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《华中科技大学》 2009年
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SPWM逆变电源的数字化及其并联技术研究

单鸿涛  
【摘要】: 数字化技术和并联技术是SPWM逆变器研究和应用的两大热点技术。数字控制SPWM逆变器已成为当今逆变器发展的主流,虽然数字控制相比于模拟控制有诸多的优势,但传统PID方案经数字控制后,效果不如模拟控制。 本文从零阶保持和滞后一拍控制这两个方面来研究:SPWM逆变电源的数字控制对系统性能的影响。为使研究工作有效,先对采样周期的研究范围给予了限定,然后从P闭环控制研究入手,进而对PI控制研究,分别将模拟控制逆变器、数字无滞后一拍控制的逆变器和有滞后一拍控制的逆变器对比进行稳定性分析,由此较为清晰地得出数字化过程对逆变器性能影响的相关结论,为分析和设计逆变器提供了指导:根据系统稳定性条件可提供自然频率ω_n的上限值,作为设计逆变器滤波参数的参考的约束条件;经研究可知,在采样周期T_s>0.25T_d(T_d为阻尼振荡周期),存在有滞后一拍控制的系统的稳定范围大于无滞后一拍控制系统的稳定范围的反常现象,因此预测控制的引入并不是对任何采样频率都能够有效地提升逆变器的性能,在采样周期T_s<0.25T_d,预测控制对逆变器的性能有改善;在采样周期T_s>0.25T_d,预测控制的加入,反而会使逆变器的性能降低;本文首次揭示了按照数字控制理论大于十倍的系统闭环带宽选取采样频率,存在数字控制逆变电源相对模拟控制性能下降的本质原因。 本文通过时域仿真波形验证了SPWM逆变电源的数字化对系统性能影响的稳定性分析所做的结论。在此基础上,对SPWM逆变电源的数字化对系统稳定性的影响做了频域分析和根轨迹分析。采样周期、阻尼比、自然频率、负载的变化以及滞后一拍控制给系统带来的影响都可以归结为它们对系统频域稳定裕度的影响。采样周期的变化,引起控制对象零、极点位置的变化,从而引起根轨迹的变化。通过频域分析和根轨迹分析,对于逆变器数字P控制、数字PI控制在低采样频率处存在的有滞后一拍控制的系统稳定范围大于无滞后一拍控制的系统稳定范围这一反常现象给予解释:通过频域分析可知,它与逆变器在空载情况下是一个具有谐振峰的弱阻尼二阶系统有关;从根轨迹分析可知,滞后一拍的根轨迹受位于原点的开环极点的影响,随着采样频率的降低,根轨迹越来越靠近单位圆内。 数字化控制使得逆变器系统控制的灵活性提高,并使得高性能的逆变器并联系统实现更为容易。逆变器并联不受功率等级局限而且通过组成并联冗余系统可提高可靠性。分散逻辑并联控制方案为一种独立并联控制方式,通过它可实现真正的冗余并联,本文对并联技术的研究是基于分散逻辑并联控制的PID电压瞬时值控制的逆变电源的环流抑制策略。在传统的功率调节的环流抑制策略的基础上,采用一种简化的功率检测的数字均流控制技术,该控制方案简洁、实用,但同时指出基于功率调节的并联系统环流抑制策略受并机阻抗性质的影响,而且在均流的响应快速性等方面均存在缺陷,为此采用基于瞬时平均电流跟踪的环流抑制策略,并从阻抗分析的角度对其抑制环流的原理进行了研究,但该方案又存在着其均流调节器的调节能力有限等不足,故将基于瞬时平均电流跟踪的抑制环流方案与简化检测的功率调节抑制环流方案二者结合以构成新型的均流控制策略,使均流效果进一步提高。
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