三相并聯(lián)逆變電源控制設(shè)計(jì)分析

劉旭光，張曉同，鄒劍，顧小虎，王亞?wèn)|

（江蘇南瑞帕威爾電氣有限公司，江蘇南京211100）

三相并聯(lián)逆變電源控制設(shè)計(jì)分析

劉旭光，張曉同，鄒劍，顧小虎，王亞?wèn)|

（江蘇南瑞帕威爾電氣有限公司，江蘇南京211100）

研究分析三相并聯(lián)逆變系統(tǒng)模型，介紹通過(guò)下垂控制策略降低環(huán)流大小。首先分析電感電流和電容電流兩種反饋控制方式對(duì)并聯(lián)逆變系統(tǒng)的影響，研究發(fā)現(xiàn)電容電流反饋控制方式具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度對(duì)于并聯(lián)電源系統(tǒng)非常重要，故采用電容電流控制方式，該方式可對(duì)電容電流和輸出電壓進(jìn)行解耦控制。線路阻抗等的因素易導(dǎo)致并聯(lián)逆變系統(tǒng)產(chǎn)生較大的環(huán)流，為提高均分負(fù)載的效果，針對(duì)輸出阻抗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。所提出的反饋控制方式和輸出阻抗設(shè)計(jì)不僅可提高輸出電壓精度，而且控制器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，通過(guò)Matlab軟件仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出理論的可行性。

并聯(lián)逆變；下垂控制；輸出阻抗

1 引言

逆變電源并聯(lián)運(yùn)行是提高電源容量，提高系統(tǒng)可靠性、實(shí)現(xiàn)模塊化的有效途徑［1］。

無(wú)互聯(lián)線控制方法通常有諧波注入法和下垂控制法，諧波注入法可消除逆變電源間連線差異造成的不均流，但是該方法存在一定的難度，即基波和諧波鎖相問(wèn)題，造成產(chǎn)生的諧波環(huán)流會(huì)很大，并聯(lián)逆變系統(tǒng)的穩(wěn)定性遭到重創(chuàng)。下垂控制策略通過(guò)電壓幅值和頻率下垂特性來(lái)實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功調(diào)節(jié)，使得各個(gè)逆變模塊輸出參數(shù)達(dá)到一致，減少系統(tǒng)環(huán)流。

目前無(wú)線并聯(lián)系統(tǒng)的控制主要針對(duì)均分負(fù)載進(jìn)行研究，常忽略電壓外特性，故該問(wèn)題是當(dāng)前急需解決的［2］，本文提出的在三相靜止坐標(biāo)系下采用電容電流反饋控制方式有效解決了輸出電壓外特性問(wèn)題。

2 并聯(lián)逆變系統(tǒng)分析

無(wú)互聯(lián)線并聯(lián)逆變方式通常采用下垂控制策略，通過(guò)有功、無(wú)功功率調(diào)整輸出電壓幅值差和相位差，圖1為并聯(lián)逆變電源系統(tǒng)框圖。

圖1中，E1，E2分別為逆變電源電壓幅值；α，β為逆變電源相對(duì)輸出端電位的相位差；Eo為輸出負(fù)載端電壓幅值；R1+X1，R2+X2為輸出阻抗；Zo為輸出負(fù)載；為流經(jīng)輸出阻抗的電流；為輸出電流；為負(fù)載均分后產(chǎn)生的環(huán)流。

環(huán)流是并聯(lián)逆變系統(tǒng)中亟待解決的重要問(wèn)題，下垂控制策略可以實(shí)現(xiàn)輸出功率的平均分配，其表達(dá)式為

式中：foi為并聯(lián)逆變系統(tǒng)空載時(shí)的頻率；Eoi為并聯(lián)逆變電源空載時(shí)輸出電壓值；m，n為下垂控制系數(shù)。

下垂控制法由電動(dòng)機(jī)并網(wǎng)得來(lái)［3］，通過(guò)檢測(cè)各個(gè)逆變電源模塊的有功功率和無(wú)功功率，調(diào)整各個(gè)逆變電源模塊輸出的電壓幅值和頻率，使得其有功功率、無(wú)功功率分別一致，最終得到負(fù)載均分效果。2臺(tái)逆變電源模塊并聯(lián)時(shí)，為了達(dá)到各個(gè)逆變電源平均承擔(dān)負(fù)載的效果，應(yīng)當(dāng)遵循如下原則：

式中：m1，m2為下垂控制系數(shù)；S1，S2為兩電源模塊容量。

下垂系數(shù)同電源模塊容量呈相反關(guān)系。以有功功率特性為例，其頻率下垂特性如圖2所示。

由圖2可知，下垂斜率不同時(shí)，下垂斜率大的其承擔(dān)功率?。幌麓剐甭市〉某袚?dān)功率較大，幅值下垂特性類同。系統(tǒng)負(fù)載均分是以犧牲改變輸出電壓幅值、頻率穩(wěn)態(tài)為代價(jià)，故傳統(tǒng)的控制策略將造成電壓外特性硬度降低，控制部分需要進(jìn)行相應(yīng)的改善。

3 三相逆變電源建模設(shè)計(jì)

逆變電源采用三相全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其拓?fù)潆娐啡鐖D3所示。

三相全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，r為線路等效電阻，L為濾波電感，后級(jí)C為濾波電容；ili，ioi分別為流經(jīng)濾波電感電流和輸出負(fù)載電流，其中i= A，B，C。

三相全橋逆變數(shù)學(xué)模型通常采用坐標(biāo)變換方式為αβο靜止坐標(biāo)系和dqο旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，abc/αβο坐標(biāo)變換后可轉(zhuǎn)化為兩個(gè)相互獨(dú)立的單相逆變，控制形式簡(jiǎn)單；而abc/dqο坐標(biāo)變換后其d軸上的狀態(tài)變量與q軸上的狀態(tài)變量仍然存在相互耦合現(xiàn)象［3］，故通常采用abc/αβο坐標(biāo)變換。由三相全橋逆變系統(tǒng)狀態(tài)方程park變換得到其在靜止坐標(biāo)系下表達(dá)式如式（1）所示，其推導(dǎo)過(guò)程不再贅述。

單相逆變系統(tǒng)通常采用雙環(huán)控制，電感電流或電容電流作為內(nèi)環(huán)，輸出電壓作為外環(huán)［4］。電感電流建立閉環(huán)系統(tǒng)在穩(wěn)定上優(yōu)于電容電流建立的系統(tǒng)，故僅從穩(wěn)定上考慮，電感電流內(nèi)環(huán)控制是比較好的。但是，從系統(tǒng)性能角度考慮，由于電感電流不能突變，假如負(fù)載電流在突變狀況下，其突變?nèi)坑奢敵鰹V波電容承擔(dān)，所以電容電流反應(yīng)了輸出負(fù)載的變化情況。電容電流作為內(nèi)環(huán)可以使得系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，故本文采用電容電流反饋方式。

三相逆變電源可看作為3個(gè)單相逆變電路，針對(duì)某一相電路可得到其電壓電流關(guān)系表達(dá)式為

式中：u為逆變橋輸出電壓；uo為逆變系統(tǒng)輸出電壓；iC為電容電流。

以u(píng)o和iC為狀態(tài)變量建立狀態(tài)方程：

將式（5）化簡(jiǎn)可得：

為解決輸出電壓與電容電流間解耦，現(xiàn)需引入變量u*，令

式中：K為逆變橋的放大系數(shù)；?分別為K，r的估計(jì)值。

4 輸出阻抗設(shè)計(jì)

并聯(lián)系統(tǒng)輸出阻抗常忽略線路串聯(lián)電阻，認(rèn)為其為純感性，使得負(fù)載均分精度降低。曾經(jīng)有學(xué)者提出采用電感作為輸出阻抗，使得下垂控制得以運(yùn)用，電感的加入不僅導(dǎo)致了并聯(lián)系統(tǒng)體積、質(zhì)量的增大，而且成本也較高［5］；電感同交流母線連接時(shí)會(huì)造成一定的壓降，在非線性負(fù)載的情況下逆變電源的輸出電壓的畸變率增大，影響并聯(lián)逆變系統(tǒng)電壓波形的質(zhì)量。本文需針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行解決，提高系統(tǒng)輸出精度且降低環(huán)流大小。輸出阻抗越大，并聯(lián)系統(tǒng)產(chǎn)生的環(huán)流越小，輸出阻抗的大小由控制環(huán)來(lái)決定。

由圖4可推得其輸出電壓電流之間表達(dá)式為

式中：Gv為電壓外環(huán)，Gv=kvp+kvi/s；Gi為電流內(nèi)環(huán)，Gi=kip；kvp，kvi，kip分別為電壓比例項(xiàng)、電壓積分項(xiàng)、電流比例項(xiàng)。

由式（7）可得到其系統(tǒng)輸出阻抗伯德圖，如圖5所示。

由圖5可知，本文設(shè)計(jì)的控制參數(shù)保證其輸出阻抗在低頻段呈感性，高頻段區(qū)域呈阻性。輸出阻抗工頻附近呈感性，高頻段呈阻性時(shí)其可提高非線性負(fù)載均流精度。

5 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上理論分析設(shè)計(jì)，本文通過(guò)Matlab軟件建立仿真模型和搭建2臺(tái)5 kV·A三相全橋逆變電源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。逆變電源輸出濾波電感為1.15 mH，濾波電容為50μF，直流母線電壓為400 V。實(shí)驗(yàn)中采用TMS320F2812型芯片控制并聯(lián)逆變系統(tǒng)，并保證其實(shí)時(shí)性。

圖6為并聯(lián)系統(tǒng)仿真波形。圖6a為其穩(wěn)態(tài)波形；圖6b和圖6c為其暫態(tài)仿真波形。

由圖6可知，穩(wěn)態(tài)狀況下，2個(gè)逆變電源的電流輸出波形幾乎吻合；暫態(tài)條件下，不論突加負(fù)載還是突卸載狀況下，兩逆變電源輸出電流波形變化較平緩，穩(wěn)定性較好。

為方便驗(yàn)證系統(tǒng)控制器的可靠性，本文實(shí)驗(yàn)針對(duì)系統(tǒng)A相進(jìn)行測(cè)量，其實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。

圖7a為2臺(tái)逆變電源帶阻性負(fù)載實(shí)驗(yàn)波形；圖7b、圖7c為在某時(shí)刻突然啟動(dòng)和退出實(shí)驗(yàn)波形。由圖7可知，采用本文控制策略實(shí)現(xiàn)的并聯(lián)系統(tǒng)對(duì)負(fù)載電流的均分效果控制效果很好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

6 結(jié)論

通過(guò)上述仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在靜止坐標(biāo)系下采用的電容電流反饋控制方式對(duì)輸出電壓的精度控制較好且動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能良好，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了所提出理論的可行性。

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Design and Analysis of Three?phase Parallel Inverter Control

LIU Xu?guang，ZHANG Xiao?tong，ZOU Jian，GU Xiao?hu，WANG Ya?dong
（Jiangsu MARI Power Electric Co.，Ltd.，Nanjing 211100，Jiangsu，China）

Research and analysis of parallel three?phase inverter system model，introduces the droop control strategy to reduce the size of circulation.First analyzed the impact of the inductor current and capacitor current feedback control mode on parallel inverter system，the study found that capacitor current feedback control method has good dynamic response，while the dynamic response speed is very important to parallel power supply system，so adopted the capacitance current control strategy，which can be decoupled control of capacitor current and output voltage.The line impedance factors easily lead to parallel inverter system have a large circurrent，in order to improve the load sharing effect，the paper according to output impedance optimization design.Feedback control mode and output impedance design were proposed which could not only improve the accuracy of the output voltage，and the controller has the advantages of simple design，through the Matlab simulation of software and experiments verify the feasibility of the theories proposed.

parallel inverter；droop control；output impedance

TM464

A

2014-02-20

修改稿日期：2014-07-04

劉旭光（1986-），男，碩士，Email：lxgf611@126.com