电网输出功率增加时，相应减小10 南京航空航天大学博士学位论文 电网频率。各模块之间没有用于并联控制的信号通信线，通常是基于外特性下垂法，仅需检测 本模块的输出功率，进行有功和无功功率分解后，分别调整模块输出电压的频率和幅度以实现 均流[66-73]。Module 1 Synchronization busPavePLL Phase regulation Amplitude regulationΔP 1+ P 1Q sharing busP sharing bus?+ ? r1 +?r 0Qave?ΔQ1U rm1++ U rm 0Voltage reference generatorInverter+ Q1Module NPavePLL Phase regulation Amplitude regulationΔPN+ PN?+ ? rN+?r 0Qave?ΔQN+ QNU rmN+ + U rm 0Voltage reference generatorInverter图 1.9 基于输出功率均分的分布式控制逆变器并联系统 计及逆变器的输出线路阻抗，得到如图 1.10 所示的等效电路。图中，E、φ 分别为逆变输 出电压的幅度、功率角；Z、θ 分别为逆变器输出阻抗（包括线路阻抗）的幅值、相位角；U 为 并联输出电压，将其相位角定为 0?。E ∠?IZ ∠θU ∠0S = P + jQ图 1.10 逆变器输出等效电路 由图 1.10 可得逆变器输出功率表达式[68]。当 θ = 90?时，逆变器输出阻抗为纯感性；当 θ = 0?时，逆变器输出阻抗为纯阻性。下垂控制策略根据输出阻抗的特性不同而变化，如表 1.1 所 示。表中，ω、ω*分别为逆变输出角频率的实际值、给定值；E、E*分别为逆变输出幅度的实际 值、给定值；m、n 分别为频率、幅度下垂系数。 传统的下垂控制具有动态响应较慢、均流效果与输出频率和幅度调节的制约关系、受逆变 器输出阻抗和线路阻抗影响较大等缺点，限制了其应用范围。文献[67]提出了用于下垂控制的* 虚拟阻抗的概念，其原理在于采用瞬时输出电流调节电压基准信号，如图 1.11 所示。图中， uoLoad11 PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究 为基准信号发生器产生的电压基准信号；ZD(s)为虚拟阻抗；uref 为电压基准信号。 表 1.1 下垂策略与输出阻抗的关系 输出阻抗 有功功率 无功功率 频率下垂 幅度下垂uo ioP QZ = jX（纯感性） P = (EUsinφ)/X ≈ EUφ/X Q = (EUcosφ C U2)/X ≈ U(E C U)/X ω = ω* C mP E = E* C nQ* uoZ = R（纯阻性） P = (EUcosφ C U2)/R ≈ U(E C U)/R Q = C(EUsinφ)/R ≈ CEUφ/R ω = ω* + mQ E = E* C nPurefio+?Z D (s)图 1.11 带虚拟阻抗的下垂调节逆变器控制框图 无连线控制逆变器并联系统中，由于模块间没有必要的信息交流，并联系统在非线性负载 下或动态过程中的均流性能不够理想，热插拔控制比较困难。文献[50]采用下垂调节与平均功 率控制相结合的方法，文献[74]在无连线系统结构的基础上采用在各并联模块之间进行通信的 方法，均在一定程度上改善了并联系统的控制特性。1.4 电力线通信及其应用电力线通信（Power Line Communication, PLC）是指在输电导体上传输数据和话音信号的 一种通信方式，已经有数年的发展历史。在中高压输电领域（35 KV 以上） ，通常用电力线载波 机利用较低的频率以较低的速率传送数据或话音；在低压领域（220 V） ，PLC 借助调制解调技 术，通过低压电力线载波以串行方式传送数据，基于微处理器或 DSP 等实现。目前 PLC 在电 力系统和自动化等领域已有较多应用，如自动抄表系统等，近几年的研究热点主要是提高传输 速度和可靠性以及在交叉学科领域的推广应用[75-77]。理论上，并联逆变模块之间通过其连接总 负载的功率输出线以 PLC 方式通信，理论和技术上是完全可行的。 发送方将数字信号经过编码和调制后的所 低压电网中的电力线通信原理如图 1.12 所示[78]。 产生的信号经耦合器耦合到低压电网上，经低压电网的传输到达接收方后，先从电网解耦出调 制信号，再经过与发送方相匹配的解调和解码得到数字信号。 电力线通信环境恶劣，最主要的问题是噪声和信号衰减。电力线通信的噪声和信号衰减是 随机变化的，很难找到规律。为了在环境恶劣的电力网上实现安全可靠的数据传输，一般可采 用的 PLC 技术有两种：扩频通信（Spread Spectrum Communication, SSC）技术和正交频分复用12 南京航空航天大学博士学位论文 （Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）技术。发送方 CPU 接收方 CPU 解码器 解调器 耦合器 编码器 调制器 耦合器 低压电网图 1.12 电力线通信原理图 根据香农公式，对一定的信道容量，若频带宽度增大，则信噪比将相应减小；若频带宽度 减小，则信噪比将相应增大。这意味着若增加频带宽度，就可在较小的信噪比下以小的差错概 率传输数据。扩频通信就是根据该理论，用比发送数据速率高许多倍的伪随机编码将待传输的 数据信息进行调制，实现频谱扩展之后再传输；在接收方则采用同样的编码进行解调等相关处 理得到数据[79]。 扩频通信抗干扰能力强，可实现码分多址技术，且因为信号的功率谱密度低，所以不容易 被截获，隐蔽性好。但由于扩频技术本身要求频带宽度的 100~1000 倍，而 PLC 通信的带宽一 般为 90~400 KHz，所以传输速率受到了很大的限制，一般为 Kbps 数量级。 近年来，在功率变换器系统中也有应用 PLC 技术实现通信的实例[75, 80-82]。文献[82]研究了 一种基于 PLC 的并联 UPS 逆变器的均流控制方法，各模块通过低压交流输出母线以 PLC 方式 交换彼此的信息，实现了负载的有功和无功均分，验证了该技术的可行性。1.5 本文的研究意义和主要工作1.5.1 研究意义PWM 逆变器广泛应用于 UPS、可再生能源的转换、分布式发电等场合，PWM 逆变器的控 制及并联运行控制技术对于缓解日益严重的能源危机、提高供电系统可靠性、降低电源系统的 设计成本等问题具有重要的理论意义和实用价值。 逆变器本体的控制是并联运行控制的前提和基础，已有的模拟控制技术的局限性已经无法 满足当前对功率变换器越来越苛刻的要求，逆变器从模拟控制向数字控制的转变已成为其发展 趋势。一方面，数字控制器的时间量化和数值量化造成系统控制特性下降，需要克服这些问题 带来的不利影响；另一方面，数字控制器强大的运算处理能力为复杂控制律如重复控制的实现 带来了可能，但是单一的控制算法可能无法兼顾逆变器的稳态和动态性能要求。已有的文献主 要侧重于对数字控制逆变器中的一个或若干问题进行深入研究，很少有对数字控制逆变器的几 种实现方法及相互之间的关系进行系统研究。13 PWM 逆变器的控制及并联运行控制研究 逆变器的并联运行控制能够扩充电源系统的容量，提高电源系统的可靠性，是实现分布式 发电的关键技术。各种可行的并联控制方法中，分布式控制具有并联输出电压波形质量高、能 够实现基波和谐波的均流、动态响应迅速、输出频率和幅度稳定等优点，在 UPS 并联系统中得 到了广泛应用，但分布式控制中的信号互连线降低了系统的可靠性和冗余程度；无连线控制无 需模块间的信号互连线，对各模块的相对位置有很大的灵活性，系统模块化程度高，是一种很 有发展潜力的并联控制方法，但无连线控制系统的动态响应有待改进，谐波功率均分困难，输 出频率、幅度与均流效果之间存在一定的制约关系。 在无连线并联系统各模块之间进行通信是一种提高系统性能的方法， PLC 技术能够以电 力线载波扩频通信的方式在各模块之间传递信息， 并且 PLC 电路的引入不会改变并联系统的无 信号互连线的结构。 采用基准同步控制和输出均流控制解耦的方法，能够简化逆变器并联控制的实现，特别是 热插拔控制的实现。将解耦的并联控制方法推广到三相变频器并联系统中，具有显著的理论和 实际意义。1.5.2 论文主要工作本文研究 PWM 逆变器的控制和并联运行控制，主要由以下内容组成： 第一章阐述了论文的研究背景和应用价值，回顾了国内外对于 PWM 逆变器控制及并联控 制的发展现状，研究了数字控制、分布式并联控制、无连线并联控制的特点和存在的问题，分 析了 PLC 通信的原理及其在功率变换器中的应用，介绍了本文的研究工作。 第二章首先建立数字控制逆变器的数学模型， 针对 DSP 的时间量化和数值量化造成的系统 控制特性下降的问题，提出较为系统的解决方案：首先通过采用数字调制信号中心值实时调节 电压基准的方法有效消除数字运算截断误差累积等因素造成的输出变压器直流偏磁问题，实现 逆变器的单闭环 PID 数字控制；为了克服单闭环 PID 算法中输出电压微分运算引起的噪声，研 究电压电流双闭环数字控制，并且通过在电流环中引入输出电压反馈补偿，使负载对系统的扰 动基本消除；双闭环数字逆变器控制稳定性好、动态响应速度较快，但带载能力尤其是整流性 负载的特性不佳，通过将重复控制器与双闭环控制器级联连接构成复合控制，有效提高逆变器 的输出精度和带整流性负载的能力。在不同的实验样机中对上述各种控制方法进行仿真和实验 验证。 第三章基于并联系统中各模块输出连接关系，研究得到输出环流或输出功率偏差取决于本 模块电压基准信号与平均电压基准信号之间的差异的结论；分析电压基准信号的差异对于负载 均分的影响， 指出并联系统的耦合关系很强， 各模块输出功率或输出电流的均分控制较难实现。 研究逆变器并联系统的解耦控制方法，将并联控制解耦成基准同步控制和输出均流控制，前者14 南京航空航天大学博士学位论文 实现各模块电压基准信号的同频同相，是并联系统正常运行的前提；后者补偿各模块控制参数 之间的差异，减小环流。研究并联解耦系统中各模块的结构框图，指出与同步控制单元和均流 控制单元紧密关联的通信单元可以根据应用场合的需要采用不同的实现方式，并提出一种基于 PLC 通信的无信号互连线逆变器并联控制结构。 第四章研究并联解耦控制中基准同步控制的两种典型的实现方法：有信号互连线方法和无 信号互连线方法。有信号互连线方法通过连接各模块的同步母线，根据线与逻辑运算的规律得 到各模块共享的方波同步信号，提出基于 DSP 的实现算法，控制各模块的基准相位信号与共享 的方波同步信号保持同频同相，并且在 UPS 并联系统中实现基准同步控制。提出基于 PLC 通 信的无信号互连线基准同步控制方法，在各 UPS 之间采用 PLC 方式传递各基准相位信号的频 率和相位差信息， 据此调节各基准信号的相位， 实现各逆变器基准相位信号始终保持同频同相。 对基于 PLC 的同步调节进行系统研究，分析影响同步调节误差的各种因素，且有量化的结果， 进而给出提高同步调节效果的措施。 第五章研究并联解耦控制中输出均流控制的各种实现方法。提出一种基于功率差调节的逆 变器并联运行输出均流控制方法，各逆变器分别计算本模块输出的有功功率和无功功率，经 PLC/CAN 通信得到各逆变器之间的输出有功功率差和无功功率差， 利用功率差调节各自电压基 准信号的相位和幅度，提出实现功率均分的累加算法，实现负载功率的均分。研究分布式数字 控制逆变器并联系统、分布式模拟控制逆变器并联系统的环流特性，提出一种克服逆变器中输 出有效值调节器影响均流效果的控制方法，在各逆变器中将其输出电流有效值引入输出电压有 效值调节器，特别地，对于由两台逆变器组成的并联系统，独创性地提出改善均流效果的方法， 在各逆变器中将其输出环流信号与输出电压采样信号进行叠加，利用环流信号补偿输出有效值 调节器对均流效果的不利影响，并且能够保持并联系统外特性不变。 第六章研究三相通用变频器的并联运行控制。变频器也是一类 PWM 逆变器，但与普通的 正弦波逆变器相比，变频器输出变频、没有 LC 滤波器。将逆变器并联运行解耦控制方法进行 推广并成功应用到三相通用变频器系统中，用主从式基准同步方法，判断主机、从机基准信号 的相位差，微调从机基准信号的频率，实现两台变频器的电压基准信号同频同相；采用主从式 均流控制方法，在从机中检测各相输出环流，分别对从机各相电压基准信号进行调节，实现并 联系统带三相异步电机负载的均流控制。 第七章对全文工作进行总结，并对下一}
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