A study on the methods of operation of the connected parallel inverters network

Parallel inverter technology allows pairing parallel N + 1 modules, so during operation if one module fails, the remaining N modules will generate sufficient load capacity of 100%, so th

A study on the methods of operation of the connected parallel inverters network

A Dissertation Submitted for the Degree of Doctor of Philosophy

Candidate：Hoang Thi Thu Giang Supervisor：Prof Tian Lian fang

South China University of Technology

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摘 要

将三相逆变器并联运行，可大大提高系统的灵活性,使电源系统的体积缩小、重量减轻，还也可大大减少开关器件的电流应力，从而提高系统的可靠性、降低成本和提高功率密度。由于可实现冗余供电，逆变电源的并联技术可以实现 N+1 (N=1,2,3….) 冗余并联运行方式，当系统中任一个模块由于故障而失效时，其余的 N 个模块仍然可以继续提供 100%负载功率，可以以较小的功率冗余为代价获得容错冗余功率，大大提高了系统的可靠性。并联冗余控制是实现高可靠性、大功率电源系统的优选方案。因此，逆变电源并联技术在航空航天、大型计算机供电系统、通讯电源系统和银行电源系统等对电源可靠性要求较高的领域具有广泛的应用前景。逆变电源的并联控制技术是近年来电源领域研究的一个热点课题，具有实际应用意义。

控制并联逆变器系统通常使用传统 PID 控制器来控制电流电压。传统的 PID 控制器设计成熟，控制效果良好，但也存在参数设计不精确，对系统参数变化敏感，其动态性能和谐波因数往往难以达到要求等不足。分数阶 PID控制器具有对被控对象的参数变化具有较强的鲁棒性，其控制效果优于传统的 PID 控制器，且实现难度与传统 PID相近等优点。本文将分数阶 PID 控制器替代传统 PID 控制器，研究控制器的设计方法，并对设计的控制器在相关系统中进行并得到应用和验证。

论文主要研究内容包括以下几点：

1) 分析了课题研究背景和意义，介绍了逆变器及其并联技术技术的发展应用研究现状。

2） 分析了三相逆变器的拓扑结构、数学模型和控制方法，在此基础上进一步分析了逆变器并联系统的模型，逆变器并联运行的机理，介绍了各种并联控制方式。 3）分析和研究了 PWM 逆变器直接电流控制方法、双闭环矢量控制原理、PWM 逆变器的空间矢量算法；引入电流前馈控制方法，设计了 PWM 逆变器的并联系统，并进行了系统的建模与仿真分析。

4）分析了并联逆变器系统的环流产生机理、环流抑制技术、均流控制技术以及对输出电压的影响，介绍了常用的几种均流控制方法，在此基础上提出了最大电流自动均流法，并进行了仿真验证。

5）介绍了分数阶基本理论，包括分数阶微积分定义、分数阶微积分性质、分数阶微积分的积分变换，分析了分数阶系统典型环节的特性。

6）研究了分数阶 PID 控制器，介绍了分数阶控制器的离散化实现方法，在此基础上研究了三相 PWM 逆变器分数阶控制系统，设计了 FO-PID 控制器，研究了其参数整定方法，并分析了各环节特性及其对控制性能的影响。仿真结果分析证明了基于FO-PID 的直接电流控制能够实现预定的控制效果，网侧电流接近正弦，功率因数单位

化, 而且 FO-PID 控制器对系统参数变化不敏感, 直流侧电压能够快速稳定在给定值，控制精确，具有更强的鲁棒性。

7）设计了 PWM 逆变器并联系统的硬件平台和软件算法，并进行了相关实验。实验结果证明，本文设计的系统，系统运行稳定，在谐波因数、功率因数等方面可满足并联并网系统的要求，同时可以实现冗余运行，提高了系统的安全性和可靠性。

关键词：三相并网逆变器；并联运行；环流；均流；直接电流；最大电流；分数阶 PID

ABSTRACT

A study on the methods of operation of the connected parallel inverters network is significant in control not only for our country but also for China and other countries in the world Three phase inverters have become the main power supply systems, such as office automation, hospital, bank, play an important role in the field of communications, defense Parallel inverter technology is a potential market and has great potential, can be studied extensively and has many specialized applications Some recent years, one phase parallel inverter became mature, and 3-phase connected parallel inverter is gradually becoming a new research focus of the scientific research

Three phase inverters in parallel can provide electricity with high capacity as well as backup power, which is an important research direction, is increasingly being recognized in the inverter control technology Using parallel inverter enhance the flexibility of the system, reduce the volume, the size of the system, increasing the quality of the switching process, improve reliability, increase power density and reduce the cost of production systems system Moreover, using inverters connected in parallel may perform redundant power supply, improve the reliability of the system work Parallel inverter technology allows pairing parallel

N + 1 modules, so during operation if one module fails, the remaining N modules will generate sufficient load capacity of 100%, so the cost will be much cheaper than the equipped with redundant power supply separately, but the reliability of the system is improved.Parallel inverter control Technology is now the first choice for control systems require high performance and high reliability Therefore, parallel inverter technology is now widely applied in many fields such as core: aviation, power supply for computer, communication systems, power supply systems for banks , the system resources required to provide quality and high reliability Parallel inverter technology is a hot spot for the supply of energy in recent years, this study is a significant high practical application

Parallel inverter control system traditionally use PID controller (proportional, integral, derivative) to control the voltage, the traditional PID controller has reached maturity, the resulting control good, but the design parameter is not really optimal, very sensitive to the variation of other parameters in the system, performance and features of the system is

difficult to achieve an optimal level, so that the amount of highly customizable

This thesis introduce method using fractional PID controller to replace the traditional PID controller design parameters for the controller fractional PID The controller segment brought dramatic changes in the past controls, achieve better control that traditional PID controller is not reached

Study on the methods of operation of the connected parallel inverters network has been done in following steps:

1) The first, thesis analyzes the meaning and context of the study subjects, a general introduction to the current state of development and application of inverter technology, the current state of technological development driver pairing in parallel inverter China and other countries around the world

2) Analysis of the pattern and texture of the 3-phase inverter, inverter control method of three-phase inverter models in parallel, working principle analysis of parallel inverter, introduces the control method common parallel inverter

3) Analysis and method research to directly control current (DCC) PWM inverter, control principle two close loop analysis method of space vector PWM inverter, analytical methods feedback current control and analysis methods to directly current control to the parallel inverter Using matlab / simulink to setup and simulate system, simulation results analysis

4) Analysis of balanced current system paired parallel inverter, current limiting method when paired parallel inverter, affecting the output voltage of the inverter parallel coupling Engineering controls stratospheric parallel inverter, then analyzes some of the stratospheric control method used in parallel inverter system analysis and control methods are applied in this thesis is the method automatically current maximum average Performance is simulated

by Matlab / Simulink and analyze simulation results

5)Referring to the issues in the fractional control, the definition fractional, the nature of the area fraction, analysis changing methods in fractional control, analyze the characteristics

system, designed adapters FO-PID controller and its features, analysis and setting the parameters of the system, through the FO-PID control voltage is stable at a certain value, the voltage is kept constant even even when the load changes, the grid fluctuations or other parameters of the system change Ensuring the performance of three-phase inverter and the majority of the damage reduction Simulation results and experiments have demonstrated that the use of FO-PID control method with direct current control to achieve the results desired control, the grid current is very close to sinusoidal, power factor is high, moreover FO-PID controller is not sensitive to changes in the parameters of the system, the DC voltage stability quickly at a certain value, and the sharp correction and more accurate

7) Finally, thesis designs main power circuit and locked loop system design experiments paired parallel inverter (including hardware and software applications), through the table experiments , analysis of experimental results and draw conclusions: experimental results have proved the thesis system design reasonable structure, precise control, efficient, results-driven requirements, meet the requirements of the grid, the efficiency of the system is improved, and has the effect of inhibiting the appearance of harmonics, grid quality is not affected, reducing heating systems, safety is enhanced, reduced maintenance workload, valuable practical application high structure was renovated parallel system, creating favorable conditions for real life production, reduce waste and conserve natural resources

Keywords: PWM rectifiers; inverters in parallel ; Direct Current Control, balanced current;

Fractional- order PID Controller

目 录

摘 要 I

第一章 绪 论 1

1.1 课题研究背景和意义 1

1.1.1 课题研究的背景 1

1.1.2 课题研究的意义 2

1.2.逆变技术的发展和应用 3

1.2.1 逆变技术的发展 3

1.2.2 逆变技术的应用 4

1.3 中国和其他国家并联逆变技术的现状与发展 6

1.4 本文主要研究内容和工作 8

第二章 逆变器并联系统模型与工作原理 11

2.1 引言 11

2.2 三相逆变器的模型分析 11

2.2.1 三相逆变器 PWM 拓扑结构 12

2.2.2 三相 PWM 逆变器的控制方法 17

2.3 并网逆变器并联系统的模型分析 18

2.3.1 逆变器并联拓扑 18

2.3.2.逆变器并联运行的原理与分析 19

2.4 各种并联控制方式 21

2.4.1 外特性下垂并联控制法 21

2.4.2.主从并联控制法 23

2.4.3 最大电流并联控制法 25

2.5 小结 26

第三章 并网 PWM 逆变器直接电流控制方法 27

3.2.1 直接电流控制方法 27

3.2.2 双闭环控制结构 28

3.3PWM 逆变器的空间矢量算法 31

3.4 基于电流前馈控制方法研究 33

3.5 重复控制的 PI 控制器 35

3.5.1 重复控制系统结构 36

3.5.2 PWM 逆变器电流重复控制器设计 38

3.5.3 电流环 PI 控制器和重复控制器复合控制 40

3.6 并网逆变器 PWM 并联的直接电流控制设计与研究 40

3.7 仿真与分析 44

3.8 小结 49

第四章 并网逆变器并联系统的环流抑制与均流技术 50

4.1 引言 50

4.2 并联逆变器系统的环流分析 50

4.2.1.并联系统环流的基本概念 50

4.2.2 功率偏差与环流 53

4.2.3 并网逆变器并联环流抑制技术 55

4.3 并联逆变器对输出电压的影响 59

4.4 并网逆变器并联均流控制技术 60

4.4.1 均流概念 60

4.4.2 并联均流的原理 61

4.4.3 并联运行的均流方法 62

4.5 仿真结果 67

4.6 小结 70

第五章 分数阶 PID控制理论研究及仿真分析 71

5.1 引言 71

5.2 分数阶微积分定义 71

5.3 分数阶微积分定义间的关系 72

5.4 分数阶微积分性质 73

5.5 分数阶微积分的积分变换 73

5.6 分数阶典型环节的特性研究 74

5.6.1 分数阶积分环节 74

5.6.2 分数阶微分环节 76

5.6.3 分数阶微积分环节 78

5.6.4 分数阶比例积分环节 80

5.6.5 分数阶比例微分环节 82

5.6.6 分数阶 PID 环节 84

5.8 小结 85

第六章 分数阶 PID 控制器在 PWM 逆变器中的应用研究 86

6.1 引言 86

6.2 分数阶 PID 控制器 86

6.3 分数阶控制器的离散化实现 88

6.3.1 直接离散化 88

6.3.2 间接离散化 90

6.4 基于分数阶 PID 控制器研究 90

6.4.1 三相 PWM 逆变器分数阶控制系统 90

6.4.2 分数阶 PID 控制器的设计 93

6.4.3 仿真结果及分析 96

6.5 小结 102

第七章 并网逆变器系统的实验研究 103

7.1 引言 103

7.2 主电路参数与锁相环设计 103

7.2.1 交流电感值设计 103

7.2.2 直流母线电压值设计 105

7.2.3 直流母线电容值的设计 105

7.3.2PWM 逆变器主电路设计 116

7.3.3 软件设计流程 120

7.4 实验结果与分析 122

7.4.1 整体平台图 122

7.4.2 实验结果及波形分析 123

7.5 小结 131

结论与展望 132

8.1 全文工作总结 132

8.2 进一步工作展望 133

参考文献 135

致 谢 148

CONTENT

1.3 Status and Development of China and other countries in parallel inverter technology 6

Chapter 2 Inverter parallel system model and analysis of working principle 11

3.2.2 The dual-loop control structure 28

3.5.3 current loop PI controller and the repetitive controller complex control 40

Chapter 4 Switching inverters in parallel circulation are streaming technology 50

Chapter 5 Fractional PID control theory and simulation analysis 71

5.6 Properties of Fractional typical links 74

7.3.3 software design process 116

模块化电源并联技术的出现，对完全稳定可靠的全冗余电源系统的实现提供了技术基础，并联模块的均流技术保证了电应力和热应力在各模块之间的合理均匀分配。逆变模块并联技术成为提高分布式电源系统可靠性及扩大供电容量的技术关键。当今世界对高可靠性及大功率化供电系统的要求与逆变电源并联运行控制技术的发展紧密相关。 逆变电源的并联运行具有以下优点：一是对逆变电源系统的容量进行了扩大；二是系统的可维修性高；三是组成并联冗余系统可以有效地提高系统运行的可靠性。逆变电源并联技术在国内外的发展虽然经历了相当长的历程，但仍有很多未解决的问题。由于逆变电源的并联控制技术具有很大的社会效益及经济效益，中国的许多高校及科研单位都对此进行积极探索。

多模块并联运行是当今电源技术的发展方向，尤其在 DC/DC 变换器并联运行方面，自上个世纪 80 年代以来，取得了一系列的实用成果，并在通讯电源等领域得到大量应用。逆变电源输出为交流信号，同直流电源模块相比，其并联更为困难，如果不能保证逆变器输出电压频率、相位和幅值相同的情况下，则将出现环流，造成极大的系统损耗，甚至导致系统崩溃，供电中断。如何采取有效的环流抑制措施是实现并联系统运行的关键。

1.1.2 论文研究的意义

多台 PWM 逆变器并联可实现大容量供电和冗余供电，被公认为当今逆变技术发展的重要方向之一。多台逆变器并联实现扩容可大大提高系统的灵活性,使电源系统的体积、重量大为降低,同时其主开关器件的电流应力也可减少,从根本上提高可靠性、降低成本和提高功率密度。由于可实现冗余供电,并联系统更提高了系统的可靠性。 与其他电源系统相比,多模块并联有以下特点:

l)多个电源模块单元并联分担负载功率,各个模块中主开关器件的电流应力小,从根本上保证了可靠性;

80 年代早期,国外已开始DC DC/ 变换并联运行的研究,现已有商业产品出现,其中典型代表是 Uni-trdoeCl 公司根据最大电流法自动均流原理开发的均流控制器集成电路UC3907。而对逆变器模块单元的并联而言,由于每个单元的输出为正弦交流,各模块输出电压不仅要求幅值相等,而且必须频率一致、相位同步,所以较DC DC/ 逆变器并联技术复杂得多。

逆变电源的并联技术可以实现N1(N=1,2,3…)冗余并联运行方式，当系统中任一个模块由于故障而失效时，其余的N个模块仍然可以继续提供 100%负载功率，可以以较小的功率冗余为代价获得容错冗余功率，大大提高了系统的可靠性。并联冗余控制是实现高可靠性、大功率电源系统的优选方案。

因此，逆变电源并联技术在航空航天、大型计算机供电系统、通讯电源系统和银行电源系统等对电源可靠性要求较高的领域具有广泛的应用前景。

逆变电源的并联控制技术是近年来电源领域研究的一个热门课题，具有实际应用意

第一章 绪论

1.2.逆变技术的发展和应用

1.2.1 逆变技术的发展

PWM 逆变器的研究始于 20 世 纪 80 年代，控制技术主要以电流的幅相控制为主，实现了对网侧电流的控制，PWM 逆变器可以高功率因数运行。1984 年 Akagi Hirofumi 等提出了无功补偿器的控制策略，为电压型 PWM 逆变器的设计奠定了基础

[7]。20 世纪 90 年代，人们对 PWM 逆变器的研究集中在主电路的建模与分析、系统控制策略上，同时电流型 PWM 逆变器也得到了一定的发展。 进入 21 世纪，随着IGBT、

IGCT、IPM等全控型电力电子器件的发展和逆变器的广泛应用，各国学者对 PWM 逆变器的控制策略的研究越来越深入。主要控制策略包括：电网电压不平衡条件下的 PWM 逆变器控制[8],无网侧电压传感器及无网侧电流传感器控制、基于 Lyapunov 稳定性理论的控制、PWM 逆变器时间最优控制、非线性控制[9]

,神经网络控制[10],滑模变结构控制、模糊控制、二次型最优控制等。电压型 PWM 逆变器的电流控制策略主要分成两类：一类是间接电流控制；另一类是直接电流控制。间接电流控制是通过控制交流侧电压的方法来控制电流，不需要采用电流控制环，无需电流互感器，电路结构简单，但是控制性能低，动态响应差，不适合控制性能要求高的场合。直接电流控制是使交流侧的电流直接跟踪给定电流的变化，动态响应好，可以对电流波形进行高精度的控制，以其快速的鲁棒性和电流响应得到广泛应用。直接电流控制的实现方法主要包括滞环 PWM 逆变器电流控制、固定开关频率 PWM 电流控制、空间矢量 PWM 逆变器 电流

控制[11]等。

PWM 逆变器的主电路已从早期的半控型器件发展到全控型器件；PWM 开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制；其拓扑结构已从单相电路、三相电路发展到多相组合及多电平电路；功率等级从千瓦级发展到兆瓦级[12]。大体上，PWM 逆变器可分成电压型逆变器和电流逆变器两大类，因为两者无论是在主电路结构、控制策略以及 PWM 逆变器 信号发生等方面均有各自的特点，同时两者存在电路上的对偶性。PWM 逆变器的具体分类如下：

1） 按电网相数分类： 单相电网

三相电网 多相电网

2） 按桥路结构分类： 半桥电路

全桥电路

3） 按调制电平分类： 二电平电路

三电平电路 多电平电路

,所以目前 PWM 逆变器一般采用电压型 PWM 逆变电路。本文主要研究的也是电压型 PWM 逆变器。[13]

1.2.2 逆变技术的应用

逆变技术的应用领域主要有:

1) 交流电动机变频凋速：采用逆变技术将普通交流电网电压变换成电压可调、

频率可调的交流电,供给 交流电动机,以调节电动机的转速,可用于控制风机，水泵，机床，轧机，机车牵引，空调等很多场合。

2) 电动机制动再生能量回馈：交流电动机和直流电动机在制动过程中都会处于发

第一章 绪论

3) 不间断电源系统：在许多领域中被广泛应用的计算机、通信设备、检测设备等都需要采用不间断电源。在 UPS 中,主要有充电器和逆变器。在电网有电时,充电器为蓄电池充电,在电网停电时,逆变器将蓄电池中的直流电逆变成交流电供给用电设备。

4) 感应加热：中颇炉、高频炉、电磁灶等设备利用逆变技术产生交流电,从而产生交变磁场,金属在磁场中产生涡流而发热,从而达到加热的目的。

5) 弧焊电源：手工电弧焊、电阻焊、埋弧焊、电渣焊,TIG焊,MIG, MGA，COZ气体保护焊、等离子弧焊与切割电源也正在用逆变式电源代替传统的整流式弧焊电源。 6) 通信开关电源：通信电源包括一次电源和二次电源。一次电源将交流电变换成直流电给蓄电池充电,同时供给二次电源。一次电源正在由带逆变器的开关电源替代传统整流式电源,而二次电源一般都是逆变式开关电源。

7) 变频电源：世界上一些国家采用的是6OHz的市电(有的场合还采用4OOHz的交流电),而中国采用的是 50Hz 的交流电。中国在生产出口外销的家电、电动机等产品时,调试、检测过程中需要大量的6OHz的交流电源。采用逆变技术就可以设计出这种电源。 8) 医用电源：X 射线机高压电源、超生波发生器电源等都是逆变式开关电源。 9) 风力发电：风力发电机因受风力变化的影响,发出的交流电很不稳定,并网或供给用电设备都不安全。可以将其整成直流,然后再逆变成比较稳定的交流,就能安全地并到交流电网上或直接供给用电设备。

10) 直流输电：通常采用的都是交流输变电,由于交流输电架线复杂、损耗大、电磁波污染环境等,所以直流输电是一个发展方向。首先把交流电整成高压直流,再进行远距离输送,然后再逆变成交流,供给用电设备。

11) 电子镇流器：普通日光灯镇流器效率低、功率固数低。采用逆变技术设计的电子镇流器提高了效率和功率因数,实现了绿色照明。

12) 环保电源: 对空气、水等生活用品,可以采用高压静电除尘、高频臭氧或超声波消毒,这些设备的电源都要用到逆变技术。

13) 磁悬浮列车: 为减小列车轮子与铁轨之间的摩擦而提高牵引效率,正在发展磁悬浮列车。磁悬浮就是采用逆变等技术产生一种磁场,使列车与铁轨不完全接触。

14) 有源滤波、无功补偿: 对交流电网进行滤波,消除电流谐波,进行无功补偿也要采用逆变技术。

15) 化学电源: 化工领域的电解、电镀、刷镀、静电喷涂、蒸发等,都可以采用逆变式开关电源。

16) 现代汽车: 汽车电器的发展潜力很大,照明、音响、防盗、启动、控制等都将逐步使用节电明显的开关式电源。

17) 家用电器: 在现代的家庭生活中,有不少的家用电器中用到了逆变技术,从而达到了节能、改善使用性能的目的,如变频空调、电磁灶、微波炉、大屏幕彩电、家用电脑,等等。

1) 冗余供电：当个别模块出现故障时，并联系统仍然能提供额定功率并稳定工作； 2) 高稳定性：逆变器模块的插拔对系统输出电压和电流的影响较小，并且能适应各种工作负载；

3) 拓展性良好：逆变器并联的台数可以根据要求增加一定数量。

4) 均流效果良好：逆变器并联的每个模块平均分担负载电流。

根据并联模块之间是否使用互连线，逆变器并联控制方法可分为：有互联信号线并联控制和无互联信号线并联控制。

互联信号线的并联技术是指各个模块之间存在着为了实现模块间均流功能和减少环流而设置的信号连线。

逆变器并联运行技术是在DC DC/ 变换器并联运行技术的基础上发展的，但是由于逆变器输出的是正弦波，因此逆变器并联运行相对困难，因为它必须保证逆变器相互之间频率相位幅值一致或较小误差，否则会对电网产生影响和冲击，同时也必须考虑均流问题和故障保护问题，目前有很多国家已经做了大量的工作，解决了一些存在的问题，并有生产一系列的实际产品，目前逆变器并联技术的特点主要有以下几点：

第一章 绪论

制或分散逻辑控制方式，有少数公司采用无互联线控制方式。

2）采用全数字化控制技术，弥补模拟控制的缺陷。由于逆变器并联并网要求同频同相同幅值，精度要求较高，且算法较为复杂，为了提高系统的可靠性和稳定性，一般采用单片机和DSP来实现系统的信号参数检测、算法的运算和整体控制。

3）采用高频链结构技术，省去了系统内部的工频电压器，不仅减小了系统体积，还节约了成本，装置较为简单。

4）无互联线并联运行控制成为研究热点，由于模块间没有连线，可以减少干扰，真正意义上实现冗余，所以备受关注。

并联逆变技术的发展刚刚起步，但是进步很快，目前，并联逆变技术正朝着高频化、高转换效率、智能化、大容量、数字化、高可靠性的方向发展[1]

当今供电系统的要求趋势一个是高可靠性,一个是大功率化,这两者都与逆变电源的并联(逆变电源之间或与公共电网之间)运行控制密切相关。逆变电源的并联运行主要有以下三个好处:

1) 可以用来灵活的扩大逆变电源系统的容量;

2) 可以组成并联冗余系统以提高运行的可靠性;

3) 具有极高的系统可维修性能,

在单台逆变器出现故障时,可以很方便的进行热插拔更换或维修。然而逆变电源的并联不同于直流电源的并联,逆变电源输出的是交变的正弦波,并联时需要同时控制输出正弦波的幅值和相角, 保证并联逆变器同频率、同相位、同幅值。在并联的逆变电源系统中，如果逆变电源单元的频率、幅值完全相同，但存在一定的相位差，这样在逆变电源单元之间会有较大的环流，主要为有功环流，这时，其中的部分逆变电源单元工作在整流状态：如果逆变电源单元的频率和相位一致，而幅值有差异,这时的环流表现为：部分逆变电源单元吸收无功功率，其他部分逆变电源单元输出无功功率。另外,即使各个逆变电源单元的输出为同频率、同相位、同幅值的正弦波,但各自输出正弦波的谐波含量有着较大差异,这时,各个逆变电源单元之间也存在谐波环流。如所分析，环流是存在于逆变器并联系统的普遍问题。交流逆变电源的并联控制比直流电源要复杂的多,由于上述原因使得对于逆变器并联系统的运行控制和设计具有相当大的难度而引起了业界的广泛关注。目前，世界上许多发达的国家,如日本、美国、荷兰和法国等等的逆变器公司在逆变电源的并联控制技术方面作了大量的工作。下面是国外品脾的逆变电源并联系统的在并联控制技术方面主要一些特点:

1) 采用高频链结构技术

为完成逆变器的并联、提高逆变器的性能和减少逆变器模块的体积，大多采用高频链结构技术，逆变器内减少了工频变压器，装置的体积重量大为减轻，同时也节约了成本，减少了装置复杂性。

2) 采用新型的逆变电源控制技术

以往对逆变器模块的研究侧重于采用新型功率器件实现高频开关和 SPWM 控制,减少滤波器尺寸,通过滤波器的优化设计,实现其输出低阻抗,从而达到抑制输出波形失真和改善负载适应性的目的。在新型功率开关器件技术逐渐成熟之后,为了进一步提高逆变器的动态和静态特性,相应提出了许多新的控制方法,如瞬时电压控制基础上的电流前馈控制、滞环电流控制、无差拍控制等等,这些新型控制方法在很大程度上提高了逆变器的各项性能指标。

3) 采用数字化控制技术

为了提高系统的控制性能和完成并联控制的复杂算法，采用数字化控制方案,如应用单片机或数字信号处理器DSP完成系统的检测、运算和控制。先进控制技术对改进变流电路的效率和性能是必不可少的关键技术。以往主要应用模拟控制技术。数字控制硬件电路标准化、成本低、可靠性高、控制软件灵活、更改容易，从而提高了系统信息存储、监控、诊断以及分级控制的能力。随着微处理器芯片运算速度和存储容量的不断提高，性能优异算法而复杂的控制策略有了实现的可能，如美国德克萨斯州仪器公司研制的数字信号处理器(DSP)TMS320 系列产.品具有快速的运算能力完善的中断处理机制。总之，数字控制使得各种复杂的控制策略容易实现，而且使设备的体积、重量进一步减小，性能更为优秀。中国一些单位也正在研究此技术，并己经取得了一定的成果，但还没有出现中国产系列化产品，大多以合资的形式投放市场，因而,在逆变电流的并联理论和控制策略等方面还需要进行深入细致的研究。

1.4 本文主要研究内容和工作

为满足不同负载功率，并有效地提高供电可靠性，多逆变器模块的并联供电系统是一个解决这个问题的有效途径，是从传统集中式供电供电模式转变的技术关键。逆变电源并联技术在中国和其他国家虽已经历较长时间的发展，但仍有很多科学问题有待解决

第一章 绪论

和实验室原型实验相结合的方法，以 Matlab/Simulink 仿真软件和实验室实验平台为手段，对逆变器并联系统进行反复和大量仿真和实验研究，实验结果支持了理论分析，本文主要内容为是:

第一章，介绍了课题研究背景和意义，逆变器技术的发展应用及研究现状，并联逆变技术的现状与发展，本论文主要的研究内容及创新之处。

第二章，分析了三相逆变器的模型,拓扑结构及控制方法，逆变器并联系统模型及工作原理，介绍了各种并联控制方式。

第三章，分析和研究了逆变器直接电流控制方法、双闭环流矢量控制原理，逆变器

的 空 间矢 量 算法 ；基 于 电流 前馈 控制 和 并联 的 直接 电流 控 制设 计与 研究 ， 采 用matlab/Simulink 软件进行了仿真与分析仿真结果。

第四章，分析了并联逆变器系统的环流产生机理、环流抑制技术、均流控制技术以及对输出电压的影响，介绍了常用的几种均流控制方法，在此基础上提出了最大电流自动均流法，并进行了仿真验证。

第五章，研究了分数阶 PID 控制器，介绍了分数阶控制器的离散化实现方法，在此基础上研究了三相 PWM 逆变器分数阶控制系统，设计了 FO-PID 控制器，介绍了其参数整定方法，并分析了各环节特性及其对控制性能的影响。仿真结果分析证明了基于FO-PID 的直接电流控制能够实现预定的控制效果，网侧电流接近正弦，功率因数单位

化, 而且 FO-PID 控制器对系统参数变化不敏感, 直流侧电压能够快速稳定在给定值，控制精确，具有更强的鲁棒性第六章，介绍了分数阶 PID 控制器、分数阶控制器的离散化实现，设计了三相 逆变器分数阶控制系统，进行了仿真与分析仿真结果。

第七章，本文设计了 PWM 逆变器并联系统的硬件平台和软件算法，并进行了相关实验。实验结果表明，本文设计的系统，控制策略正确、电路结构合理，系统运行稳定，在谐波因数、功率因数等方面可满足并联并网系统的要求，同时可以实现冗余运行，提高了系统的安全性和可靠性。

最后，对本文的研究进行概括，提出几个重要性的结论和进一步研究的展望。论文的研究路线如图 1-1

图 1-1：研究路线 Fig.1-1: Research Directions

第二章 逆变器并联系统模型与工作原理

第二章 逆变器并联系统模型与工作原理

2.1 引言

随着科学技术的发展，人们对供电系统的性能要求越来越高，为了满足需求，人们不断对大容量供电系统进行研究。目前，多模块 DC/AC 逆变器并联系统的研究引起了学者们广泛的重视。在逆变器并联运行时，需保证各模块输出的电压正弦波幅值、相位及频率均相同，否则，各模块之间将会产生环流。环流的出现，将会影响系统的性能，增加开关器件的负担，加大系统的功率损耗，严重时将会导致系统不能正常工作。因此，在对多模块逆变器并联系统的研究中，应侧重对如何抑制各模块间产生的环流进行研究。多模块逆变器并联技术可以采用 N+1 冗余并联运行方式。在系统运行的过程中，如果某个模块突然停止工作，而剩余的 N 个模块将继续提供100%的功率运行，使系统仍然正常工作。多模块逆变器并联运行不仅增加了系统工作的可靠性，而且加大了电源系统的输出功率。同时，多模块的使用，还减轻了各模块所提供的负载功率，从而有利于消除对功率器件选择的限制。

2.2 三相逆变器的模型分析

逆变器是一种通过电力开关管，将输入的直流电变为交流电输出的变流装置，逆变器的发展可分为三个阶段。第一阶段为传统发展阶段(1956-1980)：在这一阶段，由于逆变器的发展受到电力电子器件以及逆变技术的限制，功率开关管的开关频率较低，逆变技术也比较差，因此逆变器输出的交流电效果比较差，谐波较大。第二阶段为高频化技术阶段(1981-2000)：随着电力电子技术的不断发展，电力电子器件的不断更新，功率开关管的频率大大提高，使得逆变器朝着高频化方向发展；同时逆变技术不断成熟，PWM逆变技术的使用使得逆变器输出的电压波形谐波大大减小，并且逆变效率高。第三阶段为高效环保阶段(2000-现在)：随着逆变器的发展，人们更看重的是逆变器的综合性能，因此促进了更多高效环保的逆变技术的发展[20]。目前，逆变器应用广泛，类型很多,可分为以下几类：依据直流电源的类型，可分为电压型逆变器和电流型逆变器；依据输出交流电压的性质，可分为恒频恒压正弦波逆变器、方波逆变器、变压变频逆变器和高频脉冲电压（电流）逆变器；依据逆变电路结构的不同，可分为单相半桥、单相全桥、推挽式、三相桥式逆变器；依据开关器件及其换流方式的不同，可分为采用全控型开关的自关断换流逆变器和采用晶闸管半控型开关的强迫关断晶闸管逆变器两类。

2.2.1 三相逆变器 PWM 拓扑结构

PWM逆变器根据直流母线的储能元件的不同，可分为电压型（电容储能与电流型

（电感储能）两种，电压型在直流侧并有一个大电容，认为直流侧电压是恒定的，等价 于电压源；电流型在直流侧串有一个大电感，认为直流侧电流是恒定的，等价于电流源。本文以电压型逆变器为研究对象。

为了实现对三相 PWM 逆变器的有效控制，研究其电路的工作原理并建立其数学模型。三相 PWM 逆变器有多种建模方法[21,22,23]，文中首先介绍了在三相静止坐标系下的采用开关函数描述的 PWM 逆变器数学模型，然后根据坐标变换，推导了三相 PWM 逆变器在两相静止坐标系下的数学模型。三相电压型 PWM 逆变器的拓扑结构如图 2-1 所示。三相电网是星形电源，而且是三相三线制方式，取其中（性）点 0 为零参考点，则

sa

u 、u sb、u sc为网侧电压，i a、i b、i c为网侧电流，u ra、u rb、u rc为交流侧电压（逆变器输入侧），udc为直流母线两端电压，idc为流过直流侧的母线电流。

c e

c S

这里假设电网电压三相平衡，结合图 2-1，图中逆变器以 IGBT 作为开关器件,由基尔霍夫电压定律，可得：

L    (2-2) 式中，U s为电网电动势矢量；I s为交流侧电流矢量；U r为交流侧（输入侧）电压矢量；

R

u i dt

du

C   （2-3） 为了简化分析，结合实际电路结构，采用开关函数来描述三相 PWM 逆变器的数学

)(

)(

0 0 0

N c dc sc sc c

N b dc sb sb b

N a dc sa sa a

u S u u Ri dt

di L

u S u u Ri dt

di L

u S u u Ri dt

di L

u

, 0

3 (2-6)

结合式（2-5）和（2-6）可以得到：

sc c sc

dc c a k k a

sb b sb

dc c a k k a

sa a sa

u S S

u Ri dt

di L

u S S

u Ri dt

di L

u S S

u Ri dt

di L

, , ,

3

1-3

1-3

1-

(2-7)

在三相 PWM 逆变器的工作过程中，任何一个工作瞬间，不同的开关模式一共有八种组

合，母线直流侧的电流i dc可以表达为：

c sc b sb a sa

c b a sc sb sa c b a sc sa c b a sc sb

c b a sb sa c b a sc c b a sb c b a sa dc

S i S i S i

S S S i i i S S S i i S S S i i

S S S i i S S S i S S S i S S S i i

)(

)(

)(

（2-8）

所以式（2-3）可以化为：

L

dc c sc b sb a sa dc

R

u S i S i S i dt

du

C (   ) （2-9） 式（2-7）和式（2-9）组成了三相 PWM 逆变器在三相静止坐标系（a,b,c）下的一

α β

各坐标系的关系如图 2-2 所示，假定 d 轴按三相电网电动势矢量 Us定向，q 轴超前

d 轴 90°，则 d 轴为有功分量，q 轴为无功分量。现在以电流矢量 I 来分析三相物理量在

各不同坐标系下的运算关系，设 d 轴与 α 轴的夹角为 θ，电流矢量 I 与 α 轴的夹角为 γ，

由图 2-2 可知，在（d,q）坐标系下，电流矢量 I 在 d 轴和 q 轴下的投影分别为：

第二章 逆变器并联系统模型与工作原理

2 2

cos( )sin( )

32cos( )

2 - sin sin

3 2

3

2 cos - 3

2 - cos cos

3 2

c b

a q

c b

a d

i i

i i

i i

i i

abc r 2 s 0

dq C I

I  3 （2-16）

式中，  T

0 d q 0

c b a

c b a abc S S S

2.2.2 三相 PWM 逆变器的控制方法

基于三相逆变器的广泛应用，目前已形成了多种三相逆变器控制方法。现将其进行以下分类：

1) 按控制量所处的坐标系可分为基于 abc 静止坐标系控制算法、基于 静止坐标系控制算法以及基于dqo旋转坐标系控制算法。其中基于dqo旋转坐标系控制算法实现了对三相交流量的直流化控制，便于将传统 PI 控制器的设计及参数整定方法[24]应用于对三相逆变器的控制。虽然有文献指出基于dqo旋转坐标系的三相逆变器控制算法因需进行坐标变换而影响系统控制的实时性[25]，但对于现有的数字信号处理器(DSP)而言，坐标变换的计算量相对于控制算法本身而言对系统控制的影响微乎其微。同时新兴的基于状态观测及预估技术的变流器无传感器智能控制算法[26,27]也从根本上减少了对三相电量采样及坐标变换的处理时间。

2) 按控制系统结构分为单闭环控制[28]、电压电流双环控制[29]及多环控制[30,31,32]等。

其中单闭环反馈控制实现了对逆变器输出电压与参考电压差值的 PID 控制，是一种较简单的控制结构，一般会结合参考电压的前馈控制以实现对逆变器输出电压波形质量的

改善[28]，但其控制效果仍不理想。电压电流双环控制则是在输出电压反馈控制的基础上，对逆变器的电流也进行反馈控制，形成电压外环-电流内环的双环或多环控制结构以提高逆变器控制的瞬态性能。由于增强了逆变器及其并联系统控制性能，使得逆变器双环或多环控制得到了广泛的研究和应用。文献[30,31]针对逆变器电压外环-电流内环控制结构，对比分析了采用逆变器滤波电感电流反馈、滤波电容电流反馈、滤波电感电流反馈加负载电流反馈等多种逆变器电流反馈模式下的系统控制性能，构建了对应的采用比例电压控制与比例谐振电流控制的双环\多环控制算法，并分析了各电流反馈控制模式下逆变器闭环控制系统的时\频域特性。文献[32]则针对 UPS 逆变器负载不确定的鲁棒性问题，在逆变器双环控制结构的基础上构建了基于 H 无穷的 UPS 逆变器鲁棒控制

器[32]。

3) 按控制算法的特性分为传统 PID 控制算法、比例加谐振控制算法[30][33]、滑模控制算法[34]及智能优化控制算法等。其中，智能优化控制算法在近年来得到了更多的关注，这得益于高性能数字信号处理器的快速发展及智能优化控制算法在处理系统约束和非线性特性上的优势。预测控制算法因具有建模直观、自适应性及鲁棒性强等优点[35]，在诸多智能优化控制算法中脱颖而出，成为当前逆变器智能优化控制的主要发展方向。 4) 按调制方式分为 SPWM 调制(Sinusoida Pulse Width Modulation，SPWM)、SVPWM 调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM) [36]及无调制器[37]等。其中无调制器的三相逆变器控制算法是最近发展起来的一种新型逆变器控制算法，即有限控制集模型预测控制算法(Finite Control Set Model Predictive Control，FCS-MPC)[38]。该算法直接对逆变器开关进行操作，在控制过程中无需波形调制器，从而减少了对调制器及调制方法设计的过程。且该算法直接生成控制逆变器的开关量，这将有利于提高系统的响应速度。

2.3 并网逆变器并联系统的模型分析

2.3.1 逆变器并联拓扑

PWM 逆变器并联拓扑结构图如图 2-4 所示，三相电压源型 PWM 逆变器的并联结

第二章 逆变器并联系统模型与工作原理

率开关管构成上桥臂和下桥臂，上、下桥臂串联构成一个桥臂，三个桥臂并联组成三相桥式电路。三相交流电源经三相线性电感 L 接入各相桥臂的上、下桥臂连接处，直流侧并联滤波电容器 C，各个桥式电路共同分担直流负载。

图 2-4: 逆变器并联拓扑图

Fig 2-4：Inverter parallel topology

2.3.2.逆变器并联运行的原理与分析

图 2-4 表示逆变器并联结构，等效电路模型如图 2-7 所示，其中U.1 和U.2 分别是两个逆变器输出SVPWM电压波中所含的基波分量，U U11. , .22 则分别是各自输出端电压，

.

o

U 是并联结点电压（即负载电压；C C L L1, 1, 1, 2分别代表两个逆变器的输出滤波电感，电容，滤波电感连接电阻及其内阻分别r L1和r L2表示，而r1和r2表示并联连接（导线）电阻，Z o办公共负载。

图 2-7： 两台逆变器并联运行等效电路 Fig 2-7: Two inverters operating in parallel equivalent circuit

通常连接导线很短，为了简化分析忽略r L1和r L2。r1和r2的影响。根据图 2-7 可以列出以下电路基本方程：

3）当

.

1

U 与U.2 同相位时，不同幅值环流无功分量的相位不同 ，对电压高的逆变器

2.4 并联控制方式

由前面的分析可知，多个模块并联运行时，由于各模块外特性的差异或外环电压给定值的不同，各模块间的电流会存在差异，甚至由于工作状态不一致，造成并联的电压

源型 PWM 逆变器之间较大的环流，影响整个系统的稳定性。为此逆变器模块不允许直接进行并联，需要采取一定的均流措施，抑制环流的产生。

电源模块的并联系统中,各模块按照外特性曲线分配负载电流,外特性的差异是电流难以均分的根源。正常情况下,各并联模块输出电阻为恒值,输出电流不均衡主要是由于各模块输出电压不相等引起。均流的实质是通过均流控制电路,调整各模块的输出电压,从而调整输出电流,以达到均分电流的目的。

在逆变器电源模块并联的过程中主要解决的问题是模块间的均流问题,即如何将负载电流平均地分配给每一个模块电源,同时使输出电压符合要求并保证系统稳定工作。如果无法保证并联模块间负载电流的均分,必将使某些模块的输出电流较大,而另外一些输出电流较小,甚至不输出,这样会导致分担电流多的模块开关器件的热应力增大,系统的可靠性降低。此外为了实现模块的并联均流还要解决包括提高系统容错能力和动态响应速度,降低噪声等问题。并联模块输出电流不平均的根本原因是模块参数的不一致,每一个模块电源都有其相应的输出特性曲线。

针对 PWM 电源模块的并联技术,学者们己提出了许多种并联控制方法，文献[40]

学者 Shiguo Luo 提出了电源模块并联的运行方法，文献[40]学者蔡宣三提出了并联开关电源的均流技术。目前，逆变器并联运行的均流控制策略主要有：外特性下垂并联控制

法 (Droopmethod), 主从并联控制法 (Master-slavemethed)，最大电流并联控制法。

2.4.1 外特性下垂并联控制法

外特性下垂并联控制法是一种依靠自己内部的输出阻抗，或者外加的阻抗来保证模块间负载电流的相对均分的方法。它通过内部控制策略，改变逆变器的外特性，使外特性趋于一致，来实现模块间的均流。外特性下垂并联控制方法常采用负载电流前馈的方式。电压环给定值下式所示

dc out droop L

u u R i （2-23） 式中，uout 为空载输出电压，Rdroop 为设定电阻，Li 为负载电流。 如果各并联变流器模块外特性都满足：

dc out droop L

u u R i (2-24） 则各变流器间可以自动实现均流。通常情况下，电压环需要采集各逆变器的输出电压和负载电流。电压外环给定电压值由系统的外特性来定，随着负载电流的增大而减小，经过比例积分调节输出后作为内环电流的给定值。负载电流前馈方式的外特性下垂法控制框图如图 2-8 所示，其中 Rdroop一般设计为额定等效电阻 Rn的 5％左右，此时对电压闭环传递函数影响较小。

外特性下垂控制法是一种简单的均流方法，各个模块独立控制，中间不需要信号控制线，充分利用了分布式系统的―分布‖特性，模块化特性较好，可靠性较高。由于它只依靠内部或外加的阻抗来调整模块的外特性，方法简单，容易设计，在小功率场合得到广泛应用。但也有不足的地方[3,4]：

1）由于它本质是一种自身调节的控制技术，因此稳定性只取决于单个模块的稳定性，系统整本稳定性不高。

2）不能兼顾负载的均衡分配和精确的电压调节。当外特性曲线变陡时负载分配容易均衡，但输出电压精度会变差，反之亦然。因此，外特性下垂控制法不适合在高性能、高功率的场合应用。

3）实际中许多因素会影响电流分配的不均匀性,如元器件的老化和物理条件的改变等。因此,当利用输出阻抗法实现均流并运行了一段时间后，有可能电流分配又不均匀。