潘慧梅

(攀枝花學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

逆變電源并聯(lián)控制綜述

潘慧梅

(攀枝花學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

逆變器并聯(lián)雖然能提高電源系統(tǒng)的容量、可維護(hù)性和可冗余度，但是其主電路設(shè)計(jì)和控制方法比單臺(tái)逆變器復(fù)雜，基于此，詳細(xì)綜述了逆變器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在主電路結(jié)構(gòu)中，分別介紹了獨(dú)立并聯(lián)系統(tǒng)、交互并聯(lián)系統(tǒng)、獨(dú)立直流電源逆變器并聯(lián)和共用直流電源并聯(lián)的主電路結(jié)構(gòu)，同時(shí)分別介紹了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)不同的主電路拓?fù)潆娐?，介紹了相應(yīng)的控制方法。對(duì)提高工業(yè)自動(dòng)化電源、高端焊接逆變電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性具有一定的參考價(jià)值。

逆變電源；并聯(lián)；直流電源；拓?fù)潆娐?；控?/p>

0 前言

隨著電力電子技術(shù)不斷的發(fā)展，逆變電源并聯(lián)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、軍工以及船舶等高端設(shè)備系統(tǒng)中。多臺(tái)逆變電源的并聯(lián)運(yùn)行不僅可以擴(kuò)大系統(tǒng)的容量，還可以組成并聯(lián)冗余系統(tǒng)以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和可維護(hù)性。由于單臺(tái)逆變電源運(yùn)行時(shí)，一旦該逆變電源發(fā)生故障，整個(gè)供電設(shè)備將無法運(yùn)行，處于癱瘓狀態(tài)，這是單個(gè)逆變器運(yùn)行存在的最大問題。另外，在大容量的電源系統(tǒng)中，單臺(tái)大容量逆變電源的大功率開關(guān)器件昂貴、開關(guān)損耗大、諧波成分抑制難、電磁干擾(EMI)嚴(yán)重、控制方法困難，而小功率的逆變電源又不能滿足用戶用電的要求。因此，為了提高電源的容量、可靠性、穩(wěn)定性和可維護(hù)性，可行的辦法是讓多臺(tái)逆變器并聯(lián)運(yùn)行。電源系統(tǒng)正向著系統(tǒng)模塊化、可冗余、低損耗、高效率等方向發(fā)展。在此綜述了相關(guān)并聯(lián)逆變器系統(tǒng)大量的國內(nèi)外參考文獻(xiàn)，再加上長期對(duì)逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的研究，全面地闡述了逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法[1-2]。

逆變電源并聯(lián)控制思想是建立在早期的直流電源并聯(lián)的基礎(chǔ)上，逆變電源并聯(lián)從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法比直流電源更復(fù)雜，因?yàn)樗胁⒙?lián)運(yùn)行逆變電源必須同步運(yùn)行，否則各逆變電源之間將存在很大的環(huán)流，過大的環(huán)流不僅造成系統(tǒng)更多的功率耗損，嚴(yán)重時(shí)造成開關(guān)管功率器件損壞，達(dá)不到逆變電源并聯(lián)的目的[1]。本研究的綜述分析對(duì)提高工業(yè)自動(dòng)化電源、高端焊接逆變電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性具有一定的參價(jià)值。

1 逆變器并聯(lián)拓?fù)潆娐?/h2>

逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，從不同的角度具有不同的劃分方法。按照是否與公用電網(wǎng)進(jìn)行能量交換，可以分為獨(dú)立并聯(lián)系統(tǒng)和交互式并聯(lián)系統(tǒng)；按照是否公用直流電源，可以分為獨(dú)立直流電源的并聯(lián)系統(tǒng)和共用直流電源的并聯(lián)系統(tǒng)；按照逆變器的輸出特性，可以分為電壓源逆變器并聯(lián)、電流源逆變器并聯(lián)和兩者混合并聯(lián)系統(tǒng)[3-6]。

1.1 獨(dú)立并聯(lián)系統(tǒng)

獨(dú)立逆變器并聯(lián)系統(tǒng)不與公共電網(wǎng)連接，逆變的交流電直接為負(fù)載提供電能。逆變器的類型可能是電壓控制型、電流控制型、電流控制型和電壓控制型的混合并聯(lián)系統(tǒng)。電壓控制型逆變器并聯(lián)時(shí)，處于并聯(lián)狀態(tài)的每一臺(tái)逆變器相當(dāng)于一個(gè)電壓源，都具有相同的地位，這種并聯(lián)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是便于實(shí)現(xiàn)模塊化，由于并聯(lián)系統(tǒng)中的每臺(tái)逆變器是一個(gè)電壓源，多臺(tái)逆變器并聯(lián)之后其輸出濾波器的諧振頻率會(huì)發(fā)生改變，使得并聯(lián)系統(tǒng)的波形控制難度加大，導(dǎo)致諧波環(huán)流成分的增加(見圖1a)。在電壓控制型逆變器和電流控制型逆變器的混合并聯(lián)系統(tǒng)中，首先由電壓控制型逆變器工作，以電壓型逆變器輸出的電壓波形作為其他電流型逆變器控制波形的參考電壓，也就是所有的電流控制型逆變器跟追電壓控制型逆變器的輸出電壓波形，逆變器之間自動(dòng)實(shí)現(xiàn)均流。在這種并聯(lián)控制方案中，只有一臺(tái)逆變器相當(dāng)于是電壓源，其他都是電流源，逆變器并聯(lián)系統(tǒng)不會(huì)改變其諧振頻率，波形質(zhì)量好，諧波環(huán)流較小(見圖1b)[7-11]。

圖1 獨(dú)立并聯(lián)逆變器示意

1.2 交互式并聯(lián)系統(tǒng)

交互式并聯(lián)系統(tǒng)與獨(dú)立并聯(lián)系統(tǒng)的區(qū)別是交互式并聯(lián)系統(tǒng)中的逆變器與公共電網(wǎng)進(jìn)行能量交換。隨著新能源的發(fā)展，交互式并聯(lián)系統(tǒng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。在這種系統(tǒng)中，若分布式供電所提供的能量不足以滿足本地用戶需求時(shí)，就從電網(wǎng)吸收一部分額外的能量，相反，若分布式供電系統(tǒng)所提供的能量超出了本地用戶的需求時(shí)，可以將多余的能量回饋至電網(wǎng)，這種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)能量共享和能源的充分利用[6-11]。

1.3 獨(dú)立直流電源的逆變器并聯(lián)

具有獨(dú)立直流電源供電的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其對(duì)單機(jī)系統(tǒng)而言是一臺(tái)獨(dú)立的供電系統(tǒng)，將這種結(jié)構(gòu)模式的逆變器進(jìn)行并聯(lián)要考慮以下問題[11-15]：

圖2 兩個(gè)單相并聯(lián)逆變器電路

(1)由于每一臺(tái)逆變器的直流電源是獨(dú)立的，很難保證處于并聯(lián)狀態(tài)的每臺(tái)逆變器直流電壓的一致性，在并聯(lián)逆變器的控制中，忽略死區(qū)效應(yīng)和功率開關(guān)器件的開關(guān)特性不一致的影響，總是期望處于并聯(lián)狀態(tài)的逆變器輸出交流電壓的相位、幅值和頻率是嚴(yán)格一致的。如果每臺(tái)逆變器的直流電壓不一致，可以通過檢測(cè)每一臺(tái)逆變器輸出電壓和電流的瞬時(shí)值控制SPWM的波形，確保兩臺(tái)逆變器的輸出相位完全一致，在實(shí)際應(yīng)用中，由于逆變器的開關(guān)管工作頻率為幾十kHz，電磁干擾比較大，并且輸出的交流電壓中還存在交流電壓的諧波。因此很難測(cè)試到輸出電壓、電流取樣信號(hào)的真實(shí)值，如果用數(shù)字控制，很難實(shí)現(xiàn)用SPWM的方法來控制，最好的辦法是盡量保證每一臺(tái)逆變器的直流電壓保持一致。為了達(dá)到這個(gè)目的，可以在DC／AC前級(jí)加一個(gè)DC／DC電路，這樣有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是根據(jù)逆變器的要求通過DC／DC的升壓或降壓原理達(dá)到每一臺(tái)逆變器需要的直流電壓；二是可以使每一臺(tái)逆變器的直流電壓基本保持一致，如圖3所示。

(2)在這種具有獨(dú)立直流母線電壓的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)當(dāng)中，如果各直流電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不一致，則在直流母線電壓的動(dòng)態(tài)過程調(diào)節(jié)中也會(huì)在并聯(lián)狀態(tài)的逆變器之間形成諧波環(huán)流。

(3)若控制不當(dāng)，在各臺(tái)并聯(lián)逆變器之間產(chǎn)生了較大的有功環(huán)流，且該有功環(huán)流是單方向的，則有可能使其中一臺(tái)逆變器輸出負(fù)的有功電流，即該臺(tái)逆變器成為其他逆變器的負(fù)載(這種狀況最容易出現(xiàn)在逆變器空載并聯(lián)時(shí))，從而會(huì)使其直流側(cè)電壓獲得抬升，很容易損壞直流側(cè)電容或開關(guān)器件。

圖3 多臺(tái)光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器并聯(lián)示意

1.4 共用直流電源的逆變器并聯(lián)

共用直流電源的兩臺(tái)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由于處于并聯(lián)狀態(tài)逆變器的直流母線電壓始終保持一致，可以更好地達(dá)到輸出電壓、電流波形一樣，保證均流，但還是存在以下兩個(gè)問題：

(1)應(yīng)當(dāng)將濾波電抗器一分為二，將逆變器1的濾波電抗器分解為L11和L12，將逆變器2的濾波電抗器分解為L21和L22，且采取對(duì)稱接法，這樣能夠避免由于各臺(tái)逆變器開關(guān)管的開關(guān)模式不一致而導(dǎo)致的直流電源短路，也可以在每一臺(tái)逆變器輸出的交流電壓零線端接一個(gè)電感，從而防止短路，如圖4所示。

圖4 共用直流母線并聯(lián)逆變器主電路結(jié)構(gòu)

(2)在這種共直流電源的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中，如果并聯(lián)各臺(tái)逆變器開關(guān)頻率、死區(qū)時(shí)間等參數(shù)不一致，同樣會(huì)在各逆變器之間產(chǎn)生環(huán)流，因此在實(shí)際應(yīng)用中，每一臺(tái)逆變器的器件參數(shù)應(yīng)一致，同時(shí)在每一臺(tái)逆變器調(diào)試時(shí)應(yīng)注意其調(diào)試數(shù)據(jù)應(yīng)保持一致，否則會(huì)在并聯(lián)時(shí)出現(xiàn)異常現(xiàn)象[15-19]。

2 逆變器并聯(lián)的控制方法

將多臺(tái)單個(gè)逆變器并聯(lián)在一起，要使它們能夠穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，除了一個(gè)好的拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)外，還需要一種可行的控制策略。逆變器輸出的是交流電壓，在任意時(shí)刻必須保持處于并聯(lián)運(yùn)行的每一臺(tái)逆變器輸出電壓的頻率、相位和幅值嚴(yán)格一致，否則會(huì)在并聯(lián)逆變器之間產(chǎn)生很大的不經(jīng)過負(fù)載的電流(環(huán)流)，導(dǎo)致并聯(lián)系統(tǒng)崩潰。采用有效的控制策略，可以使處于并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)的各逆變器輸出電壓的幅值、頻率和相位保持同步，并有效地抑制這種環(huán)流。目前逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的控制策略有：集中控制、主從控制、分散控制和無互連線分散控制等[16-23]。

主從模塊控制方式是選擇一個(gè)模塊作為主模塊運(yùn)行，其他模塊由主模塊控制，主模塊逆變器用電壓控制，以保證系統(tǒng)輸出的幅度、頻率穩(wěn)定的交流電壓與自身產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓同步。在主從控制方案中，并聯(lián)逆變器系統(tǒng)中有一臺(tái)是電壓控制型的，其輸出相當(dāng)于是電壓源，該模塊稱為主模塊，它支撐并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓，其他所有的逆變器均作為電流源輸出，這些模塊稱為從模塊，且從模塊將主模塊的輸出電流作為自己的電流指令。主從控制方案與集中控制方案相比較而言，減少了集中控制中心，因此主從并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性相對(duì)集中控制要高一些，但是，各從模塊仍然需要從并聯(lián)的主模塊得到電流指令，如果再考慮到在線熱插拔功能的實(shí)現(xiàn)，控制邏輯相當(dāng)復(fù)雜。因此也不能實(shí)現(xiàn)真正的模塊化。

分散邏輯式也稱為對(duì)等式或自整步法，它是將系統(tǒng)的控制權(quán)進(jìn)行分散化和獨(dú)立化，將均流控制分散在各個(gè)模塊中，通過模塊間的信號(hào)互連線獲得信息，所有模塊都是相同的，可以真正實(shí)現(xiàn)冗余，最終使系統(tǒng)中各個(gè)單元實(shí)現(xiàn)獨(dú)立工作。逆變器的均流控制是基于所有處于并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)的逆變器之間的并聯(lián)通信總線完成的。分散邏輯并聯(lián)控制方式中各逆變電源之間互聯(lián)線較多，且大容量設(shè)備并聯(lián)時(shí)互聯(lián)線距離較遠(yuǎn)，干擾很嚴(yán)重。

無互連線方式也稱外特性下垂法，它借鑒于同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)的控制策略，通過人為引入頻率和幅值下垂特性實(shí)現(xiàn)各臺(tái)逆變器總功率均分。電壓頻率下垂控制方式主要依靠調(diào)節(jié)開關(guān)頻率的外部特性的傾斜度，以達(dá)到并聯(lián)逆變器均流控制的目的，電壓頻率下垂控制方式的關(guān)鍵是功率單元的計(jì)算，這種并聯(lián)控制方式僅檢測(cè)本模塊的輸出功率，進(jìn)行有功和無功功率分解后，分別調(diào)整模塊輸出電壓的頻率和幅度以實(shí)現(xiàn)均流，由于完全消除了并聯(lián)各逆變器之間的通信互聯(lián)線而取消了并聯(lián)逆變器之間距離上的限制，減小外界的噪聲和干擾，真正實(shí)現(xiàn)冗余結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)，因而可構(gòu)成真正意義上的分布式供電系統(tǒng)

3 結(jié)論

詳細(xì)分析了逆變器并聯(lián)的拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)和控制方法。在主電路結(jié)構(gòu)中，分別介紹了獨(dú)立并聯(lián)系統(tǒng)、交互并聯(lián)系統(tǒng)、獨(dú)立直流電源逆變器并聯(lián)和共用直流電源并聯(lián)的主電路結(jié)構(gòu)以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)不同的主電路拓?fù)潆娐方榻B相應(yīng)的控制方法。在實(shí)際工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中，要對(duì)工藝要求和負(fù)載的特性有針對(duì)性的選用主電路結(jié)構(gòu)和與其對(duì)應(yīng)的控制策略，對(duì)工業(yè)自動(dòng)化電源的穩(wěn)定性和可靠性提供一定的參考。

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Reviews on parallel circuit of interver power

PAN Hui-mei
(School of Information and Electric Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000，China)

The parallel of inverter power can improve power system's capacity，maintainability and redundancy，but design of main circuit and control method is more complex.This paper detailed the analysis of the inverter's main circuit with topology.including independent parallel systems，interactive parallel system，independent parallel of DC power inverter and parallel of common DC power，and their advantages and disadvantages.Aim to different topologycal main circuit，this paper introduced the relevant control method，which is of certain guidance for improving the stability and reliability of industrial automatic power and high-end inverter welding power system.

inverters；parallel；DC power；topological circuit；control

TM71

C

1001-2303(2011)05-0022-04

2011-01-03；

2011-03-16

潘慧梅(1970—)，女，內(nèi)蒙古武川人，講師，碩士，主要從事電力電子傳動(dòng)、電機(jī)理論及電氣控制研究工作。