逆变系统负载调整率提升的研究全文.pdf

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1、第 2 期2012 年 3 月电源学报Journal of Power SupplyNo.2Mar.2012邹庆玉袁孙 超袁陈文杰袁董德智袁陈 敏袁徐德鸿渊浙江大学袁 杭州 310027冤摘要院分析了采用双环控制尧虚拟电阻法和负载电流前馈三种控制方法逆变器的输出阻抗袁比较了三种控制方法对负载调整率的影响遥 虚拟电阻法会增大逆变系统在负载调整前后输出电压的幅值变化袁影响负载调整率袁而负载电流前馈可以改善逆变系统在负载调整时的动态性能遥 在 10 kW 的采用逆阻型 IGBT 的三相 T 字型逆变器平台上进行了实验验证遥关键词院负载调整率曰虚拟阻抗曰负载电流前馈中图分类号院TM344.1文献标志码

2、院A文章编号院2095-2805渊2012冤02-0032-05收稿日期院2012-01-13基金项目院浙江省重点科技创新团队项目渊2010R50021冤作者简介院邹庆玉渊1987原冤袁女袁江苏扬州人袁浙江大学电力电子研究所硕士研究生袁 主要研究方向为三电平逆变器效率提升与控制优化遥负载调整率是逆变系统的一项重要的动态指标袁 如何改善负载调整率是国内外学者的研究热点遥 文献1-2中的逆变系统均采用电压尧电流双环控制袁通过对控制器参数的优化使系统具有快速的动态响应能力1-2遥 文献3-4在电压尧电流双环控制的基础上引入虚拟电阻袁以减小 UPS 逆变器参数不同造成的输出内阻抗差异袁提高均流控制精度

3、3-4遥文献5中探讨了用负载电流前馈来改善逆变器的输出特性5遥 但以上文献没有同时将这两种方法和双环控制对于负载调整的影响进行比较遥本文针对三相 T 字型逆变系统袁分析了双环控制尧虚拟电阻法和负载电流前馈三种控制方法的输出阻抗袁比较了这三种控制方法对负载调整率的影响遥在 10 kW 的三相 T 字型逆变器平台上进行了实验验证遥采用逆阻型 IGBT 的三相的 T 字型逆变系统的控制框图如图 1 所示遥直流母线电压为 vdc,三相滤波电感 La=Lb=Lc袁滤波电容 Ca=Cb=Cc遥 系统采用 dqo 坐标下的双环控制袁电流环采用比例控制袁电压环采用 PI 控制遥T 字型逆变器中的反并联逆阻型

4、IGBT 的作用图 1 系统控制器框图图 3 灼 和 fn 与 Kip关系相当于一个可控的双向开关遥 根据 T 字型逆变器电路原理袁可以以电感电流和电容电压为状态变量列出它的状态方程袁 对其求开关周期平均袁 再进行park 变换袁就可以得到 dqo 旋转坐标系下三相逆变器的开关周期平均模型遥结合图 1 可以得到 dqo 旋转坐标系下各分量的闭环控制框图袁如图 2 所示遥其中 id袁iq袁io袁vd袁vq袁vo袁dd袁dq袁do和 Rd袁Rq袁Ro分别是电感电流袁电容电压袁三相占空比函数和负载阻抗在 dqo 旋转坐标系下的对应分量袁棕 是 dqo 旋转坐标系的旋转角频率遥 GP(s)=Kip和

5、GPI(s)=Kvp+Kvi/s 分别是电流环和电压环的控制器袁Hi和 Hv分别是电压和电流的反馈系数遥忽略图2 中虚线部分所示的 id和 iq袁vd和 vq的耦合关系遥 可以推得系统开环情况下袁占空比 d 到电感电流 i 的传递函数如式渊1冤遥渊1冤电感电流 i 到输出电压 v 的传递函数式渊2冤遥渊2冤电流环的作用是改善电压环开环的传递函数特性袁 增加电流环后,电流环闭环传递函数为 Giloop(s)袁电压环的开环传递函数变为 Gv(s),如式渊3冤遥图 2 dqo 坐标系下各分量传递函数框图阻尼系数为 灼袁谐振频率为 fn遥 如式渊4冤所示遥渊4冤将各项已知参数带入到式渊4冤袁可以得到

6、灼 和fn 与 Kip关系如图 3 所示遥通常选取灼=0.40.8 为宜袁 此时超调量适度袁调节时间较短袁所以应选择介于 K1K2间的 Kip6遥这里选择 灼=0.6袁 fn=1.25 kHz遥电压环的 PI 控制器的零点可以设置在电压环渊3冤邹庆玉袁等院逆变系统负载调整率提升的研究第 2 期33电源学报电源学报总第 40 期开环系统的谐振频率 fn 处7袁如式渊5冤院渊5冤穿越频率 fc可以选择在转折频率 fn 的 1/5 处如式渊6冤院渊6冤根据式渊7冤可以求得电压环 PI 控制器的积分系数 Kvi和比例系数 Kvp遥渊7冤根据图 2袁输出电压由参考电压 vref决定袁并受到输出电流 i0

7、的影响遥 如式渊8冤袁其中 G1(s)是参考值vref到输出电压 v 的传递函数袁G2(s)是负载电流 i0到v 的传递函数遥渊8冤G2(s)同时也是逆变器的输出阻抗 Z1(s)袁其表达式如式渊9冤遥在双环控制器的基础上增加一个虚拟阻抗袁如图 4 所示遥 R 为虚拟电阻遥可以推得增加虚拟电阻后的输出阻抗 Z2(s)如式渊10冤所示遥渊9冤通过检测出负载电流袁将其前馈至电感电流环上袁可抵消负载电流扰动对输出电压的影响袁提高逆变器的负载调整率遥在双环控制器的基础上增加负载电流前馈袁如图 5 所示遥渊10冤图 4 增加虚拟阻抗后的传递函数图 5 增加负载电流前馈后的传递函数增加负载电流前馈后的输出阻

8、抗 Z3(s)如式渊11冤所示遥34逆变器参数如下院 直流母线电压 vdc=700 V袁开关频率 fs=10 kHz,滤波电感 L=0.6 mH,滤波电容 C=35 滋F遥 三种控制方法下袁输出阻抗值与频率的关系如图 6 所示遥图 6 输出阻抗增益频率特性比较输出三种控制方法的阻抗 Z1(s)袁Z2(s)和 Z3(s)袁使用虚拟电阻法在低频段袁阻抗值比另外两种方法大遥 增加负载电流前馈则在整个频段输出阻抗都比仅采用双环控制的小袁可以改善负载调整率遥本文在 10 kW 采用逆阻型 IGBT 的三相 T 字型逆变器上对三种控制方法进行了实验验证遥 电路参数如下院直流母线电压 vdc=700 V袁输

9、出相电压 220V/50 Hz袁开关频率 fs=10 kHz,直流母线电容 C1=C2=1.32 mF,滤波电感 L=0.6 mH,滤波电容 C=35 滋F袁电路使用器件型号为 4MBI300VG-120R-50 的模块遥图 7尧图 8 和图 9 中分别为只采用双环控制尧增加虚拟电阻尧 增加负载电流前馈三种控制方法下袁逆变器负载切换的输出电压波形尧输出三相电压在dqo 旋转坐标系下 d 轴分量 vd波形和电流波形遥仅采用双环控制袁输出电压调整时间为一个工频周期(20 ms)袁负载切换前后 vd幅值没有变化遥增加虚拟阻抗控制袁输出电压调整时间为一个半工频周期(35 ms)袁负载切换前后 vd幅值

10、变化量为6 V袁约为 2%遥增加负载电流前馈控制袁调整时间为半个工频周期(10 ms)袁负载切换前后 vd幅值没有变化遥增加虚拟电阻会增大基波超调袁对调整时间没有改善袁 增加负载电流前馈可以缩短调整时间袁改善负载调整遥图 10尧 图 11 和图 12 中分别为只采用双环控制袁增加虚拟电阻袁增加负载电流前馈袁三种控制方法下袁逆变器带 8 kW 非线性容性负载尧峰值系数为渊11冤图 7 采用双环负载切换输出波形图 8 虚拟电阻法负载切换输出波形图 9 负载电流前馈负载切换输出波形邹庆玉袁等院逆变系统负载调整率提升的研究第 2 期35电源学报电源学报总第 40 期3 时输出电压电流波形遥图 10 中

11、采用双环控制输出电压的 THD 为7.67%袁 图 11 中虚拟电阻法输出电压的 THD 为7.88%袁 图 12 负载电流前馈输出的电压 THD 为4.25%遥 在带非线性负载的情况下袁增加负载电流前馈可以减小输出电压的 THD袁改善输出波形质量遥本文分析比较了采用双环控制尧虚拟电阻法和负载电流前馈法这三种控制方法对负载调整率的影响遥 综合理论分析与实验结果袁与采用双环控制比较袁虚拟电阻法在负载切换时调整时间长袁负载切换前后输出电压的幅值变化大曰负载电流前馈法在负载切换时袁可以缩短调整时间袁改善负载调整时的动态性能袁在带非线性负载时可改善输出电压波形质量遥参考文献院1 陈万袁谢少军.电压电流

12、双闭环瞬时值控制级联逆变器研究J.电源技术学报袁2003袁1(7):553-559.2 杨国权袁段善旭袁樊明武.基于状态观测器的中频逆变器双环控制方案J.电力电子技术袁2007袁41(3):64-66.3Yu Wei袁Xu Dehong袁Ma Kuian援The influence and designconsideration of ups output virtual resistance on parallel-connected UPS system C援IEEE APEC袁Washington DC袁USA袁2009援4 于玮袁 徐德鸿.基于虚拟阻抗的不间断电源并联系统均流控制J.中国电机工程学报,2009,29(24):32-39.5 方天治袁阮新波袁肖岚袁刘爱忠.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):30-36.6 胡寿松.自动控制原理M.北京院科学出版社袁2007.7 徐德鸿.电力电子系统建模及控制M.北京院机械工业出版社袁2007.图 10 采用双环带容性负荷输出波形图 11 虚拟电阻法带容性负荷输出波形图 12 负载电流前馈带容性负荷输出波形渊下转第 41 页冤36