一种新型单相DC_AC逆变器的并联控制方法

电工电能新技术

AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergyVol.25,No.4Oct.2006

一种新型单相DCΠAC逆变器的并联控制方法

梁　斌,瞿文龙

(清华大学电机系,电力系统国家重点实验室电力电子分室,北京100084)

摘要:本文介绍了一种新型的单相逆变器并联控制方法。控制方法分为同步和均流控制两个部

分,同步控制采用有功功率进行相位调节,均流控制采用注入的谐波信号进行幅值调节。这种新型的控制方法在逆变器之间没有任何的均流连接线,实现了无均流线的均流,它非常适合于远距离分布电源的并联控制。本文对这种方法进行了详细的介绍,并给出了仿真和实验结果,结果证明了这种方法的有效性。

关键词:单相逆变器;并联;同步控制;均流控制

中图分类号:TM46　　　　　文献标识码:A　　　

文章编号:100323076(2006)04200582051　引言

随着电力电子技术和自动化技术的发展,对实现电源供电的高可靠性和大功率化提出了更高的要[1]

求。电源的并联技术是其中的关键技术。DCΠAC逆变电源的并联控制比较复杂,它既要对电源的相位进行控制,也要对电源的幅值进行控制,最终实现电源的同步和均流。

实现同步均流有多种控制方法,根据逆变器之间有无均流信号线可分为有均流线和无均流线的控制方法。无均流线的方法主要有频率幅值下降法和谐波注入法。频率和幅值下降法是根据有功和无功对电源的频率和幅值进行并联控制。谐波注入法是用注入谐波信号的频率来传递有用的信息,进

[7]

行并联控制。

本文提出一种新型的无均流线并联控制方法,用有功功率进行相位调节,即同步控制;用注入的谐波进行幅值调节,即均流控制。

[5,6]

[2～4]

图1　系统控制的原理框图

Fig.1　Blockdiagramofsystemcontrol

制单元根据反馈电压和反馈电流对电压环的参考电压相位进行调节;均流控制单元根据反馈电流和反

馈电压注入谐波信号并对参考电压的幅值进行调节。

3　并联控制的实现

311　同步控制

2　并联控制的原理

图1是系统控制的原理框图。

逆变电源模块是一个三环控制系统。内部是逆变电源控制常用的电流电压双环控制,保证逆变电源有稳定的输出电压和电流。最外环是同步均流控制环,分为同步控制单元和均流控制单元。同步控

收稿日期:2005212209

先对两个并联逆变电源的输出功率进行简单分析。图2为两个同频率电源模块并联的简化电路,逆变器输出阻抗等效为电感。

通过计算,可以得到两个逆变器输出的复功率分别为:

作者简介:梁　斌(19742),男,内蒙古籍,硕士生,主攻电力电子与电气传动;

瞿文龙(19462),男,上海籍,教授,博导,主攻电力电子与电气传动。

第4期梁　斌,等:一种新型单相DCΠAC逆变器的并联控制方法

t

59　

Δφ=-KIPdt-KpP

0

∫

(4)

其中,KI是积分系数,Kp是比例系数。

在用(4)式计算参考电压相角补偿量时,逆变电

源的功率P大于零时,相角补偿量小于零;反之,P小于零时,相角补偿量大于零。两逆变电源不同的功率P,会得到不同相角补偿量,最后补偿调节的结果是两逆变电源相角相等,有功功率相等,系统在新的平衡点同步运行。

这种同步控制方法的原理框图如图3所示。

图2　两个电源模块并联电路

Fig.2　Parallelcircuitoftwopowermodules

S1=P1+jQ1=V0I1S2=P2+jQ2=V0I2

(12a)(12b)

式中V0是负载电压,I1和I2是逆变器输出电流。

两个逆变器输出的有功功率分别为:

P1=P2=

V1・V0sinδ1

ωLf1V2・V0sinδ2

ωLf2

(22a)(22b)

图3　同步控制原理图

Fig.3　Schematicdiagramofsynchronizationcontrol

式中δ1和δ2是逆变电源相对于负载端的相角,V1和V2是电源幅值,Lf1和Lf2是滤波电感,ω是电源角频率。

δ假定,V1=V2=V,δ1≠2

从式(22a)和(22b)可以看出,逆变器输出的有功功率主要取决于逆变电源电压相对于负载端的电

压相角δ。

在实际的并联调节过程中,负载端的电压相角是由两逆变电源电压的相角共同决定的。逆变电源电压的相角在变化的同时,负载端的电压相角也在变化,δ可以看作是逆变电源和负载端电压的相角δ大于零时P也大于零,电源输出有功功率;δ差。

小于零时P也小于零,电源吸收有功功率。传统的频率下降法如(3)式表示:

ω=ω0-mP

(3)

在一个周期中对电压和电流的乘积进行积分,并且在每一个计算周期开始的时候把积分值清零,在一个周期末将得到的积分值再除以周期值得到这一个周期的平均功率。在功率计算单元中,计算一个周期的平均功率如下式所示:

P=

1T

T0

uidt∫(5)

其中,T为电源周期,u为负载电压,i为负载电流。

得到有功功率后,先对每一个周期功率值采样保持,然后再送到相位补偿计算单元。

在相位补偿计算单元,根据(4)式得到参考电压相位的补偿量,最后对参考电压进行相位补偿。如下式所示:

φ=φφ0+Δ

其中,φ0为逆变电源初始相角。

在状态判断单元中,判断系统是否达到同步稳定运行。它检测相邻周期有功功率的变化情况,当

有功功率保持不变时,即系统达到同步,这时把相位补偿计算单元清零,不再进行相位补偿,系统进入稳态运行。

这种方法能有效地避免逆变器输出电压频率的波动。

图4是对电阻负载的并联均流特性的仿真研究,两逆变电源同时并联后的初始相位差为100度。从图4(a)和4(c)可以看出,稳态时逆变器的输出相

(6)

其中,ω0是逆变器初始角频率,P是逆变器输出的有功功率,m是有功功率的调节系数。从(3)式可以看到,频率随有功功率而线性下降,通过调节有功功率调节频率,从而改变相位,达到同步控制的目的。

但是,这种方法有一个很大的缺点,就是在进行同步调节的时候,逆变器的输出频率是变化的,这在很多场合是不允许的。

为了克服这个缺点,本文采用一种新的相位调节方法,即直接用有功功率对相角进行调节,通过对有功功率进行比例和积分运算来得到逆变电源参考

φ可用下式表示:电压相角补偿量。相角补偿量Δ

　　　60电工电能新技术第25卷

位差为零,达到同步运行;从图4(b)可以看出,两逆变电源输出的总功率约为122W,稳态时单个电源的输出功率约为61W,达到了有效均分。

图5　并联系统的动态特性

Fig.5　Dynamicperformanceofparallelsystem

图6　均流控制原理框图

Fig.6　Blockdiagramofcurrent2sharingcontrol

在均流控制中,首先把逆变器输出的反馈电流

If通过绝对值转换单元和一个低通滤波器转换成直流信号,这个直流信号能反映反馈电流信号的幅值大小。然后把这个直流信号通过压频转换产生高频低幅值的交流信号叠加到参考电压信号上,注入到交流母线上。

对反馈电流进行处理后,再对反馈电压进行处

图4　电阻负载均流特性

Fig.4　CurrentsharingperformancewithRload

研究表明,这种同步控制方法也能有效地适用

于感性和容性负载。

一个好的同步控制系统应该有好的动态特性,即系统受到外界扰动而突然产生相位差时,系统能较快地进行动态调节,恢复同步运行状态。

图5所示为两逆变电源开始并联同步运行,系统在015秒突然产生20°的相位差时,系统的动态调节过程。从图中可以看出,系统能较快地恢复同步运行状态,动态特性很好。312　均流控制

均流控制的原理框图如图6所示。

理。因为反馈电压中包含了注入的所有的谐波信号,通过对它进行分析处理,就可知道每个逆变器输出电流幅值的信息。把反馈电压通过带通滤波器,得到所注入的所有的谐波信号。然后再通过一个频率跟踪低通滤波器,这个滤波器的截止频率和逆变器自己的注入的频率有关。通过对所有谐波信号和频率跟踪低通滤器后的信号的有效值比较就可以知道本逆变器注入的谐波频率是不是最小的,也就是电流是不是最大的。当比较后的差值比较大时,就降低参考电压的幅值;当差值比较小时,就增电压的幅值。最后,综合作用的结果使所有模块的输出电流大小相等,也就实现了均流。

在均流控制中,如何选择注入谐波的频率段是关键的问题。谐波频率必须选择在远离开关频率的

第4期梁　斌,等:一种新型单相DCΠAC逆变器的并联控制方法61　

范围,这样才能正确提取出注入的谐波信号,也能保

证输出的正弦波形比较好。另外,注入谐波的幅值必须足够小,这样才不会影响输出电压的幅值。

4　实验结果

在由两台小功率逆变器并联的样机上对前面的均流控制方法进行了验证。逆变器的主电路采用半桥结构,控制器采用TI公司TMS320LF2407,纯电阻负载。逆变电源的电压频率是50Hz,开关频率是20kHz。

图7是两逆变器开环控制单独运行,没有进行同步和均流控制时的输出电压波形,电压峰2峰值3315V。可以看出两个逆变电源的输出电压存在较

图8　两逆变器并联时的输出电流波形

Fig.8　Outputcurrentwavesoftwoinvertersinparalleloperation

该方法的可行性,并且能达到较好的预期效果。

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大的相位差,如果使逆变器并联,则会在它们之间产

生很大的环流,根本无法进行正常的运行。

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图7　两逆变器单独运行时的输出电压波形

Fig.7　Outputvoltagewavesoftwoinverters

inindividualoperation

图8是两个逆变器电压电流闭环加上同步和均

流控制时的输出电流波形,电流峰2峰值316A。可以看出输出电流在两个控制单元的作用下,能较好地保持同步运行和电流均分。

5　结论

本文所提出的同步和均流控制方法是可行的,能实现系统的并联运行。仿真和实验结果也证明了　　　

Anewcontrolmethodforparallelsingle2phaseDCΠACinverter

LIANGBin,QUWen2long

(StateKeyLabofPowerSystem,Dept.ofElectricalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:ThispaperintroducesanewkindofcontrolmethodforparallelsinglephaseDCΠACinverter.Thiscontrolmethodincludestwoimportantparts,synchronizationcontrolandcurrentsharingcontrol.Synchronizationcontroladoptsthemethodofregulatingphasebyactivepower,andcurrentsharingcontroladoptsthemethodofregulatingamplitudeby

　　　62电工电能新技术第25卷

injectedharmonicwave.Thisnewmethodthatrealizedthecurrentsharingwithoutinterconnectionissuitabletotheparalleledpowermodulesthatareseparatedbylongdistance.Thispaperdescribesthenewmethodindetail,andsimulationandexperimentalresultsarepresented.Theresultsdemonstratedthatthenewmethodisvalid.Keywords:singlephaseinverter;parallel;synchronizationcontrol;currentsharingcontrol

(上接第18页,cont.fromp.18)

径向位移偏差增大,但没有超过转子径向位移的限幅013mm,可以确保电机从静止到给定速度均能实现成功起动和稳定悬浮运行。

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5　结论

为解决位移传感器在永磁型无轴承电机中应用

的局限性,本文分析了一种基于悬浮绕组差分电压法的转子位置自检测方法。该方法采用悬浮绕组高频电压信号注入技术,能在全速度范围内有效地检测转子的径向位移,实现电机的稳定悬浮运行,这实际上是实现了位移传感器与无轴承电机的集成。仿真结果表明,在永磁型无轴承电机中,应用这种转子位移自检测方法能有效跟踪转子实际位移,确保无轴承电机实现电磁转矩和磁悬浮力的有效解耦,实现稳定的悬浮运行性能。参考文献(References):

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RadialdisplacementsensorlessoperationofPMtypebearinglessmotor

NIANHeng,HEYi2kang

(CollegeofElectricalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Abstract:Onthebasisofanalyzingthelinearrelationbetweentheinductanceofsuspensionwindingandrotorradialdisplacement,arotorradialdisplacementestimationschemeusinghighfrequencysignalinjectioninthesuspensionwindingwassuggested,whichwillmeettheneedofdisplacement2sensorlessoperationforaPMtypebearinglessmotor.Therotorradialdisplacementdetectingprinciple,suchastheinjectionofhigh2frequencycarriersignal,thedifferentialvoltageextractioninthesuspensionwinding,thedesignofthetrackingobservationsforrotorradialdisplacementestimation,andtheirimplementationtechniquewerealldiscussed.Andthen,thedisplacementsensorlesscontrolsystemofPMtypebearinglessmotorwassetupbasedonthisradialdisplacementestimationapproach.SimulationstudydemonstratesthattheproposedmethodiscapableofpreciselyestimatingtherotorradialdisplacementinthefullspeedregionsforaPMtypebearinglessmotorandisabletoachievestablesensorlesssuspensionoperation.

Keywords:PMtypebearinglessmotor;radialdisplacementsensorlessoperation;high2frequencysignalinjection;the

differentialvoltageextraction