主從式逆變器并聯(lián)建模、分析和實現(xiàn)

KEY WORDS: Inverter Parallel Operation Master-Slaver Small-Signal Model

摘要: 本文從簡單、實用的角度出發(fā)，采用共電壓外環(huán)的主從并聯(lián)方案，實現(xiàn)了兩臺1 k VA 逆變器的并聯(lián)，并用小信號模型分析了單臺逆變器的建模和設計方法，zui后給出了相關試驗波形和結論。

從上圖可以看出，電感電流內環(huán)有低通濾波器質。但是存在較大的自激震蕩。內環(huán)的傳遞函數(shù)的相位裕量為 90^o，但是負載變化對電流內環(huán)的開環(huán)增益影響很大。

電流環(huán)般采用P調節(jié)，我們取調節(jié)比例系數(shù)K_ip=2。則電流環(huán)閉環(huán)Bode圖見圖5。
    從圖5可以看出，電感電流采用P調節(jié)后，負載參數(shù)對內環(huán)增益特的影響減小。內環(huán)帶寬增大，呈現(xiàn)出好的低通濾波器質，在低頻段的相位誤差小。
            

從電流環(huán)的傳遞函數(shù)可以得出系統(tǒng)外環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)如下，Bode圖見圖6。
                   
 

從上圖可以看出，系統(tǒng)的相位裕量為87.5^o。轉折頻率為7.9k。為了減小輸出電壓和參考電壓之間的靜態(tài)誤差，采用PI調節(jié)是種比較好的方法。PI調節(jié)環(huán)采用如下參數(shù)：
            

外環(huán)采用PI調節(jié)后的系統(tǒng)開環(huán)Bode圖見圖7，從圖中可以看出：系統(tǒng)在低頻段50Hz處有50dB的增益，增益變大，說明系統(tǒng)的跟蹤能變好，相位裕量為84^o，說明系統(tǒng)的有良好的動態(tài)能。這個結論與后面的實驗結果是致的。
           

4         實驗結果

為了驗證上述理論的正確，我們采用橋變換拓撲，試驗參數(shù)與仿真參數(shù)致。其中逆變開關管采用IGBT：G4PC50UD，圖8－圖12是相關試驗波形。電壓反饋采樣用LEM公司的LV28-P，電感電流采用LEM公司的LA58-P。LV28-P具有的，良好的線度，低溫漂，*的反應時間，寬頻帶，無插入損壞，能力強的優(yōu)點。LA58-P具有，線度好，過流能力強和好的特點。

圖8是單臺工作時，突加1kW負載，輸出電壓和電流波形，從圖中可以看出，輸出電壓幾乎沒有變化，說明系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特。圖9是1kW負載下，兩臺并聯(lián)時的電流波形，從圖中可以看出，電流波形無論相位還是幅值都致，說明均流效果良好。圖10為1kW負載下，臺突然退出時的電流波形；圖11為1kW負載下，臺突然加入時的電流波形；圖12為兩臺并聯(lián)時，突加1kW負載時的輸出電壓和其中臺的電流波形。從實驗結果可以看出，系統(tǒng)并聯(lián)下的動態(tài)能、均流效果較好。與前面的理論分析是致的。
           
          
             

本文從簡單、實用的角度，提出了種共電壓外環(huán)的主從并聯(lián)方案并用相關實驗進了驗證。從圖1以可以看出，在主模塊和從模塊中加入開關S₁、S₂就可以實現(xiàn)主從模塊的切換，構成種循環(huán)分布式逆變電源并統(tǒng)。
 

共電壓外環(huán)主從并聯(lián)方案具有簡單、實現(xiàn)方便、、均流效果好的優(yōu)點，但是不能否認的是這種方案電流環(huán)的增益很小，因此母線對均流效果有很大影響；主從之間通過模擬信號相連，對EMI相當敏感等缺點。

參考文獻

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[6] 逆變器及其并聯(lián)的研究; 朱志杰碩士學位論文

關鍵詞：逆變器并聯(lián) 主從方式 小信號模型

1        引言

隨著現(xiàn)代通信、計算機網(wǎng)絡和制造的發(fā)展，計算機和現(xiàn)代通信設備對電源的要求越來越。并聯(lián)因其、系統(tǒng)擴容方便、易于化和模塊化等優(yōu)點而成為近年來研究的熱點。逆變器的并聯(lián)主要有集中式方案、主從式方案、平均電流瞬時值方案、有功無功方案、下垂特調節(jié)方案等。這些方案各有優(yōu)缺點。本文從簡單、實用原則出發(fā)，采用主從并聯(lián)方案實現(xiàn)了兩臺1 k VA 逆變器的并聯(lián)。第二節(jié)簡單的描述了主從并統(tǒng)的結構；第三節(jié)用小信號模型詳細的對單臺逆變器建模，并分析各參數(shù)對系統(tǒng)的影響；第四節(jié)給出了相關實驗波形和分析；zui后做了簡單的總結。

2        主從逆變器并聯(lián)模型
圖1是兩臺基于主從方式的逆變器并聯(lián)方案系統(tǒng)框圖。
      
  主從式并聯(lián)方案工作原理如下：主模塊采用輸出電壓外環(huán)、電感電流內環(huán)雙環(huán)，以輸出電壓的正弦度、提系統(tǒng)的動態(tài)特、減小靜態(tài)誤差。主模塊的電壓參考信號Vref與輸出電壓相減，經(jīng)PI調節(jié)后，作為電感電流的基準，此基準信號通過并聯(lián)線同時作為從機模塊的電感電流基準。由于主機和從機共用個電感電流基準。他們之間的耦合關系使得系統(tǒng)能夠達到自動均流的效果，而不需要額外的均流器。基于共電壓外環(huán)的主從并聯(lián)方案具有如下優(yōu)點：

Ø         不需額外均流電路，可以自動實現(xiàn)系統(tǒng)的均流功能

Ø         不需要額外的鎖相環(huán)電路

Ø         設計簡單，相對可靠

同時，由圖1可以看出，在不考慮輸出功率連接線阻抗的情況下，逆變器主從模塊的設計與般單臺逆變器的設計方法相同。下節(jié)采用小信號模型分析和設計單臺逆變器參數(shù)。

3        單臺逆變器小信號模型和參數(shù)設計

單臺逆變器的模型見圖2。其中V_dc是母線電壓；L_f、C_f是逆變器的濾波電感和濾波電容；R是輸出負載；R_f是濾波電感的等效電阻；M是占空比，是非線函數(shù)。由于濾波電容的等效電阻小，對系統(tǒng)的影響不大，般不予考慮。
        

上述模型是非線的，在SPWM工作方式下，如果載波頻率fs遠遠大于基波頻率f，則可以通過平均值模型進行線化。然后在靜態(tài)工作點附近做擾動，得到逆變器的小信號方程如下：
   

就逆變器的方法而言，主要有單電壓環(huán)瞬時值調節(jié)；電感電流內環(huán)、電壓外環(huán)瞬時值調節(jié)；電容電流內環(huán)、電壓外環(huán)瞬時值調節(jié)三種方案，考慮到并聯(lián)時，為了減小環(huán)流，應盡可能的讓逆變器呈電流源質，因此采用電感電流內環(huán)、電壓外環(huán)瞬時值調節(jié)方案。其框圖見圖3。
      

電感電流內環(huán)空載、滿載下的Bode圖如圖4。