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ISOP逆变器系统的有功功率调节控制策略研究.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.59M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn ISOP 逆变器系统的有功功率调节控制策略 研究# 何玮，方天治，王健** 5 （南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室，南京 210000） 10 摘要：本文介绍了输入串联输出并联(ISOP)逆变器系统的结构和控制策略，这是由多个逆变 器模块在输入侧串联和输出侧并联组成，适用于高电压输入及大电流输出的场合。本文提出 了一种新的控制策略，以实现该逆变器系统输入均压和输出均流的控制目标。当 ISOP 逆变 器系统的各模块输入不均压时，该控制策略具有更优调节速度。同时，提出了一种新的分布 式架构，各模块仅通过输出电压基准同步母线、输入均压母线和平均电流母线进行相互通信， 使每个模块都成为可独立工作的标准模块，实现了真正的模块化。 关键词：电力电子与电力传动；逆变器；输入串联输出并联；输入均压；输出均流；分布式 中图分类号：TM464 15 Research on the Active Power Control Scheme of the ISOP Inverter System HE Wei, FANG Tianzhi, WANG Jian (Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion College of Automatic 20 25 30 paper presents the and control configuration Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210000) strategy Abstract: This for input-series-output-parallel(ISOP) connected inverter system, which consists of multiple inverter modules connected in series at the input sides and parallel at the output sides, The proposed configuration is suitable for high input voltage and high output current applications.The objective of the system is input voltage sharing (IVS) and output current sharing (OCS). To achieve this goal, a new control strategy is put forward and it has the superior regulation speed when the input voltages of the constitute modules of the ISOP inverter system are not shared.At the same time, a new solution dedicated to distributed configuration is proposed. All inverters communicate with each other only through the output voltage reference synchronous bus, input voltage sharing bus and average current bus, so that each module can work independently and achieve fully modularity. Key words: Power electronics and power drive; Inverter; Input-series-output-parallel(ISOP); Input voltage sharing(IVS); Output current sharing;distributed 35 0 引言 随着电力电子技术的高速发展，人们对电能变换装置的要求越来越高。许多高直流输入 电压的应用场合，对后级逆变电源器件的选取提出了严峻的挑战，例如船舶供电系统中电源 电压有的采用直流 850~1250V[1]，高速电气铁路中直流母线电压高达 2160~2600V[2]，此时使 用单个逆变器难以实现要求。而输入串联型逆变器系统非常适用于上述应用场合，其具有如 下优点：(1)输入端采用串联结构，降低了单个模块开关器件的电压应力，从而便于选择合 适的开关器件；(2)降低了单个模块的功率等级，大大缩短研发周期，易于模块化[3-5]。 40 基金项目：2011 教育部高等学校博士学科点专项科研基金(20113218120015) 作者简介：何玮（1992-），女，硕士研究生，主要研究方向：逆变器、电力电子系统集成 通信联系人：方天治（1977 年-），男，副教授，主要研究方向：逆变器、电力电子系统集成. E-mail: fangtianzhi@126.com - 1 -
    45 50 55 60 65 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 输入串联输出并联(ISOP)逆变器系统特别适用于高压直流输入、大电流交流输出的应用 场合，保证系统稳定工作的关键是确保系统中各个模块输入均压(IVS)和输出均流(OCS)。相 对于直流电源的并联，逆变器的并联需要考虑输出电压幅值、频率、相位、相序和波形等参 数的一致性[6]。文献[3]针对输入串联型逆变器系统提出复合式控制的思路，实现其输入均压 和输出均流的控制目标。针对 ISOP 逆变器系统，文献[5]从复合式控制的一个方面入手，控 制各模块输入均压的同时引入乘法器以实现各模块输出电感电流相位相同，最终实现输出均 流。文献[7]则从复合式控制的另一方面入手，在控制各模块输入均压的同时引入等幅值移相 单元以保持各模块输出电感电流幅值相同，最终实现输出均流。 本文提出一种新的控制策略，即控制各模块输入均压的同时调节输出有功功率，以达到 输出均流。此外，本文还提出了一种分布式架构，将控制电路分散到各个模块中，使各模块 成为即可单独工作，又可组合成系统的标准模块，实现了模块化。 1 分布式控制策略 图 1 给出了由 n 个模块组成的 ISOP 逆变器系统。 图 1 ISOP 逆变器系统 Fig.1 ISOP inverter system. 假设逆变器系统中的每个模块的功率传输效率为 100%，根据能量守恒原理可得： Pinj = Vinj·Iinj = Vo·ILfj·cosφj = Poj ， j=1,2,…,n (1) 其中 Cd1~Cdn 为各模块的输入分压电容，Vinj 为各模块的输入分压电容两端电压，Iinj 为各模 块的输入电流, ILfj 为各模块的输出电感电流有效值，Vo 为系统的输出电压有效值，φj 为各 模块电感电流与系统输出电压的夹角，Pinj 为各模块的输入功率，Poj 为各模块的输出有功功 率。 由于串联系统需要隔离，故单模块的主电路采用前级 DC-DC，后级 DC-AC 的两级式结 构，如图2所示。文献[8]提出了一种输入均压结合输出同角度的控制策略。它由输出电压外 环、输入均压环和电流内环组成。该控制策略中所有模块共用一个电压外环，因此它属于集 中式控制。而本文的主要目的是将控制环路分散到各个模块中去，即实现系统的分布式控制， 从而提高系统的可靠性，实现真正的模块化。 图 2 ISOP 逆变器系统的两级式拓扑结构 Fig.2 The two-stage topology of ISOP inverter system. - 2 - …VinZvoCd1Cd2CdnIinIin1Iin2Iinnio1io2ionioVcd1Vcd2VcdnIc1Ic2IcniLf1iLf2iLfnCf2Cf1CfnLf1Lf2Lfnicf1icf2icfn
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 3 给出了 ISOP 逆变器系统的分布式控制策略。系统中各模块的控制电路通过输出电 压基准母线、输入均压母线和平均电流母线连接，输出电压基准母线给各模块提供输出电压 参考信号，输入均压母线给各模块提供均压参考信号，平均电流母线给各模块提供电流内环 给定信号。 70 图 3 ISOP 逆变器系统的分布式控制策略 Fig.3 Distributed control strategy for ISOP inverter system. 在这种分布式架构中，每个逆变器模块都有独立的控制环路，包括输出电压环，输入均 压环和电流内环。将系统中的输出电压外环的输出信号 igj 取平均，得到平均电流给定信号 iref 以形成平均电流母线，该母线信号被引入各模块作为初始电流给定信号；电流内环将电 感电流作为反馈量，能够改善系统的动态性能，还可限制输出电流，保证电路安全；输入均 压环将各模块的输入电压采样信号通过精密电阻连接到同一点以形成输入均压母线，其中各 模块输入均压环的输出信号 ivcdi 为直流误差信号，它与输入电压基准信号 vref（交流信号）、 输入电压基准信号调节系数 Kv 相乘得到与输入电压基准信号 vref 同相位的正弦误差信号 iadji ，即： 75 iadji =ivcdi·vref ·Kv (2) 此正弦误差信号与每个逆变器模块的电流内环的给定信号 iref 叠加，得到其输出信号 irefi，即： irefi =iref + iadji (3) 80 此输出信号可以有效地跟踪各逆变器模块的电感电流 iLfi 。因此，可以等效为正弦误差信号 iadji ，同时调节各模块电感电流 iLfi 的幅值和相位，并保证稳定时各模块电感电流的有功分 量相等。逆变器模块电流内环采样的是各自逆变级的输出电感电流并采用三态滞环控制方 式。 2 输入均压/输出有功功率调节控制 85 文献[7]提到，针对 ISOP 逆变器系统，若在控制系统输入均压的同时，保证其输出电感 电流幅值相同或者相角相同，则最终可推得输出均流。本文提出了一种控制各模块输入均压 - 3 - Gvcd1#模块1/sCf1KLf++––输入均压环 电流内环电压外环输入均压母线输出电压基准母线Kv+GvdGvo––Gvcd2#模块1/sCf2KLf++––输入均压环 电流内环电压外环Kv+GvdGvo––Gvcdn#模块1/sCfnKLf++––输入均压环 电流内环电压外环Kv+Gvd+Gvo––+++Zicf1icf2icfniLfniLf2iLf1iref2irefniadj1iadj2iadjnivcd1vcd1vcd2vcdnvrefvrefvrefvrefVin/nVin/nVin/nVin/nio1io2ionvo++++1/nirefiref1平均电流母线+++++ig1ig2ign++ivcd2ivcdn
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 90 95 100 的同时调节输出有功功率的控制方法，其控制框图仍如图3所示，以达到输出均流的控制目 标。 下面以两模块系统为例，具体分析控制输入均压的同时调节输出电感电流的幅值与相角 的控制策略。稳态时，两个模块均分系统输入电压，因此各模块输入均压环的输出信号为 ivcd1= ivcd2=0，因此根据式(2)可得 iadj1=iadj2=0，进一步可以推出 iref1=iref2，于是有 iLf1=iLf2，由 以上分析可知，此时系统实现输入均压和输出均流，图4(a)所示为两模块系统稳态时的向量 图。假设系统输入电压受到扰动导致模块1的输入电压 vcd1增大，模块2输入电压 vcd2 减小， 则将使得模块1输入均压环输出 ivcd1<0，模块2输入均压环输出 ivcd2>0，根据式(2)可得 iadj1与 vref 同向，iadj2与 vref 反向，由式(3)可得， iLf1的相位滞后于电流内环的给定信号 iref 的相位， iLf1的幅值大于 iref 的幅值，到达 i’ Lf1，如图4(b)所示；iLf2的相位超前于电流内环的给定信号 iref 的相位，iLf2的幅值小于 iref 的幅值，到达 i’ Lf2。此时，模块1的输出有功功率变大，模块2 的输出有功功率变小。由能量守恒原理得到，模块1的输入功率变大，模块2的输入功率变小。 由于模块1的输入功率变大，使 iin1增大，从而导致 Cd1放电，模块1的输入电压 vcd1减小，致 使输入均压与模块1的输入电压压差的绝对值变小，直流误差信号 ivcd1的绝对值减小，所以 iadj1的绝对值减小。同理可知，此时 Cd2充电，模块2的输入电压 vcd2增大，直流误差信号 ivcd2 的绝对值减小，所以 iadj2的绝对值减小。经过几个周期的调节，两模块又重新均分系统输入 电压，使得系统最终回到平衡状态，即实现输入均压和输出均流。 (a) 稳态时的向量图 (b) 动态时的向量图 图 4 稳态和动态时的向量图 Fig.4 Phasor diagram: (a) steady state, (b) dynamic state. 105 3 更优调节速度 我们将文献[5]中提出的控制策略称为输出电感电流幅值调节控制策略，该策略与本文提 出的策略的不同之处是乘法器的输入信号不一样。下面以两模块为例，比较两种控制策略的 差异。假设系统输入电压受到扰动，使模块1的输入电压vcd1大于平均输入电压，相应地，模 块2的输入电压vcd2小于平均输入电压。因此，在电压调节过程中，模块1的输出功率必然大 于模块2的输出功率。图5给出了两种控制策略下模块1的向量图。 110 (a)输出电感电流幅值调节控制 (b) 输出有功功率调节控制 Fig.5 Phasor diagrams: (a) the output inductor current control, (b) the output active power control. 图 5 两种控制策略的向量图 - 4 - 12cfIoV12=LfLfII12ooII12cfIoV12=LfLfII1adjI2adjI'1LfI'2LfI'2oI'1oI12ooII12oVrefI1adjI11cosadjI11sinadjI12oVrefI1adjI1adjI
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 5(a)所示为采用输出电感电流幅值调节控制策略时模块 1 的向量图。因为乘法器的输 入信号为 iref 和 ivcdi (直流信号)，所以其输出 iadj1 与 iref 的相角相同。若电流环调节足够快， 则由式(3)可以得到 iadj1 和 iref 也与滤波电感电流的相位相同。在电压调节过程中，模块 1 电 流调节量的有功分量是 ，其中 φ1 是输出电 ，电流调节量的无功分量是 压和滤波电感电流的夹角。 图 5(b)所示为采用输出有功功率调节控制策略时模块 1 的向量图。因为 vref 和 vo 的相位 相同，且乘法器的输入信号为 vref 和 ivcdi (直流信号)，若电压环调节足够快，再由式(2)可以 得到 iadj1 和 vo 同相位。因此，在电压调节过程中，模块 1 电流调节量的有功分量是 ， 电流调节量的无功分量是 0。 由式(1)可知，输入均压调节只和模块的输出有功功率有关，和输出的无功功率无关。 比较图 5(a)和(b)，可以看出图 5(b)中只包括有功部分，且该部分的值最大。因此，对于 ISOP 逆变器系统，当输入电压受到扰动时，采用所提的控制策略具有更优调节速度。 115 120 4 仿真验证 125 为了验证本文所提控制策略的有效性，搭建了由2个额定容量为1kVA 的模块组成的分 布式 ISOP 逆变器系统的 saber 仿真模型，系统主要参数如下： 系统输入电压：Vin=540 (±10%) VDC，输出电压：Vo=115VAC/400Hz；输入分压电容： Cd1= Cd2=1000μF；输出滤波电感：Lf1= Lf2=0.7mH；输出滤波电容：Cf1= Cf2=30μF。 图 6 给出了系统带阻性满载时的稳态仿真波形图。由图可知，2 个模块输入电压相等， 系统的输出基波环流 iH (iH=(iLf1-iLf2)/2)近似为零，可见，系统较好地实现了输入均压和输出 均流。 130 Fig.6 Simulation waveforms of the system at full resistive load. 图 6 阻性满载波形图 图 7 为系统在额定输入电压(540V)条件下，负载从 1/3 载突变到满载，以及从满载恢复 到 1/3 载时的动态波形，从波形中可以看到，输出端的扰动不影响输入均压和输出均流效果。 Fig.7 Simulation waveforms of the system under step-load condition. 图 7 负载突变波形图 - 5 - 11cosadjI11sinadjI1adjIvcd1vcd2iLf1iLf2iHiovoiovcd1vcd2voiLf1iLf2
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 135 140 为了进一步说明本文所提的控制策略在动态调节过程中的有效性，特别使两个模块输入 分压电容不一致：Cd1 =1000μF，Cd2 =1200μF。图 8 给出了阻性满载条件下输入电压从 486V 突变到 594V，以及输入电压从 594V 恢复到 486V 时的动态仿真波形，其中虚线框的放大 部分为两个模块的输出滤波电感电流的波形。可见不一致的输入分压电容会导致系统输入电 压突变时两模块输入电压出现短暂时段的不均压，这段时间则可体现出系统的动态调节过 程。由图 8 中放大部分波形可以看出，在输入电压发生突变时，模块 1 输出滤波电感电流的 幅值比模块 2 大，而模块 1 输出滤波电感电流的相位却落后于模块 2，这是因为采用本文提 出的有功功率调节控制方案后，输入均压环直接调节输出有功功率，从而两模块的相位幅值 同时发生瞬时变化。随着时间的推移，两模块输入电压差变小，输出滤波电感电流的幅值差 与相位差也都在变小，经过几个周期后系统回到稳定状态，该仿真波形和第 3 节的理论分析 及图 4(b)、5(b)一致，由此进一步验证了本文所提控制策略的有效性。 Fig.8 Simulation waveforms of the system with different dividing capacitor under step-line condition. 图 8 不同分压电容下输入电压突变波形图 145 5 结论 (1)本文提出了一种新的分布式架构，每个模块都有独立的输出电压外环、输入均压环 和电流内环，系统中各模块仅通过输出电压基准母线、输入电压母线和平均电流母线进行通 信，使每个模块都可独立运行，实现了真正的模块化。 (2)本文提出了一种控制各模块输入均压的同时调节输出有功功率的控制方法，实现了 ISOP 逆变器系统的输入均压(IVS)和输出均流(OCS)。当 ISOP 逆变器系统的各模块输入不均 压时，该控制策略具有更优调节速度。 [参考文献] (References) [1] Song B M, McDowell R, Bushnell A, et al. A three-level dc-dc converter with wide-input voltage operations for ship-electric-power-distribution systems[J]. IEEE Trans. on Plasma Science, 2004, 32(5):1856-1863. [2] Cheok A D, Kawamoto S, Matsumoto T, et al. High power ac/dc and dc/ac inverter for high speed train.[Z]. Proceedings of IEEE Conference on TENCON, Kuala Lumpur, Malaysia, 2000. [3] 方天治. IPOP 和 ISOS 逆变器组合系统的控制策略研究[D]. 南京：南京航空航天大学，2009. [4] 庄凯，阮新波. 输入串联输出并联逆变器的输入均压稳定性分析[J]. 中国电机工程学报，2009，29（6）： 15-20. [5] 庄凯，阮新波. 输入串联输出并联逆变器的分布式均压控制策略[J]. 电工技术学报，2009，24（5）： 108-113. [6] 方天治，阮新波，肖岚，刘爱忠. 一种改进的分布式逆变器并联控制策略[J]. 中国电机工程学报，2008， 28（33）：30-36. 150 155 160 - 6 - A-20020 VV230250270290A-20-10010A-15-5515Time/mSecs5mSecs/div05101520253035 V-200-1000100200230250270290voioio1io2iLf2iLf1vcd1vcd2vinA-20-1001020Time/mSecs2mSecs/div246810121416iLf2iLf1
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 165 [7] 王健，方天治. 输入串联输出并联逆变器系统的复合式控制策略[A]. 中国电源学会第二十届学术年会论 文集[C]. 2013. 907-911. [8] 庄凯. 输入串联输出并联逆变器系统控制策略的研究[D]. 南京：南京航空航天大学，2008. - 7 -
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