三相逆变器动态特性及其并联系统环流抑制的研究

摘要

三相逆变器作为交流供电电源的主体部分，在办公自动化、医药、通讯及国防等各个方面发挥着及其重要的作用，三相逆变器的并联控制技术以其潜在的巨大市场需求及广泛的应用前景而得到了越来越深入地研究。近年来，高性能的PWM单相逆变器并联控制技术已经接近成熟，而基于高性能的三相PWM逆变器构成并联系统正成为广大科技工作者研究的焦点，然而，出于体积和成本的考虑，三相逆变器的滤波电感及输出变压器几乎都采用了三磁柱的铁芯结构，因此三相逆变器的三相间存在着磁路耦合，这使得三相逆变器表现出了与单相逆变器所不同的特性，其建模也因为相间的磁路耦合而比较复杂，因此，目前对于三相逆变器的建模及理论分析通常都忽略了相间的磁路耦合。本文以三相SPWM逆变器的动态特性及其并联系统为研究对象，将瞬时对称分量变换引入三相逆变器的研究，结合自动控制理论等分析手段，在深入分析SPWM三相逆变器的动态运行特性的基础上，寻求提高SPWM三相逆变器并联系统性能的行之有效而又易于实现的控制方案和设计准则。本文紧密结合三相逆变器的研发，首先对实验中出现的逆变器并联系统中死区的环流效应进行了分析，发现传统的逆变器模型由于将死区效应等效为逆变桥输出侧的串联电阻而无法解释这一现象，因此，本文首次将死区效应看作是一种谐波扰动，建立了单相PWM逆变器基于谐波扰动的数学模型，该模型揭示了影响逆变器输出电压波形质量的因素及瞬时值反馈调节对波形的校正作用，同时，从该模型出发本文进一步建立了单相逆变器并联系统的瞬时环流模型，对谐波环流的产生机理及其抑制进行了研究，并对环流的稳定性进行了讨论。为研究三相逆变器的动态特性，本文借鉴了三相交流电机及三相电力系统的动态分析方法，将瞬时对称分量变换引入到三相逆变器的动态研究中，基于瞬时对称分量变换建立了三相逆变器在K坐标系中的动态数学模型，通过和abc静止坐标系及dq0旋转坐标系中的三相逆变器动态数学模型进行比较，发现基于瞬时对称分量的数学模型最为简洁，且瞬时对称分量之间相互解耦，对三相逆变器的动态过程进行求解非常方便，因此本文将瞬时对称分量变换，作为本文分析分析三相逆变器的主要手段。为进一步方便对三相逆变器瞬时对称分量方程的求解，本文讨论了瞬时对称分量的Laplace变换，以便于在s域中研究三相逆变器的动态特性。基于三相逆变器的瞬时对称分量模型，本文对三相逆变器不平衡运行时的动态特性（如单相突加负载等）进行了深入的研究，对三相逆变器的各种故障状态（如相间短路等）进行了分析，归纳了造成三相逆变器不平衡运行的因素，提出了不平衡抑制的一些方法，为三相逆变器的分析与设计提供了有利的依据。基于单相逆变器的谐波扰动模型及三相逆变器的瞬时对称分量模型，本文首次建立了基于谐波扰动的三相逆变器动态数学模型，并基于该模型分析了电压瞬时值反馈对三相逆变器的影响，进而得出了带磁路耦合的三相逆变器的稳定性判断方法，在该模型的基础上，本文进一步建立三相逆变器并联环流的动态模型，并对三相环流之间的耦合进行了讨论，分析了并联环流的稳定性条件及对谐波环流的抑制。零序环流是三相逆变器并联系统中的特有现象，基于三相逆变器的瞬时零序分量模型，我们发现：由于三相电感及三相变压器的采用，使得零序环流的路径及大小都发生了很大的改变，尤其是三相变压器的联结方式对零序环流的影响最为明显，本文对这种影响进行了深入研究。基于前面对于三相逆变器并联系统的动态特性的研究，我们设计并调试完成了50kVA及300kVA三相UPS多机并联系统，由于充分考虑了三相逆变器的国有动态特性，并联系统取得了很高的安全性、稳定性及良好的动态特性。本文最后给出了三相逆变器并联系统的设计过程及实验结果。