一種新型不同容量逆變器并聯(lián)方法

陳金伙，孫占東，林培杰（福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院微納器件與太陽(yáng)能電池研究所，福建福州350108）

一種新型不同容量逆變器并聯(lián)方法

陳金伙，孫占東，林培杰
（福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院微納器件與太陽(yáng)能電池研究所，福建福州350108）

傳統(tǒng)的逆變器并聯(lián)方法一般只適用于功率容量一致的逆變器，針對(duì)不同容量逆變器的并聯(lián)方法較少。本文在對(duì)幾種不同容量逆變器并聯(lián)方法分析研究的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的逆變器并聯(lián)方法。該方法采用電壓型逆變器和電流型逆變器混合并聯(lián)的方式，利用電壓型逆變器提供電壓基準(zhǔn)，電流型逆變器輸出電流可以穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)。該方法算法簡(jiǎn)單，適合大部分的逆變器并聯(lián)場(chǎng)合，經(jīng)過仿真和實(shí)驗(yàn)證明了其有效性和可行性。

逆變器；不同容量；混合并聯(lián)方法

0 引言

隨著電能變換技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)逆變器的容量、可靠性的要求也越來越高，獨(dú)立工作的逆變器已不能滿足需要，逆變器并聯(lián)運(yùn)行就成為擴(kuò)大供電容量和提高電源系統(tǒng)可靠性的一種重要途徑。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)逆變器并聯(lián)的研究取得了一定的成果，但是大多數(shù)只是針對(duì)容量相同的逆變器[1]。在實(shí)際應(yīng)用中存在大量不同容量逆變器并聯(lián)的需求，傳統(tǒng)的逆變器并聯(lián)方法并不能滿足。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)相關(guān)問題的研究相對(duì)較少，所以提出一種無(wú)功率限制的逆變器并聯(lián)方法十分必要。

功率下垂控制是逆變器并聯(lián)的主要方法，參考文獻(xiàn)[1-2]提出一種改進(jìn)的功率下垂法實(shí)現(xiàn)不同容量逆變器的并聯(lián)，該方法可以實(shí)現(xiàn)不同容量逆變器的無(wú)線互聯(lián)，但是存在計(jì)算復(fù)雜、計(jì)算量大的缺點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[3]提出了一種基于瞬時(shí)電流控制的電流權(quán)重分配控制方式，該并聯(lián)方法電路簡(jiǎn)單，但是分配電流的模擬信號(hào)易受干擾并且分配精度受到電源線長(zhǎng)度的影響。參考文獻(xiàn)[4]提出一種采用滑模變結(jié)構(gòu)控制的電壓電流混合控制的逆變器并聯(lián)方法，該方法具有較好的魯棒性，但是仲裁電路采用模擬信號(hào)容易受到干擾[5]，而且不能實(shí)現(xiàn)不同功率逆變器的并聯(lián)。

本文在對(duì)各種不同容量逆變器的并聯(lián)方法的研究分析的基礎(chǔ)上，提出一種全新的不同功率逆變器并聯(lián)方法。該方法不再采用控制難度較大的電壓型逆變器并聯(lián)結(jié)構(gòu)，而是采用電壓型逆變器和電流型逆變器混合并聯(lián)的方式，利用電流型逆變器對(duì)電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的作用。該方法并聯(lián)電路和算法簡(jiǎn)單，采用數(shù)字通信的方式增強(qiáng)了抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)冗余和熱拔插，具有較強(qiáng)的魯棒性。

1 理論分析

本文提出電壓源和電流源的并聯(lián)模型，為了便于分析，以一臺(tái)電壓型逆變器和電流型逆變器并聯(lián)為例，其簡(jiǎn)化電路如下圖1所示。圖1中U1是理想交流電壓源，I2是理想交流電流源，R1、R2分別代表兩逆變器的內(nèi)阻，ZL為負(fù)載阻抗。由圖1可得電壓源的輸出電流：

由于電流源的電流方向是確定的，由式（1）可知，如果電流源單獨(dú)作用在負(fù)載上產(chǎn)生的電壓小于或者等于電壓源的電壓時(shí)，即使電壓源和電流源輸出電流不一致即輸出功率不相同時(shí)，它們之間也不存在環(huán)流，只向負(fù)載輸出功率。當(dāng)電壓大于電壓源電壓時(shí)，由于電流源的輸出電流一定，所以環(huán)流也是可控的。

由圖1得負(fù)載兩端的電壓與電壓源、電流源的關(guān)系式如下：

由式（2）可知，在電壓源輸出電壓不變的條件下，負(fù)載兩端的電壓可以通過改變電流源的輸出電流I2得到調(diào)節(jié)，但是前提條件是U0小于U1。并且由式（2）還知，電流型逆變器的輸出電感和內(nèi)阻對(duì)整個(gè)并聯(lián)電路沒有影響。

圖1 電壓源電流源并聯(lián)模型

由圖1電路圖可知負(fù)載的視在功率為：

由式（3）知電流源提供的有用功率和無(wú)用功率為：

由于電流源輸出電流相位跟隨負(fù)載電壓相位，可以認(rèn)為Φ2≈0，無(wú)用功Q2的值接近于零。所以在并聯(lián)系統(tǒng)中電流源向負(fù)載提供有用功率，電壓源提供無(wú)用功和部分有用功率。

根據(jù)以上的分析可知，在適當(dāng)條件下可以將一電壓型逆變器同電流型逆變器相并聯(lián)，并可以通過調(diào)節(jié)電流源的輸出電流來調(diào)節(jié)負(fù)載端的電壓。由于兩逆變器并聯(lián)時(shí)的輸出功率并不一定相同，所以這種并聯(lián)方式可以用于不同容量逆變器的并聯(lián)。

2 并聯(lián)方法與驗(yàn)證

2.1 并聯(lián)方法

因?yàn)椴捎秒妷盒团c電流型逆變器并聯(lián)的方法，所以控制思想和控制電路就相對(duì)更為簡(jiǎn)單。圖2所示為逆變器并聯(lián)框圖，多逆變器并聯(lián)時(shí)僅存在一個(gè)電壓型逆變器，其余為電流型逆變器。并聯(lián)逆變器存在電壓型和電流型兩種工作模式以及并網(wǎng)和待機(jī)兩種工作狀態(tài)。逆變器處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)與電網(wǎng)斷開，在得到命令后并入電網(wǎng)開始工作。

圖2 系統(tǒng)并聯(lián)框圖

按照?qǐng)D2框圖思想設(shè)計(jì)逆變器，每臺(tái)逆變器可以在電壓型和電流型模式之間進(jìn)行切換，且具有唯一的ID地址。逆變器之間可以通過線路進(jìn)行通信。電壓型逆變器采用PID控制通過程序改變?nèi)遣ㄅc正弦波的調(diào)制比來調(diào)節(jié)輸出電壓。電流型逆變器采用定時(shí)滯環(huán)跟蹤的方式，根據(jù)電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)輸出電流并保持電流相位與電網(wǎng)電壓相位的嚴(yán)格一致，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 電流型逆變器控制框圖

當(dāng)逆變器1接入電網(wǎng)時(shí)，檢測(cè)到電網(wǎng)沒有電壓后便以電壓型模式開始工作。當(dāng)負(fù)載增加，調(diào)制比達(dá)到最大時(shí)，逆變器1通過ID地址通知逆變器2以電流模式開始工作，電壓型逆變器此后處于開環(huán)控制階段并保持最大調(diào)制比不變。得到通知的電流型逆變器2在檢測(cè)到電網(wǎng)電壓降低后開始逐漸增大輸出電流提高電網(wǎng)電壓。當(dāng)負(fù)載繼續(xù)增大，電流型逆變器2輸出電流達(dá)到最大時(shí)便通知下一個(gè)逆變器3開始工作，負(fù)載越大，并入電網(wǎng)的逆變器也就越多。當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，可以根據(jù)逆變器并入電網(wǎng)的先后順序，后并入電網(wǎng)的逆變器先減小輸出電流、退出電網(wǎng)、進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。因?yàn)殡娋W(wǎng)中的逆變器可以在并網(wǎng)和待機(jī)兩種狀態(tài)中自由切換，所以這種并聯(lián)方法可以實(shí)現(xiàn)逆變器的熱拔插，還可以實(shí)現(xiàn)冗余增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

由于電壓型逆變器在電路中承擔(dān)相位基準(zhǔn)的重要功能，所以當(dāng)發(fā)生故障時(shí)整個(gè)電網(wǎng)將不能正常工作。所以在電壓型逆變器故障時(shí)，可以將待機(jī)狀態(tài)逆變器轉(zhuǎn)化為電壓型的工作狀態(tài)，保證電路的正常工作。但是當(dāng)大量負(fù)載突然離開電網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)的電壓升高，逆變器間會(huì)出現(xiàn)環(huán)流，需要盡快減小電流型逆變器電流，恢復(fù)電網(wǎng)正常。

2.2 仿真驗(yàn)證

利用MATLAB/Simulink搭建兩個(gè)逆變器模型，電壓型逆變器采用雙極性SPWM調(diào)制方式，電流型逆變器采用滯環(huán)電流跟蹤方式并添加相應(yīng)的控制通信電路。并聯(lián)電路仿真時(shí)，負(fù)載采用感性負(fù)載。圖4是電壓型逆變器調(diào)制比達(dá)到最大時(shí)負(fù)載突然增大條件下，兩逆變器并聯(lián)的仿真圖。

圖4 負(fù)載突然增大時(shí)波形

由圖4可知，40 ms前電壓型逆變器單獨(dú)工作，電流型逆變器輸出電流為零處于離網(wǎng)待機(jī)狀態(tài)。在30 ms時(shí)負(fù)載增加，超出電壓型逆變器調(diào)節(jié)范圍，電網(wǎng)電壓下降。電流型逆變器檢測(cè)到電網(wǎng)電壓下降并在40 ms電壓過零點(diǎn)處開始工作，逐步增大輸出電流提高電網(wǎng)電壓，在100 ms后電網(wǎng)電壓重新恢復(fù)正常。而且從圖4可知，兩逆變器100 ms后輸出功率不一致的情況下，逆變器也可以正常工作。

圖5是兩逆變器并聯(lián)，負(fù)載突然減小時(shí)的仿真波形。開始工作時(shí)兩逆變器并聯(lián)工作，在30 ms時(shí)負(fù)載突然減小，電網(wǎng)電壓升高波形發(fā)生形變，電壓型逆變器輸出電流減小。40 ms開始電流型逆變器開始減小輸出電流降低電網(wǎng)電壓，在電壓型逆變器可以承擔(dān)電網(wǎng)負(fù)載的情況下最終退出電網(wǎng)。電網(wǎng)電壓在100 ms后恢復(fù)正常。

圖5 負(fù)載突然減小時(shí)波形

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

制作兩臺(tái)低電壓逆變器進(jìn)行驗(yàn)證。電壓型逆變器采用雙極性SPWM調(diào)制方式，電流型逆變器采用電流定時(shí)比較跟蹤的方式，兩種逆變器電路結(jié)構(gòu)完全一致在進(jìn)行模式切換時(shí)硬件電路無(wú)需更改。逆變器均采用STM32103RBT6作為主控芯片，利用串口進(jìn)行通信。負(fù)載為兩滑動(dòng)變阻器。

如圖6所示，電壓為衰減至十分之一的結(jié)果，電流每格為1 A。在t1時(shí)刻負(fù)載突然增大電網(wǎng)電壓下降。電流型逆變器在檢測(cè)到電網(wǎng)電壓下降之后在t2時(shí)刻并入電網(wǎng)開始工作，并逐漸增大輸出電流使電網(wǎng)電壓逐漸升高。在t3時(shí)刻后電網(wǎng)電壓達(dá)到正常值。

圖6負(fù)載突然增大情況下示波器波形

圖7 中，電壓衰減為原電壓1/10的結(jié)果，電流每格為2 A。在t1時(shí)刻負(fù)載突然減小，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓升高，電流型逆變器檢測(cè)到電網(wǎng)電壓升高，在t2時(shí)刻后逐漸減小輸出電流，并在t3時(shí)刻退出電網(wǎng)轉(zhuǎn)入待機(jī)狀態(tài)。電網(wǎng)電壓t3時(shí)刻后達(dá)到設(shè)定值。

圖7 負(fù)載突然減小情況下示波器波形

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過理論分析、仿真和樣機(jī)驗(yàn)證，提出一種新型的逆變器并聯(lián)方法。該方法不僅可以將不同容量的逆變器并聯(lián)在一起，而且可以實(shí)現(xiàn)熱拔插和系統(tǒng)冗余。由于該方法采用電壓型逆變器和電流型逆變器混合并聯(lián)的方式，所以控制電路和通信策略更加簡(jiǎn)單，適用于各種不同容量逆變器并聯(lián)的應(yīng)用場(chǎng)合。

[1]呂志鵬，蘇劍，李蕊，等.不同功率等級(jí)微源逆變器并聯(lián)控制新方法[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（7）：191-198．

[2]李國(guó)洪，張麗娟，何易恒．不同容量逆變器并聯(lián)控制系統(tǒng)分析[J]．電焊機(jī)，2012，42（10）：38-43．

[3]WU T F，WU Y E，HSIEH H M，et al．Current weighting distribution control strategy for multi-inverter systems to achieve current sharing[J]．IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22（1）：160-168．

[4]閆耀民，范瑜，汪至中．一種改進(jìn)的電壓電流混合控制的并聯(lián)逆變器[J]．鐵道學(xué)報(bào)，2003，55（4）：55-58．

[5]孫孝峰，顧和榮，王立喬，等.高頻開關(guān)型逆變器及其并聯(lián)并網(wǎng)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

A new control strategy on paralleled inverters w ith different pow er capacity

Chen Jinhuo，Sun Zhandong，Lin Peijie
（Institute of Micro-Nano Devices and Solar Cells，School of Physics and Information Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China）

The traditional inverters′parallel method generally applces to the inverters share consentaneous power capacity.As for the parallel methods for different-power-capacity inverters，they are seldom studied.Basing on the analysis of several existing methods，the paper proposes one novel parallel method that effectively cooperates voltage inverters and current-source inverters，in which the former is responsible for the reference voltage and the latter output a current to stabilize the voltage of power grid.The method proposed in this paper has the advantage both of simple algorithm and of wide suitability，the simulation and experiment results show that the method is effective and reliable.

inverter；different capacity；hybrid parellel method

TM464

A

1674-7720（2015）03-0034-04

2014-9-02）

陳金伙（1979-），男，博士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：微電子與電路。

孫占東（1988-），男，碩士，主要研究方向：電源技術(shù)與太陽(yáng)能發(fā)電。

林培杰（1982-），男，碩士，講師，主要研究方向：新能源與物聯(lián)網(wǎng)。