不同容量逆变器并联技术研究开题报告

不同容量逆变器并联技术研究开题报告
一、文献综述
1 国内外研究现状
早在 20 世纪 70 年代，就有学者提出将逆变器进行并联运行，并且开始对逆变器并联控制技术研究进行研究。

到上世纪 90 年代中期，一些发达国家已经将并联逆变器投入生产，并投入实用。

如日本的梅兰日兰公司、三菱公司、东芝公司，美国的 APC 公司、Libert公司，德国的西门子公司等[3]。

在我国，对于逆变器并联技术和逆变器模块化生产的研究起始于上世纪 90年代，相对于世界发达国家起步较晚。

目前，主要是一些高校对这一领域进行了相关的研究。

例如国内比较知名的西安交通大学、华中科技大学、南京航空航天大学、浙江大学等。

这些高校对于逆变器并联技术方面的研究在国内处于领先地位。

与此同时，意识到并联逆变器的重要性，国内其他一些高校也先后加入了这一研究领域。

但是由于起步较晚，大多数高校在这个领域的研究都还处于试验阶段。

国内一些致力于电源研究和生产的企业，如台达、埃默森、华为等，在这方面也做了大量的工作，并且也有企业生产出了相关的产品。

但其性能有待于实践检验[3]、[4]。

1.1 逆变器独立运行控制技术
逆变器因调制带来了谐波，滤波器在消除谐波的同时也带来了系统的过渡过程与稳定性问题。

因此，系统需要调节器来实现其所需的稳态性能与动态性能，调节器的实现方式有以下控制方式。

1.1.1 PID控制
在实际工程中，应用最为广泛的调节控制为比例积分微分控制，即PID控制，PID控制结构简单、稳定性好，工作可靠、调整方便[6]。

其传递函数为
PID控制通过调节、、这3个参数来起作用的。

这3个参数取值的不同，其比例、积分、微分的作用强弱就不同。

对于P调节器，随着值的加大，闭环系统的超调量加大，系统响应速度加快。

若超过一定值，则系统变得不稳定。

对于PI调节器，随着值的加大，闭环系统的超调减小，系统响应速度略微变慢。

对于PID调节器，由于微分环节的作用，在曲线的起始上升段呈现尖锐的波峰，之后曲线也呈衰减震荡。

随着值的加大，闭环系统的超调量增大，但经过曲线尖锐的起始上升段后响应速度有所变慢。

1.1.2 谐振控制
由于PI控制器在跟踪正弦信号时会出现稳态误差，比例谐振控制可以对某一固定频率的正弦指令信号实现无静差跟踪，并可以有针对性地消除某些频率的谐
波，显著提高电流质量[6]。

理想的PR调节器的传递函数为[7]、[9]
ω
在实际系统中，理想的PR控制器很难实现，因此经常使用如下准PR控制形式：
ω
ωω
比例谐振控制是多阶系统，特别是多频率谐振，系统的阶数迅速增加，控制环的设计变得非常复杂。

在这种情况下，文献[7]提出了一种基于根轨迹理论的PR 调节器设计方法，该方法根据系统根轨迹的变化选定合适的PR 参数，从而保证系统稳定，并提供较好的动态性能。

文献[8]叠加入5、7、11次谐波补偿，使系统得到了良好的运行效果。

1.1.3 重复控制
重复控制是针对周期性扰动而提出的一种控制策略，以其相对简单的结构、高精度的控制效果，广泛应用于包含周期信号的控制场合，如机械手轨迹控制、光盘驱动器、卫星姿态校正的伺服机构等[10]。

重复控制是一种基于内模原理的控制方式，所谓内模，是指在稳定的闭环控制系统中包含外部输入信号的数学模型[6]。

重复控制系统中，加到被控对象的输入信号除偏差信号外，还叠加了上一采样周期该时刻的偏差，偏差信号被重复利用，经过几个周期后，能够实现输出信号很好地跟踪给定信号[12]。

实际应用中，重复控制都以数字形式实现，其框图如图1所示。

图1 重复控制基本原理框图
由图1可得系统的闭环传递函数为
则系统的稳定条件为
但是在一般情况下，控制系统难以在整个频段内满足上式，因此，必须对控制器加以改进，一般的改进方法如图2所示。

图2 改进型重复控制系统原理框图
此时系统稳定条件变为
文献[11]提出重复控制并联谐振控制的方法，解决了重复控制的反应速度慢，特定频率谐波滤除效果差的问题。

文献[13]利用鲁棒控制思想，在重复控制的延时环节中引入零相位低通滤波器，避免了低通滤波器的相位滞后对控制器稳定性的影响。

借助于免疫系统反馈思想，设计出以误差和误差变化率为变量的非线性激励函数和抑制函数，并通过免疫反馈控制确保系统的稳定性和动态性能。

最后构建了一种基于线性超前相位补偿和二阶Butterworth 低通滤波器的补偿环节，使补偿环节的设计不依赖于精确的控制对象模型，并通过低通滤波器抑制未建模误差和高频干扰对控制器性能的影响。

1.1.4 无差拍控制
无差拍控制是通过调整一个周期内的方波脉冲宽度和极性，使输出信号与下一个采样时刻的信号值相同[6]。

无差拍控制最突出的优点是可以很好地改善被控对象的动态特性，使被控对象的动态响应快、动态性能变得极佳[14]。

但该算法对被控制对象的模型依赖大，需要提供一个被控对象精确的数学模型，且其带负载能力差，此外，无差拍控制的性能随开关频率的升高而升高，对一般使用的10kHz 的开关频率无明显作用[12]。

1.1.5 单周期控制和定频积分控制
单周控制是一种非线性控制技术，它通过控制开关的占空比，使每个开关周期中开关变量的平均值严格等于或正比于控制参考量[6]。

其基本原理图如图3所示。

图3 单周控制基本原理图
其工作原理为：0时刻，脉冲触发控制器，k1闭合，k2断开，此时
x(t)=y(t)，积分器积分,则值增大，直到，比较器翻转，触发控制器，使k1断开，k2闭合，此时y(t)=0，电容放电，积分器开始复位，的值开始减小。

到下一时刻，时钟信号脉冲触发控制器，如此循环。

一个周期内，各参考量之间的关系为
则可以得到输出信号y(t)在一个周期内的平均值与参考信号的
关系为：
由此可见，单周控制的输出完全抑制了输入的干扰，与给定信号成比例，具有良好的抗扰动性与跟随性。

定频积分控制源于单周控制，其具备单周控制的特点。

另外，定频积
分控制引入了输出反馈的PI控制，克服了单周控制职能工作于电流连续状态的缺点[6]。

1.1.6 智能控制
智能控制主要包括模糊控制、滑模变结构控制和神经网络控制。

一个设计良好的智能控制，其最大的特点是鲁棒性强，可靠性高。

其缺点是设计复杂，实现较难[12]。

1.2 逆变器并联运行控制技术
逆变器并联的控制目的是实现各台逆变器输出电压的频率、幅值和相位一致，并均分或按容量比例分配负载电流。

按照有无控制信号线连接，逆变器并联控制可分为有连线并联控制方式和无互联线并联控制方式。

有连线控制方式又分为集中控制、主从控制、3C环控制和分散逻辑控制，这些控制方法的共同特点就是各逆变单元通过控制信号线上的连接得到其它逆变单元的信息，只是实现的形式和所得对方单元的信息(电流、功率或者其它相关信息)不同而已；无互联线控制方法由于逆变器之间没有信号线的联接，无信息交换，所以只能利用并联逆变器之间的隐含关系来实现负载电流的分配。

1.2.1 有互联线控制
1.2.1.1 集中控制
集中控制方式是在并联逆变器研究初期所使用的一种并联策略[14]。

用该方
式控制的逆变器并联系统中，除每台逆变器都配有一个用以实现各自的基本逆变控制功能的控制器之外，系统中还提供了用于系统并联控制的并联控制器[15]。

该控制器为系统中的各逆变器提供输出电流指令，通过调节输出电压的幅值和相位，实现个逆变电源模块均分负载电流。

其基本原理框图如图4所示。

该方法的优点是控制方法简单、均流效果好。

但是由于系统共用一个集中的控制中心,集中控制中心的存在一方面使得并联系统难以实现真正的模块化；另一方面，如果该控制单元出现故障时整个逆变器并联系统就会瘫痪。

因此集中控制方式不能真正达到高可靠性和真正冗余的目的,所以目前并联系统很少采用这种方式[14]。

因此目前并联系统很少采用这种方式。

图4 集中控制基本原理框图
1.2.1.2 主从控制
并联逆变器系统中首先启动的一台为主模块，其为电压控制型逆变器，支撑并联系统的输出电压；其它模块为从模块，为电流控制型，跟踪主模块输出的电流，分担系统负载。

其控制框图如图5所示。

图5 主从控制基本原理框图
因为从模块的给定电流为主模块的输出电流。

所以系统不能实现真正的模块化。

且一旦主模块出现故障，将会导致系统瘫痪。

尽管改进的控制方案采用当主模块故障时，主动从所有的从模块中自动选择一个作为主模块，防止系统崩溃，但不能完全实现主从模块的对等。

文献[16]提出了一种可任意选择主模块的主从式控制结构，具有如下特点：并联系统各模块完全相同；各模块之间通过两根信号通信线自由选择主模块；当前主模块退出并联时，从各从模块中自动产生新的主模块；新的模块投入并联时，自动作为从模块运行；总负载电流在所有模块之间均分，与并联模块数目无关。

1.2.1.3 3C环控制
3C型逆变器并联控制方案将第一台逆变器输出的电流反馈信号加到第二台逆变器的电流给定信号中，第二台逆变器输出的电流反馈信号加到第三台电流给定信号中，依次连接，使并联系统在电流信号上形成了一个环形结构，为共同的负载供电。

其控制原理框图如图6所示。

图6 3C环控制基本原理框图
3C型控制虽然每一个模块仅接收上一模块的信号，但该信号已经包含了其它模块的电流信息，故可以实现逆变器的有效并联均流控制，无需模拟信号平均电路，也无需知道并联模块数，因而具有一定的优越性。

但在控制回路中引入其他模块的信号，模块之间的相互影响增强，并联方案的控制难度较大[19]。

文献[17]采用了基于 H∞鲁棒控制器的输出电压外环，提高了并联系统的鲁棒性，减小了并联模块之间相互作用的影响。

通过在并联系统各模块之间进行双向通信，可以提高 3C 并联系统的可靠性及实现热插拔功能。

文献[18]提出了一种改进的三环控制方案，使得系统中除最后一个并联的电压源外其余电压源均工作在额定电流处，且系统自动切除出故障模块，使其整体效率达到最优，可靠性
得到提高。

但该方案仍然不能实现系统的模块化。

1.2.1.4 分布式控制
分布式控制是将并联控制分散在各个模块中，并联系统各模块完全相同，它们的地位均等[19]、[20]。

各个模块检测出自身输出电流电压信息，通过均流总线传送到其他并联模块中，并接收来自其他模块的信息与自身信息进行比较调节，从而确定各个模块的电压给定信号，并最终实现各逆变器共同均分负载。

其控制原理框图如图7所示。

图7 分布式控制基本原理框图
文献[21][22] 采用分布式控制原理,提出了一种基于瞬时电流控制的电流权重分配控制方式或称为加权均流控制，该方式通过在每个逆变器控制单元中增加一个简单的电路即可实现并联逆变器按照额定容量比例分配负荷功率,可以方便地进行不同输出容量的模块并联。

但这种控制方法中配置电流总线的模拟信号易受干扰，同时不能克服各逆变器间线路长度差异对功率均分带来的影响。

1.2.2 无互联线控制
1.2.2.1 电力线通信控制
电力线通信是指在输电导体上传输数据和话音信号的一种通信方式，目前其在电力系统和自动化等领域已有较多应用，如自动抄表系统等，近几年的研究热点主要是提高传输速度和可靠性以及在交叉学科领域的推广应用[23]。

文献[24]给出了利用电力线作为信号传播载体的一种控制方法。

逆变器模块的信息通过扩频芯片叠加到交流母线上，并在电力线上利用一定的通讯规则进行传播，最后信号解调芯片将信号从电力线上分离出来供各逆变器模块所共享，各台逆变器的控制与分散逻辑控制方式相同。

电力线通信控制的并联系统比有连线控制的并联系统，更能提高系统的稳定性，而且也可以获得较好的均流效果。

但是电力线通信控制的并联系统的缺点是采用了信号调制和解调芯片，这样既增加了成本，又在输出交流母线上叠加了高
频信号，最终会大大降低了输出电压波形的质量，并且使控制系统易受到电磁信号的干扰[25]。

1.2.2.2 下垂特性控制
通过对逆变器并联系统的研究发现，各台逆变器模块在并联系统中所发出的有功功率与其输出电压相位有关，发出的无功功率与其输出电压幅值有关[26]。

下垂特性控制利用这一关系来实现逆变器模块之间的并联，控制使得发出有功较大的逆变模块的输出电压频率较小，输出有功较小的逆变模块输出电压频率较大，利用不同的频率来改变逆变模块之间的相位，最终各模块相位趋于一致，发出的有功功率相等；同理通过幅值调节来实现无功的均衡。

其基本原理框图如图8所示。

图8 下垂控制基本原理及框图
下垂特性控制的逆变器并联系统可以完全消除并联各逆变器之间的控制互
联线，同时就不会引入外界的噪声和干扰，也不存在单点故障问题，可以真正实现冗余供电和模块化设计。

但是由于在整个负载变化范围内采用了频率和幅值的下垂控制，所以在从空载到满载的范围内，并联系统的输出频率有一微小的变化，在幅值下垂和逆变器自身外特性的作用下输出电压幅值可能下降较大，在对电压频率和幅值有较高要求的负载中，此种控制方式有待进一步的研究；另一方面完全一致的两台逆变器是不可能存在的，这就导致各逆变模块性能上的差异，从而影响了逆变器模块对负载的均分效果；此外由于下垂特性控制方案控制的并联系统中逆变模块完全利用自身的信息来均分负载，没有其它模块的信息可参考，所以逆变器模块之间的参数差异对此种控制方法影响较为严重。

目前，国内外对下垂特性控制的研究较多[27]——[31]，其中能较好解决逆变器模块无功功率分配不均的研究分别是谐波注入法[32]和改变逆变器输出阻抗法[33]。

谐波注入法是在各单台逆变器的电压基准中注入幅值很小的谐波，通过谐波发出的有功功率来调节逆变单元的基波幅值给定。

这种方法的电压基准由于引入了谐波，
使得输出电压产生了畸变，而且由于要计算谐波的有功而使得数字芯片的工作量大大增加。

改变逆变器输出阻抗法是在各逆变单元中加入了据逆变器发出的无功功率控制输出电抗大小的环节，以补偿线路电抗大小不一致造成的无功不均，但在引入调节输出电抗环节的同时也影响了逆变器的性能，增加了系统的不稳定因素。

2 课题学术和使用意义
移动电源主要是指发电机组与移动平台组合形成的移动式的发电、供电设备。

随着各地自然灾害的频发以及国家西部开发战略和海洋能源开发战略的实施，对移动电源的需求逐步上升。

在市电不能到达的地方，如高原、海洋、沙漠、边远地区、船舶及工程建设等；供电不能中断的地方，如银行、信息中心、医院、大型楼宇等；需要特种电源的场合，如军用电源以及各种自然灾害的救急现场等需要大量的移动电源[1]。

变流器是移动应急电源的核心部分，其性能的高低直接决定了整个移动应急电源性能的好坏[2]。

由于电力负载的增大，对电源的功率要求越来越大，而一般的移动电源功率等级不高，单个移动电源往往不能满需求，因此常常需要多台移动电源并联运行以扩展功率等级。

但是移动电源（如便携式发电机）大多为交流输出，其直接并联运行困难。

当一个模块投入运行时，或系统运行中，各模块的输出电压的频率、相位和幅值必须完全一致，任何一个量的微小偏差都将造成很大的环流，严重降低系统的效率甚至损坏模块。

因此，采用逆变器并联控制方式得到广泛应用。

逆变器并联方式是先将移动电源输出的交流电经过整流后再经逆变器逆变成交流，通过对逆变器的控制，使其输出的交流电压的频率、相位和幅值完全一致。

目前对于逆变器并联系统的研究主要是对同等容量均流的控制技术研究，在某些紧急情况下，如地震中的抢险救灾现场，找不到相同容量逆变电源，只能依靠不同容量逆变电源进行并联。

对于不同容量的多个逆变器间的协调运行、实现不同功率等级逆变器间功率精确分配以及环流控制等问题的研究有待提高。

本课题以此作为研究背景，选用两电平H桥逆变器、LCL滤波器的并联拓扑结构。

二、课题研究的目的、内容和技术路线
2.1 研究目的
本课题旨在研究单相不同容量移动电源的逆变器并联控制技术。

对已有的相同容量逆变器并联系统进行分析、研究，结合移动电源的实际应用场合，探索应用于不同容量逆变器并联较为合适、方便的控制策略与控制方法，得到运行效果良好的不同容量逆变器并联系统。

(1)、针对移动电源（便携式发电机）应用场合的需要，本课题研究的逆变
器并联控制将有效的解决市电不能到达的地方或各种自然灾害的救急场合的供
电问题，保证这些地方的电力需求。

（2）、针对并联逆变器所固有的问题，本文研究的控制策略将提高逆变器并联供电的电能质量，使其具有热插拔性，冗余性，高可靠性，以及较强的外特性。

2.2 研究内容
查阅大量有关逆变器并联的文献资料，比较各种并联控制技术的优缺点，选择综合最优的控制方式作为本课题的研究重点，使其达到本课题的预期目标。

归纳起来，本课题的研究内容主要有如下几点：
（1）、分析确立单相移动电源逆变器并联的拓扑结构
目前与本课题相关的文献资料所用的拓扑结构基本相同，即电源输出整流后经逆变器逆变，再经滤波器滤波，然后并联，唯一不同点就是滤波器的选择，大多数文献选择的是LC型滤波器。

LC型滤波器能满足并联系统的一般需求，但是对于系统的高频环流却是鞭长莫及。

文献[34]指出经过适当的参数设计可以使得LCL逆变器的等效输出阻抗在低频段与LC型滤波器相近，而在高频段可以呈现出LC型滤波器所没有的高输出阻抗特性，利用这一特性可以很好地抑制系统高频环流，同时可以保持较硬的输出电压外特性。

所用本课题选用带LCL滤波器的逆变器并联拓扑结构。

（2）、分析确定带LCL滤波器的逆变器在独立、并联供电模式下的控制方式。

对于并联供电模式，采用改进的无互联线的控制方式，能够实现系统的模块化，得到很好的冗余性和热插拔性；对于独立供电模式，采用电压电流双闭环控制以提高系统的稳态精度和动态响应速度，其中电压外环调节器采用谐振控制，可以无静差的跟踪特定频率的电压参考信号，电流内环调节器采用比例积分控制，可以无静差的跟踪电流参考信号。

（3）、选择恰当的LCL滤波器参数、设计合理的控制器的参数，对单相移动电源逆变器并联拓扑进行建模仿真，优化设计。

（4）、搭建并网逆变器硬件电路，应用DSP建立电源逆变器并联的硬件平台，来验证仿真分析的正确性。

2.3 技术路线
（1）、大量查阅逆变器并联的相关资料，做好理论基础。

结合资料，比较各种拓扑结构和控制方式，分析所采用的拓扑结构的运行特性、控制方式的基本原理与运行效果。

（2）、建立并联逆变器主电路的仿真模型，研究分析系统的工作特点，在仿真的基础上优化系统。

本课题采用的主电路拓扑结构如图9所示，系统控制框图如图10所示。

图9 系统主电路拓扑结构
图10 系统控制框图
（3）针对负载电流分配环节，选用改进的分布式控制方式，该方式可以根据各模块的容量来精确分配负载电流。

（4）针对逆变器闭环环节，对逆变器电流电压的双闭环控制方法进行控制
器的设计和仿真，电流内环反馈并联侧电感电流以提高系统的动态响应速度。

（5）搭建硬件实验平台，进行实验验证。

三、创新之处与拟解决的关键问题
3.1 创新之处
(1) 在逆变器并联控制策略中，结合瞬时电流控制法和分布式控制法，提出基于两者的改进分布控制策略。

该控制策略没有传统分布式控制的均流总线，各模块之间除了参考电压总线外，无其他互联线，可以减少模块之间的信息干扰。

（2）在负载电流分配单元，将检测到的逆变器输出电流与该逆变模块的电源
输出额定电流进行比较，通过设计恰当的调节器，使两者最终相等。

这样就实现了各逆变模块按容量分配负载的效果。

3.2 拟解决的关键问题
（1）由于逆变器输出电压的差异大小决定了系统环流的大小，消除系统环流需要逆变器输出电压在频率、幅值和相位上完全相同。

同时，在某一逆变模块并入系统之初，其输出电压的频率、幅值和相位必须快速地跟上系统的输出电压。

因此如何确定各逆变器稳定运行时的等效输出电压完全同幅同频同相成为系统可靠运行的关键点。

（2）当负载突变较大时，由于系统的并联模块数还未来得及变化，这样会使得系统的输出电压即负载供电电压突变，可能会导致系统崩溃。

因此，如何通过系统控制器和主电路参数的设计来提高系统的动态响应速度和抗干扰能力也是一个关键点。

四、预期目标
（1）并联系统在稳定运行时恒压输出，在负载突变时，系统的响应速度快，输出电压变化较小，不会出现系统崩溃的情况。

（2）系统的输出容量及并联模块数根据负载所需的功率大小来确定，在满足负载容量的基础上并联最少的移动电源。

且并联系统除最后一个模块外，其他模块都额定运行，提高系统运行效率。

同时实现不同容量逆变电源的并联。

（3）系统热插拔性能要好，在系统运行过程中断开或投入新的逆变电源模块，且不影响系统的正常工作，实现系统的模块化。

另外，系统的环流要得到较好的抑制。

五、可行性论证
（1）逆变器并联技术是一项较为成熟的技术，已有大量的相关文献作为理论基础。

在此基础上，对其应用于不同容量的移动电源进行探讨，结合移动电源应用场合的具体特点进行研究，并有导师和同门的指导和帮助。

（2）运用相关仿真软件对模型进行仿真分析，与理论对比加以改善，加之实验室具备一定的实验基础，为硬件实验平台的搭建提供了良好的条件。

（3）在以上软硬件条件下，基于单相移动电源逆变器并联控制技术研究课题具有可行性，并能够取得一定的研究成果。

六、参考文献
参考文献
[1] 陈永清移动电源继承测试系统[D] 南昌大学硕士学位论文 2009
[2]吴杰，王志新，顾临峰. 多功能移动应急电源的控制与仿真研究[J]. 低压电器，2011，3：41—46。