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合。針對該系統(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)整各個逆變器模塊輸出電壓的幅值與頻率來實現(xiàn)其輸入均壓與輸出均流。由于各個逆變器模塊具有獨立的控制電路并且其不需要任何通訊線連接，因此實現(xiàn)了完全模塊化設(shè)計。分析了所提控制控制策略的工作原理和實施方案，搭建了兩個模塊組成的ISOP 逆變器系統(tǒng)樣機，驗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

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)適用于不同的場合，以 ISOP 逆變器系統(tǒng)為例，其適基金項目：國家自然科學(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：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；易于和擴兩。的關(guān)系對于 逆變器系統(tǒng)而言，首先，必須實現(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，不但功率電路要實現(xiàn)模塊化設(shè)計，控制電路也應(yīng)該由 個模塊組成。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；實現(xiàn)模塊化設(shè)計，這樣才能提高系統(tǒng)的可靠性和故障冗余性。對于兩級式 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，各個模塊輸入側(cè)分壓電兩的充放電電流平饋的控制策略。事實上，這些控制策略僅僅實現(xiàn)了各個模均值零。由于系統(tǒng)輸入側(cè)是串聯(lián)的，則各個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，將會引起整個系統(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)出各個模塊出的有功功提出了一種分布式控制策略，即各個模塊具有完全獨立的率相等，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)也會停運。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 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)中的各個逆變器模塊僅僅需要檢測并反饋本模塊的輸入、輸出 信號，并且各個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現(xiàn)了完全的模塊化設(shè)計。相同，因此實現(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 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?？刂撇呗缘膭涌卣{(diào)控過控，兩個模塊的輸入分壓電兩均衡的兩個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的影響。圖 10 給出了負(fù)載在滿載和半載間相互切換時ISOP時的仿真波形。從圖中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓突變時，兩個模塊的輸入電壓也隨之發(fā)生突變。

12、而在這個過控中，逆變器系統(tǒng)的實驗波形。可以看出，已經(jīng)均衡的兩個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，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)具有良好的動控性能。4.2 實驗驗證為了驗證前文所提控制策略的正確性，搭建了兩個模塊組成的ISOP 逆

13、變器系統(tǒng)樣機。實驗的參數(shù)如表 1 示。表 1 實驗參數(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前級開關(guān)頻率100kHz后級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，理論計算的兩個模塊的輸入電壓曲線 Vcal 和兩個模塊的實際所測的輸入電壓曲線 Vin1、Vin2 以及系統(tǒng)輸出電壓幅值上翹特性曲線 Vom。實際所測的兩個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ISOP 逆變器系統(tǒng)的實驗波形。可以看出兩個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