電氣工程及自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)鎖相環(huán)技術(shù)

1、 湖 北 民 族 學(xué) 院 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 學(xué)生姓名： 金鋒 學(xué) 號(hào)： 031040815 系 別： 信息工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 高仕紅 評(píng)閱教師： 論文答辯日期 2014-5-24 答辯委員會(huì)主席 摘 要本論文致力于對(duì)逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的控制技術(shù)的研究。文中以實(shí)際的科研項(xiàng)目為背景,在對(duì)逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的一些運(yùn)行特性和三相鎖相環(huán)進(jìn)行深入地分析和研究的基礎(chǔ)上建立結(jié)構(gòu)圖了逆變,并通過(guò) matlab 中的 simulink 搭建了整個(gè)逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的仿真模型。逆變電源電壓的幅值和相位信息是逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)控制的參考基準(zhǔn),而高性能鎖相環(huán)系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地

2、跟蹤電網(wǎng)瞬態(tài)變化,提取逆變電源正序分量,為逆變電源的并聯(lián)提供參考信號(hào)。因此,鎖相環(huán)系統(tǒng)的研究具有十分重要的實(shí)際意義。本文首先簡(jiǎn)要地介紹了一些逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論與優(yōu)勢(shì)，并介紹了逆變電源并聯(lián)的基本原理，然后從最簡(jiǎn)單的逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)（兩臺(tái)逆變電源）著手對(duì)逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、環(huán)流分量、功率特性以及閉環(huán)特性進(jìn)行了分析，最后提出了在使主從逆變電源的電壓相位一致時(shí)比較困難的問(wèn)題。為了解決上面所提出的問(wèn)題，在逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)中運(yùn)用鎖相環(huán)技術(shù)，并先后討論了鎖相環(huán)的基本原理、三相鎖相環(huán)的原理以及自解耦的三相鎖相環(huán)的基本原理，然后又在自解耦的三相鎖相環(huán)的基本原理上設(shè)計(jì)了自解耦的三相鎖相環(huán)

3、的參數(shù)。最后基于前面的分析搭建了三相鎖相環(huán)和基于主從方式并聯(lián)技術(shù)下逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖并分情況對(duì)其進(jìn)行了仿真與分析，得出了在這種并聯(lián)技術(shù)下，即便系統(tǒng)中的參數(shù)很不平衡也能很好地抑制環(huán)流。關(guān)鍵字：逆變電源，并聯(lián)系統(tǒng)，幅值，相位，鎖相環(huán)abstract this paper concentrates on the study of the control technology of inverter parallel system . text in the context of actual research projects , establishment of structural dia

4、gram of the inverter in a number of operating characteristics and three-phase locked loop inverter parallel system of in-depth analysis and research on the basis of , and through the built in matlab simulink the simulation model of the entire inverter parallel system . amplitude and phase informatio

5、n of the inverter supply voltage is controlled inverter parallel system reference point , and high-performance phase locked loop system can quickly and accurately track the grid transients , power inverter to extract positive sequence component of the inverter providing parallel power reference sign

6、al . therefore, the study of phase-locked loop system has a very important practical significance . this paper begins with a brief introduction to some of the basic theory and advantages of the parallel inverter control technology system and introduces the basic principles of power inverters in para

7、llel , and then from the most simple inverter parallel system ( two power inverter ) begin mathematical model of inverter parallel system , circulation components , power characteristics , and a closed-loop characteristics were analyzed , and finally presented at the main power supply voltage from t

8、he phase inverter consistent difficult problem. to address the issues raised above, in the power inverter parallel system using phase-locked loop technology , and has discussed the basic principles of phase-locked loop , the principle of three-phase phase-locked loop and decoupled from the phase loc

9、ked loop of the basic principle , and then on the basic principles of self- decoupling phase locked loop design phase locked loop since decoupling parameters .finally, based on the above analysis to build a three-phase locked loop based structure of master-slave parallel technology under inverter pa

10、rallel system and its simulation of the situation and analysis obtained in this parallel technique, even very unbalanced system parameters can be well suppressed circulation .keywords: power inverter, parallel system , amplitude, phase , phase-locked loop目 錄摘 要iabstractii1 緒言11.1 課題背景11.2 幾種主要的逆變電源的

11、控制技術(shù)11.3 國(guó)外逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)技術(shù)的特點(diǎn)31.4 課題研究的目的和意義42 逆變電源的并聯(lián)系統(tǒng)的研究與分析52.1 逆變電源并聯(lián)的基本原理52.2 逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型72.3 逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流分析82.4 逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的功率特性102.5 逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)電壓的閉環(huán)特性133 逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)163.1 鎖相環(huán)的基本原理163.2 對(duì)三相鎖相環(huán)的分析183.3 自解耦的三相鎖相環(huán)的基本原理223.4 自解耦的三相鎖相環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)244 三相逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的鎖相環(huán)仿真與分析284.1 三相鎖相環(huán)的仿真與分析284.2 逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的仿真與分析295 總結(jié)

12、與展望35致 謝36參考文獻(xiàn)371 緒言1.1課題背景隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，需要不斷地增加用電設(shè)備，而供電系統(tǒng)的容量、性能和發(fā)展可靠性的要求也越來(lái)越高。今天的電網(wǎng)電能質(zhì)量、電網(wǎng)電壓和頻率普遍惡化。當(dāng)發(fā)生短期用電供應(yīng)中斷和電源浪涌波動(dòng)時(shí)，就有可能會(huì)損壞電氣設(shè)備，造成重大的損失。為了保護(hù)一些關(guān)鍵設(shè)備不受損壞，以逆變電源為核心的電源并聯(lián)系統(tǒng)在很多重要場(chǎng)合使用。多個(gè)逆變電源并聯(lián)運(yùn)行來(lái)擴(kuò)大電源容量是當(dāng)今電源轉(zhuǎn)換的發(fā)展方向之一，它具有單個(gè)逆變電源系統(tǒng)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)：(1)電源采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，可以根據(jù)需要靈活地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)的容量，打破了功率限制。（2）在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)冗余設(shè)計(jì)，可以用來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)中當(dāng)一個(gè)模塊發(fā)生

13、故障時(shí)的安全性，可以靈活地拆卸和更換系統(tǒng)中的其他部件而不影響系統(tǒng)的運(yùn)行。（3）系統(tǒng)可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化地設(shè)計(jì)，這樣可以減少重復(fù)投資。但是，逆變電源與直流電源不同之處在于，逆變電源輸出的是交流電，隨著時(shí)間變化的正弦量包括幅值和頻率兩個(gè)量，所以與直流電源的并聯(lián)相比，逆變電源并聯(lián)更加困難，控制的方法更加復(fù)雜。當(dāng)逆變電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，必須保證每個(gè)逆變電源的輸出振幅和相位一致，否則，逆變電源之間就會(huì)產(chǎn)生環(huán)流，而環(huán)流的存在會(huì)增加開(kāi)關(guān)器件的負(fù)擔(dān)，增大系統(tǒng)的損耗，嚴(yán)重地還可能燒毀功率器件，導(dǎo)致該系統(tǒng)的完全崩潰，因此，在逆變電源的并聯(lián)過(guò)程中，系統(tǒng)可靠地運(yùn)行的關(guān)鍵在于如何抑制環(huán)流。 1.2幾種主要的逆變電源的控制技術(shù) 對(duì)

14、三相逆變電源的控制主要是為了提高它們的輸出電壓的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。其中動(dòng)態(tài)性能表征的是輸出電壓的總諧波失真和負(fù)載在突變時(shí)的響應(yīng)水平，穩(wěn)態(tài)性能表征的是輸出電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)的精度。控制技術(shù)的好壞能夠決定著逆變電源模塊的輸出是否達(dá)到要求，對(duì)逆變電源的并聯(lián)系統(tǒng)的性能和結(jié)構(gòu)有重大的作用?，F(xiàn)在一般常用的幾種逆變電源的控制技術(shù)有：無(wú)差拍控制、數(shù)字pid控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、重復(fù)控制和滑模變結(jié)構(gòu)的控制。下面就簡(jiǎn)單地介紹這幾種逆變電源的控制技術(shù)的性能和優(yōu)缺點(diǎn)。（1）無(wú)差拍控制：這種控制技術(shù)是建立在電路方程的基礎(chǔ)上的，其基本的思想是，把控制參考的輸出正弦波被分成多個(gè)間隔采樣周期，然后根據(jù)每個(gè)采樣周期中的初始值，

15、運(yùn)用電路的知識(shí)計(jì)算出關(guān)于取樣中心對(duì)稱(chēng)的那個(gè)方波脈沖，最后取負(fù)載在取樣周期末尾時(shí)輸出值。假如這個(gè)系統(tǒng)對(duì)于輸出的預(yù)測(cè)非常準(zhǔn)確，那么就說(shuō)明基于無(wú)差拍控制的逆變電源輸出的波形質(zhì)量好，thd（總諧波畸變率）低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)就快。但是無(wú)差拍控制很依賴(lài)精確的數(shù)學(xué)模型，這也造成了這種控制的局限性，當(dāng)實(shí)際情況和理想的模型有差一時(shí)，如果還按照這種方式去做的話就實(shí)現(xiàn)不了無(wú)差拍的效果，甚至還會(huì)造成輸出電壓振蕩，從而使得逆變電源系統(tǒng)不能安全穩(wěn)定地運(yùn)行。（2）數(shù)字pid控制：因?yàn)閿?shù)字pid控制技術(shù)的參數(shù)簡(jiǎn)單，整定方便，調(diào)試容易，控制器的參數(shù)修改起來(lái)方便，因此這種控制技術(shù)在控制領(lǐng)域中被廣泛地運(yùn)用。對(duì)逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)運(yùn)用模擬的p

16、id控制時(shí)，如果僅僅是對(duì)輸出電壓的瞬時(shí)值進(jìn)行反饋，其動(dòng)態(tài)性能就不能讓人滿(mǎn)意，如果負(fù)載是非線性時(shí)，其性能也將會(huì)很差。但是如果是對(duì)輸出濾波電容或電感地電流瞬是值加入反饋，那么系統(tǒng)的性能將會(huì)有較大的改進(jìn)。而就在數(shù)字信號(hào)處理芯片問(wèn)世后，這一問(wèn)題就能夠迅速地得到解決，現(xiàn)在在對(duì)逆變電源進(jìn)行pid控制時(shí)，很多補(bǔ)償措施和控制方法都可以很容易地應(yīng)用于其中。（3）模糊控制：大多數(shù)的電力電子器件及其構(gòu)成的系統(tǒng)是復(fù)雜的，而我們?cè)谶\(yùn)用這些器件和系統(tǒng)時(shí)總是希望能夠得到足夠精確的數(shù)據(jù)或性能，那么在復(fù)雜性和精確性之間就產(chǎn)生了矛盾。模糊控制就能用有效的方式對(duì)復(fù)雜的事物進(jìn)行判斷和處理，從而能夠在精確與簡(jiǎn)潔之間達(dá)到平衡。近幾年來(lái)，

17、人們?cè)絹?lái)越重視模糊控制點(diǎn)電力電子領(lǐng)域中的應(yīng)用。模糊控制,其實(shí)主要指的是模糊pid控制,是為了解決采用傳統(tǒng)pid控制魯棒性差時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題而提出的一種智能控制策略。這種控制是先把輸入的精確值轉(zhuǎn)化成模糊的信息，然后根據(jù)一些專(zhuān)家總結(jié)出來(lái)的語(yǔ)言規(guī)律對(duì)這個(gè)信息進(jìn)行模糊的推理，從推理的結(jié)果中可以確定出當(dāng)前的情況下的參數(shù)是否就是最合適的pid的控制參數(shù)。模糊控制系統(tǒng)像是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的專(zhuān)家，能夠根據(jù)不同的實(shí)際情況的需要來(lái)改變控制器的參數(shù)，這極大地提升了控制系統(tǒng)的魯棒性，同時(shí)也提高了逆變電源系統(tǒng)對(duì)于非線性負(fù)載的適應(yīng)性。（4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是近些年來(lái)興起的一種智能的控制方法。我們知道包括逆變電源系統(tǒng)在內(nèi)

18、的絕大部分系統(tǒng)都或多或少地具有非線性因素，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制不僅在線性系統(tǒng)中適用，而且也適用于非線性的系統(tǒng)，這是其最大的優(yōu)點(diǎn)。參考信號(hào)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的信號(hào)想結(jié)合就形成了控制逆變電源的輸入信號(hào)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)從需要獲得的實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)的各種實(shí)例，其中包括在線性負(fù)載的情況下的學(xué)習(xí)和在非線性負(fù)載情況下的學(xué)習(xí)，選擇其中一種學(xué)習(xí)算法，運(yùn)用已經(jīng)獲得的實(shí)例，并通過(guò)離線學(xué)習(xí)得到系統(tǒng)最優(yōu)的控制規(guī)律，然后在實(shí)際的系統(tǒng)中運(yùn)用這一規(guī)律，這樣就實(shí)現(xiàn)了在線控制。因?yàn)樵诓灰蕾?lài)系統(tǒng)模型的情況下就可以獲得這一控制規(guī)律，并且各種情況都包括在這些學(xué)習(xí)實(shí)例中，所以系統(tǒng)的魯棒性特別強(qiáng)，而且對(duì)于各種負(fù)載情況（線性或非線性）都適用，但是實(shí)現(xiàn)這

19、種控制技術(shù)相對(duì)于其他的控制技術(shù)要復(fù)雜一些。（5）重復(fù)控制：這種控制技術(shù)利用的原理是：將作用于系統(tǒng)外的信號(hào)輸入控制器內(nèi)部，這樣就可以構(gòu)成精度較高的反饋控制系統(tǒng)。由于整流橋的負(fù)載的存在，從而會(huì)使輸出電壓的波形發(fā)生周期性的失真，而在逆變電源中運(yùn)用重復(fù)控制就可以解決這一問(wèn)題。重復(fù)控制的思想是：假設(shè)輸出電壓波形的失真的前一控制周期再次發(fā)生在同一時(shí)間的下一個(gè)周期，該控制器可以基于輸出電壓的反饋信號(hào)與參考信號(hào)之間的誤差來(lái)得到所需要的矯正信號(hào)，當(dāng)下一個(gè)基波周期到來(lái)時(shí)，在原來(lái)的控制信號(hào)上疊加這個(gè)矯正信號(hào)，從而解決了輸出電壓發(fā)生周期性失真的問(wèn)題。從上面的分析可以看出重復(fù)控制技術(shù)可以消除由周期性的失真而帶來(lái)的穩(wěn)態(tài)誤

20、差，然而由于重復(fù)控制的周期頻率控制特性的延遲，造成了在單獨(dú)運(yùn)用重復(fù)控制時(shí)逆變電源的極差的動(dòng)態(tài)特性，從而達(dá)不到逆變電源所要求的性能指標(biāo)。總而言之，由于控制理論的快速發(fā)展，逆變電源控制技術(shù)正在朝著智能化，全數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的反向發(fā)展，逆變電源控制技術(shù)進(jìn)行著一次巨大的飛躍。1.3國(guó)外逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)技術(shù)的特點(diǎn)目前，世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)，日本，荷蘭和法國(guó)，這些國(guó)家的逆變器公司在并聯(lián)逆變電源控制技術(shù)方面做了很多工作。國(guó)外的逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)控制技術(shù)主要有一下特點(diǎn)：(1)采用高頻鏈接結(jié)構(gòu)技術(shù) 為了提高逆變電源的性能，并且降低逆變電源模塊的體積，采用高技術(shù)，減少逆變器中的工頻變壓器，從而使得整個(gè)器件的體積和

21、重量大大減小，而且節(jié)約了成本，使器件趨于簡(jiǎn)單化。（2）使用新的逆變電源控制技術(shù)逆變模塊在以往的研究集中于使用新型的高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)備和spwm控制，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)其輸出波形失真得到抑制和改善負(fù)載適應(yīng)性的目的，新的功率開(kāi)關(guān)器件技術(shù)逐漸成熟之后，為了進(jìn)一步提高逆變器的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，相應(yīng)地提出了一些新的控制方法，如基于瞬時(shí)電壓前饋控制電流控制、滯環(huán)電流控制、無(wú)差拍控制等等。這些新的控制方法主要是提高逆變器的各項(xiàng)性能指標(biāo)。（3）使用數(shù)字化控制技術(shù) 為了提高系統(tǒng)的性能和實(shí)現(xiàn)并聯(lián)逆變電源的復(fù)雜算法，逆變電源的控制最好多采用數(shù)字化控制方案，如應(yīng)用微控制器或者數(shù)字信號(hào)處理器的dps完成系統(tǒng)的檢測(cè)、運(yùn)算和

22、控制。 提高變流電路的效率和性能的關(guān)鍵之處在于先進(jìn)的控制技術(shù)，常規(guī)的技術(shù)主要是采用模擬控制，用模擬量控制參數(shù)隨溫度的變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的漂移，導(dǎo)致經(jīng)常需要人為地調(diào)整控制參數(shù)。與這不同的是，數(shù)字控制器系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)化的硬件電路，成本低，可靠性高；控制軟件靈活，變化很是容易；改進(jìn)了信息存儲(chǔ)、監(jiān)控、診斷和分級(jí)控制能力；微處理器芯片的計(jì)算速度和存儲(chǔ)容量的不斷提升，使得高性能算法和復(fù)雜的控制策略有了實(shí)施的可能。國(guó)內(nèi)一些單位也正在研究這一技術(shù)，并取得了一些成果，但還沒(méi)有出現(xiàn)國(guó)內(nèi)的系列產(chǎn)品，主要是以合資的形式投放市場(chǎng)，因此，在逆變電源并聯(lián)和交流電控制策略還需要進(jìn)一步深入的研究，在理論方面需要付出更大的努

23、力，做很多的工作。1.4課題研究的目的和意義實(shí)現(xiàn)多個(gè)逆變電源的并聯(lián)系統(tǒng)，可以滿(mǎn)足不同負(fù)載功率和可靠性的要求。交流電源系統(tǒng)從傳統(tǒng)的集中式供電向分布式供電乃至全功能電源系統(tǒng)供電模式發(fā)展過(guò)程中必須解決的一個(gè)重要技術(shù)就是逆變電源的模塊化及其并聯(lián)技術(shù)?，F(xiàn)在，使用特種電源供電的設(shè)備越來(lái)越多，而采用逆變電源并聯(lián)供電，可以改善電能質(zhì)量問(wèn)題，提高供電的效率，并且還可以防止供電污染。據(jù)相關(guān)信息表明，逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)在國(guó)外發(fā)展有相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，但仍有許多不足之處。在我國(guó)，對(duì)于逆變器和電力控制技術(shù)的研究開(kāi)始得很晚，近幾年來(lái)，許多研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)也開(kāi)始研究這一領(lǐng)域，所以，對(duì)逆變電源的并聯(lián)技術(shù)的研究具有深遠(yuǎn)的社會(huì)影響和社

24、會(huì)效益。而在并聯(lián)逆變電源系統(tǒng)中，電壓的瞬時(shí)相位信息是實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率和有功功率計(jì)算、功率器件通斷控制以及各種參考坐標(biāo)之間變換的基準(zhǔn)。因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)的電壓的幅值和相位跟蹤，鎖相環(huán)技術(shù)的研究就顯得非常重要。 2 逆變電源的并聯(lián)系統(tǒng)的研究與分析2.1逆變電源并聯(lián)的基本原理由于交流電源供電系統(tǒng)組成了逆變電源并聯(lián)模塊，其輸出的是交流信號(hào)，因此逆變電源的并聯(lián)要比直流的并聯(lián)運(yùn)行要復(fù)雜很多。要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或更多個(gè)逆變電源的并聯(lián)運(yùn)行，不僅需要其輸出電壓幅值趨于相等，并且需要輸出電壓的頻率和相位也要趨于相同，即： （2.1）式中: ，分別為待并的逆變電源的輸出電壓幅值,頻率,相位；， 分別為待并的逆變電源的輸出電

25、壓幅值，頻率，相位。當(dāng)并聯(lián)的每個(gè)逆變電源輸出的振幅，頻率和相位相等時(shí)，即電壓差值為零時(shí)，這些逆變電源處于理想狀態(tài)下的并聯(lián)工作。然而，在實(shí)際的逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)中，特別是經(jīng)常因改變電路參數(shù)和負(fù)荷控制系統(tǒng)的內(nèi)在差異，或者因?yàn)槠渌厥鈫?wèn)題，相應(yīng)的逆變電源之間的輸出電壓的瞬時(shí)值常常是不完全相等的，因此，必然會(huì)存在一定的電壓差，從而在逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生環(huán)流，這個(gè)環(huán)流會(huì)對(duì)每個(gè)逆變電源的器件和輸出濾波都有一定的破壞作用。因此，對(duì)于逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的運(yùn)行，必須分析和解決所有逆變電源的輸出電壓的幅值，頻率和相位的同步問(wèn)題。以下是對(duì)兩個(gè)逆變模塊的并聯(lián)運(yùn)行情況進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。圖2.1 兩臺(tái)逆變電源并聯(lián)運(yùn)行的等效電

26、路圖中:vl,v2代表兩個(gè)逆變電源的輸出pwm波形的基波電壓;l1c1,l2,c2分別代表兩個(gè)逆變電源的輸出濾波器;z為負(fù)載。根據(jù)上圖所示，參考文獻(xiàn)可以列出基本方程： （2.2） （2.3） （2.4） （2.5） （2.6） （2.7）當(dāng)c1=c2=c,l1=l2=l時(shí)，上述式子可以化簡(jiǎn)為： （2.8） （2.9） （2.10） （2.11） （2.12）根據(jù)上面的式子可以推出： （2.13） （2.14）由此可以看出，兩個(gè)逆變電源的輸出電流由兩部分組成，一部分是負(fù)載的電流分量，另外一部分是環(huán)流分量。其中負(fù)載得電流分量總是平衡的（當(dāng)輸出濾波器是相同時(shí)），但是逆變電源輸出電流的環(huán)流量這一部分的

27、存在使得總的輸出電流量不相同。當(dāng)v1，v2的相位相同時(shí)，電壓低的環(huán)流分量為感性，電壓高的環(huán)流分量為容性。當(dāng)v1，v2的幅值相等時(shí)，相位超前的環(huán)流分量輸出的是有功功率，相位滯后的環(huán)流分量吸收的是有功功率。當(dāng)v1，v2的相位不相同，它們的幅值也不相等時(shí)，其環(huán)流分量中既有用功部分，也有無(wú)功部分。根據(jù)上面的分析，要實(shí)現(xiàn)逆變電源的并聯(lián)運(yùn)行需要重點(diǎn)解決一下一些問(wèn)題：（1）為了使并聯(lián)運(yùn)行的每個(gè)逆變電源輸出的有功功率相等，它們輸出的電壓的頻率和相位必須要嚴(yán)格一致，即使在相同的頻率下，并聯(lián)系統(tǒng)的逆變電源輸出的有功功率也會(huì)受到微小的相位差帶來(lái)的影響從而使得有功輸出嚴(yán)重不平衡，在某些特殊情況下，一度的相位差可能會(huì)引

28、起百分之五十的功率差異。在相位差很大或者功率較小的情況下，一些逆變電源甚至?xí)蛰敵龆说碾姽β?，即運(yùn)行在整流態(tài)。（2）在每個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的逆變電源輸出電壓的頻率和相位完全一致后，如果輸出的電壓的幅值不相同，則輸出電流將包含環(huán)流的無(wú)功分量，使每個(gè)逆變電源輸出電流增大，影響較小的會(huì)增加運(yùn)行消耗，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致逆變電源的過(guò)載或者過(guò)電流保護(hù)電流被觸發(fā)而動(dòng)作，使得逆變電源的工作不正常。（3）由于逆變電源輸出的是正弦的電源值和電流值，因此若要使用快速的電壓電流檢測(cè)和控制技術(shù)來(lái)使得各個(gè)逆變電源輸出的電壓和電流相同，就沒(méi)有直流電源的同樣的控制那么容易。2.2逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型根據(jù)上面的分析可以得到，阻性是逆

29、變電源并聯(lián)模塊系統(tǒng)的連接線表現(xiàn)出來(lái)的主要性質(zhì)，因此2個(gè)spwm并聯(lián)的逆變電源等效的電路可以如下圖所示：圖2.2逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)等效電路圖中的, 是等效電路的線路阻抗和電感內(nèi)阻，u1，u2為spwm逆變電源輸出的電壓。，是濾波器的電容和電感，是負(fù)載電阻。若令：x= （2.15）u= （2.16）設(shè)：a= （2.17）根據(jù)上圖可以分析得到逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的狀態(tài)方程是： （2.18）其中：a= （2.19）b= （2.20）2.3 逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流分析逆變器并聯(lián)體系中的環(huán)流是由每個(gè)逆變電源的輸出特性之間存在差異而產(chǎn)生的。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們可以假設(shè)在圖1.2中的兩臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的逆變電源的容量相同，

30、當(dāng)它們處于靜態(tài)狀態(tài)下，輸出電壓u11和u22都為標(biāo)準(zhǔn)正弦，若不考慮濾波波形失真的影響，根據(jù)圖1.2分析可知： （2.21） （2.22） （2.23）即： （2.24）定義環(huán)流為： （2.25）若r1=r2=r且rrl，則上面的式子可化為： （2.26）聯(lián)合上面的兩個(gè)式子可得環(huán)流： （2.27）有由于：則有 （2.28） （2.29）由上面的式子可以看出，由于r是線路阻抗，它的值很小，當(dāng)兩個(gè)逆變電源的輸出電壓矢量和的相位及幅值存在一些差值時(shí)，就會(huì)在每個(gè)逆變電源的輸出端產(chǎn)生較大的電流，這個(gè)電流的大部分不流通負(fù)載而是在電源之間形成環(huán)流。如下圖所示為兩個(gè)逆變電源并聯(lián)時(shí)的電壓和電流矢量分析。圖2.3

31、并聯(lián)時(shí)電壓電流矢量圖圖中是負(fù)載的功率因數(shù)角，1和2分別是，與的相位差，則與的相位差是=1+2。根據(jù)矢量圖可一看出，當(dāng)與之間有相位的差異或者幅值不相等時(shí)，都產(chǎn)生電壓差值。在分析時(shí)我們可以取u0=220v,f=50hz,rl=4(純阻性),r=0.02,則根據(jù)和的幅值或者相位之間存在差值而產(chǎn)生的電壓差與每個(gè)逆變電源的輸出電流及產(chǎn)生的環(huán)流之間的關(guān)系可以分析如下：（1）當(dāng)負(fù)載電流穩(wěn)定不變時(shí)，每個(gè)逆變電源輸出的電流幅值和環(huán)流將會(huì)隨著相位差=1+2的變大而呈非線性上升的趨勢(shì)。（2）當(dāng)=1+2變化時(shí)，逆變電源的輸出的電流的相位將會(huì)大大地變化，這樣將會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)逆變電源輸出的等效負(fù)載表現(xiàn)為容性或者感性，并且功率

32、因數(shù)非常低。（3）兩個(gè)逆變電源并聯(lián)運(yùn)行后，每個(gè)電源的輸出電流含有兩個(gè)分量，一個(gè)分量是給負(fù)載提供的電流，另外一個(gè)分量是這兩個(gè)電源之間的環(huán)流，環(huán)流的相位和幅值僅僅是由電壓差決定的，而跟負(fù)載的大小沒(méi)有關(guān)系。環(huán)流的大小和相位也使得每個(gè)電源的輸出功率存在差異，例如在逆變電源1中，環(huán)流可以被看作是兩個(gè)相互垂直的電流矢量合成的，其中一個(gè)分量是與的方向相同的，這個(gè)分量在電感內(nèi)阻，線路阻抗和功率管壓降上都消耗了有功功率，另外一個(gè)分量是與垂直的，這個(gè)分量在電源之間以無(wú)功功率的形式傳送，這無(wú)疑增大了功率器件和輸出過(guò)濾器等的電應(yīng)力，當(dāng)這個(gè)分量很大時(shí)，逆變電源將不能正常工作。因此，對(duì)于環(huán)流必須抑制，應(yīng)該對(duì)其采用均流的控

33、制策略。2.4逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的功率特性逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)包含了并聯(lián)的每個(gè)逆變電源模塊和連接到ac線路上的負(fù)載，并聯(lián)系統(tǒng)的工作原理圖如下圖所示：圖2.4 逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)工作原理圖通常，每個(gè)模塊和電網(wǎng)總線之間存在著線路阻抗zline。系統(tǒng)在實(shí)際的電路中，由于線路電阻r要比wl大得多，因此，在大多數(shù)情況下，對(duì)于逆變電源的并聯(lián)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，線路阻抗zline呈電阻性，而不能簡(jiǎn)單地用電感去替代。逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的并行構(gòu)成有較大的差異主要表現(xiàn)在：（1）電網(wǎng)中的同步發(fā)電機(jī)的輸出阻抗要比并聯(lián)運(yùn)行的逆變電源的輸出阻抗大得多，因此前者有一個(gè)輸出下垂特性而自動(dòng)使得電流均衡。（2）當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的在

34、對(duì)外輸出功率時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速有降低的趨勢(shì)，而逆變電源就不會(huì)又這種類(lèi)似的功能。（3）由于同步發(fā)電機(jī)采用的控制是勵(lì)磁電流控制，這使得電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較緩慢，電壓控制的帶寬變窄，而逆變器的電壓控制具有高帶寬的特性。（4）在大部分情況下，連接同步發(fā)電機(jī)的電纜是感性的，而逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的互連線在多數(shù)情況下呈現(xiàn)出阻性。綜合以上的分析可知逆變電源的并聯(lián)系統(tǒng)的工作特性要比傳統(tǒng)的電網(wǎng)系統(tǒng)更加復(fù)雜，更加難以控制。交流供電的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，輸出的電壓的頻率與相位有可能自行同步，但是當(dāng)我們使用功率開(kāi)關(guān)器件的spwm逆變器時(shí)，就沒(méi)有這種自行同步的能力，而要使逆變器自同步，就需要在并聯(lián)時(shí)實(shí)現(xiàn)其控制方法上的電壓同步與電流均衡

35、?，F(xiàn)以?xún)蓚€(gè)逆變電源向同一個(gè)負(fù)載供電進(jìn)行分析，如下圖所示：圖2.5 向同一負(fù)載供電的2臺(tái)逆變電源 矢量圖圖中x是線路的阻抗，u0是主逆變電源的電壓。逆變器1向負(fù)載提供的復(fù)功率是：s1=p1+jq1=u0輸出電流是： （2.30）故 （2.31）根據(jù)上面的式子可以得到輸出的有功功率和無(wú)功功率分別是： （2.32） （2.33）對(duì)于普通的逆變電源來(lái)說(shuō)，輸出電壓和系統(tǒng)電壓之間的相位差異很小，因此可以寫(xiě)成，令u1=k1u0，則有： （2.34） （2.35）又令u1=k2u0，同理可得逆變器2的輸出功率為： （2.36） （2.37） 由上面的式子可以得出，逆變電源輸出的有功功率主要由功率角與決定，輸出

36、的無(wú)功功率主要由輸出的電壓的幅值決定，所以當(dāng)我們需要控制無(wú)功功率時(shí)，可以通過(guò)改變逆變電源的輸出電壓幅值來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)需要改變有功功率時(shí)，可以通過(guò)改變相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.5 逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)電壓的閉環(huán)特性當(dāng)逆變電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，每個(gè)電源輸出的是瞬間交變的電壓，因此即使在穩(wěn)態(tài)時(shí)電源輸出的電壓的幅值，頻率及相位相同，但由于每個(gè)電源的電路參數(shù)不能完全一致，并且整個(gè)系統(tǒng)容易受到外界的干擾，又或者負(fù)載發(fā)生變化，使得這些電源的動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程不能完全相同，從而不可避免地形成了瞬時(shí)的電壓差，從而在電源之間產(chǎn)生了環(huán)流。運(yùn)用電壓閉環(huán)控制技術(shù)可以有效地抑制環(huán)流量，但是運(yùn)用穩(wěn)壓逆變電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，由于這種電源的閉環(huán)控制帶有電壓反

37、饋，使得電源的輸出特性、負(fù)載電流的分布以及環(huán)流的情況都比不穩(wěn)定的開(kāi)環(huán)控制的情況要更加惡化，導(dǎo)致這種情況的原因是：逆變電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，因?yàn)槊總€(gè)電源的輸出電壓存在一定的差異，從而在電源之間產(chǎn)生了環(huán)流，每個(gè)逆變器的控制器會(huì)將檢測(cè)到的并聯(lián)電網(wǎng)電壓作為其輸出電壓，當(dāng)主逆變電源的電壓較低時(shí)，控制器將認(rèn)為是自己的電源模塊的輸出電壓太低而增加其控制量，使得該逆變電源的輸出電壓增大，這樣就會(huì)進(jìn)一步增加主從逆變電源之間的電壓差值,因?yàn)橹髂孀冸娫吹碾妷菏怯卸嗯_(tái)逆變電源共同作用的結(jié)果，因此存在于每個(gè)電源之間的輸出電壓差異就會(huì)進(jìn)一步增大，從而使閉環(huán)控制中產(chǎn)生的環(huán)流比開(kāi)環(huán)控制的環(huán)流要大得多。相反，主逆變電源的電壓較大時(shí)，

38、逆變器也會(huì)發(fā)生類(lèi)似的誤調(diào)節(jié)。下面將會(huì)對(duì)兩個(gè)并聯(lián)的逆變電源進(jìn)行閉環(huán)特性分析。圖2.6 逆變電源并聯(lián)運(yùn)行的閉環(huán)模型如上圖所示為逆變電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的閉環(huán)模型，圖中的g1，g2是每個(gè)逆變電源的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)，g3，g4輸出電壓和環(huán)流的綜合傳輸比。假設(shè)并聯(lián)前u22略小于u11，則并聯(lián)時(shí)有u22u0u11，每個(gè)逆變電源的電壓反饋調(diào)節(jié)過(guò)程為：（1） u0u11（ug1uf1）0（ug1uf1）u11（2） u22u0（ug2uf2）0（ug2uf2）u22由此可以推出當(dāng)u增大時(shí)，環(huán)流ih也增大。顯然，這會(huì)使高輸出電壓變得更高，低輸出電壓變得更低，從而增加了彼此之間的環(huán)流，并且可能會(huì)進(jìn)一步惡化。因此逆變電源并聯(lián)

39、時(shí)，電壓的反饋調(diào)節(jié)不能太快，并且還要限制在一定的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，同時(shí)為了確保并聯(lián)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，還要增加無(wú)功功率平衡控制。根據(jù)圖2.2和圖2.6可推出，當(dāng)r1=r2=r時(shí)有 （2.38） （2.39）當(dāng)兩個(gè)逆變電源的調(diào)節(jié)特性相同（即hv1=hv2=hv，g1=g2=g）時(shí)有： （2.40） （2.41） （2.42） （2.43） （2.44） （2.45）圖2.7帶環(huán)流抑制的逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)模型如上圖所示為添加了抑制環(huán)流的控制策略后的逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)模型，則在hv1=hv2=hv，g1=g2=g的情況下有： （2.46） （2.47） （2.48） （2.49）這樣可以得到： （2.50） （

40、2.51）如果使2gg4gi遠(yuǎn)大于1，則可以得到遠(yuǎn)小于ih。由此可得，當(dāng)加入了抑制環(huán)流的環(huán)節(jié)后，并聯(lián)電網(wǎng)的電壓特點(diǎn)發(fā)生改變,但是可以很好地抑制環(huán)流。3 逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)在逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)中，瞬時(shí)相位信息是實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓的通斷控制器、有功功率和無(wú)功功率計(jì)算的前提，同時(shí)也是各種參考坐標(biāo)之間變換的基準(zhǔn)。準(zhǔn)確快速地訪問(wèn)主逆變電源的電壓相位是確保整個(gè)系統(tǒng)擁有良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能的先決條件。因此在逆變器的控制算法中，為了確保每個(gè)逆變電源輸出電壓的相位一致，鎖相環(huán)是必然要使用到的。3.1鎖相環(huán)的基本原理鎖相環(huán)其實(shí)是一個(gè)對(duì)相位進(jìn)行反饋的控制系統(tǒng)，它不僅能夠?qū)︻l率穩(wěn)定的輸入信號(hào)進(jìn)行跟蹤，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)頻

41、率變化的輸入信號(hào)的跟蹤控制，并且跟蹤速度和精度還很高。 圖3.1電壓輸入與輸出 圖3.2相位輸入與輸出如上圖所示，假設(shè)鎖相環(huán)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)都是正弦電壓信號(hào)，分別為: 上式中為輸入電壓的振幅，為輸入電壓的角頻率，為輸入電壓的初相位；為輸出電壓的振幅，為輸出電壓的角頻率，為輸出電壓的初相位。圖3.3輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的相位關(guān)系如上圖所示為輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間相位的關(guān)系的矢量圖，圖中的表示信號(hào)的瞬時(shí)瞬時(shí)相位差，由圖可以得到： (3.1)我們先假定壓控振蕩器的角頻率和輸出信號(hào)角頻率相同為，那么輸入信號(hào)的瞬時(shí)相位就是 (3.2)設(shè)鎖相環(huán)的固有頻率為,令則根據(jù)上面的式子可以得到： (3.3)同理可

42、以令輸出信號(hào)的瞬時(shí)相位是： (3.4)綜合上面的式子可以得出相位差的表達(dá)式是： （3.5）那么輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間的瞬時(shí)頻率差是： （3.6）圖3.3輸入信號(hào)與輸出信號(hào)新的相位關(guān)系如上圖所示，當(dāng)為零是，系統(tǒng)處于鎖定的狀態(tài)，以相同的角速度旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)向量之間的夾角總是恒定的。當(dāng)不為零時(shí)，兩個(gè)矢量之間的角度會(huì)不斷增加，從而導(dǎo)致系統(tǒng)失鎖。因?yàn)樵谖覀兊纳钪?，三相的電壓是最常?jiàn)的，那么下面就三相鎖相環(huán)進(jìn)行分析。三相鎖相環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)相位誤差負(fù)反饋系統(tǒng)，傳統(tǒng)的反饋系統(tǒng)所反饋的是電壓或者電流信號(hào)，與這不同的是，鎖相環(huán)反饋系統(tǒng)反饋的是相位信號(hào)。圖3.5三相鎖相環(huán)的基本原理圖鑒相器pd將系統(tǒng)的輸出信號(hào)的相位與三

43、相輸入電壓的瞬時(shí)相位進(jìn)行比較后，得到一個(gè)相位誤差信號(hào)，并將這個(gè)信號(hào)送到低通濾波器lf。低通濾波器對(duì)相位誤差信號(hào)進(jìn)行低通濾波,以消除高頻及噪聲干擾,并輸出頻率控制信號(hào)給數(shù)控振蕩器nco。數(shù)字振蕩器將頻率控制字進(jìn)行累加，輸出跟蹤相位。當(dāng)三相輸入電壓的瞬時(shí)相位與輸出相位之間的誤差輸出相位為0時(shí)，環(huán)路濾波器就會(huì)輸出一個(gè)穩(wěn)定的頻率控制信號(hào)，也就是說(shuō)，角頻率恒定的數(shù)控振蕩器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的跟蹤和對(duì)相位的鎖定，輸出相位就為三相輸入電壓得瞬時(shí)相位。3.2對(duì)三相鎖相環(huán)的分析三相電壓可以變換成三維空間中的正交矢量，即： （3.7） （3.8） （3.9） （3.10）圖3.6三相電壓在三維空間中的電壓矢量圖如上圖

44、所示為三相交流電壓在三維空間中的電壓矢量圖。將三相交流電壓投影到與垂直的二維平面上，如下圖所示：圖3.7三相電壓在平面上的投影令三相電壓， ，分別為： （3.11） （3.12） （3.13）式中的是瞬時(shí)值，是電壓幅值，是中心角頻率。令，則有： （3.14） （3.15） （3.16）根據(jù)上面的式子可得： （3.17）假設(shè)有這樣一個(gè)矩陣，使得 （3.18）根據(jù)線性代數(shù)的知識(shí)可以求得矩陣 （3.19）則有： （3.20）這樣就將三相電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系中，這種變換稱(chēng)之為clark變換。圖3.8 旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系和靜止的坐標(biāo)系之間的關(guān)系圖我們可以假設(shè)存在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的二維坐標(biāo)系dq，如上圖所示。d

45、q坐標(biāo)系是按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的，其角速度為，坐標(biāo)系是固定的。假設(shè)在某一時(shí)刻d軸與軸的夾角是，則有=t。將在旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系下的電壓空間矢量表示為，在坐標(biāo)系下時(shí)表示為，則有： （3.21） （3.22） （3.23） （3.24） （3.25） （3.26）根據(jù)上面的式子可得： （3.27） （3.28）上面的式子中旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo)系被變換到靜止的兩相坐標(biāo)系中，這種變換稱(chēng)為park變換。假設(shè)逆變電源電壓空間矢量按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)角速度是，若=，電壓空間矢量和旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系能夠保持同步，那么電壓矢量在坐標(biāo)系中d軸和q軸的分量為一個(gè)定值，其變換過(guò)程如下： （3.29）式中 （3.30） （3.31）當(dāng)和的差值很小時(shí)，則sin（）與近似相等，因此可以將dq坐標(biāo)系中q軸的分量來(lái)表示相位差，也就是說(shuō)，我們可以運(yùn)用park變換和clark變換來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鎖相環(huán)輸出的電壓相位和輸入的三相電壓瞬時(shí)相位之間的鑒相功能。環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)是： （3.32）式中是控制器的比例系數(shù)，是控制器的積分系數(shù)，且=kp?？刂破鞯妮敵隹刂菩盘?hào)與輸入誤差之間的關(guān)系是： （3.33）下面簡(jiǎn)單地介紹三相鎖相環(huán)中數(shù)控振蕩器的基本原理：環(huán)路濾波器輸出的頻率控制字被數(shù)控振蕩器累加，當(dāng)被累加到時(shí)將會(huì)被清零，然后又開(kāi)始累加，這樣就可以跟蹤輸