电压控制型三相逆变器的并联与并网技术研究

华中科技大学硕士学位论文电压控制型三相逆变器的并联与并网技术研究姓名：徐慧申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：康勇;裴雪军20070608I摘要以由三个单相全桥逆变器所组成的组合式电压控制型三相逆变器为研究对象，对三相逆变器的数学模型、控制技术及其并联系统作了分析与研究，详细分析研究了逆变器并联控制系统、数字锁相技术以及并联控制策略，初步探讨了电压控制型逆变器的并网控制方案。建立了三相逆变器在ABC、αβ、dq坐标系中的数学模型，分析了基于同步坐标系下三相逆变器数学模型中的耦合现象，并介绍了基于同步坐标系下瞬时值PID闭环控制与重复控制相结合的波形控制技术。对以三相逆变器组成的并联系统，可看作为三个单相逆变器组成的并联系统，故本文以单相逆变器为单元对逆变器的并联控制系统进行了分析。详细分析了两台逆变器并联时系统环流的特性，以及逆变器并联时输出有功无功的特性，从而根据实际逆变器的输出阻抗特性而选择相应的并联控制策略；分析了逆变器电压闭环控制时，逆变器输出阻抗对输出电压抑制负载扰动以及对并联系统环流的影响。分析了锁相环同相、无功闭环调压并联控制策略的控制思想、原理及其实现，建立了逆变器中数字锁相环的离散域的数学模型，详细分析了数字锁相环控制系统；建立了锁相环同相、无功闭环调压方案的控制系统模型。基于该并联方法，建立了两台三相逆变器的并联仿真模型，并对电压突变以及相位突变引起的环流作了仿真分析。将逆变器并联的控制思想借鉴到逆变器并网的控制中，采取锁相环锁相、有功调压的控制策略，对并网的电压控制型逆变器进行控制，以达到抑制环流的目的。给出了这一方案的原理及具体实现形式，初步探讨了可能存在的问题。本文昀后对两台10kVA组合式三相逆变器组成的并联控制系统做了实验，实验结果验证两种并联控制策略有效地抑制了环流。对单台三相逆变器与电网并联的系统也做了实验，得到了初步的实验结果，环流抑制的控制还不理想，这方面的工作还需要做进一步的尝试与修正。关键词：电压控制型三相逆变器，环流，软件锁相环，功率调压，并联控制，并网控制IIAbstractTakingcombinedthree-phasevoltage-controlledinverterwhichiscomposedbythreesinglefull-phaseinvertersasobjectofstudy,thepaperanalyzesandstudiesitsmathematicalmodel,controltechnology,parallelcontrolsystem,andthusstudiesspeciallyindetailtheparallelcontrolsystem,thedigitalphase-lockedloop(DPLL)aswellastheparallelcontrolstrategy.Thepaperalsodiscussesthegrid-connectedcontrolstrategyforvoltage-controlledinverter.Thepaperestablishesmathematicalmodelsofthree-phaseinverterinABC,αβanddqreferenceframe,andanalyzescontroltechnologywhichbasedoncombinationofPIDclosed-loopcontrolandrepetitivecontrolinSynchronizedreferenceframe.Theparallelsystemcomposedbythethree-phaseinverterscouldberegardedasthreesingleinverters’parallelsystem,thepapercarriesontheanalysistoinverters’parallelsystembytakingasingle-phaseinverterasoneunite.Itanalyzesnotonlycirculatingcurrent’scharacteristicofparallelsystemwhichconsistedoftwoinvertersbutalsoinverter’soutputreactiveandactivepower’scharacteristicsinparallelsystem,andthusrelativeparallelcontrolstrategycanbeselectedaccordingtothecharacteristicsoftheactualinverter’soutputimpedance.Thepaperincludeshowtheoutputimpedanceofinvertermakingaffectsonrestrainingload’sdisturbanceaswellascirculatingcurrentinparallelsystemwheninverteriscontrolledwithclosed-loopofvoltage.Thepaperincludesthought,principleandrealizationoftheparallelcontrolmethodofPLLforsynchronizationandclosed-loopcontrolofreactivepowerforvoltageadjusting.Itpresentsmodelofparallelcontrolsystemforthestrategy.Itmakestwothree-phaseinverters’parallelsimulationmodelonthebaseoftheparallelstrategy,andsimulatestheircirculatingcurrentscausedbybreaksofvoltageandphase.ItconstructsdiscretemathematicalmodelsaboutSPLLintheinverter.SPLLcontrolsystemisstudiedindetail.ThecontrolstrategyofPLLforsynchronizationandclosed-loopcontrolofactivepowerforvoltageadjustingisusedtominimizecirculatingcurrentingrid-connectedinverterfollowedbyparallelcontrolstrategy.PrinciplesandrealizationofthecontrolIIIstrategyispresentedinthispaper.Somepotentialproblemsarealsodiscussed.Experimentalresultsarepresentedfromatwo-10-kVAparallel-connectedinvertersystem,showingthefeasibilityoftheproposedapproach.Experimentalresultsarealsopresentedfroma10-kVAgrid-connectedinvertersystem,showingthefeasibilityoftheproposedapproachinsomesense.Sincethecirculatingcurrentisnotsmallenough,moreresearchandexperimentsaresupposedtotakeinthefuture.Keywords:Voltage-ControlledThree-PhaseInverter,CirculatingCurrent,SoftwarePhase-LockedLoop,RegulatingVoltageBasedonPQ,Parallel-ConnectedControl,Grid-ConnectedControl独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在______年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：年月日年月日11绪论1.1逆变器并联与并网技术的研究背景1.1.1电力电子技术的发展和应用电力电子技术起源于20世纪初对石油天然气管道的流量控制[1]。电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。其瓶颈在于电力电子器件的水平，所以电力电子技术的发展与电力电子器件的更新换代是密不可分、相辅相成的。1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管，标志着电力电子技术正式诞生；70年代出现的门极可关断晶闸管（GTO），电力双极型晶体管（BJT），电力场效应管（Power-MOSFET）等全控型器件以及80年代的绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）等复合型器件则代表了第二代全控型器件，使电力电子技术的面貌焕然一新；功率集成电路（PowerIC）代表了第三代智能化器件，是未来电力电子技术发展的一个重要方向。开关型电力电子变换器有两类应用领域：开关型电力电子变换电源和开关型电力电子补偿控制器。利用半导体开关型电力变换电路，可以经济、有效地将一种频率、电压、波形的电能变换为另一种频率、电压、波形的电能，再对负载供电，使用电设备在昀佳的供电电源下工作，获得昀大的技术经济效益。除此之外，还可用作电力电子补偿控制器，补偿和控制电力系统中的谐波电流、谐波电压、节点电压、基波阻抗、无功功率、有功和无功功率潮流，平衡电力系统有功功率以及抑制电压瞬变和功率振荡[2]。其中，开关型电力电子变换电源仅作为负载供电电源而论，在昀近20年间，已在工业、交通、军事装备、尖端科技等领域中以及日常生活中获得广泛的应用。1.1.2电源技术概述现代电源技术是应用电力电子半导体器件，综合自动控制、计算机（微处理器）技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术，在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用，是现代电力电子技术的具体应用，而高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化是开关电源的发展趋势[3]。针对各种负载对供电可靠性要求的不同，开关电源有以下三种运行模式[4]：2(1)集中式单机运行模式——采用单一电源向负载供电。特点：结构简单，成本低，可靠性不高；(2)并联运行模式——采用N(N1)台电源并联供电，每个电源平均承担负载功率。特点：电源数量多，成本高，若某一路发生故障，负载的运行不会受到严重影响，只是昀大供电能力有所下降；(3)并联冗余运行模式——采用N+n(N1，n1)台电源模块并联，其中N台提供负载所需电源，n台为后备电源，当工作的模块出现故障时，后备模块投入运行。特点：成本昀高，若n台以下电源发生故障，电源仍能提供负载所需的全部功率。电源设备用以实现电能变换和功率传递，是一种技术含量高、知识面宽、更新换代快的产品。现今已广泛应用到工业、能源、交通、运输、信息、航空、航天、航运、国防、教育、文化等领域。当前在电源行业，占主导地位的产品有各种线性稳压电源、通讯用的AC/DC开关电源、DC/DC开关电源、