黃允燦，倪文昊

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基于電壓調(diào)節(jié)的逆變器并聯(lián)控制系統(tǒng)研究

黃允燦1，倪文昊2

（1. 海軍駐武漢七一二所軍事代表室，武漢430064；2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

介紹了并聯(lián)逆變電源控制系統(tǒng)的工作原理，建立了等效模型，并對(duì)系統(tǒng)的均流性能進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，采用并聯(lián)逆變電源控制系統(tǒng)可以減小電抗器的體積，提高推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性。

電壓調(diào)節(jié) 并聯(lián)控制 環(huán)流 均流原理

0 引言

基于電壓調(diào)節(jié)的并聯(lián)控制系統(tǒng)，與主控制器通過(guò)接口電路直接相連的就自動(dòng)成為主模塊。每個(gè)從模塊再通過(guò)接口電路與主模塊的接口電路相連，這些接口信號(hào)串聯(lián)在一起實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞。對(duì)于這種主從控制方式，主模塊可以由任意一個(gè)模塊擔(dān)任，只要裝有主控制器就可擔(dān)任。沒(méi)有主控制器的就自動(dòng)成為從模塊。當(dāng)有模塊發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)降功率運(yùn)行。假如某個(gè)從模塊發(fā)生故障，則將之與直流電網(wǎng)和電機(jī)斷開連接。假如發(fā)生故障的是主模塊，除了要將它與電網(wǎng)和電機(jī)斷開外，還要將主控制器移到第一個(gè)從模塊并使它接替成為主模塊。因此，推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性大大提高。

1 并聯(lián)逆變電源控制系統(tǒng)的工作原理和等效模型[2]

為了實(shí)現(xiàn)逆變器的并聯(lián)運(yùn)行，必須控制各逆變模塊輸出電壓頻率、相位、幅度相同，使輸出電流盡可能接近。本控制系統(tǒng)采用加入同步控制單元和均流控制單元的主從式結(jié)構(gòu)。原理框圖如圖1所示。

主控制器經(jīng)過(guò)矢量控制計(jì)算出給定電壓，并傳遞給從模塊作為參考信號(hào)。

為了確保逆變電源并聯(lián)時(shí)負(fù)載電流的均分，各模塊控制電路間有2條互連線：一為公共電壓基準(zhǔn)信號(hào)，通過(guò)同步單元保證各模塊的輸出電壓相位和頻率一致；二為電流基準(zhǔn)信號(hào)，各模塊輸出電流與參考值的誤差調(diào)整電壓參考值實(shí)現(xiàn)均流。

以2個(gè)逆變電源并聯(lián)為例，控制框圖如圖2所示。

圖2 逆變電源并聯(lián)控制系統(tǒng)的等效模型

圖2中：g1、g2是并聯(lián)系統(tǒng)的給定基準(zhǔn)電壓，1、2是逆變器的輸出電壓，0是負(fù)載電壓，i是環(huán)流。其中，1、2、分別是2個(gè)并聯(lián)逆變器的傳遞函數(shù)，3、4是輸出電壓和環(huán)流的傳輸比。

環(huán)流為輸出電壓之差除以2倍的均流阻抗，所以

其中，K為同步調(diào)幅控制的調(diào)幅系數(shù)。

在課程進(jìn)行到三分之一左右時(shí)開始發(fā)放文獻(xiàn)閱讀任務(wù)，此時(shí)學(xué)生既具有一定的知識(shí)基礎(chǔ)，又有充分的時(shí)間完成任務(wù)。

基準(zhǔn)電壓幅值的調(diào)整采用乘以幅值調(diào)節(jié)系數(shù)的方法，使各點(diǎn)以同一倍數(shù)放大或縮小，使輸出的波形不變，并且幅值的調(diào)整在每周期波形過(guò)零點(diǎn)時(shí)調(diào)整。每個(gè)周期調(diào)節(jié)一次調(diào)幅操作，因此從相頻特性看，產(chǎn)生了附加的滯后相位，相當(dāng)于系統(tǒng)中加入了一個(gè)延時(shí)周期的時(shí)滯環(huán)節(jié)s，使系統(tǒng)總的相位滯后增大，增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素。

當(dāng)控制系統(tǒng)無(wú)環(huán)流反饋時(shí)，逆變器輸出電壓及環(huán)流為：

當(dāng)控制系統(tǒng)加入環(huán)流反饋后，逆變器輸出電壓及環(huán)流為：

如果控制系統(tǒng)中1=2=，則

可見(jiàn)，將環(huán)流信號(hào)反饋控制基準(zhǔn)電壓，輸出電壓沒(méi)有改變，仍然跟蹤給定電壓，而環(huán)流大大降低。

由式（4）得出，環(huán)流的傳遞函數(shù)框圖為圖3。

圖3 環(huán)流的傳遞函數(shù)框圖

所以，均流控制環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)c(s)為

調(diào)幅系數(shù)H大小對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能有很大影響。調(diào)幅系數(shù)越大，環(huán)流越小，同時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間減少，但超調(diào)量增大，系統(tǒng)容易不穩(wěn)定。

以2個(gè)逆變器并聯(lián)為例，電機(jī)電流等于2逆變器電流輸出電流之和。對(duì)電機(jī)電流和環(huán)流分別采取閉環(huán)控制。電機(jī)定子電流的簡(jiǎn)化傳遞函數(shù)框圖為圖4。

圖4 定子電流的傳遞函數(shù)框圖

電流調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)化為放大倍數(shù)K的放大器，逆變器的等效模型簡(jiǎn)化為增益KPWM。所以，定子電流的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

環(huán)流在模塊之間流動(dòng)，均流控制器采用比例控制，增益為K，其傳遞框圖為圖5。

圖5 環(huán)流的傳遞函數(shù)框圖

同樣，均流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：比較式（7）和式（8），可以得到電機(jī)電流環(huán)與均流環(huán)的截止頻率之比為：

在共用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的主從式控制系統(tǒng)中，為了同時(shí)滿足減小環(huán)流和電機(jī)電流諧波2個(gè)性能，折衷方法就是選取電抗器參數(shù)與電機(jī)主電感為同一數(shù)量級(jí)。而在基于電壓調(diào)節(jié)的并聯(lián)逆變器控制系統(tǒng)中[3]，二者的電流環(huán)采用不同的放大倍數(shù)，就可以大大減小電抗器的參數(shù)，這樣不僅提高了輸出電壓，而且還改善了系統(tǒng)的功率因數(shù)。

3 系統(tǒng)的均流性能仿真

控制模型采用基于電壓調(diào)節(jié)的主從并聯(lián)控制策略，圖6是電機(jī)突加負(fù)載時(shí)輸出電壓和電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形圖，圖7是電機(jī)調(diào)速過(guò)程中電機(jī)的輸出電壓以及并聯(lián)逆變器的輸出電流。

該控制方案的仿真波形不管是突加減負(fù)載還是電機(jī)調(diào)速的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，系統(tǒng)都能夠很好的實(shí)現(xiàn)均流，而且動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，不到一個(gè)周期就能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出。

并聯(lián)逆變器的調(diào)制采用空間矢量調(diào)制技術(shù)，圖8(a)為主模塊矢量控制計(jì)算得到的參考電壓對(duì)應(yīng)的調(diào)制波。通過(guò)環(huán)流反饋對(duì)調(diào)制波幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，圖8(b)為對(duì)應(yīng)每個(gè)開關(guān)周期的均流控制器輸出的調(diào)節(jié)電壓，其調(diào)節(jié)范圍取占空比的4％。圖8(c)為修正后的逆變器控制電壓對(duì)應(yīng)的調(diào)制波波形。

圖6 電機(jī)突加負(fù)載時(shí)輸出電壓和電流的動(dòng)態(tài)波形

圖7 電機(jī)調(diào)速過(guò)程電機(jī)的電壓和并聯(lián)逆變器的輸出電流

由圖8可以看出，每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)都計(jì)算逆變器之間的環(huán)流大小，當(dāng)逆變器之間環(huán)流超過(guò)限定的幅值后，均流環(huán)輸出的調(diào)整電壓反饋到參考電壓，改變參考電壓的幅值。環(huán)流的最大限值選為電機(jī)額定電流的5％。

圖9(a)為電抗器上的電壓，交流脈沖電壓的周期為0.2 ms，對(duì)應(yīng)頻率為5000 Hz，所以電抗器的電壓頻率為開關(guān)頻率，交流脈沖電壓的幅值為直流母線電壓d。圖9(b)為逆變器1和2之間的一相環(huán)流波形。通過(guò)a和b的對(duì)照可以看出，電抗器依靠產(chǎn)生反向的脈沖電壓，使得環(huán)流的極性發(fā)生改變，從而減小環(huán)流。

圖9 抑制動(dòng)態(tài)環(huán)流的均流電抗器的電壓波形

4 結(jié)語(yǔ)

控制系統(tǒng)中，環(huán)流是單獨(dú)控制的，使得電抗器的參數(shù)可以大大減小。而且其控制周期為開關(guān)周期，使得電抗器的體積大大減小，從而有利于整個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)的體積減小。

[1] 肖嵐, 胡文斌, 蔣渭忠, 嚴(yán)仰光．基于主從控制的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)研究[J]．東南大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 32(1): 133-137.

[2] Heinz Van der Broeck, Ulrich Boeke．A simple method for parallel operation of inverters．IEEE IECON 1998, pp: 143-150．

[3] 黃蕾．并聯(lián)逆變器控制技術(shù)的研究．南京：南京航空航天大學(xué), 2004年．

The Control System for Parallel Operation of Inverters Based on Voltage Regulation

Huang Yuncan1, Ni Wenhao2

(1. Naval Representatives Office in 712 Research Institute, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM464

A

1003-4862（2015）02-0030-04

2014-12-04

黃允燦(1989-),男，助理工程師。研究方向：動(dòng)力電池。