级联型逆变器的新进展

一种新型电源级联型三电平逆变器
高飞;王志刚;董长城
【期刊名称】《电力电子技术》
【年(卷),期】2012(46)7
【摘要】在传统的具有独立直流电源级联型多电平逆变电路的基础上,提出一种新型的三电平逆变电路的拓扑结构,与同类型三电平逆变电路相比,该电路具有所用元件个数少,结构简单的优点.在此分析了该新型三电平逆变器的工作原理,并进行了仿真和实验验证.实验结果表明,该新型三电平逆变器实现简单,输出性能良好.
【总页数】2页(P21-22)
【作者】高飞;王志刚;董长城
【作者单位】江苏省电力公司电力科学研究院,江苏南京210000;中国电力科学研究院南京院区,江苏南京210003;中国电力科学研究院南京院区,江苏南京210003【正文语种】中文
【中图分类】TM464
【相关文献】
1.一种新型离网型永磁风力发电机级联整流装置研究 [J], 单长帅;耿强;赵晨栋;姜科
2.一种基于Buck-boost级联二次型Buck拓扑的LED驱动电源 [J], 廖志凌;刘康;丁蔓菁;吴超;姜宇珺
3.一种级联型结构的固体开关式高压脉冲电源的研制 [J], 戚栋;王宁会
4.一种新型超级联碳化硅结型场效应管 [J], 修强;董耀文;彭子和;秦海鸿;游霞
5.一种新型九脉冲型三相三电平逆变器 [J], 钟顺时; 柳彬
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2024年逆变器市场分析现状介绍逆变器是一种将直流电转换为交流电的电气设备。

在可再生能源行业中，逆变器广泛应用于太阳能和风能发电系统中，以将通过太阳能板或风力涡轮产生的直流电转换为交流电，以供居民和企业使用。

本文将对当前逆变器市场的现状进行分析。

市场规模逆变器市场是一个不断增长的市场。

受到可再生能源市场的推动，逆变器市场预计在未来几年内将继续增长。

根据市场研究公司的报告，逆变器市场的年复合增长率预计将达到X％，到2025年该市场的规模将达到XX亿美元。

主要驱动因素逆变器市场增长的主要驱动因素之一是对可再生能源的需求增加。

越来越多的国家和地区将可再生能源作为减少温室气体排放和应对气候变化的关键策略之一。

太阳能和风能等可再生能源成为主要的电力来源，推动了逆变器市场的增长。

另一个重要的驱动因素是逆变器技术的不断进步。

随着技术的不断发展和创新，逆变器的效率和性能得到了显著提高。

高效的逆变器可以将更多的太阳能或风能转换为可用的电力，从而降低了能源浪费，提高了系统的效率。

市场细分逆变器市场可以根据应用领域进行细分。

目前，逆变器在太阳能发电和风能发电领域应用广泛。

太阳能逆变器是将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电的关键设备。

风能逆变器则是将风力涡轮机产生的直流电转换为交流电的核心组件。

此外，逆变器市场还可以根据功率级别进行细分。

小功率逆变器通常用于家庭和小型商业应用，而大功率逆变器则主要用于工业和大型商业应用。

市场前景逆变器市场的前景是积极的。

随着可再生能源市场的迅速发展，逆变器市场将持续增长。

太阳能和风能发电系统的安装量将继续增加，这将进一步推动逆变器市场的增长。

此外，新兴技术的出现也为逆变器市场带来了新的机遇。

例如，微逆变器技术正在得到广泛应用，它可以将每个太阳能电池板或风力涡轮机都与一个逆变器连接，从而提高系统的灵活性和效率。

然而，逆变器市场也面临一些挑战。

技术标准的制定和合规性问题是其中之一。

逆变器产品必须符合国际和行业标准，以确保其安全性和性能。

第27卷㊀第12期2023年12月㊀电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Electri c ㊀Machines ㊀and ㊀Control㊀Vol.27No.12Dec.2023㊀㊀㊀㊀㊀㊀DAB 级联单相逆变器系统的阻抗特性及稳定性分析刘欣,㊀袁静,㊀高鑫波(华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定071003)摘㊀要:针对双有源桥(DAB )直流变换器级联单相并网逆变器系统因阻抗失配而造成系统发生振荡失稳的问题,通过建立DAB 和单相逆变器的输出和输入阻抗模型,基于阻抗分析法对级联系统的交互稳定性进行了分析㊂首先,推导采用双环控制策略的前级DAB 输出阻抗模型和考虑锁相环影响的后级逆变器直流侧输入阻抗模型,并通过扫频法验证其准确性㊂在此基础上,建立二者阻抗交互模型,详细分析了DAB 反馈控制器的PI 参数对其输出阻抗频率特性和级联系统稳定性的影响,并据此提出一种DAB 控制参数的优化设计方法,在兼顾动态性能的同时提升了级联系统的稳定性㊂最后,通过仿真算例验证了阻抗模型的准确性,分析了结论的正确性以及稳定性改善方法的有效性㊂关键词:级联系统;稳定性;阻抗重塑;双有源桥;单相并网逆变器;阻抗模型DOI :10.15938/j.emc.2023.12.001中图分类号:TM46文献标志码:A文章编号:1007-449X(2023)12-0001-11㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2023-03-17作者简介:刘㊀欣(1980 ),男,博士,副教授,研究方向为新能源发电系统建模与控制㊁电力电子系统电磁兼容和瞬态特性;袁㊀静(1997 ),女,硕士研究生,研究方向为电力电子变流器建模与控制;高鑫波(1999 ),男,硕士研究生,研究方向为电力电子变流器建模与控制㊂通信作者:袁㊀静Impedance characteristics and stability analysis of DAB cascadesingle-phase inverter systemLIU Xin,㊀YUAN Jing,㊀GAO Xinbo(School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)Abstract :Aiming at the problem of oscillation instability of the dual active bridge (DAB)DC-DC con-verter cascaded single-phase grid-connected inverter systems due to its impedance mismatching,the out-put and input impedance models of DAB and single-phase inverter were established,and the interaction stability of the cascade system was analyzed based on impedance analysis method.Firstly,the output im-pedance model of the front-stage DAB using the double-loop control strategy and the DC-side input im-pedance model of the back-stage inverter considering the influence of the phase-locked loop were derived,and the accuracy of the models were verified by frequency sweep method.Based on this,the impedance interaction model between the two was established.Additionally,the effects of PI parameters of DAB feedback controller on its output impedance frequency characteristics and cascade system stability wereanalyzed in detail,and the optimal design method of DAB control parameters was proposed accordingly,which improves the stability of the cascade system while taking into account the dynamic performance.Fi-nally,the simulation examples verify accuracy of the impedance model,correctness of the analytical con-clusions and effectiveness of the stability improvement method.Keywords :cascaded system;stability;impedance reshaping;dual active bridges;single-phase grid-con-nected inverters;impedance model0㊀引㊀言在光伏系统㊁蓄电池㊁超级电容,车网互联(ve-hicle to grid,V2G)等交流并网型储能系统中,通常需要使用两级式DC /AC 变换器实现并入交流电网和双向功率控制的功能[1]㊂其中,双有源桥变换器由于具有高功率密度㊁电流隔离㊁能量双向传输和易实现零电压开关等优点[2-4],很好地适应了交流并网型储能系统的需求,是第一级DC /DC 变换器的理想选择,而单相逆变器用于与电网连接㊂基于双有源桥(dual active bridge,DAB)变换器的两级式DC /AC 变换器的典型电路拓扑如图1所示㊂该拓扑整体结构简单,易于实现,控制方法较为成熟,被大量应用于电动汽车充电桩领域[5-8]㊂然而,由于变换器复杂的输入输出特性以及级联结构的存在,尽管两级变换器在单独运行时能保持稳定,但子系统之间的相互作用可能会使系统性能下降,导致直流母线产生电压振荡,以至于系统崩溃[9]㊂因此,通过稳定性分析㊁合理参数调整㊁控制优化等方法改善级联系统的稳定性和可靠性是当今研究的一个热点与难点问题[10-12]㊂图1㊀两级式DC /AC 变换器主电路拓扑及控制框图Fig.1㊀Main circuit topology and control block diagram of two-stage DC /AC converter㊀㊀基于阻抗的Nyquist 阻抗匹配原则[13]已经被广泛应用于各类级联系统的交互稳定性的研究中㊂准确的阻抗模型对于级联系统稳定性分析是必要的㊂目前,常用的逆变器阻抗建模方法包括谐波线性化法[14-16]和dq 坐标系下的阻抗建模法[17-18]㊂谐波线性化将系统视为2个单输入单输出系统,主要用于分析三相系统的谐波稳定性;而dq 阻抗建模法通常将电气量转变为d 轴和q 轴分量,以便单独控制有功和无功功率,有利于在稳态工作点处进行小信号分析㊂文献[19]在dq 坐标系下推导了使用不同控制策略的三相并网逆变器的直流侧输入阻抗模型,此方法适用性较强,但并未应用到单相逆变器系统中㊂文献[20]提出一种基于二阶广义积分器(second order generalized integrator,SOGI)的dq 坐标系下单相整流器的阻抗建模方法,但此方法并未推广到单相并网逆变器的阻抗建模中㊂由于阻抗相互作用是造成两级式DC /AC 级联系统失去稳定的根本原因,可以通过重塑源变换器或者负载变换器的总线端口阻抗来提高系统的稳定性㊂为了达到这一目的,学者们提出了多种方法,包括无源阻尼法[21-23]和有源阻尼法[24-26]㊂其中,无源阻尼法需要引入附加无源元件,以改变变换器的阻抗特性,但附加阻尼电路会增加硬件成本,降低变换器效率;有源补偿法具有成本低㊁不增加损耗的优点,因而被广泛用于基于DAB 变换器的级联系统阻抗匹配优化设计中㊂文献[27]采用有源阻尼的优化思路对LC -DAB 级联系统进行阻抗重塑,提出基于一次侧电容电压的并联虚拟阻抗和一次电流串联虚拟阻抗控制策略,从而使得级联系统在全功率范围内均能稳定运行;文献[28]研究基于DAB 的储能系统稳定性,提出在窄带范围内对负载变换器DAB 的输入阻抗进行重塑,在提高稳定性的同时保证系统动态性能良好;文献[7]研究了用于电动汽车双向充放电的DAB 级联单相并网电压源变换器(voltage source converter,VSC)系统的阻抗稳定性,提出一种基于虚拟电阻的有源阻尼方法,以改变2电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀VSC的输出阻抗,提高级联系统在各种工作模式下的稳定性;文献[29]面向DAB级联三相VSG系统,通过构建与DAB转换器的输入阻抗并联或串联的虚拟阻抗以增加DAB输入阻抗幅值,从而满足稳定性准则㊂文献[30]针对具有电压调整单元的DAB 变换器提出一种基于超前-滞后的阻抗优化调节器用以抑制输出阻抗谐振尖峰,提升了系统运行可靠性,并优化了电流应力㊂总的来说,上述级联系统的稳定性增强方法都需要增加附加的控制过程,从而不可避免地增加了模型的复杂度,其设计方法仍存在进一步简化的空间㊂而DAB变换器的输入阻抗会受到其反馈控制器的影响,揭示二者之间的关联有助于简化阻抗匹配优化设计,但此方面的相关研究较少,并且缺乏深入的理论分析㊂针对上述问题,本文对双有源桥DC/DC变换器与单相并网逆变器组成的级联系统进行阻抗建模并进行稳定性分析㊂首先,建立采用双环控制策略的DAB输出阻抗模型和采用解耦电流控制策略的单相并网逆变器直流端输入阻抗模型,并将锁相环的相位波动考虑在内,通过扫频法验证阻抗模型的正确性㊂随后,建立阻抗交互模型,从理论上分析DAB变换器的PI参数对其输出阻抗波形的影响,结合Nyquist图和闭环根轨迹进一步讨论关键参数与系统稳定性之间的关联㊂分析结论表明,调节DAB电压外环比例系数可直接调节级联系统稳定性,基于此,提出通过优化DAB变换器的电压外环比例系数提高级联系统稳定性的方法,该方法无需任何额外的补偿器或控制回路,在兼顾系统动态性能的同时,有效实现了基于DAB的交直流级联系统的稳定性增强㊂MATLAB/Simulink仿真算例验证了稳定性改善方法的有效性㊂1㊀级联系统阻抗建模变换器阻抗的精确建模是稳定性分析的基础㊂图1所示的控制框图为级联系统的常规控制方案,其中,DAB变换器负责控制直流母线电压的稳定,单相并网逆变器负责控制功率输出[31-32]㊂本节将分别给出DAD输出阻抗和单相并网逆变器的直流侧输入阻抗的建模过程㊂1.1㊀DAB变换器输出阻抗建模DAB变换器的拓扑及控制方案如图1中左面虚线框所示㊂其输出功率[33-34]可表示为P=nV in v busL o f s dϕ(1-2dϕ)=v bus i2⓪㊂(1)式中:n为变压器变比;V in为DAB输入电压;v bus为输出电压;L o为变压器等效电感;f s为开关频率;dϕ为变压器两侧H桥输出电压之间的相移量(dϕ=ϕ/2π);i2为副边H桥输出电流, i2⓪表示其平均值㊂经小信号分析可得i2与占空比dϕ的关系为G i2d=i^2d^ϕ=nV in Lo f s(1-4Dϕ)㊂(2)式中符号^表示变量的小信号形式㊂采用内环电流加外环电压的双环控制模式㊂将控制器的内环传函记作G c1(s),外环传递函数记作G c2(s),其中:G c1(s)=k pi+k ii s;G c2(s)=k pv+k iv s㊂将负载变换器阻抗等效为R,则DAB控制回路小信号模型如图2所示,图中LPF为一阶低通滤波器,用于实现20dB/dec的环路增益[35](H LPF(s)= 1/(s/ωLPF+1),其中ωLPF为低通滤波器的截止频率)㊂图2㊀DAB控制回路小信号模型Fig.2㊀Small signal model of DAB control loop根据上述控制框图,得到DAB的输出阻抗为Z out_DAB=v^bus-i^bus=1C bus s+G c1G x㊂(3)式中G x=G c2G i2d1+G c2G i2d H LPF㊂1.2㊀单相并网逆变器直流侧输入阻抗建模基于SOGI的锁相环(PLL)模型如图3(a)所示㊂图中,v为自公共耦合点(PCC)电压(将其本身视为静止坐标系下的α轴分量,β轴虚拟分量与之垂直)㊂SOGI的传递函数为H e(s)=K SOGIω1ss2+K SOGIω1s+ω21㊂(4)式中:ω1为电网工频;K SOGI为闭环系数㊂在小扰动下,PLL输出与PCC实际相位存在相位差Δθ,其将导致控制系统中的各变量与功率系统中的相应变量存在差异㊂为以示区分,文中带有上标s的变量表示 电气量 ,带有上标c的变量表示 控制量 ㊂为了简化表达式,将成对变量以矢量形式编写,例如v s dq表示[v s d v s q]T,另外,变量的大写符3第12期刘㊀欣等:DAB级联单相逆变器系统的阻抗特性及稳定性分析号表示其自身静态工作点㊂图3㊀基于SOGI 的PLL 模型Fig.3㊀SOGI-based PLL model根据图1可得系统功率方程为:(Z L +Z g )i ^s dq =D dq v ^bus +d ^sdq V bus ;i ^bus=12(D T dq i ^s dq +I T dq d ^sdq )㊂}(5)式中:i ^s dq =[i ^s d i ^s q ]T 和d ^s dq =[d ^s d d ^s q ]T分别为交流侧电流与占空比的dq 轴分量构成的列向量;Z L =sL f +R f -ωL f ωL f sL f +R f éëêêùûúú;Z g =sL g +R g -ωL g ωL g sL g +R g éëêêùûúú;L f 和R f 为滤波电感及其等效内阻;L g 和R g 为电网内阻抗;i ^bus 为逆变器直流侧输入电流㊂将图3中Park 变换框图T θ1前移,得到其等效控制框图如图3(b)所示,图中:H edq (s )=A B-B A[];A =[H e (s +j ω1)+H e (s -j ω1)]/2;B =[j H e (s +j ω1)-j H e (s -j ω1)]/2㊂根据图3(b)可推导PCC 电压的 控制量v ^c dq与 电气量v ^sdq之间的关系为v ^c dq =G v PLL v ^sdq ㊂(6)式中:Gv PLL=v ^c dq v^s dq=A -V sqG s B B +V sqG s A -B +V sd G s B A -V sd G s Aéëêêùûúú;G s 为PLL 输出角度与PCC 电压q 轴分量的关系式;G s =sk p_PLL +k i_PLLs +V s d (sk p_PLL +k i_PLL ),k p_PLL 和k i_PLL 为锁相环PLL 的PI 参数㊂同理可得输出电流与占空比的 控制量 与 电气量 的小信号关系为:d ^sdq=d^cdq+G dPLL v ^s dq;i^c dq=Hedq i^s dq+GiPLL v ^s dq㊂}(7)式中:G d PLL =D s qG s B -D s qG s A -D sd G s B D sd G s Aéëêêùûúú;Gi PLL=-I sq G s B I s q G s A I sd G s B-I sd G s Aéëêêùûúú㊂令:H i =k p_INV +k i_INV /sk p_INV+k i_INV /s éëêêùûúú,其中:k p_INV 和k i_INV 为逆变器电流控制器的PI 参数;G ci=k p_INV +k i_INV /s ωL f-ωL fk p_INV+k i_INV /s éëêêùûúú㊂将解耦电流控制策略与PCC 电压前馈结合,得到考虑锁相环影响的逆变器控制回路的小信号模型如图4所示㊂图4㊀PLL 影响下电流控制回路小信号模型Fig.4㊀Small-signal model for current control loopwith PLL根据图4,得到逆变器控制部分的方程为d ^s dq =[(G v PLL -G ci G i PLL +V bus G dPLL )Z g -G ci H edq ]i ^s dq /V bus ㊂(8)联立式(5)㊁式(8)可得单相并网逆变器直流侧输入导纳为Y in_INV =i ^busv ^bus=12V busI T dq (Z L +Z g )+12D T dq[]㊃([Z L +G ci H edq -G PLL_V Z g ]-1D dq )-12V bus I Tdq D dq㊂(9)式中G PLL_V =G v PLL -G ci G i PLL +V bus G dPLL -E ,其中E为单位矩阵㊂相应的单相并网逆变器直流侧输入阻抗为Z in_INV =1/Y in_INV ㊂(10)1.3㊀阻抗模型的仿真验证基于MATLAB /Simulink 平台搭建了DAB 级联单相并网逆变器的仿真模型,采用扫频法对2个级联子系统的输出和输入阻抗模型分别进行验证,仿真参数如表1所示㊂图5给出了仿真扫频与理论模型的对比结果㊂可以看出,在1~10000Hz 频段,所得阻抗模型与扫频结果吻合较好,验证了所推得的DAB 输出阻抗和单相逆变器输入阻抗模型的正确性㊂4电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀图5㊀级联系统阻抗模型Fig.5㊀Impedance model of cascade system表1㊀级联系统电路参数Table1㊀Parameters of cascade system㊀㊀㊀参数数值DAB直流侧输入电压稳态值V in/V400直流母线电压稳态值V bus/V400直流母线电容C bus/μF1500 DAB变压器等效电感L o/μH30变压器变比n1ʒ1 DAB开关频率f s/kHz20低通滤波器截至频率ωLPF/(rad/s)4000π逆变器并网电压有效值V g/V220逆变器输出功率稳态值P/kW10逆变器滤波电感L f/mH及等效内阻R f/mΩ10,50电网内电感L g/mH及内电阻R g/mΩ1,152㊀级联系统稳定性分析2.1㊀级联系统阻抗交互模型级联系统的稳定性不仅取决于变换器各自的稳定性,还决定于源变换器(本文为DAB)输出阻抗与负载变换器(本文为单相逆变器)输入阻抗二者交互作用的影响㊂将DAB视为电压源,逆变器视为电流源,二者构成的级联系统阻抗相互作用示意图如图6所示㊂图6㊀级联系统等效阻抗示意图Fig.6㊀Equivalent impedance diagram of cascade system根据图6,可知级联系统开环传递函数为T m=Z out_DABZ in_INV㊂(11)式中T m也称为系统小环路增益㊂根据Middlebrook 判据[13],当源变换器和负载变换器各自稳定,并且系统的小环路增益T m满足Nyquist稳定判据时,该级联系统方是稳定的㊂图7为DAB输出阻抗和逆变器输入阻抗伯德图㊂由于逆变器采用恒功率控制,因此,除50Hz频点外,在f<f c3(f c3为逆变器电流控制器的截止频率)频率范围内逆变器直流端输入阻抗呈现阻值为-V2bus/P的负电阻特性;在f>f c3频率范围内呈现电感性质㊂而50Hz频点是一个特殊点,其阻抗幅值几乎为0,相位跃变到0㊂虽然逆变器与DAB的阻抗在50Hz频点处容易产生交叉,但二者相位之差小于180ʎ,因此不影响系统稳定性㊂此外,DAB输出阻抗在f<f r频段(f r为DAB输出阻抗谐振频率)呈现电感特性,在f>f r频段呈现电容特性㊂这使得DAB输出阻抗具有类似LC滤波器的阻抗特性㊂图7㊀级联系统阻抗伯德图Fig.7㊀Impedance Bode diagram of cascade system综合以上阻抗特性可知,DAB输出阻抗的谐振峰以及逆变器在低频段的负阻抗特性是导致交直流级联系统稳定性降低的主要原因㊂一旦DAB输出阻抗的谐振峰与逆变器输入阻抗发生交叉,就会因5第12期刘㊀欣等:DAB级联单相逆变器系统的阻抗特性及稳定性分析相位裕度无法满足稳定条件而造成系统振荡失稳㊂2.2㊀DAB 变换器的控制参数分析由图7可知,平抑DAB 输出阻抗的谐振峰将有效提高级联系统稳定性㊂为了达成这一目的,本节将详细分析DAB 反馈控制器的PI 参数与谐振峰之间的关联,为级联系统的稳定性分析及控制器参数优化设计奠定基础㊂当DAB 电流内环截止频率与一阶低通滤波器LPF 带宽相等时,经控制器定量设计可得电流控制器比例系数k pi 为0㊂将k pi =0代入式(3),并且忽略含有C bus 和T LPF 的高阶项,整理得到DAB 输出阻抗的简化表达式为Zᶄout_DABʈ1G i2d k ii s (s +G i2d k ii )C bus s 2+k pv s +k iv㊂(12)图8给出了DAB 输出阻抗的理论模型和简化模型的对比图㊂可以看出,在1~200Hz 频率范围内,二者阻抗模型基本吻合,结合图7可知,影响系统稳定性的频段为几十赫兹,因此说明上述简化模型可胜任稳定性分析需求㊂图8㊀DAB 理论模型和简化模型对比Fig.8㊀Comparison of theoretical and simplified Bodediagrams of DAB设定DAB 电流内环截至频率f c1为2000Hz,相位裕度P m1为45ʎ,同时电压外环截至频率f c2为20Hz,相位裕度P m2为45ʎ时,经设计所得DAB 的控制参数如表2所示㊂表2㊀DAB 控制器PI 参数Table 2㊀PI parameters of DAB controller㊀㊀㊀㊀参数数值电流控制器比例系数k pi 0电流控制器积分系数k ii 30.443电压控制器比例系数k pv 0.102电压控制器积分系数k iv24.35㊀㊀将s =j ω代入式(12),得到DAB 阻抗的模值为|Z ᶄout_DAB (j ω)|=ωaω2(C bus ω2-k iv +ak pv )2+(ω2k pv -C bus ω2a +ak iv )2(-C bus ω2+k iv )2+ω2k 2pv㊂(13)式中a =G i2d k ii ㊂令Z ᶄout_DAB (j ω)虚部为0,得到谐振点频率为ω=G i2d k ii k ivC bus G i2d k ii -k pv㊂(14)根据式(13)和式(14)可得DAB 输出阻抗的谐振频率及谐振峰值分别与控制参数的关系曲线如图9所示㊂结合式(27)㊁式(28)和图9,可得如下结论:当电压外环比例系数k pv 增大时,谐振频率几乎不变,谐振峰值陡然降低;当电压外环积分系数k iv 增大时,谐振频率增大,谐振峰值维持不变;当电流环积分系数k ii 改变时,二者均基本不发生改变㊂上述分析表明,参数k pv 是平抑DAB 输出阻抗谐振峰的关键参数,而参数k iv 是改变谐振频点的关键参数㊂图9㊀谐振频率及谐振峰值与DAB 控制参数的关系曲线Fig.9㊀Relationship curves of resonant frequency andresonant peak with DAB control parameters为了佐证此结论,图10给出了不同控制参数下的DAB 输出阻抗伯德图㊂可以看出,当比例系数k pv 从0.02逐渐增大到0.4,且其余参数与表1和表2保持一致时,DAB 输出阻抗谐振峰值急剧减小,但谐振频点基本保持不变;当积分系数k iv 从10增大到120,且其余参数与表1和表2保持一致时,DAB 输出阻抗谐振频率逐渐增大,而谐振峰值几乎不变㊂6电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀图10㊀不同控制参数作用下DAB输出阻抗伯德图Fig.10㊀DAB output impedance Bode diagram of differ-ent control parameters综上所述,DAB电压外环控制器参数直接决定了其输出阻抗谐振峰值的大小及位置㊂其中,参数k pv与谐振峰幅值大小具有强相关性,适度增大参数k pv将显著降低DAB输出阻抗谐振峰,从而避免与逆变器输入阻抗发生交叉㊂据此可推断,参数k pv是作为影响级联系统稳定性的关键参数,对其进行优化设计可实现系统稳定控制,且设计过程也最为简单,相关分析及验证将在2.3节给出㊂2.3㊀DAB电压外环比例系数对系统稳定性的影响本节进一步讨论k pv对级联系统稳定性的影响㊂根据式(11)可知系统的特征方程为1+T m=0㊂(15)将式(3)和式(10)代入式(15),可得sC bus s2+(k pv s+k iv)G x+Z in_INV=0㊂(16)由于参数k pv直接体现在系统特征方程中,因此可结合基于闭环传递函数的根轨迹和开环传递函数的Nyquist图进行分析㊂对式(16)进行等效变换,保证特征方程不变,得到系统等效的开环传递函数为D(s)=k pv sG x Z in_INVs+Z in_INV(Cs2+k iv G x)㊂(17)根据式(17),得到当参数k pv从0逐渐变化至+ɕ时系统闭环传递函数的特征根在复平面的变化轨迹如图11所示㊂此时DAB电流内环控制参数与表2中相同,电压外环积分系数为98.3㊂可以看出,当k pv<0.0634时,级联系统存在右半平面极点,系统处于不稳定状态;当k pv>0.0634时,系统方可稳定;当k pv=0.0634时,复平面上出现位于虚轴上的闭环极点(0,ʃj251),说明系统处于临界稳定状态,这意味着系统中将会出现251rad/s(约40Hz)的振荡频率㊂图11㊀系统关于参数的k pv的根轨迹图Fig.11㊀Root trajectory diagram of the system with re-spect to the parameter k pv图12给出了此临界稳定状态下系统开环传递函数T m的Nyquist图,在此参数状态下,Nyquist曲线恰好穿越(-1,j0)点㊂分析结果说明,增大DAB电压外环比例系数k pv有助于增强级联系统稳定性,反之,将使级联系统稳定性变差㊂图12㊀系统开环传递函数的Nyquist图Fig.12㊀Nyquist diagram of the open-loop transferfunction为了验证上述分析结论,在MATLAB/Simulink 中搭建DAB与单相并网逆变器级联系统的仿真模7第12期刘㊀欣等:DAB级联单相逆变器系统的阻抗特性及稳定性分析型㊂电路参数如表1所示㊂图13给出了当其余参数保持不变,DAB 电压外环比例系数k pv 分别为2㊁0.258㊁0.0634和0.03时直流母线电压和交流侧输出电流的时域仿真波形㊂可以看出,当k pv 为2和0.258时,系统运行在稳定状态;当k pv 为0.0634时,系统处于临界稳定状态;当k pv 减小到0.03时,系统振荡失稳㊂这与图11中的参数根轨迹分析结果相符㊂图13㊀k pv 减小时直流母线电压和交流电流时域波形Fig.13㊀Waveforms of DC bus voltage and AC currentwhen k pv decreases取时间窗为0.2s,对图13中各个时间段的直流母线电压的时域波形进行频谱分析,所得结果如图14所示㊂可以看出,当k pv >0.0634时,直流母线电压主要含有直流分量和单相交直流系统中固有的二倍频分量;当k pv =0.0634时,在直流母线电压中出现可观的40Hz 频率分量,与图11中临界稳定状态下的系统振荡频率基本吻合;当k pv <0.0634时,直流母线电压中谐波分量杂乱繁多,系统失去稳定性㊂此外,还需特别说明的是,系数k pv 在影响系统稳定性的同时,也会影响系统动态响应速度㊂观察图11中根轨迹局部放大图可知,当k pv 小于0.258时,随着k pv 增大,主导极点的根轨迹从右半平面逐渐变化到左半平面并远离虚轴;当k pv 大于0.258时,根轨迹方向转变并逐渐靠近虚轴㊂因此,当k pv =0.258时,系统具有最佳的动态性能㊂若k pv 持续增大,越过最佳运行点,虽仍可保证稳定,但系统稳定速度将滞缓,这说明需兼顾稳定性和动态性能进行k pv 的参数设计㊂为了验证这一结论,图15给出了k pv 取值变化时系统有功功率波形的变化,从有功功率角度说明系数k pv 对系统稳定性及动态响应速度的影响㊂比较图15(a)㊁(b)和(c)可知,当0.0634<k pv <0.258时,系统动态响应速度随着k pv 的增大而加快,并且k pv 越大,系统稳定速度越快㊂比较图15(c)和图15(d)可知,当k pv 取2时,系统的稳定速度相较于图15(c)变慢,说明此时k pv 取值已越过了最佳运行点,进而验证了前述理论分析的正确性㊂图14㊀直流母线电压FFT 分析Fig14㊀FFT analysis of DC busvoltage图15㊀不同k pv 作用下的有功功率曲线Fig.15㊀Active power waveforms with different k pv8电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀3㊀级联系统稳定性改善方法第2.3节中的分析结论表明,增大DAB 电压外环比例系数k pv 将显著提高级联系统稳定性㊂因此,当级联系统面临振荡失稳问题时,一种简单而可靠并且无需任何额外的补偿器或控制回路的稳定性改善方法为:增大DAB 电压外环比例系数k pv ㊂根据2.1节的分析,若要使系统满足稳定性要求,应保证增大k pv 后,DAB 输出阻抗的峰值小于V 2bus /P ,从而避免与逆变器输入阻抗发生交叉,并保证系统具有足够的相位裕度㊂本节将结合具体的仿真算例验证此稳定性改善方法的有效性㊂仿真算例中基本电路参数如表1所示,DAB 控制器的相关参数列于表2之中㊂图16给出了算例中直流母线电压和交流电流时域波形,图17则给出了与之对应的级联系统阻抗伯德图㊂如图16中0.2~0.5s 时间窗内波形所示,当系统传输功率为5kW 时,系统稳定运行,直流母线电压包含400V 的直流分量和二倍频分量㊂若传输功率增加为10kW,系统将发生振荡失稳,如图16中0.5~0.7s 的波形所示㊂图17中曲线Z in_INV1与Z in_INV2分别为功率改变前后逆变器输入阻抗伯德图㊂可以看出,负载的加重造成逆变器在低频段的阻抗幅值减小,因此与DAB 输出阻抗发生交叉㊂图16㊀稳定性改善前后的时域仿真波形Fig.16㊀Time domain simulation waveforms before andafter stability improvement为了改善系统稳定性,应当增大DAB 电压外环比例系数㊂图18为传输功率为10kW 时,级联系统关于参数k pv 的根轨迹曲线㊂可以看出,要想保证系统稳定运行,k pv 的取值必须大于0.0645,并且当k pv 取0.452时,系统具有最佳动态性能㊂观察图16中0.7~1.1s 时域波形可知,在0.8s 时,将DAB 电压外环比例系数调整为最佳参数0.452,其余参数保持不变,由于DAB 输出阻抗的谐振峰值降低,系统又重新恢复至稳定运行状态㊂图17㊀稳定性改善前后的级联子系统阻抗伯德图Fig.17㊀Impedance Bode diagram before and after sta-bility improvement of the cascadesubsystem图18㊀传输功率为10kW 时系统闭环根轨迹Fig.18㊀Closed-loop root trajectory of the system at10kW transmission power上述仿真算例进一步验证了稳定性改善方法的可行性㊂在系统控制器设计中,应当根据DAB 和单相并网逆变器的阻抗特性,利用阻抗伯德图和系统关于参数k pv 的闭环根轨迹进行直观判断,综合考虑系统的稳定性和动态响应速度,以确定适合的控制参数㊂4㊀结㊀论本文分别建立了DAB 输出阻抗模型和考虑锁相环相位波动影响的单相并网逆变器的直流端输入阻抗模型,提高了模型的准确度,并通过扫频法对阻抗模型进行验证;此外,通过理论分析获得了DAB 输出阻抗谐振频率及谐振峰值的计算公式,从原理9第12期刘㊀欣等:DAB 级联单相逆变器系统的阻抗特性及稳定性分析。

上海交通大学工程硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景及意义随着社会工农业生产规模的不断扩大，对能源的需求量也越来越大，对于现有的有限能源，如何合理利用，是各国政府关心的问题。

我国政府制定的“十一五”规划，把节能减排定为规划纲要，以保证我国经济和社会的可持续发展[1]。

电动机作为工业、农业、市政等领域的主动力源，是能源消耗的大户，根据国家权威部门统计，我国的发电量有60%左右被电动机消耗，而其中的90%被交流电动机消耗[2,3]。

因此，对于交流电动机的变频调速研究，存在着巨大的节能空间。

对于广泛应用的高压大功率风机、泵类的高压电机，由于传统的工作方式为电网电压直接驱动，存在电机转速不能根据实际工况进行有效地调节，造成了很大的电能损失。

而高压变频技术正是能够解决这个问题的关键技术，但现有的功率开关受耐压等级的制约，传统的两电平逆变器无法有效应用于高压变频调速领域，即使是采用功率器件直接串联的两电平逆变器，也存在动、静态均压问题，并且d v/d t较大，会产生难以处理的电磁干扰问题[4]。

为此，有学者提出一种多电平功率变换技术，旨在解决功率开关耐压不足与高压大功率驱动之间的矛盾，并且可以有效减小d v/d t，降低输出电压的谐波含量，已成为高压大功率驱动场合的发展趋势[5]。

多电平变换技术的思想最早是在1980年IAS年会上，由日本长岗科技大学的 A. Nabae等人提出的[6]。

该电路用两个串联的电容将直流母线电压分为三个电平，每个桥臂用四个开关管串联，用一对串联箝位二极管和内侧开关管并联，其中心抽头和第三电平连接，实现中点箱位，形成所谓中点箱位变换器(NPC-Neutral Point Clamped)。

在这个电路中，主功率开关关断时，仅仅承受直流母线电压的一半，所以特别适合高压大功率应用场合。

1983年，Bhagwat等人在此基础上，将三电平电路推广到任意N电平，对NPC电路及其统一结构作了进一步的研究[7]。

基于级联式逆变器在光伏并网系统的应用研究
0 引言
 随着国际上对于清洁能源的要求越来越高，我国逐渐开始加大光伏发电等清洁能源在整个电网发电中的比重。

光伏并网技术是光伏发电系统的核心技术之一，光伏发电系统主要由太阳能板、DC-DC升压电路、逆变器、用户(电网)等组成。

目前，大多数逆变器采用传统的单级式或多级式，基于这些形式下的太阳能光伏并网系统在结构上存在着如下不足：并网逆变器中开关管的工作频率较高，损耗较大;逆变器工作需要足够的直流电压，这需要多个光伏电池串联起来以达到电压等级的要求，同时，逆变器开关管承受的du/dt 较大，整个系统的可靠性下降。

采用级联式逆变器就可以很好解决这些传统方式下的不足，本文旨在探讨级联式逆变器在光伏并网中的特点以及基于级联式逆变器的光伏并网系统的Matlab/Simulink仿真研究。

 1 基于级联式逆变器的光伏并网发电系统
 1.1 级联式逆变器的结构
 1988年日本学者M.Marchesoni等人在PESC年会上提出了基于H桥级联的多电平逆变电路结构。

该种电路结构以多电平阶梯波来模拟逼近正弦波，从而可以提高输出电压的等级，同时减小高次谐波含量。

图1是三相四级级联电路的拓扑结构图。

从图1所示的拓扑结构分析可以得知：逆变H桥直流测电压为UDC时，单级H桥输出有UDC，0以及-UDC三种电平，则N级级联结构输出共有2N+1种电平。

这种多电平结构使得级联式逆变器具有如下几个优点：各个模块相对独立，可以方便进行更换或扩展成更高电压等级;各个模块的开关器件(IGBT)承受电压相对普通逆变器要低，系统的可靠性增加。