余太成

（福建省三明市中西醫(yī)結合醫(yī)院，福建 三明 365001）

將多臺逆變電源并聯(lián)后，由于設備之間在控制精度、運行參數(shù)上存在差異，會引起“環(huán)流”現(xiàn)象，當環(huán)流達到一定程度后將會導致電器元件被燒壞。因此對于并聯(lián)逆變電源，必須要使用相應的并聯(lián)控制技術保證電源功率均衡分配，從源頭解決環(huán)流，提高供電質量。另外，逆變電源的并聯(lián)系統(tǒng)在實際運行時還有一定概率發(fā)生短路故障，產生瞬時大電流，也有可能燒壞電器元件?；诖?，在并聯(lián)逆變電源控制技術研究中，還需要重點關注短路保護問題，目前比較常用的有限流保護策略、停機保護策略等。選擇合適的短路保護技術，對提高并聯(lián)逆變電源的穩(wěn)定供電也有積極幫助。

1 逆變電源的并聯(lián)控制方案

1.1 基于功率母線的有互聯(lián)線并聯(lián)方案

有線互聯(lián)的優(yōu)勢在于使用信號線實現(xiàn)了多臺并聯(lián)逆變電源之間的信息互換，從而獲得更理想的均流效果，達到徹底消除環(huán)流的目的。其運行原理為：當多臺逆變電源完成同步鎖相實現(xiàn)并聯(lián)后，其中任意一臺逆變電源都會將自身的輸出功率以特定形式反饋給母線?？刂平K端通過計算后得出最大有功功率和無功功率，以此作為各臺逆變電源功率調節(jié)環(huán)的給定值，這樣就能實現(xiàn)對輸出電壓的靈活調節(jié)。有線并聯(lián)控制方案的實驗原理如圖1 所示。

圖1 有線并聯(lián)系統(tǒng)信號的綜合實現(xiàn)過程示意圖

結合圖1，將功率脈沖方波信號設定為高電平有效，此時能夠得到最大有功功率。假設有兩臺并聯(lián)逆變電源，實際發(fā)送的有功分別記為P1、P2，則經(jīng)過DSP 轉化方波后保存在存儲器中的數(shù)字量變成PO1、PO2，同時可以得到：

式（1）中PO為功率參考零點相對的DSP 存儲值。產生的兩個方波記為PWM1、PWM2，兩個方波發(fā)送到有功母線上完成線“或”作用后，能夠得出最大有功POmax的值。利用CAP 從POmax信號的下降沿處獲取計數(shù)器的值，記為PO2。則兩臺并聯(lián)逆變電源的最大有功參考值（P*）可表示為：

同樣的，將式（2）中PO2替換成PO1，可得到最大無功的參考值。將計算出的參考值作為逆變電源功率外環(huán)的給定值，分別使用對應的有功控制器、無功控制地進行調節(jié)，實現(xiàn)對電壓幅值與頻率的微調，保證兩臺并聯(lián)逆變電源之間的有功和無功功率得以均分。

1.2 基于下垂理論的無互聯(lián)線并聯(lián)方案

相比于有線并聯(lián)方案，基于下垂理論的無線并聯(lián)方案具有更高的冗余性，能夠在出現(xiàn)連接線故障后仍然保證控制功能的實現(xiàn)。該方案的負載電流均分效果主要與輸出阻抗有關。以阻性阻抗為例，控制方程可表示為：

式（3）中，ωi和Ui表示第i 臺并聯(lián)逆變電源實際輸出電壓的頻率和幅值；ω*表示空載電壓頻率參考值，U*表示電壓幅值參考值；m、n 表示頻率與電壓的下垂系數(shù)；Qi和Pi表示逆變電源輸出的有功和無功功率。等效控制框圖如圖2 所示。

圖2 基于下垂理論的并聯(lián)等效控制圖

如果存在P1＞P2，則為了彌補兩者之間的功率差，需要在下一個調節(jié)周期中使U1＜U2，反之同理。在經(jīng)過若干個周期的不斷調節(jié)后，最終ΔU=U1-U2會等于0，此時實現(xiàn)了有功和無功功率的一致，即可保證兩臺并聯(lián)逆變電源的有功和無功功率均分。

2 逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的保護技術

2.1 短路限流保護技術

逆變電源的過載能力弱，如果負載發(fā)生短路出現(xiàn)瞬時大電流，很有可能導致電子器件燒壞。因此，在使用并聯(lián)逆變電源控制技術時，還必須采取短路保護措施。短路限流保護的作用是在出現(xiàn)短路故障時，將逆變電源的輸出電流控制在安全范圍，避免電流過大燒壞電力設備；同時，當故障排除以后又能夠立刻使逆變電源恢復正常運行狀態(tài)。根據(jù)短路限流方式的不同，又可以分成硬件限流、軟件限流兩種。

所謂硬件限流，即由硬件電路的開關動作實現(xiàn)對電路中電流的控制。其優(yōu)勢在于比較方便地獲取電路參數(shù)給定限流值，響應速度快，基本上能夠實現(xiàn)在短路發(fā)生瞬間同步開啟保護的效果，最大程度上降低故障損失。但是也有明顯缺點，例如驅動信號頻繁地開閉，導致輸出電流的波形產生鋸齒狀畸變，可能會對磁性元件（如變壓器）構成威脅。因此，硬件限流保護只能用于突發(fā)故障的應急保護，在此基礎上還要引入軟件限流保護作為補充。其原理是通過軟件判斷系統(tǒng)收集電路運行參數(shù)，通過將實際參數(shù)與標準參數(shù)對比，判斷是否發(fā)生短路。在判定為短路故障后，由軟件下達保護動作指令，完成電源模式切換，利用前端電流控制器的調節(jié)功能保證輸出電流恒定。

2.2 短路保護平滑切換技術

在使用軟件限流保護時，如果逆變電源正常工作，則選擇“電壓源”模式；如果出現(xiàn)短路故障，則自動切換至“電流源”模式；當短路故障排除后，又會自動退出限流環(huán)恢復正常供電，此時切換至“電壓源”模式。為了進一步提高短路保護效果，需要通過技術手段保證逆變電源在不同模式之間做到平滑切換。當逆變電源出現(xiàn)短路故障，軟件限流的控制系統(tǒng)將采集到的輸出電壓和輸出阻抗的實際值，與系統(tǒng)預設的標準值進行對比。如果對比結果為“輸出阻抗＞設定閾值”或“輸出電壓＞設定閾值”，則確認出現(xiàn)短路。然后自動發(fā)送增大限流環(huán)的PI 參數(shù)，保證電壓能夠快速恢復。在電壓升高的過程中，系統(tǒng)仍然實時采集電壓參數(shù)，當檢測到電壓接近或達到額定值后，固定限流環(huán)PI 參數(shù)，維持在當前電壓。這樣既可以保證短路故障發(fā)生后輸出電壓快速恢復至正常水平，同時又不會產生震蕩和環(huán)流，從而保證了不同模式之間的平滑切換。

3 并聯(lián)逆變電源的短路保護實驗

3.1 仿真實驗設計

使用Matlab 軟件搭建了由兩臺完全相同的逆變電源并聯(lián)組成的仿真模型，采用電壓電流雙閉環(huán)控制，直流電壓380V，輸出相電壓的有效值220V，額定頻率50Hz，額定負載10KVA，功率因數(shù)0.8。兩條連線阻抗分別為0.3Ω、0.02Ω，濾波電容70uF。設定有功控制器參數(shù)，KpP=0.015，KiP=0.30；無功控制器參數(shù)，KpQ=0.015，KiQ=0.30。在實驗開始后，讓其中一臺逆變器首先以正常荷載運行，運行0.5s 后讓另一臺逆變器投入運行，并借助于鎖相環(huán)實現(xiàn)兩臺設備的相位同步。運行10s后，設置負載側短路故障，并觀察短路保護結果。

3.2 短路保護實驗結果

3.2.1 限流保護實驗波形

當負載側出現(xiàn)短路故障后，軟件限流保護系統(tǒng)收集電路系統(tǒng)的運行參數(shù)，并輸出原邊電壓和原邊電流的波形，如圖3 所示。

圖3 軟件限流環(huán)處的電壓、電流輸出波形

根據(jù)圖3 可知，當并聯(lián)逆變電源所在的電力系統(tǒng)中出現(xiàn)短路故障后，使用軟件限流保護的第一個開關周期中不采取拉低調制比的措施，完全借助于限流環(huán)自己的限流調節(jié)功能，將調制比從發(fā)生故障時的0.8 降低到穩(wěn)定狀態(tài)下的0.1，需要花費較長的時間。并且在這一過程中還會需要硬件電路輔助限流，因此無法避免電流、電壓畸變的情況。相比之下，將軟件限流環(huán)的調制比拉低，則能夠有效減少硬件保護時間，能夠在更短時間內將輸出電流控制在穩(wěn)定值，既可以提高響應速度，又不會產生電流畸變。

3.2.2 并聯(lián)電路恢復實驗波形

當并聯(lián)逆變電源所在的電力系統(tǒng)中，短路故障被排除以后，需要盡快使逆變電源從限流環(huán)切換至電壓環(huán)。如果切換不及時，很容易因為并聯(lián)短路恢復速度太慢，或者兩臺并聯(lián)逆變電源退出限流環(huán)的時間差太大，進而引起震蕩。如果兩臺并聯(lián)逆變電源恢復時間相差太大，還有可能出現(xiàn)無法正常恢復的情況。短路保護中將電壓輸出波形作為判斷故障是否恢復的唯一指標，雖然能夠保證兩臺逆變電源故障恢復后進入電壓環(huán)不發(fā)生震蕩，但是此時電路中電流環(huán)的PI 參數(shù)遠小于正常值。故輸出電壓要達到正常閾值需要花費更長的時間。從波形圖來看，大概要15 個基波周期。并且額定電壓越大，恢復時間越長，因此將阻抗作為判斷故障恢復的標志存在缺陷。相比之下，選擇基于負載平均阻抗和電壓相結合作為判斷依據(jù)，則能夠使短路故障在消除后的1 個基波周期內，就可以讓逆變電源進入電壓環(huán)，不僅恢復時間更短，而且可靠性也得到了保障。有線并聯(lián)和無線并聯(lián)下故障恢復波形如圖4 所示。

圖4 負載平均阻抗和電壓相結合判斷故障恢復實驗波形

在短路故障排除后，從后臺收集負載平均阻抗的歷史數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)有明顯增加趨勢。而負載平均阻抗的增加，會使得兩臺逆變電源限流環(huán)的PI 參數(shù)相應升高，故而讓輸出電壓以更快速度恢復至閾值。而當實際電壓達到閾值后，并聯(lián)逆變電源自動進入電壓環(huán)，此時兩臺設備之間的電壓相等，實現(xiàn)了平滑過渡。

結束語

并聯(lián)逆變電源因為具有較強的冗余性、可靠性，因此在一些結構復雜、負荷較高的電力系統(tǒng)中得到了推廣使用。在并聯(lián)逆變電源運行中，必須要采取短路保護措施來應對短路故障對電力系統(tǒng)運行產生的負面影響?；谲浖到y(tǒng)的限流保護是現(xiàn)階段比較常見的短路保護措施。選擇負載平均阻抗和電壓相結合的短路故障恢復判斷，能夠在短路故障排除后使電壓穩(wěn)定、快速地恢復至正常水平，進一步提高了并聯(lián)逆變電源的實用效果。