输入串联输出并联逆变器的分布式均压控制策略

电 工 技 术 学 报

TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY

Vol.24 No. 5

May 2009

输入串联输出并联逆变器的分布式

均压控制策略

庄 凯 阮新波

（南京航空航天大学航空电源重点实验室 南京 210016）

摘要 分析了输入串联输出并联(Input-Series Output-Parallel, ISOP)逆变器的输入均压原理，在此基础上提出一种新颖的分布式均压控制策略，解决了输入均压问题。与集中式均压控制策略不同，该控制策略将输入均压控制电路分散到各模块中，使其成为可独立工作的标准模块。各标准模块的控制电路通过互连线连接，组成ISOP逆变器。分布式均压控制策略促进了系统的模块化，提高了可靠性。对分布式均压控制策略的工作原理进行了分析，并设计原理样机进行实验验证。

关键词：分布式 输入均压 输入串联 输出并联 逆变器 中图分类号：TM464

Distributed Voltage Sharing Control Strategy for

Input-Series Output-Parallel Inverter

Zhuang Kai Ruan Xinbo

（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 210016 China） Abstract This paper analyzes input voltage sharing control theory of input-series output-parallel (ISOP) inverter. On the basis of the control theory, a novel distributed voltage sharing control strategy is proposed to solve input voltage sharing problem. Compared with the centralized control strategy, the distributed control strategy makes each module with independent control system and working independently. It is convenience to make up ISOP inverter by connecting modules with communication lines. The distributed voltage sharing control strategy improves modularization and reliability. This paper also analyzes working principle of the distributed control strategy, and gives some experimental results to valid it.

Keywords：Distributed, input voltage sharing, input-series, output-parallel, inverter

式[3]。

输入串联输出并联（Input-Series Output-Parallel, ISOP）方式由小功率模块在输入端串联和输出端并联组成，应用于高电压输入和大电流输出的场合。这种组合方式需要解决输入均压和输出均流问题。文献[4-9]针对ISOP直流变换器提出各种输入均压控制策略，实现了输入均压和输出均流。由于逆变器输出为交流，ISOP直流变换器的均压控制策略不能用于ISOP逆变器，因此文献[10]提出ISOP逆变器的集中式均压控制策略。集中式均压控制策略中各模块共用一个输出电压调节器，各模块的控制电路缺少独立性，没有实现控制电路的模块化。在

1 引言

电力电子系统集成是电力电子技术发展的一个重要方向，它将标准模块像搭积木一样组合成电能变换系统，满足各种应用需求[1-2]。这种将标准模块通过串联或并联方式组合成新系统的方法，具有设计简单、可靠性高和成本低等优点。模块的串并联组合方式包括输入串联输出并联、输入串联输出串联、输入并联输出串联和输入并联输出并联四种方

霍英东教育基金会高等院校青年教师基金（91058）和台达电力电子科教发展基金资助项目。

收稿日期 2008-03-12 改稿日期 2008-07-02

第24卷第5期

庄 凯等 输入串联输出并联逆变器的分布式均压控制策略 109

IPOP组合系统中，集中式控制策略使系统的灵活性和可靠性受到限制[11]，而分布式控制策略却能够解决这些问题[12-13]。若在ISOP逆变器中，采用分布式均压控制策略，系统由可独立工作的标准模块组成，这将提高系统的灵活性和可靠性，并推动系统的模块化发展。

本文分析ISOP逆变器输入均压控制原理。根据该原理提出一种ISOP逆变器的分布式均压控制策略。该策略将均压控制电路分散到各模块的控制电路中，使各模块成为可独立工作的标准模块。各模块在系统中的地位相同，模块间通过电压给定信号线和均压控制线连接，实现输入均压和输出均流。文中还分析了分布式均压控制策略的工作原理，在一台2kVA的原理样机上进行实验验证，并给出实验结果。

Cini

duiniPinpini

=− i=1, 2 （3） dtUinuini

该式反映了各模块输入功率与输入电压的关系。

根据控制理论[14]，对式（4）所示的系统

󰀅=af(x)+bu(x) （4） x若满足

󰀅x=x=0 （5） x

0

则称x=x0为系统的平衡点。根据李亚普诺夫定理：若存在标量函数V(x)，使除了平衡点x=x0外的所有点都满足

V(x)＞0 （6） 󰀅(x)＜0 （7） V

则该系统为稳定系统，x=x0为系统的稳定点。

由式（3）可知，图1电路中满足Iin=iini的点为系统平衡点，平衡点处的电压值由初始电压决定。根据李亚普诺夫定理，取标量函数为

2

V(uini)=uini （8） 󰀅(u)=2uuViniini󰀅ini （9）

2 输入均压控制原理

图1为由两个模块组成的ISOP逆变器主电路，图中各模块由全桥直流变换器和逆变器组成，直流变换器主要实现隔离功能，便于输入端串联而互不影响，逆变器产生交流电。

将式（3）代入式（9）得

󰀅(u)=2Pinuini−2pini （10） Vini

CiniUinCini

标量函数V(uini)满足式（6）的要求。若要系统稳定，只需满足式（7）即可。令

󰀅(u)＜0 （11） Vini

则可得

piniPP2

＞in=in （12） uiniUinUin2

系统稳定时，输入特性满足

piniPin2 （13） =

uiniUin2

图1 ISOP逆变器主电路 Fig.1 Circuit of ISOP inverter

可见若要实现输入均压，并使系统的稳定点为

uini=Uin/2，只要使各模块的输入功率随输入电压的，即可保证输入均变化规律满足式（12）和式（13）压稳定。

若忽略变换器的功率损耗，则各模块的输入功率与输出有功功率相等，那么调节各模块的输出有功功率也可实现输入均压。各模块的输出有功功率为

poi=UoIoicosθi=pini i=1, 2 （14）

由图1可得各模块输入电压和输入电流关系式

Cini

duini

=Iin−iini i=1, 2 （1） dt

式中，Iin为总输入电流；Cini为各模块输入并联电容。记Pin为系统的总输入功率，pini为各模块的输入功率，则有

pini=uiniiini i=1, 2 （2）

式中，Uo为输出电压有效值；Ioi为各模块的输出电流有效值；θi为功率因数角。当输出电压和功率因

将式（2）代入式（1）得

110

电 工 技 术 学 报 2009年5月

数角保持不变时，输出有功功率poi与输出电流有效值Ioi（或幅值Im）呈线性。因此采用调节输出电流

电路中的二极管导通，则均压信号线的电压值为最高输入电压采样值，此时该模块为主模块，另一个模块为从模块。主模块的输入电压采样值与均压信

*

号线的电压umax相等，其均压调节信号为零。从模*

， 块的输入电压采样值低于均压信号线的电压umax

Im）的方法，可以实现输入均压。 有效值Io（或幅值i

3 分布式均压控制策略

调节ISOP逆变器中各模块的输出电流有效值（或幅值）可以实现输入均压，根据该原理将均压电路分散到各模块中，提出图2所示的分布式均压控制策略。

其均压电路中的二极管截止，从模块进行均压调节。若在调节过程中，从模块的输入电压采样值高于

*

umax时，则从模块的二极管导通，均压信号线上的*电压umax发生变化，同时原从模块变为主模块，而

原主模块的二极管截止，原主模块变为从模块。

该方式令输入电压最高的模块为主模块，主模

*块的输入电压采样值与均压信号线的电压umax相

等，所以主模块不进行均压调节，而从模块根据自

*身输入电压采样值与均压信号线电压umax的偏差进

行调节，使从模块的输入功率减小。由于系统总输入功率不变，主模块的输入功率将增大。主从模块的输入功率与输入电压按式（12）的稳定条件进行调节。

为了分析均压工作原理，设t0初始时刻，各模块输入均压和输出均流。均压信号线上的电压等于各模块的输入电压采样值

图2 分布式均压控制策略

Fig.2 The distributed voltage sharing control strategy

**

umax=uini=

kfUin i=1, 2 （15） 2

图2中各模块具有独立的控制电路，并且通过电压给定信号线和均压信号线连接。各模块的控制系统由输出电压环、电流环和输入均压环组成。输出电压环保证输出电压稳定。电流环控制输出滤波电感电流，提高系统的动态性能。输入均压环调节各模块的输入电压，实现输入均压。各模块具有独立的主电路和控制电路，也可作为标准模块单独使用。

输出滤波电容电流保持不变，因此调节输出滤波电感电流就可控制输出电流。又由于电流环对给定信号具有良好的跟随特性，可等效为比例环节。则调节电流环给定信号的幅值就可控制输出滤波电感电流。在调节过程中，保证电流环给定信号的相位不变，只改变电流幅值。因此在均压控制电路中使用乘法器，将输入电压的直流调节偏差ivdi与电压调节器输出ivoi相乘，使输出滤波电感电流幅值和输出电流幅值都随输入电压偏差变化。

*

均压调节的给定信号umax采用最大值方式获*

得。各模块将输入电压采样uini

各模块输入电压偏差为零，均压调节电路不工作

isv1(t0)=isv2(t0)=0 （16）

设两模块的参数相同，各模块电压调节器的输出相等

ivo1(t0)=ivo2(t0)=ivo(t0) （17）

电流环给定信号也相等

iref1(t0)=iref2(t0)=iref(t0) （18）

若t1时刻，扰动使输入不均压，且uin1＞uin2，则1#模块均压电路中的二极管VD1导通，2#模块均压电路中的二极管VD2截止，均压信号线电压为

**umax(t1)=uin1(t1) （19）

此时1#模块为主模块，2#模块为从模块。主模块（1#模块）的均压调节信号为

isv1(t1)=0 （20） 由于uref和uo都保持不变，两个模块电压调节器的输出也不变

ivo1(t1)=ivo2(t1)=ivo(t1)=ivo(t0) （21）

通过二极管VDi连

接到均压信号线上。输入电压最高的模块使其均压

1#模块电流给定信号保持不变

iref1(t1)=iref1(t0) （22）

第24卷第5期

庄 凯等 输入串联输出并联逆变器的分布式均压控制策略 111

在t1时刻，从模块（2#模块）的输入采样电压小于均压信号线上的电压，即

**uin2(t1)＜umax(t1) （23）

由于各模块的输入电压偏差为零，均压电路不进行调节，那么

isv1(t3)=isv2(t3)=0 （33） 此时电流环给定信号相等，输出滤波电感电流和输出电流也分别相等，即

⎧iref1(t3)=iref2(t3)⎪

⎨iLf1(t3)=iLf2(t3) （34） ⎪i(t)=i(t)

o23⎩o13此时，系统实现了输出均流。

若在t1时刻扰动使输入电压uin1＜uin2，则2#模块均压电路中的二极管VD2导通，均压信号线上的电压为

**

umax(t1)=uin2(t1) （35）

输入电压偏差经过均压调节后，产生负的直流均压调节信号ivd2(t1)＜0，而2#模块电压调节器的输出

ivo2(t1)保持不变，2#模块电流环给定信号iref2(t1)的幅值将减小，即

Irefm2(t1)＜Irefm2(t0) （24）

2#模块的输出滤波电感电流和输出电流也随之减小，总输出电流也将减小。由于负载保持不变，那么输出电压将降低。

为了保证输出电压稳定，各模块的电压调节器分别增加输出幅值，令输出电压在t2时刻保持稳定，此时各调节器输出信号的幅值增加

Ivom1(t2)=Ivom2(t2)＞Ivom(t1) （25）

输出电压和负载都保持稳定时，系统的总输出电流保持不变，则电流环给定信号在各个时刻也分别相等，即

iref1(t0)+iref2(t0)=iref1(t1)+iref2(t1)

=iref1(t2)+iref2(t2) （26）

此时，2#模块为主模块，1#模块为从模块，主从模块的均压调节过程与上述分析相同。

分析表明，分布式均压控制策略能够实现各模块的输入均压和输出均流。

4 实验验证

按照图1和图2所示电路，设计了一台由两个模块组成的ISOP逆变器原理样机，对提出的分布式均压控制策略进行实验验证。系统的主要参数为：输入直流电压540V±10%；系统总容量2kVA；输出电压115V/400Hz；输出滤波电感0.6mH；输出滤波电容16μF；输入并联电容1000μF。

图3为满载时输入电压、输出电流和输出电压的实验波形。图中各模块的输入电压相等，输出电流也相等，并保证良好的正弦输出，说明提出的分布式均压控制策略能够实现输入均压和输出均流，并保持系统工作稳定。

式（26）中各电流环给定信号的相位相同，可知电流环给定信号的幅值总和相等

Irefm1(t0)+Irefm2(t0)=Irefm1(t1)+Irefm2(t1)

=Irefm1(t2)+Irefm2(t2) （27）

由式（25）和式（27）得

Ivom1(t2)=Irefm1(t2)>Irefm2(t2)

=Ivom2(t2)−Isvm2(t2) （28）

根据给定信号的幅值关系，可得各模块输出滤波电感电流和输出电流的幅值关系

ILfm1(t2)＞ILfm2(t2) （29）

Iom1(t2)＞Iom2(t2) （30）

那么两模块输出电流有效值满足

Io1(t2)＞Io2(t2) （31） 通过调节使1#模块的输出有功功率增加，2#模块的输出有功功率减小。由能量守恒定律，1#模块的输入功率增加，2#模块的输入功率减小。

由于各模块输入端并联电容，输入功率的变化导致输入电流变化。1#模块的输入电流iin1增加，2#模块的输入电流iin2减小。由式（1）知1#模块的输入电压降低，2#模块的输入电压升高。

在t3时刻，各模块输入电压相等，输入电压的采样信号与均压信号线上的电压也相等，二极管

图3 满载时输入电压、输出电流和电压波形 Fig.3 Waveforms of input voltage output current and

output voltage at full load

VD1和VD2均导通，则

***umax(t3)=uin1(t3)=uin2(t3) （32）

图4为ISOP逆变器的总输入电压在486V（90%Uin）～594V（110%Uin）之间跳变时的实验

112

电 工 技 术 学 报 2009年5月

波形。图4a为两个模块的输入电压和输出电流波形，图4b为输入电压和输出电压波形。该实验波形反映出，提出的分布式均压控制策略可以抑制输入电压的扰动，并能够使系统返回输入均压和输出均流的稳定状态。

（b）输入电压和输出电压

图5 负载突变时电压和电流波形

Fig.5 Voltage and current waveforms corresponding to a

（a）输入电压和输出电流

step change in load

5 结论

本文分析了ISOP逆变器实现输入均压的原理，指出调节系统中各模块的输出电流能够实现输入均压，并保证稳定。根据均压控制原理提出一种分布式均压控制策略，该策略将均压控制电路分散到各模块中，使各模块成为可独立工作的标准模块，模

（b）输入电压和输出电压

块间通过互连线连接。分析和实验都证明了提出的分布式均压控制策略能够实现输入均压和输出均流，并保证了系统的稳定。

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图4 输入电压突变时的电压和电流波形 Fig.4 Voltage and current waveforms corresponding to

step change in total input voltage

图5为输出从1/3负载到满载之间跳变的实验波形。图5a为两个模块输入电压和输出电流波形，图5b为输入电压和输出电压波形。从图中可看出，负载扰动对系统的输入均压和输出均流效果没有影响，从而证明提出的控制策略可抑制负载扰动的影响。由于输入直流电源非理想电压源，所以在负载突加过程中输入电压会有跌落。

动态和静态实验波形证明，提出的分布式控制策略可以抑制输入扰动和负载扰动，实现系统的输入均压和输出均流，并保持稳定。

（a）输入电压和输出电流

第24卷第5期

1462-1472.

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作者简介

庄 凯 男, 1975年生, 博士研究生, 研究方向为逆变器、电力电子系统集成和数字控制。

阮新波 男, 1970年生, 博士, 教授, 研究方向为高频软开关直-直变换器、高频软开关逆变器、变换器建模分析、电力电子系统集成和新能源供电系统。