三相逆變器并聯(lián)下垂控制策略的研究

邵明生　揭貴生　賀云南　林克文　侯暢武

【摘要】在逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中采用傳統(tǒng)下垂控制實(shí)現(xiàn)功率均分時(shí)，由于下垂系數(shù)為常數(shù)，輸出電壓精度與功率均分效果間存在矛盾；同時(shí)，在突加突減負(fù)載時(shí)，輸出電流易發(fā)生振蕩。為此本文提出了一種引入母線電壓反饋、變下垂系數(shù)及PI控制器的改進(jìn)控制策略，既解決了下垂控制固有的輸出電壓調(diào)整率易超標(biāo)的問題，又克服了傳統(tǒng)控制中下垂系數(shù)對(duì)電壓降的影響。構(gòu)建了兩臺(tái)三相逆變器仿真模型，驗(yàn)證了該控制策略的有效性。

【關(guān)鍵詞】三相逆變器無互連線并聯(lián)母線電壓改進(jìn)下垂控制

0緒論

逆變電源廣泛應(yīng)用于國(guó)防科技、船舶和通訊等需要不間斷供電領(lǐng)域，使得對(duì)其容量要求越來越高，提高系統(tǒng)容量的一種常用方式是多模塊并聯(lián)運(yùn)行。

基于無互連線并聯(lián)下垂控制是模擬同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行的自下垂特性，但逆變器與發(fā)電機(jī)存在區(qū)別。在低壓配電網(wǎng)中，由于逆變器與母線距離差別較大，線路阻抗不可忽略，其較高的阻感比常導(dǎo)致傳統(tǒng)下垂控制不穩(wěn)定。解決該問題最直接的方法就是外接電感，但會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)體積增加，輸出電壓精度降低 [1-2]。文獻(xiàn)[1]根據(jù)實(shí)際輸出功率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)，以有效減小輸出電壓的波動(dòng)，但當(dāng)負(fù)載變化劇烈時(shí)，仍會(huì)使輸出電壓和頻率超標(biāo)。文獻(xiàn)[2]提出了虛擬阻抗概念，將逆變器輸出電流通過虛擬阻抗反饋至電壓參考值，從而靈活改變逆變器輸出阻抗性質(zhì)，但其大小難以確定，設(shè)置過小難以改控制效果，過大則會(huì)導(dǎo)致輸出電壓明顯跌落。

為克服上述問題，本文提出一種通過變下垂系數(shù)、PI控制器及母線電壓反饋共同構(gòu)成的下垂控制。通過理論分析和仿真驗(yàn)證，改進(jìn)下垂控制能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)的電能質(zhì)量更加靈活、更加有效的控制。

1傳統(tǒng)下垂控制策略

以兩臺(tái)單相逆變器并聯(lián)運(yùn)行為例，其簡(jiǎn)化電路如圖1所示。當(dāng)?shù)刃л敵鲎杩钩矢行詴r(shí)[1]，有：

由圖2知：當(dāng)m時(shí)，，，這表明功率下垂系數(shù)越大有功功率均分效果越好，但角頻率偏差越大；同理，無功功率與輸出電壓幅值存在類似結(jié)論。因此，當(dāng)逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，其功率均分效果與輸出電壓質(zhì)量必須折衷考慮。

2改進(jìn)下垂控制策略

從控制器角度分析，由于輸出角頻率經(jīng)過積分后，形成參考電壓的電角度，而輸出電壓直接作為了參考電壓；從環(huán)流抑制角度分析，無論是系統(tǒng)有功還是無功環(huán)流，其下垂參數(shù)應(yīng)僅與環(huán)流有關(guān)，但控制器無法區(qū)分環(huán)流和負(fù)載功率，僅根據(jù)自身輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。為此，本文通過研究分析，在式（1）基礎(chǔ)上引入PI控制器、母線電壓反饋、變下垂系數(shù)：

（2）

其中：與為穩(wěn)態(tài)額定角頻率和額定電壓；m1、m2為有功下垂系數(shù)；n1、n2為無功下垂系數(shù)；m為常數(shù)；為母線電壓。

3 仿真驗(yàn)證

搭建了兩臺(tái)三相逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的模型，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)帶阻感負(fù)載。逆變器直流輸入電壓為400V，輸出電壓為150V，橋臂側(cè)電感為5mH；交流濾波電容為69uF；負(fù)載側(cè)電感為6.5mH；采樣頻率為3.6kHz；KPWM為逆變橋PWM等效增益，采用SVPWM技術(shù)，KPWM=Vdc/；KC=1/Ibase=1/39.6為電流采樣變比；KV=1/Vbase=1/326為電壓采樣變比。

由圖4、圖5和表1得：采用改進(jìn)控制策略，系統(tǒng)輸出功率均分效果較好，環(huán)流也很小；由于變下垂系數(shù)、母線電壓反饋的引入，使得母線電壓在線路阻抗相差較大時(shí)也能滿足調(diào)整率要求，避免了傳統(tǒng)控制帶來的較大電壓偏差的現(xiàn)象。

兩臺(tái)逆變器并聯(lián)時(shí)，首先讓第1臺(tái)帶50%負(fù)載，在0.2s時(shí)讓第2臺(tái)投入并聯(lián)，在0.7s時(shí)突加50%負(fù)載至100%負(fù)載；首先讓第1臺(tái)帶50%負(fù)載，在0.2s時(shí)讓第2臺(tái)投入并聯(lián)，在0.3s時(shí)帶100%負(fù)載，然后在0.8s時(shí)再突缷50%負(fù)載。圖6為兩臺(tái)逆變器并聯(lián)負(fù)載變化時(shí)仿真波形，由圖6可知：采用改進(jìn)下垂控制策略，逆變器之間的功率均分效果更佳，造成的環(huán)流較小。

4 結(jié)語

本文針對(duì)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)提出了一種改進(jìn)下垂控制策略。由于PI控制器、母線電壓以及可變下垂系數(shù)的引入，有效的提高了并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓精度和穩(wěn)定運(yùn)行性能。理論分析和仿真結(jié)果證明該下垂控制策略具有較好的功率均分和環(huán)流抑制效果。

參考文獻(xiàn)

[1]Yao W，Chen M. Development of Communicationless Hot-Swap Paralleling for Single-Phase UPS Inverters based on Adaptive Droop Method[C]. APEC，2009：1283-1287.

[2]J. M， Guerrero， José Matas， et al. A wirelss controller to enhance dynamic performance of parallel inverters in distributed generation systems[J].IEEETrans.on Power Electronics， 2004：1205-1213.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51177170）

作者簡(jiǎn)介：邵明生（1990-），男，碩士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。