A study on the methods of operation of the connected parallel inverters network
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博士留学生学位论文
并网逆变器并联运行方法研究
作
者
姓
名
H OANG T H I T HU G IA NG
学
科
专
业
模式识别与智能系统
指
导
教
师
田联房 教授
王孝洪 副教授
所
在
学
院
论文提交日期
自动化科学与工程学院
2015 年
月
日
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
Guangzhou, China
分类号：TM46
学校代号：10561
学 号 ：201212800024
华南理工大学博士学位论文
并网逆变器并联运行方法研究
作者姓名：HOANG THI THU GIANG
申请学位级别： 博士
指导教师姓名、职称： 田联房 教授
学科专业名称： 模式识别与智能系统
研究方向：电力电子控制技术与应用
论文提交日期：2015 年 月
学位授予单位：华南理工大学
日
论文答辩日期：2015 年 月 日
学位授予日期：
答辩委员会成员：张军、毛宗源、皮佑国、罗飞、田联房
主席：
委员：
年
月
日
华南理工大学
学位论文原创性声明
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取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任
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献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的
法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年
月
日
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年
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日
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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 PID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 PID 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。
I
6）研究了分数阶 PID 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 PID
II
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
III
difficult to achieve an optimal level, so that the amount of highly customizable.
This thesis introduce method using fractional PID controller to replace the traditional
PID controller design parameters for the controller fractional PID . 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
of the stages typical volume fraction.
6) Research fractional PID
controller, introduce some approximate analytical
methods of fractional controller, then design the fractional controller for 3-phase inverter
IV
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 PID Controller.
V
目
摘
录
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
3.1 引言 ................................................................................................................................ 27
3.2 双闭环矢量控制原理与分析 ........................................................................................ 27
VI
3.2.1 直接电流控制方法 .................................................................................................. 27
3.2.2 双闭环控制结构 ...................................................................................................... 28
3.3 PWM 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 PID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
VII
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 PID 环节 ................................................................................................. 84
5.8 小结 ................................................................................................................................ 85
第六章 分数阶 PID 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 PID 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 PID 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
7.2.4 锁相环设计 ............................................................................................................ 106
7.3 PWM 逆变器并联系统的实验设计 ............................................................................. 108
7.3.1PWM 逆变器控制电路硬件设计 ........................................................................... 108
VIII
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
IX
CONTENT
ABSTRACTS
I
Chapter 1 Introduction
1
1.1 research background and significance
1
1.1.1 Background research project
1
1.1.2. Significance of research
2
1.2. The development and application of inverter technology
3
1.2.1 Development inverter technology
3
1.2.2 Application of inverter technology
4
1.3 Status and Development of China and other countries in parallel inverter technology
6
1.4. The main research and work
8
Chapter 2 Inverter parallel system model and analysis of working principle
11
2.1 Introduction
11
2.2 Model of the three-phase inverter
11
2.2.1 Three-phase PWM inverter topology
12
2.2.2 The control method of three-phase PWM inverter
17
2.3 The model of the inverter parallel system analysis
18
2.3.1 inverter parallel topology
18
2.3.2 The principle of parallel operation of the inverter and analysis
19
2.4 Various parallel control mode
21
2.4.1 Parallel droop control method
21
2.4.2 master-slave parallel control method
23
2.4.3 Maximum current parallel control method
25
2.5 Summary
26
Chapter 3 PWM inverter direct current control method
27
3.1 Introduction
27
3.2 pairs of closed-loop vector control theory and analysis
44
3.2.1 Direct Current Control Method
27
X
3.2.2 The dual-loop control structure
28
3.3. PWM inverter space vector algorithm
31
3.4 Based on current research before feedforward control method
34
3.5 repetitive control PI controller
36
3.5.1 repetitive control system architecture
36
3.5.2 PWM inverter current repetitive controller design
38
3.5.3 current loop PI controller and the repetitive controller complex control
40
3.6 Design and Research direct current shunt PWM inverter control
40
3.7 Simulation and Analysis
44
3.8 Summary
49
Chapter 4 Switching inverters in parallel circulation are streaming technology
50
4.1 Introduction
50
4.2 Circulation analysis of parallel inverter system
50
4.2.1. The basic concept of the parallel system circulation
50
4.2.2 power deviation and Circulation
53
4.2.3 parallel inverter circulation suppression
55
4.3 Parallel influence on the output voltage of the inverter
60
4.4 Inverter Parallel flow control technology
61
4.4.1 Current concepts
61
4.4.2 Parallel flow principle
61
4.4.3 Current methods for parallel operation
62
4.5. The simulation results
68
4.6 Summary
70
Chapter 5 Fractional PID control theory and simulation analysis
71
5.1 Introduction
71
5.2 Fractional Calculus definition
71
5.3 Fractional Calculus relationship between definitions
72
5.4 Fractional Calculus nature
73
5.5 Fractional calculus integral transformation
73
XI
5.6 Properties of Fractional typical links
74
5.6.1 Fractional integral part
74
5.6.2 fractional differential link
76
5.6.3 Fractional Calculus
78
5.6.4 Fractional proportional integral link
80
5.6.5 Fractional proportional differential link
82
5.6.6 Fractional PID link
84
5.8 Summary
85
Chapter 6 Fractional PID controller's PWM inverter
86
Applied Research
86
6.1 Introduction
86
6.2 Fractional PID controller
86
6.3 Fractional achieve discrete controller
88
6.3.1 Direct discretization
88
6.3.2 indirect discrete
90
6.4 Based on Fractional PID Controller
90
6.4.1 Fractional phase PWM inverter control system
90
6.4.2 Design of fractional order PID controller
93
6.4.3 Simulation results and analysis
96
6.5 Summary
102
Chapter 7 And experimental research network inverter system
103
7.1 Introduction
103
7.2 The main circuit design parameters and phase-locked loop
103
7.2.1 AC inductance design
104
7.2.2 DC bus voltage design
105
7.2.3 Design of DC bus capacitance values
106
7.2.4 Phase-Locked Loop Design
107
7.3. Experimental design PWM inverter parallel system7.3.1 The control circuit hardware design
108
7.3.2 Main Circuit
108
XII
7.3.3 software design process
116
7.4 Experimental results and analysis
120
7.4.1 Overall platform Figure
122
7.4.2 Experimental results and waveform analysis
122
7.5. Summary
123
Chapter 8 Conclusion and Outlook
131
8.1 full summary
132
8.2 Prospects for further work
133
References
135
Acknowledgements
148
XIII
第一章 绪论
第一章 绪
论
1.1 论文研究背景和意义
1.1.1 论文研究的背景
随着各行业科技的飞速发展，在当今世界上的许多科技应用领域，特别是在供电系
统的容量、可靠性及性能等这些方面的要求不断增加，也相应地推动着了电力电子技术
方面的发展。上个世纪 70 年代出现的分布式电源系统 DPS（districting power system）
改变了传统集中供电方式，提高了供电可靠性的同时，降低了供电成本。80 年代出现
的高频电源技术，使得分布式电源供电也逐渐发展和完善。在系统中引入模块化和标准
化两种设计方案，以通过不同的方式将多个标准化电源模块（PPU）联接起来构建成不
同的分布式电源系统。电源系统模块化有力地改善了供电系统的灵活性，提高了系统的
可靠性，系统模块之间相对独立。并联技术可实现 N+1 冗余供电，当一个模块出现故
障，其他各模块则平摊其故障负载，提高其系统的安全性。分布电源系统被广泛应用于
银行电源系统、航天、通讯电源系统等多种应用领域。
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
华南理工大学博士学位论文
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;
2) 每个模块的容量较小,功率密度高,从而使整个电源体积、重量减小;
3) 多模块并联可以灵活扩充电源容量、易安装、维护费用低;
4) 可以实现冗余并联运行方式。
对开关变换器模块并联而言,其基本设计要求是:
1) 各模块承受的电流能自动均衡,实现均流;
2) 为提高系统的可靠性当输入电压和(或)负载电流变化时,应保持输出电压稳定,并
且均流瞬态响应好。
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
义
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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
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华南理工大学博士学位论文
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
4）按直流储能形式分类：
电压型
电流型
5)按 PWM 开关调制分类： 硬开关调制
软开关调制
6）按有无能量回馈分类： 无能回馈功能电路
有能回馈功能电路
其中,电压型 PWM 逆变器最显著特征就是采用电容进行储能，使逆变器直流侧对
外呈现低阻抗的电压源特性；而电流型 PWM 逆变器是采用电感进行直流储能，使逆变
器直流侧对外呈现高阻抗的电流源特性。与电流型逆变器相比,电压型逆变器有较快的
响应速度且易于实现[13],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
电 状 态 而 使 直 流 母 线 电 压 泵升。采 用 有源逆变系统将能量回馈到交流电网而代替传统
的电阻能耗制动,既节约了电能,又提高了安全性能。
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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。
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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。
18) 通用型直流电源变换器: 可以用于很多场合和领域的直流电源变换器 DC / DC
中,最主要的技术就是逆变技术。
除了以上列举的领域之外,还有航空逆变器、机器人、工业控制机、影视设备、充
电装置、舰船逆变器、电力控制、交直流配电控制系统,等等。
1.3 中国和其他国家并联逆变技术的现状与发展
随着技术的发展，人们对电源系统的性能、容量、可靠性以及可维护性的要求越来
越高，逆变器由传统的集中式供电向多模块并联的分布式供电发展成为了一个主要方
向。根据现代电力需求，逆变器并联系统在向以下这几个方向发展：
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：
1）可并联模块数量增多，可靠运行的控制方式多样化，世界上几个大品牌的逆变
电源如西门子、东芝、西力等都生产出了可实现逆变并联的产品，采用的主要是主从控
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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:
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