李超然，肖　飛，劉計(jì)龍，陳　偉

（1. 海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430033；2. 西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安710049）

基于下垂控制的并聯(lián)三相逆變器相位調(diào)節(jié)方法

李超然1，肖飛1，劉計(jì)龍2，陳偉1

（1. 海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430033；2. 西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安710049）

研究無(wú)互聯(lián)線三相逆變器并聯(lián)控制技術(shù)，針對(duì)傳統(tǒng)下垂控制對(duì)于三相逆變器并聯(lián)系統(tǒng)電壓相位差調(diào)節(jié)的不足，提出一種在下垂控制的基礎(chǔ)上引入相位調(diào)節(jié)環(huán)的并聯(lián)三相逆變器相位調(diào)節(jié)方法。該相位調(diào)節(jié)環(huán)對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)電壓相位進(jìn)行檢測(cè)，并直接實(shí)施同步調(diào)節(jié)，減小并聯(lián)系統(tǒng)的相位差從而減小并聯(lián)沖擊。分析了下垂控制的原理以及并聯(lián)系統(tǒng)相位差的產(chǎn)生原因，介紹了改進(jìn)后的下垂控制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖以及工作方法。通過(guò)搭建兩模塊并聯(lián)三相逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了該方法的正確性和有效性。

逆變器并聯(lián)控制下垂控制相位調(diào)節(jié)環(huán)

0　引言

隨著逆變電源在大容量供電系統(tǒng)中的廣泛使用，三相逆變器冗余并聯(lián)控制技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中使用越來(lái)越頻繁。無(wú)互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制技術(shù)是其中一種廣泛采用的并聯(lián)控制技術(shù)［1-7］，這種并聯(lián)控制只通過(guò)交流母線連接并聯(lián)系統(tǒng)的各模塊，減少了外界干擾的影響，較大程度提高了并聯(lián)系統(tǒng)的冗余性和可靠性［8］。無(wú)互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制技術(shù)利用三相逆變器輸出下垂特性，分別通過(guò)有功功率和無(wú)功功率對(duì)輸出電壓相位和幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)各模塊輸出電壓的頻率、相位和幅值的平衡［9-11］。在傳統(tǒng)的下垂控制相位調(diào)節(jié)方式中，需要以固定周期計(jì)算三相逆變器每一

工頻周期中的輸出有功和無(wú)功功率，因此存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢和周期性調(diào)節(jié)的固有缺點(diǎn)。文獻(xiàn)［12］提出一種新的軟件鎖相環(huán)控制方案，采用DSP的捕獲功能和改變計(jì)時(shí)器的周期值來(lái)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)相位和頻率的跟蹤，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜。

本文提出了一種在傳統(tǒng)下垂控制基礎(chǔ)上引入相位調(diào)節(jié)環(huán)的相位調(diào)節(jié)方法。當(dāng)三相逆變器并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓的相位差超過(guò)設(shè)定的某個(gè)限定值時(shí)，相位調(diào)節(jié)環(huán)就在三相逆變器輸出電壓的相位上引入一個(gè)調(diào)節(jié)值，使相位差迅速減小到合適的范圍內(nèi)，從而減小并聯(lián)時(shí)刻的沖擊。最后，本文搭建了一個(gè)兩模塊并聯(lián)三相逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了本方案的可行性。

1　三相逆變器并聯(lián)系統(tǒng)分析

1.1下垂控制原理

兩臺(tái)三相逆變器并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中E1∠θ1，E2∠θ2，i1，i2分別對(duì)應(yīng)兩臺(tái)并聯(lián)三相逆變器的輸出電壓和輸出電流。Uo∠0°為母線電壓，io為負(fù)載電流，jX1+r1，jX2+r2分別為兩臺(tái)三相逆變器線路阻抗與輸出阻抗之和。iH為互聯(lián)模塊間的環(huán)流大小，方向定義為從三相逆變器1流向三相逆變器2。

圖1　兩臺(tái)三相逆變并職等效模型

由圖1可推導(dǎo)出兩臺(tái)并聯(lián)三相逆變器的有功功率P1與P2和無(wú)功功率Q1與Q2表達(dá)式為：

由式（1）和式（2）可以看出相位差和幅值差分別對(duì)三相逆變器的無(wú)功功率Q和有功功率P有影響。

在三相逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中，輸出電壓之間的相位差很小，很難精確地通過(guò)控制相位來(lái)實(shí)現(xiàn)有功功率的調(diào)整，一般按照式（3）利用頻率與相位的關(guān)系，通過(guò)控制三相逆變器輸出電壓的頻率間接對(duì)三相逆變器輸出電壓的相位進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)三相逆變器輸出有功功率的調(diào)整。

因此推導(dǎo)出下垂控制的控制方程為

其中fn為三相逆變器空載時(shí)輸出電壓頻率的基準(zhǔn)值，Un為三相逆變器空載時(shí)輸出電壓幅值的基準(zhǔn)值；kp為有功頻率下垂系數(shù)、kq為無(wú)功幅值下垂系數(shù)；fi為三相逆變器帶載時(shí)輸出電壓頻率的參考值，Ui為三相逆變器帶載時(shí)輸出電壓幅值的參考值。通過(guò)下垂控制，兩臺(tái)并聯(lián)三相逆變器運(yùn)行一段時(shí)間后，輸出電壓的幅值與相位將趨于一致。

1.2聯(lián)系統(tǒng)的相位差

在三相逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中，因?yàn)橄麓箍刂频淖饔?，母線電壓的相位就是在線工作的三相逆變器輸出電壓的相位，而在線工作的三相逆變器和離線待機(jī)的三相逆變器因?yàn)閹≥d情況的不同將導(dǎo)致輸出電壓頻率的不同。不同頻率的正弦波間會(huì)出現(xiàn)相對(duì)偏移的現(xiàn)象，產(chǎn)生相位差。如圖2所示，某一時(shí)刻在線工作的三相逆變器和離線待機(jī)的三相逆變器輸出電壓的相位重合，此時(shí)兩者相位差為0，由于帯載情況的不同導(dǎo)致輸出電壓頻率的不同，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后兩者間會(huì)出現(xiàn)偏移錯(cuò)位，引起了三相逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的相位差。

圖2　待并三相逆變器輸出電壓與母線電壓的相位關(guān)系

在線工作的三相逆變器輸出電壓的相位θ1和離線待機(jī)的三相逆變器輸出電壓的相位為θ2的表達(dá)式如式（5）所示。

當(dāng)并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓相位差滿足式（6）時(shí)，三相逆變器系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)。其中Δθ為三相逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的相位差，σ為三相逆變器可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)的相位差閾值。

2　一種引入相位調(diào)節(jié)環(huán)的下垂控制方式

為了盡快將逆變器并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓的相位差縮小到閾值以下，減小并聯(lián)時(shí)刻的沖擊和并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流，本文在傳統(tǒng)下垂控制的基礎(chǔ)上引入了相位調(diào)節(jié)環(huán)。當(dāng)并聯(lián)系統(tǒng)的相位差超過(guò)某個(gè)預(yù)定值σ時(shí)，在三相逆變器輸出電壓的相位上引入一個(gè)固定值ε，保證并聯(lián)系統(tǒng)的相位差能夠控制在較小的范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的下垂控制方式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，主要分為兩個(gè)部分：①內(nèi)層電壓電流雙環(huán)PI下垂控制環(huán)；②外層相位調(diào)節(jié)環(huán)。

圖3　改進(jìn)的三相逆變器下垂控制方式

2.1流雙環(huán)PI下垂控制環(huán)

采樣得到的濾波電感電流采樣和輸出電壓采樣經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換后得到d、q軸分量，經(jīng)過(guò)PQ計(jì)算得到三相逆變器的有功功率和無(wú)功功率，經(jīng)過(guò)下垂調(diào)節(jié)后得到電壓外環(huán)的參考值Udqref和輸出電壓的頻率f1。電壓外環(huán)參考值與d、q軸的輸出電壓Udq的誤差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后得到電流內(nèi)環(huán)的參考值Idqref，電流內(nèi)環(huán)的參考值Idqref與d、q軸的電感電流誤差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后經(jīng)過(guò)空間矢量控制后得到用于驅(qū)動(dòng)三相逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。經(jīng)過(guò)下垂控制后得到的三相逆變器的輸出頻率f1經(jīng)過(guò)積分后得到相位θ1.，其在相位調(diào)節(jié)環(huán)的作用下得到三相逆變器的輸出電壓相位θ。

2.2節(jié)環(huán)

經(jīng)過(guò)電壓電流雙環(huán)PI下垂控制得到的三相逆變器的輸出電壓相位θ1和在線工作的三相逆變器的輸出電壓相位θ2范圍都是［0，2π］，兩者的相位關(guān)系存在五種情形，如圖4所示。為了保證三相逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的相位能夠以最快的速度趨近，相位θ1的移動(dòng)方向在以下五種情形中各有不同，定義向左移動(dòng)為ε，向右移動(dòng)為-ε。

圖4　母線電壓與待并三相逆變器輸出電壓的五種相位情況

由圖4可以得到經(jīng)過(guò)相位調(diào)節(jié)環(huán)調(diào)節(jié)后的三相逆變器輸出電壓的相位的表達(dá)式

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證本文所提出的方法，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩臺(tái)原理樣機(jī)，其主要性能參數(shù)如表1所示，所接負(fù)載為三相電阻負(fù)載，連接方式為星型并聯(lián)方式。兩臺(tái)三相逆變器并聯(lián)運(yùn)行其中一臺(tái)退出時(shí)，輸出電壓與電流的波形如圖5所示。從圖5可以看出，某時(shí)刻其中一臺(tái)三相逆變器退出系統(tǒng)時(shí)，兩臺(tái)三相逆變器的電壓與電流立刻產(chǎn)生動(dòng)態(tài)響應(yīng)，調(diào)整之后輸出的波形質(zhì)量較高。退出系統(tǒng)后的三相逆變器將處于空載狀態(tài)，而未退出系統(tǒng)的三相逆變器將處于帶載狀態(tài)，負(fù)載的不同必然導(dǎo)致兩者輸出電壓頻率的差異，但圖5中輸出電壓u1和u2兩者的波形基本吻合，說(shuō)明采用該方法后，三相逆變器退出運(yùn)行后仍然能夠較好地跟蹤母線電壓。

表1　三相逆變器原理樣機(jī)主要性能參數(shù)表

圖5　兩臺(tái)三相逆變器并職運(yùn)行時(shí)，其中一臺(tái)退出運(yùn)行

一臺(tái)三相逆變器運(yùn)行時(shí)另一臺(tái)三相逆變器并入系統(tǒng)時(shí)，輸出電壓與電流的波形如圖6所示。從圖6可以看出，某時(shí)刻另外一臺(tái)三相逆變器并入系統(tǒng)時(shí)，兩臺(tái)三相逆變器立刻動(dòng)態(tài)響應(yīng)，經(jīng)過(guò)很短時(shí)間后能夠輸出較為穩(wěn)定的波形且輸出電壓u1和u2兩者的波形基本吻合。說(shuō)明采用該方法后，三相逆變器系統(tǒng)可以較好地實(shí)現(xiàn)并聯(lián)，且對(duì)其它三相逆變器基本無(wú)影響，擁有良好的熱并機(jī)性能。

圖6　一臺(tái)三相逆變器運(yùn)行時(shí)，另一臺(tái)三相逆變器投入運(yùn)行

并聯(lián)的兩臺(tái)三相逆變器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，輸出電壓與電流的波形如圖7所示。由圖7中的波形可以看出，輸出電壓u1和u2基本吻合且波形質(zhì)量較好，而輸出電流i1和i2存在抖動(dòng)。其主要原因在于系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率較低，鎖相環(huán)的精度不夠，無(wú)法精確控制兩臺(tái)并聯(lián)三相逆變器輸出電壓之間的相位差，導(dǎo)致并聯(lián)回路之中產(chǎn)生環(huán)流，對(duì)輸出電流造成了影響。

圖7　兩臺(tái)三相逆變器并職運(yùn)行時(shí)穩(wěn)態(tài)波形

4　結(jié)論

本文提出了一種引入相位調(diào)節(jié)環(huán)的改進(jìn)下垂控制方法，并通過(guò)搭建一個(gè)兩模塊并聯(lián)三相逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了本方案的可行性。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，本方法能夠較好地實(shí)現(xiàn)并聯(lián)下垂控制，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和穩(wěn)定性。

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Phase Adjustment Method of Parallel Three-phase Inverter with Droop Control

Li Chaoran1，Xiao Fei1，Liu Jilong2，Chen Wei1
（1. National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China； 2. School of Electrical Engineering，Xian Jiaotong University，Xian 710049，China）

In order to cope with drawbacks of conventional droop method，a phase-adjustment method of parallel three-phase inverter with droop control is proposed. Adding the phase-adjustment loop to the droop voltage-current double loop PI control can ensure all parallel inverters keep the similar phase with each other. The principle of droop control and causes of phase difference in the process of the parallel connection are analyzed，the topology of droop-multilayer control phase-adjustment loop circuit is given，and the working principle of phase-adjustment loop is introduced. By constructing parallel three-phase inverter experimental platform，the experimental results verify that the proposed method is effective for inverter to incorporate in AC bus.

inverter； parallel control； droop control ； phase-adjustment loop

TM464

A

1003-4862（2015）09-0011-04

2015-05-09

李超然（1992-），男，碩士研究生.研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。