华中科技大学硕士学位论文
摘要
大功率三相逆变电源作为交流供电系统的重要组成部分，广泛应用于电动车、船舶和银行等领域。而三相逆变器的并联控制技术可以实现冗余供电并提高供电可靠性，是当今逆变电源发展的重要趋势之一。本文以两台75kV A组合式三相逆变器作为研究对象，采用全数字化控制方式，分别对三相逆变器的波形控制技术与并联控制技术进行研究。
首先，针对组合式三相逆变器的波形控制，分别建立主电路在不同坐标系下的数学模型，并推导其主电路框图和传递函数。重点分析了数字控制中规则采样SPWM 等效引入的1.5拍控制延时。波形控制采用同步坐标系下PI与重复控制并联结构的复合控制策略，分别分析了PI控制器与重复控制器的原理，并给出相应的控制器参数设计方法。分析了重复控制器对谐波的抑制原理，考察了复合控制系统的稳定性，并通过仿真对复合控制器的性能进行了验证。
其次，针对组合式三相逆变器的并联控制，建立了逆变器并联的等效数学模型，对环流与输出功率进行了定量分析。采用基于输出有功和无功功率的主从并联控制策略，各逆变器模块分别根据输出有功功率差与无功功率差来调节参考电压的幅值与相位，从而实现功率均分。
然后，为了解决基于同步母线的同步方法容易受到电磁干扰与传输距离较短的问题，本文研究了基于CAN总线的并联控制方案。通常逆变电源的并联系统皆配置了CAN总线，在不增加硬件开销的基础上，利用一路CAN总线同时实现输出电压的同步信号与功率信号的传输，并对通信延时进行了分析。实验结果表明此种方法抗干扰能力强且同步效果良好。
最后，设计了容量为75kV A组合式三相逆变器原理样机，并对本文设计的波形控制器和并联控制器进行实验验证。实验结果表明复合控制策略的波形控制技术与基于CAN总线的并联控制技术的有效性。
关键词：组合式三相逆变器，重复控制，复合控制，并联控制，CAN总线
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Abstract
As an important part of AC power supply,three phase inverter is widely used in the field of electric vehicles,shipbuilding and banks.The parallel control technology of three phase inveter can make power supply redundant and high-capacity,which is one of inverter’s development trends.In this paper,with two 75kV A combined three phase inveters as a research object,research on the waveform control technology and the parallel control technology was carried out.
First,according to the waveform control of the combined three phase inverter, the mathematical models in different coordinate systems of three phase inverter were established.Those models were continuous-time state space model,the transfer function model and the block diagram model. The 1.5 beat control delay introduced by asymmetric sampling SPWM was emphatically analyzed.This paper mainly study the composite control strategy of PI control plus repetitive control. The principle of PI controller and repetitive controller was analyzed, and the corresponding controller design method was given.And then,the principle of repetitive controller for harmonic suppression was analyzed and verified by simulation.
Second,according to the parallel control of the combined three phase inverter,the mathematical models of circulating current and output power of parallel system were established.Parallel control strategy based on the average active and reactive power control is used.The loop of average power regulates the phase and mangnitude of output voltage according to the output active and reactive power difference.CAN bus is responsible for the synchronization of each inverter’s voltage reference and the transmission of the output active and reactive power signal.
Finally,the experimental verification is realized in two 75kV A combined three phase inverters.The experimental result verifies the feasibility of voltage waveform control and parallel control scheme of hi
gh power three phase inverter.
Key words：Combined Three Phase Inverter,Repetitive Control,Composite Control Stategy,Parallel Control,CAN bus
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目录
摘要...................................................................................II 目录.................................................................................III 1绪论. (1)
1.1大功率逆变器的研究背景 (1)
1.2逆变器波形控制技术的研究现状 (2)
1.3逆变器并联运行技术的研究现状 (4)
1.4本文的主要研究内容 (5)
2基于复合控制策略的逆变器波形控制技术研究 (7)
2.1逆变器的数学模型 (7)
2.2数字控制延时分析 (12)
2.3基于复合控制的波形控制器设计 (14)
2.4仿真验证 (26)
2.5本章小结 (31)
3 基于CAN总线的主从式逆变器并联系统研究 (32)
3.1逆变器并联的数学模型与环流分析 (32)
3.2基于有功和无功功率的并联控制器设计 (36)
3.3CAN总线通讯设计 (40)
3.4本章小结 (44)
4逆变器单机与并联运行的实验研究 (45)
4.1主电路设计 (45)
4.2控制电路设计 (48)
4.3程序设计 (50)
4.4单机实验验证 (51)
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4.5并联实验验证 (55)
4.6本章小结 (57)
5总结与展望 (58)reactivepower
5.1全文总结 (58)
5.2未来工作展望 (59)
致谢 (60)
参考文献 (61)
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1 绪论
1.1  大功率逆变器的研究背景
目前全球能源市场正处在转型期，能源结构正在向更清洁、更低碳的燃料转型。根据2017年BP世界能源统计年鉴显示[1]，2014-2016年由能源消费导致的二氧化碳排放量仅增加0.1%，是自1981-1983年以来平均碳排放增速最低的三年。二氧化碳排放量放缓的其中一个原因是全球范围内可再生能源发展迅速。其中，2016年中国的可再生能源消费全年增长33.4%，占全球总量的20.5%。并且中国超过美国，成为最大的可再生能源生产国。
但需要指出的是可再生能源在全部能源中占比仍然很小，仅有4%。在科技进步和环境需求的共同驱动下，可再生能源依然具有广阔的发展空间。随着我国可再生能源发电行业的快速发展，在太阳能和风能发电中广泛使用的大功率逆变器技术的发展具有良好的应用前景和重要的经济意义。而大功率逆变器技术可以大致分为单机的控制技术与多机并联的控制技术。
随着对供电质量要求的不断提高，逆变电源需要提供稳态误差更小，动态响应速度更快以及波形畸变率更低的输出电压。同时，如何提高逆变器的功率密度，效率以及如何降低电磁干扰都是逆变电源众多发展方向之一。而逆变电源提供更高的电压波形质量离不开波形控制技术的发展。目前波形控制技术主要的难点体现在非线性负载与数字控制延时的影响。当逆变电源为非线性负载供电时，由于输出电流中的低次谐波含量较大，谐波电流流过输出阻抗后产生谐波压降，最终导致输出电压波形发生畸变。不同于模拟控制方式，数字控制方式由于采样与控制算法的执行需要一定时间，调制信号的装载一般需要滞后一个采样周期，等效的延时会引起相位滞后，而相位滞后则会影响系统的稳定性。
逆变电源的并联控制技术不仅可以提高供电容量，还可以构成冗余供电提高供电可靠性。三相逆变电源的并联不同于直流电源的并联，不仅需要保证任意时刻输出电压的幅值相等，还要保证输出电压的频率与相位的一致，否则就会产生环流。由于环流不流经负载，环流的产生轻则降低系统的效率，严重时危及并联系统的稳定性，甚至导致开关器件的损坏。逆变器并联系统除了环流控制，互连线的可靠性与逻辑切换也会影响并联系统的稳定性，同样需要对其进行研究。
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