逆變器并聯運行中的均流技術

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，常采用電源并聯技術。例如50臺電源并聯供電，即使其中有幾臺出現故障，由于供電系統具有一定的冗余度，不會影響整個系統的正常工作。對于實現大容量的逆變電源，同樣也可以采用并聯技術。由于逆變電源通常采用新型全控功率開關器件構成單元模塊，受功率開關器件容量的限制，單個逆變電源模塊的容量是十分有限的，通過多個模塊并聯進行擴容，不僅可以充分利用新型全控功率開關器件的優勢，減少系統的體積，降低噪聲，還可以提高系統的動態響應速度和逆變電源變換器的通用性。

然而，交流電源間的并聯運行遠比直流電源并聯運行復雜，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格一致。為了使各并聯模塊可靠地工作，最重要的是解決均流問題。本文分析了環流的產生，介紹了解決均流問題的幾種方法。

2并聯運行分析

兩臺逆變電源并聯連接的電路如圖1所示。假設輸出波形是標準的正弦波，不考慮畸變的影響。圖中RL為負載電阻，R1、R2為線路阻抗，分別代表逆變器1和逆變器2穩態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：為流經兩個逆變電源的環流。

設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為逆變器并聯時的電壓矢量關系，由式（5）和式（6）可知：當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，也會產生遠大于額定值的環流。由于環流不經過負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運行示意圖

圖2逆變器并聯時的電壓矢量關系圖

圖3逆變器輸出串電感抑制環流

圖4兩臺逆變器并聯運行系統的數學模型

圖5反饋控制方式實現均流的原理圖

3均流方案由于逆變電源輸出是交流量，即使、在穩態下輸出的幅值、頻率及相位均相等，但因各逆變器電路參數及外界擾動的差異，其動態調節過程不可能完全一致，所以瞬時的電壓差不可避免。為限制產生過大的環流，可在逆變器的輸出端串入限流電抗，如圖3所示，設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流降低，有利于并聯運行，但也降低了系統的穩定精度。因此，限流電抗不宜過大，一般取RL?ωL?R，其中ω為角頻率。

為使各逆變器并聯時負載電流均勻分配，可將逆變器的輸出電流與平均負載電流的偏差值（即環流值）作為反饋引入控制系統，圖4是兩臺逆變器并聯運行系統的數學模型，其中A1、A2為系統的閉環傳遞函數，Kf1、Kf2為均流反饋系數，GH為環流產生環節傳遞函數，GV為輸出電壓傳遞函數。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)

設兩臺逆變電源的A1=A2=A，Kf1=Kf2=Kf，則上兩式變為：′（13）′=GV(A1Ug1－A2Ug2)=Uo(14)

式（13）表明，選擇適當的均流反饋系數Kf可使2A·Kf·GH?1，使IH′?IH。可見加入均流環節后使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。當某一逆變電源的輸出電流大于平均負載電流時，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載電流的偏差值來調節輸出電壓，從而達到均流的目的。

在并聯的逆變電源系統中，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較大的環流，主要為有功環流。此時部分逆變電源將工作在整流狀態；如果頻率和相位一致，幅值有差異，也會出現環流，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給負載供電的電網絡模型

圖7電壓特性曲線

圖8頻率特性曲線

圖9主從并聯系統示意圖

（1）有功和無功并聯控制該控制方式實際上是實現并聯功率偏差控制。當并聯逆變電源單元出現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，來調節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，達到均流的目的，圖6是兩個逆變電源并聯給負載供電的電網絡模型，設逆變單元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，因此可以通過調節功率角來調節輸出有功功率的大小，通過調節逆變電源單元輸出電壓的幅值來調節無功的大小，從而可實現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節開關頻率的外部特性傾斜度，達到并聯的逆變電源均流控制的目的，這種方式在直流電源并聯均流控制中采用，可以自動實現并聯輸出均流。在逆變電源的并聯運行時，同樣可以通過電壓頻率下垂均流控制來達到并聯逆變電源輸出有功和無功自動均分的目的，從而抑制并聯環流。基于預先的下垂特性，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；

n為電壓幅值下垂系數。

為了確保每個逆變電源能夠根據其額定容量分擔負載，下垂系數選擇應滿足：

m1S2=m2S2=…=mnSn(24)

n1S1=n2S2=…=nnSn(25)

式中：S1、S2、…、Sn為各并聯逆變電源的額定容量。

下垂特性控制主要是將并聯的各逆變電源單元模塊的輸出電壓和頻率調整到某一定值，使它們能夠實現自動均流的目的，各并聯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，其它各并聯模塊受主模塊控制，以實現各個模塊均勻分配負載電流。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）單元組成的并聯系統。其基本結構包括：

①一個VCPI主控單元其電壓調節器保證系統輸出幅值，頻率穩定的正弦電壓；

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

③PDC單元專門負責檢測負載電流，并平均分配給各CCPI單元，且是同步的。

VCPI單元通過鎖相環（PLL）使正弦輸出電壓與市電或自身產生的基準電壓信號同步，輸出電流取決于負載性質。CCPI單元具有快速動態響應的特性，能迅速跟隨負載電流指令變化，并能適應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的主要功能是監控整個系統的工作狀態，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結語

逆變電源并聯技術是提高系統可靠性，擴大系統容量而發展起來的新技術。均流問題的解決，為實現逆變電源并聯運行提供了可靠的保障，勢必推動并聯運行技術的運用和發展。