逆變器并聯(lián)運行中的均流技術(shù)

1引言

單個電源組件的容量是有限的，為了增加電源的容量，提高供電可靠性，常采用電源并聯(lián)技術(shù)。例如50臺電源并聯(lián)供電，即使其中有幾臺出現(xiàn)故障，由于供電系統(tǒng)具有一定的冗余度，不會影響整個系統(tǒng)的正常工作。對于實現(xiàn)大容量的逆變電源，同樣也可以采用并聯(lián)技術(shù)。由于逆變電源通常采用新型全控功率開關(guān)器件構(gòu)成單元模塊，受功率開關(guān)器件容量的限制，單個逆變電源模塊的容量是十分有限的，通過多個模塊并聯(lián)進行擴容，不僅可以充分利用新型全控功率開關(guān)器件的優(yōu)勢，減少系統(tǒng)的體積，降低噪聲，還可以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度和逆變電源變換器的通用性。

然而，交流電源間的并聯(lián)運行遠(yuǎn)比直流電源并聯(lián)運行復(fù)雜，它不但要求兩電源輸出電壓幅值相等，而且要求其頻率與相位嚴(yán)格一致。為了使各并聯(lián)模塊可靠地工作，最重要的是解決均流問題。本文分析了環(huán)流的產(chǎn)生，介紹了解決均流問題的幾種方法。

2并聯(lián)運行分析

兩臺逆變電源并聯(lián)連接的電路如圖1所示。假設(shè)輸出波形是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，不考慮畸變的影響。圖中RL為負(fù)載電阻，R1、R2為線路阻抗，分別代表逆變器1和逆變器2穩(wěn)態(tài)下的輸出電壓和電流矢量，則表示其有效值。實際電路中，由于有R?ωL，因此可忽略電路電感的影響，R1、R2設(shè)為純電阻，則有：=[1－2R1/(2R1＋RL//2R2)]＋[1－2R2/(2R2＋RL//2R1)](1)=(－)/2R1=[/(2R1＋RL//2R2)]－[－/2R2＋RL//2R1]×[RL/(2R1＋RL)](2)=＋(3)=(－)/2(4)式中：為流經(jīng)兩個逆變電源的環(huán)流。

設(shè)R1=R2=R且因R<IMGSRC="IMAGE/08080148.JPG"HEIGHT=12WIDTH=10>=[1－2R/(2R＋RL//2R)]×(＋）=(＋）/2(5)=(－)/2R=(－)/2×2R=(－)/4R=Δ/4R(6)圖2為逆變器并聯(lián)時的電壓矢量關(guān)系，由式（5）和式（6）可知：當(dāng)兩個逆變器的輸出矢量、的相位或幅值不同時，即使是很小的電壓差，但因線路阻抗R值非常小，也會產(chǎn)生遠(yuǎn)大于額定值的環(huán)流。由于環(huán)流不經(jīng)過負(fù)載而在兩臺電源之間流通，對逆變器的功率器件和輸出變壓器均不利，因此必須加以限制。

圖1兩臺逆變電源并聯(lián)運行示意圖

圖2逆變器并聯(lián)時的電壓矢量關(guān)系圖

圖3逆變器輸出串電感抑制環(huán)流

圖4兩臺逆變器并聯(lián)運行系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

圖5反饋控制方式實現(xiàn)均流的原理圖

3均流方案由于逆變電源輸出是交流量，即使、在穩(wěn)態(tài)下輸出的幅值、頻率及相位均相等，但因各逆變器電路參數(shù)及外界擾動的差異，其動態(tài)調(diào)節(jié)過程不可能完全一致，所以瞬時的電壓差不可避免。為限制產(chǎn)生過大的環(huán)流，可在逆變器的輸出端串入限流電抗，如圖3所示，設(shè)L1=L2=L，R1=R2=R，則有：=[RL/(2R＋2RL＋jωL)](＋)=GV(＋)(7)=(1/jωL＋2R)[(－)/2]=GH(－)(8)

限流電抗的加入使環(huán)流降低，有利于并聯(lián)運行，但也降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定精度。因此，限流電抗不宜過大，一般取RL?ωL?R，其中ω為角頻率。

為使各逆變器并聯(lián)時負(fù)載電流均勻分配，可將逆變器的輸出電流與平均負(fù)載電流的偏差值（即環(huán)流值）作為反饋引入控制系統(tǒng)，圖4是兩臺逆變器并聯(lián)運行系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，其中A1、A2為系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，Kf1、Kf2為均流反饋系數(shù)，GH為環(huán)流產(chǎn)生環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，GV為輸出電壓傳遞函數(shù)。則有：=GV(A1Ug1＋A2Ug2)(9)=GH(A1Ug1－A2Ug2)(10)

加入均流電路時′（11）′=GV(A1Ug1′－A2Ug2′)

=GV[(A1(Ug1－Kf1IH)－A2(Ug2－Kf2IH)](12)

設(shè)兩臺逆變電源的A1=A2=A，Kf1=Kf2=Kf，則上兩式變?yōu)椋?img height=12 src="http://www.brongaenegriffin.com/article/UploadPic/2009-7/200971782722908.JPG" width=8>′（13）′=GV(A1Ug1－A2Ug2)=Uo(14)

式（13）表明，選擇適當(dāng)?shù)木鞣答佅禂?shù)Kf可使2A·Kf·GH?1，使IH′?IH?？梢娂尤刖鳝h(huán)節(jié)后使IH大大減小，輸出電流I1、I2趨于一致。式（14）表明，加入均流電路后的輸出值未變化，仍然跟蹤給定電壓。

圖5是上述反饋控制方式的原理圖，逆變電源的輸出電流由互感器檢測，經(jīng)整流濾波放大后得到直流電壓UB，它反映了該電源的輸出電流的大小。各電源的UB信號通過電阻RS連到公共均流母線。母線上的電壓UA反映了所有電源UB的平均值。當(dāng)某一逆變電源的輸出電流大于平均負(fù)載電流時，UB>UA時，該電源的控制放大器N1使其給定電壓Ug減小，迫使該電源的輸出電壓降低；反之，使其輸出電壓升高。這樣，通過比較輸出電流與平均負(fù)載電流的偏差值來調(diào)節(jié)輸出電壓，從而達(dá)到均流的目的。

在并聯(lián)的逆變電源系統(tǒng)中，如果逆變單元的頻率，幅值完全相同，但存在一定的相位差，則逆變單元之間會出現(xiàn)較大的環(huán)流，主要為有功環(huán)流。此時部分逆變電源將工作在整流狀態(tài)；如果頻率和相位一致，幅值有差異，也會出現(xiàn)環(huán)流，不過此時部分逆變單元吸收無功功率，另一部分逆變單元輸出無功功率。此外，即使輸出同相位，同頻率，同幅值的正弦波，但因諧波含量有較大的差異，仍存在諧波環(huán)流。下面分析在這些不同情況下的均流控制方法。

圖6兩個逆變電源并聯(lián)給負(fù)載供電的電網(wǎng)絡(luò)模型

圖7電壓特性曲線

圖8頻率特性曲線

圖9主從并聯(lián)系統(tǒng)示意圖

（1）有功和無功并聯(lián)控制該控制方式實際上是實現(xiàn)并聯(lián)功率偏差控制。當(dāng)并聯(lián)逆變電源單元出現(xiàn)輸出有功或輸出無功不一致時，逆變電源將檢測出本單元模塊的有功或無功偏差值，來調(diào)節(jié)逆變器單元輸出電壓的相位和幅值，保證每一個逆變單元輸出的有功無功相等，達(dá)到均流的目的，圖6是兩個逆變電源并聯(lián)給負(fù)載供電的電網(wǎng)絡(luò)模型，設(shè)逆變單元1輸出的視在功率為：

S1=P1＋jQ1=UI1(15)

其中：（16）

則有：(17)

輸出的有功P1和無功Q1分別為：(18)(19)

逆變電源2的輸出有功P2和無功Q2分別為：(20)(21)

由式（18）—式（21）可知，有功的大小主要取決于功率角δ，無功的大小主要取決于逆變電源的輸出幅值E1和E2，因此可以通過調(diào)節(jié)功率角來調(diào)節(jié)輸出有功功率的大小，通過調(diào)節(jié)逆變電源單元輸出電壓的幅值來調(diào)節(jié)無功的大小，從而可實現(xiàn)各輸出電源模塊的均流。

（2）電壓頻率下垂控制該控制方式主要依靠調(diào)節(jié)開關(guān)頻率的外部特性傾斜度，達(dá)到并聯(lián)的逆變電源均流控制的目的，這種方式在直流電源并聯(lián)均流控制中采用，可以自動實現(xiàn)并聯(lián)輸出均流。在逆變電源的并聯(lián)運行時，同樣可以通過電壓頻率下垂均流控制來達(dá)到并聯(lián)逆變電源輸出有功和無功自動均分的目的，從而抑制并聯(lián)環(huán)流。基于預(yù)先的下垂特性，可得到下式：

ω=ω0－mp(22)

U=U0－nq(23)

式中：ω0為空載頻率；

U0為空載電壓幅值；

m為頻率下垂系數(shù)；

n為電壓幅值下垂系數(shù)。

為了確保每個逆變電源能夠根據(jù)其額定容量分擔(dān)負(fù)載，下垂系數(shù)選擇應(yīng)滿足：

m1S2=m2S2=…=mnSn(24)

n1S1=n2S2=…=nnSn(25)

式中：S1、S2、…、Sn為各并聯(lián)逆變電源的額定容量。

下垂特性控制主要是將并聯(lián)的各逆變電源單元模塊的輸出電壓和頻率調(diào)整到某一定值，使它們能夠?qū)崿F(xiàn)自動均流的目的，各并聯(lián)單元之間是沒有互連通信線的。下垂特性曲線如圖7和圖8所示。

（3）主從模塊法主從模塊控制方式是選擇一個模塊作為主模塊運行，其它各并聯(lián)模塊受主模塊控制，以實現(xiàn)各個模塊均勻分配負(fù)載電流。圖9是一個由電壓控制的PWM逆變器（VCPI）功率單元和功率分配中心（PDC）單元組成的并聯(lián)系統(tǒng)。其基本結(jié)構(gòu)包括：

①一個VCPI主控單元其電壓調(diào)節(jié)器保證系統(tǒng)輸出幅值，頻率穩(wěn)定的正弦電壓；

②N個電流控制的PWM逆變器（CCPI）從單元設(shè)計其具有電流跟隨器性質(zhì)，分別跟隨PDC單元分配的電流；

③PDC單元專門負(fù)責(zé)檢測負(fù)載電流，并平均分配給各CCPI單元，且是同步的。

VCPI單元通過鎖相環(huán)（PLL）使正弦輸出電壓與市電或自身產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓信號同步，輸出電流取決于負(fù)載性質(zhì)。CCPI單元具有快速動態(tài)響應(yīng)的特性，能迅速跟隨負(fù)載電流指令變化，并能適應(yīng)VCPI輸出頻率的變化。輸出電壓被看作干擾輸入，通過前饋加以補償。

PDC的主要功能是監(jiān)控整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并按各單元的視在功率為各單元分配電流。該方案均流效果較好。

4結(jié)語

逆變電源并聯(lián)技術(shù)是提高系統(tǒng)可靠性，擴大系統(tǒng)容量而發(fā)展起來的新技術(shù)。均流問題的解決，為實現(xiàn)逆變電源并聯(lián)運行提供了可靠的保障，勢必推動并聯(lián)運行技術(shù)的運用和發(fā)展。