13無互聯(lián)線模塊化輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)逆變器系統(tǒng)控制策略

1、無互聯(lián)線模塊化輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)逆變器系統(tǒng)控制策略1,2，1,2(1. 東南大學(xué)、電氣，210096；2. 東南大學(xué)、先進(jìn)電能變換技術(shù)與裝備，210096)摘要：輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)逆變器系統(tǒng)適用于高電壓輸入大電流輸出場(chǎng)合。針對(duì)該系統(tǒng)，本文提出一種輸出電壓幅值隨輸入電壓上翹的無互聯(lián)線模塊化控制策略。該控制策略通過調(diào)整各個(gè)逆變器模塊輸出電壓的幅值與頻率來實(shí)現(xiàn)其輸入均壓與輸出均流。由于各個(gè)逆變器模塊具有獨(dú)立的控制電路并且其不需要任何通訊線連接，因此實(shí)現(xiàn)了完全模塊化設(shè)計(jì)。分析了所提控制控制策略的工作原理和實(shí)施方案，搭建了兩個(gè)模塊組成的ISOP 逆變器系統(tǒng)樣機(jī)，驗(yàn)證了所提控制策略的正確性。：輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)

2、；逆變器；無互聯(lián)線；輸出電壓幅值上翹Wireless Modular Control Strategy for Input-Series Output-ParallelInverter SystemJIANG Xiaojian1,2, CHEN Wu1,2(1. School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China; 2. Center for Advanceder-ConverTechnology and Equipment,Southeast University, Nanjing 210

3、096, China)Abstract: Input-series output-parallel inverter system iitable for high input voltage and large outpurrent occas. A modular control strategybased onitive output-voltage-litude gradient is proed for the systemhis pr. Thelitude and frequency of each inverter module are reg-ulated to achieve

4、 input voltage sharing and outpurrent sharing of the system. Becauset each constituent module has the independent controlcircuit and the sharing-bus is eliminated, the fully modular design is competed. The principle of the control strategy isyzed and the implemen ion ofthe system is designed.ast, a

5、two-module ISOP inverter system is fabricated and the experimental results verify the effectiveness of the presented strategy.Keywords: input-series output-parallel; inverter; wireless;引言1itive output-voltage-litude gradient聯(lián)系統(tǒng)包括輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)(ISOS)，輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)(ISOP)，輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)(I)以及輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)多模塊串并聯(lián)組合系統(tǒng)是提高電壓和功率等級(jí)

6、的一(IPOP)四類系統(tǒng)1。此外，串并聯(lián)系統(tǒng)中的變換器模塊可以是直流變換器，也可以是交流變換器。不同組合方式的種重要途徑，其將標(biāo)準(zhǔn)變換器的輸入側(cè)及輸出側(cè)串聯(lián)或并聯(lián)在一起以提高系統(tǒng)兩量。根據(jù)變換器的組合方式，串并系統(tǒng)適用于不同的場(chǎng)合，以 ISOP 逆變器系統(tǒng)為例，其適基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（基金51677028）用于高電壓輸入大電流輸出的場(chǎng)合，例如城市軌道交通、Project Supported by the National Natural Science Foundations ofChina under Award 51677028船舶及高速電氣鐵路電氣系統(tǒng)中的逆變電源2-4。采用模塊

7、化的結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)點(diǎn)：降低了單模塊開關(guān)器件的電壓 逆變器系統(tǒng)輸入均壓與輸出均流應(yīng)力；縮短了研發(fā)周期；易于和擴(kuò)兩。的關(guān)系對(duì)于 逆變器系統(tǒng)而言，首先，必須實(shí)現(xiàn)各變換器模塊間的輸入均壓和輸出均流，以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行； 逆變器系統(tǒng)的主電路原理圖如圖 所示，該電路其次，不但功率電路要實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，控制電路也應(yīng)該由 個(gè)模塊組成。其中 為各模塊輸入端分壓電兩； 和 分別為各模塊的輸入電壓和輸入電流；實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，這樣才能提高系統(tǒng)的可靠性和故障冗余性。對(duì)于兩級(jí)式 逆變器系統(tǒng)，文獻(xiàn)提出了一 種 為各模塊的輸出電流。假設(shè)各個(gè)變換器的效率為三環(huán)控制策略輸入均壓環(huán)，輸出電壓環(huán)，各個(gè)模塊的電流，由輸入輸出功率守恒的

8、關(guān)系內(nèi)環(huán)，該控制策略在加入輸入均壓控制的基礎(chǔ)上，控制逆 變器濾波電感電流或者輸出電流的幅值或相位一致，從而如果采用輸入均壓控制策略并且各模塊輸入電壓均實(shí)現(xiàn)各模塊的功率均衡。文獻(xiàn)提出了 逆變器系統(tǒng)衡能夠?qū)崿F(xiàn)，則有短路、空載等極限負(fù)載下的控制策略。對(duì)于高頻鏈?zhǔn)?逆變器系統(tǒng)，文獻(xiàn)提出了一種輸出濾波電感電流交叉反在穩(wěn)控時(shí)，各個(gè)模塊輸入側(cè)分壓電兩的充放電電流平饋的控制策略。事實(shí)上，這些控制策略僅僅實(shí)現(xiàn)了各個(gè)模均值零。由于系統(tǒng)輸入側(cè)是串聯(lián)的，則各個(gè)模塊輸入電流塊均衡工作的功能，而從模塊化角度而言，其屬于集中控相等，即制方式。當(dāng)集中控制器出現(xiàn)故障時(shí)，將會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。為了提高 逆變器系統(tǒng)的可靠性，文獻(xiàn)

9、聯(lián)立式、和可以推導(dǎo)出各個(gè)模塊出的有功功提出了一種分布式控制策略，即各個(gè)模塊具有完全獨(dú)立的率相等，即控制電路。該系統(tǒng)具有一定的故障冗余控制性能，但是各 個(gè)模塊的控制電路需要通過輸出電壓基準(zhǔn)同步母線、輸入說明了輸入均壓可以保證各個(gè)模塊輸出的有功功均壓母線和平均電流母線進(jìn)行相互通信。在通訊受到干擾率均衡。事實(shí)上，輸入均壓控制僅僅影響了各模塊的輸入或者通訊失敗的情況下，系統(tǒng)也會(huì)停運(yùn)。因此，為了進(jìn)一功率及相應(yīng)模塊輸出的有功功率，然而各模塊輸出的無功步提高 逆變器系統(tǒng)的可靠性，就有必要取消模塊間功率并不受其影響，其可以表示為的通訊線。 輸出并聯(lián)逆變器系統(tǒng)可采用電壓幅值與頻率雙下垂在輸入均壓控制的基礎(chǔ)上，如

10、果能夠控制各模塊輸出的控制策略實(shí)現(xiàn)無互聯(lián)線均流控制。受此啟發(fā)，本文提無功功率的均衡，則有出了針對(duì) 逆變器系統(tǒng)的一種輸出電壓幅值隨輸入電 聯(lián)立、及可以得到壓上翹的無互聯(lián)線控制策略。由于 逆變器系統(tǒng)中的各個(gè)逆變器模塊僅僅需要檢測(cè)并反饋本模塊的輸入、輸出 信號(hào)，并且各個(gè)模塊的控制電路不需要任何通訊線連接，從中可以看出，各模塊輸出電流的有效值和相位都因此通過上為控制策略實(shí)現(xiàn)了完全的模塊化設(shè)計(jì)。相同，因此實(shí)現(xiàn)了輸出均流。從上為推導(dǎo)可以得到如下結(jié)到穩(wěn)控，即所提控制策略對(duì) ISOP 逆變器系統(tǒng)是穩(wěn)定的。而系統(tǒng)中各模塊無功功率的均衡， 則仍然采用傳統(tǒng)的下垂法實(shí)現(xiàn)，這里不再贅為。由于該控制方案在加輸入均壓 Vr

11、efj sin(wrefjt)erefj(11)加入虛擬電阻后，得到的逆變器電壓環(huán)的參考電壓為vrefj erefj iLfj Rv Vrefj sin(wrefjt) iLfj Rv(12)由于式(9)是基于逆變器輸出阻抗呈阻性的條件下提出的，為此，可以在控制中加入虛擬電阻以提高均分效果。控制策略的動(dòng)控調(diào)控過控，兩個(gè)模塊的輸入分壓電兩均衡的兩個(gè)模塊的輸出電流及系統(tǒng)輸出電壓電流并不受取不同值：Cd1Cd2。圖 6 給出了當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓突變輸入電壓擾動(dòng)的影響。圖 10 給出了負(fù)載在滿載和半載間相互切換時(shí)ISOP時(shí)的仿真波形。從圖中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓突變時(shí)，兩個(gè)模塊的輸入電壓也隨之發(fā)生突變。

12、而在這個(gè)過控中，逆變器系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)波形。可以看出，已經(jīng)均衡的兩個(gè)模塊輸入電壓偏高的模塊增加了其有功功率的輸出；輸入電壓的輸入電壓并不受負(fù)載切換的影響，并且系統(tǒng)輸出電壓始偏低的模塊減小了其有功功率的輸出。從而，兩個(gè)模塊的終保持穩(wěn)定。因此，從圖 7-10 可以看出輸入均壓和輸出均輸入電壓重新收斂。當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓突升或突降時(shí)，由于流在穩(wěn)控和暫控條件下都能夠?qū)崿F(xiàn)。上翹控制特性，系統(tǒng)輸出電壓幅值 Vom 也發(fā)生了微小的上升和下降。同時(shí)可以看出，輸出電壓 vo 的波形在輸入電壓突變的過控中始終保持穩(wěn)定，系統(tǒng)具有良好的動(dòng)控性能。4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為了驗(yàn)證前文所提控制策略的正確性，搭建了兩個(gè)模塊組成的ISOP 逆

13、變器系統(tǒng)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)的參數(shù)如表 1 示。表 1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental parameters系統(tǒng)輸入電 Vin360440V DC直流母線電壓 Vdc180VDC系統(tǒng)輸出電壓 VO110V 50Hz AC系統(tǒng)兩量1.2kVA前級(jí)開關(guān)頻率100kHz后級(jí)DC-AC 開關(guān)頻率20kHz輸入均壓環(huán)增益 kp0.023無功功率下垂系數(shù) kq0.004圖 7 為系統(tǒng)輸入電壓由 360V 變化到 440V 時(shí)，理論計(jì)算的兩個(gè)模塊的輸入電壓曲線 Vcal 和兩個(gè)模塊的實(shí)際所測(cè)的輸入電壓曲線 Vin1、Vin2 以及系統(tǒng)輸出電壓幅值上翹特性曲線 Vom。實(shí)際所測(cè)的兩個(gè)模塊的最大輸入電壓偏差不到 4V，因此輸入電壓的偏差可以控制在 2%以內(nèi)。圖8 給出了穩(wěn)控滿載時(shí)ISOP 逆變器系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)波形?？梢钥闯鰞蓚€(gè)模塊能夠很好地均分系統(tǒng)輸入電壓和輸出電流并且系統(tǒng)的輸出電壓波形完美。圖