大功率三相逆变器控制与并联技术研究

华中科技大学硕士学位论文大功率三相逆变器控制与并联技术研究姓名：刘慧申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：康勇;裴雪军20080608华中科技大学硕士学位论文摘要三相逆变器作为交流供电电源的主要部分，广泛地应用于电动车、电力设备、产业设备、交通车辆等领域。逆变器的并联控制技术以其广泛的应用前景也得到越来越深入地研究。人们对逆变电源的要求越来越高，高性能、高可靠性的大功率逆变器就是当今逆变电源的发展趋势之一。提高逆变电源容量主要有两个途径，设计大功率的逆变器和采用逆变器并联技术实现电源模块化。为此，本文以两台400kVA组合式三相逆变器为对象，采用全数字化控制方式，主要研究了大功率三相逆变器的波形控制技术和并联控制技术。本文围绕大功率组合式三相逆变器，对其主电路结构、系统的数学模型、波形控制技术以及并联系统模型、并联控制方案进行了较为详细的分析和研究。分析了适用于大功率的组合式三相逆变器结构，并给出了400kVA组合式三相逆变器的主电路设计。建立和分析了组合式三相逆变器在ABC、αβ、dq坐标系下的数学模型。针对大功率组合式三相逆变器，采用在dq坐标系下的三相电压闭环统一控制方案。为了使大功率三相逆变器得到较好的输出电压波形质量，采用PID瞬时值电压反馈控制和重复控制并联结合的控制方案。分析了PID控制器和重复控制器的原理，并针对400kVA三相逆变器的系统性能，给出了相应数字PID控制器和重复控制器的设计。并利用Matlab建立了系统的仿真模型，给出了理论研究结果。提出了有效提高系统动态性能的两种方法：加负载电流前馈和动态过程中强制改变改变调制比。介绍了大功率三相逆变器的短路限流保护技术，提出了采用瞬时值限流电路和单独的软件限流环相结合的方案，保证大功率三相逆变器在短路时自动限流保护。对两台大功率三相逆变器组成的并联系统的结构、环流特性及逆变器的输出功率进行了分析。详细分析了输出阻抗特性不同时，逆变器环流和输出功率分配的差异，得出了输出阻抗对环流和功率影响的一般规律。针对大功率三相逆变器并联系统，采用基于功率误差的分散逻辑控制方案。分析了基于功率误差的分散逻辑控制原理，逆变器输出功率的检测和母线信号综合的脉宽调制原理。根据400kVA三相逆变器并联系统的输出阻抗特性，采用了无功调节输出电压幅值和同步锁相实现相位同步的并联控制策略。本文昀后在两台400kVA组合式三相逆变器样机上得到了实验验证。实验结果进一步验证了大功率三相逆变器的波形控制和并联控制策略有效可行性。关键词：组合式三相逆变器，大功率逆变器，重复控制，数字PID控制，并联控制，数字锁相环，分散逻辑，功率误差I华中科技大学硕士学位论文AbstractAsanimportantpartofACpowersupply,threephaseinverteriswidelyusedinareaslikeelectricvehicles,powerinstruments,industrialinstrumentsandtransportationsystems.Paralleltechnologyhasgotintensivestudiesforitsgreatpotentialapplication.Therequirementforinvertersgothigherandhigher,andhighefficiencyandhighreliabilityarethedevelopmenttrends.Therearetwomainwaystoincreasethecapacityofinverter,includingdesigninghighpowerinverterandapplyingparalleltechnologytoachievepowermodularization.Analyzethestructureswhicharesuitableforapplicationofhighpowercombinedtypeinvertersandproposethepowercircuitdesignof400kVAcombinedtypethreephaseinverters,andthenmodelingcombinedtypethreephaseinverterinABC,αβanddqcoordinatesystem.Adoptingunifiedcontrolschemeandthree-phasevoltageclosed-loopcontrolschemeforsynchronousrotatingdqcoordinatesystemforhighpowercombinedthreephaseinverter.AdoptcontrolmethodcombinedwithdigitalPIDvoltagefeedbackcontrolandrepetitivecontrol.AnalyzetheprincipleofPIDcontrolandrepetitivecontrolandgivethedesignmethodofrelevantPIDdigitalcontrollerrepetitivecontrollerfor400kVAthreephaseinverter.Thematlabsimulationisperformedtoverifythetheoreticalresearch.Proposetwomethodswhichcouldincreasesystemdynamicperformance:loadcurrentfeed-forwardandchangethemodulationratio.Introduceshortcircuitcurrentprotectiontechnologyofhighpowerthreephaseinverter,proposecontrolschemecombinedwithtransientcurrentlimitingmethodandsoftwarecurrentlimitingwhichwillguaranteeautomaticshortcircuitcurrentlimitingprotectionofhighpowerthreephaseinverter.Analyzestructure,circulatingcurrentcharacteristicandoutputpowerofparallelsystemcomposedwithtwohighpowerthreephase.Analyzedifferencesofinvertercirculatingcurrentandoutputpowerdistributionwhentheoutputimpedancecharacteristicisnotthesame,andgetthegeneralruleofinfluenceforcirculatingcurrentandpowerdistributionofoutputimpedance.Adoptdistributedlogiccontrolschemebasedonpowererrorofhighpowerthreephaseinverterparallelsystem.Analyzescatteredlogiccontrolprinciplebasedonscatteredlogiccontrol,inverteroutputpowerdetectionandPWMpatternofbussignalsynthesis.Basedontheoutputimpedancecharacteristicof400kVAthreephaseinverterparallelsystem,thedissertationappliesparallelcontrolschemewhichusesreactivepowertoII华中科技大学硕士学位论文regulatevoltagemagnitudeandsynchronousphaselocktorealizephasesynchronization.Hence,aimingattwo400kVAcombinedtypethreephaseinverters,thedissertationresearchesthewaveformcontrolandparallelcontroltechnologiesofhighpowerthreephaseinverterswithfulldigitalizedcontrolmethod.Centeringonhighpowercombinedtypethreephaseinverters,thedissertationanalysesandstudiesthetopologyofpowercircuit,mathematicalmodelofcontrolsystem,waveformcontroltechnologyandparallelsystemmodelindetail.Theexperimentalverificationisrealizedintwo400kVAcombinedthreephaseinverters.Theexperimentresultverifiesthefeasibilityofvoltagewaveformcontrolandparallelcontrolschemeofhighpowerthreephaseinverter.Keywords:CombinedThreePhaseInverter,HighPowerInverter,RepetitiveControl,DigitalPIDControl,ParallelControl,DigitalPhase-LockedLoop,DistributedLogic,PowerErrorIII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：年月日年月日华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1大功率逆变器研究背景1.1.1现代电源技术发展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又技术[1]，其核心是现代电力电子技术。电力电子技术是利用大功率电子器件对电能进行控制和变换的技术，是一门综合了电子技术、控制技术和电力技术的交叉学科。现代电力电子技术经历了以低频技术处理问题为主的传统电力电子学阶段，向高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变的发展方向。电力电子技术起于20世纪50年代末60年代初的硅整流器件，其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用[1]。到80年代末期和90年代初期，以功率MOSFET和IGBT为代表，集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件的发展，表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。新型器件的发展不仅使现代电子技术不断向高频化发展，为用电设备的高效节材节能，实现小型轻量化、机电一体化和智能化提供了重要