逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的控制方法探討

● 湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 胡文花

逆變電源的并聯(lián)技術(shù)是分布式電源系統(tǒng)的核心技術(shù)。逆變器并聯(lián)運(yùn)行可以擴(kuò)大電源容量及提高供電可靠性，是當(dāng)今電源變換技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。在逆變器并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)，必須保證所有逆變器的輸出電壓同頻率、同幅值和同相位。否則，各逆變電源之間將會(huì)出現(xiàn)環(huán)流，不僅會(huì)加大開(kāi)關(guān)元件的負(fù)擔(dān)，增加系統(tǒng)的損耗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞功率器件，使系統(tǒng)崩潰，導(dǎo)致供電中斷。

逆變電源的并聯(lián)控制策略按其有無(wú)控制互連線一般可分為兩大類(lèi)：有聯(lián)絡(luò)線并聯(lián)控制方式和無(wú)聯(lián)絡(luò)線獨(dú)立控制方式。其中有聯(lián)絡(luò)線控制方式包括：集中控制、主從控制、分散邏輯控制、3C(Circular Chain Control)環(huán)鏈控制等；無(wú)聯(lián)絡(luò)線獨(dú)立控制方式主要是指功率下垂控制等。

1 主從控制技術(shù)

電壓源作為主模塊，用來(lái)建立并聯(lián)系統(tǒng)的恒定輸出電壓。從模塊的作用是跟蹤主模塊的給定參考電流，分擔(dān)系統(tǒng)中相應(yīng)的負(fù)載電流。而從模塊的參考電流給出方式有2種：一種是由功率分配中心提供，另一種是由主控電壓源提供。主從控制示意圖如圖1所示。

圖1 主從控制示意圖

而上述主從方案，主模塊沒(méi)有冗余，一旦主模塊出現(xiàn)問(wèn)題，可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。目前在這種方案的基礎(chǔ)上提出一種主從式改進(jìn)方案，即自適應(yīng)主從控制。通過(guò)采用自主模塊法進(jìn)行優(yōu)化：當(dāng)主模塊出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂?，可將某一從模塊作為主模塊，從而解決主模塊不能冗余的問(wèn)題。

2 集中控制技術(shù)

所有模塊在整個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)中，沒(méi)有主從之分，故并聯(lián)系統(tǒng)中所有模塊可實(shí)現(xiàn)完全冗余，這將大大增加系統(tǒng)的可靠性，但模塊間需要均流信號(hào)線相連。集中控制技術(shù)分為直接集中控制和間接集中控制2種。

（1）直接集中控制。由集中控制單元的同步脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生統(tǒng)一的同步脈沖信號(hào)，各逆變單元經(jīng)PLL鎖相控制保證其輸出電壓頻率、相位一致；同時(shí)集中控制單元還要檢測(cè)總負(fù)載電流，除以并聯(lián)單元個(gè)數(shù)后得到負(fù)載平均電流作為各單元的電流參考指令，與本單元的輸出電流比較求出偏差。由于各并聯(lián)單元采用相同的同步信號(hào)源控制，其輸出電壓頻率和相位偏差不會(huì)太大，可以直接把電流偏差作為電壓幅值指令的補(bǔ)償量引入各逆變電源的控制單元，以消除系統(tǒng)環(huán)流。但由于系統(tǒng)存在檢測(cè)誤差，所以實(shí)際輸出電壓頻率、相位仍可能存在誤差。

（2）間接集中控制。該方式與直接集中控制的不同在于：它利用本單元電流誤差量ΔI和系統(tǒng)輸出電壓Vo計(jì)算出本單元的有功和無(wú)功偏差量ΔP、ΔQ，作為其輸出電壓相位和幅值的補(bǔ)償量。該方案與直接集中控制相比，雖能提高系統(tǒng)的均流控制精度，但由于仍采用一個(gè)公共的控制單元，需要檢測(cè)負(fù)載電流和準(zhǔn)確知道參與并聯(lián)的單元個(gè)數(shù)，使得系統(tǒng)仍存在單點(diǎn)故障，不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的冗余。

3 分散邏輯控制

分散邏輯控制是將系統(tǒng)中心控制單元的控制權(quán)分散化和獨(dú)立化，在逆變電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，各并聯(lián)單元檢測(cè)出自身的有功和無(wú)功功率，通過(guò)控制總線將其傳送到其它并聯(lián)模塊中；與此同時(shí)也接收來(lái)自其它單元的相應(yīng)功率信號(hào)，進(jìn)行綜合判斷并確定本單元的有功無(wú)功基準(zhǔn)信號(hào)，與本機(jī)的有功無(wú)功信號(hào)比較后，獲得各單元的電壓和同步信號(hào)（頻率和相位）的參考值。分散邏輯控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

4 3C環(huán)鏈控制

圖2 分散邏輯控制結(jié)構(gòu)示意圖

3C環(huán)鏈控制將第1臺(tái)逆變電源的輸出電流反饋信號(hào)加到第2臺(tái)逆變電源的控制回路中，第2臺(tái)的輸出電流反饋信號(hào)加到第3臺(tái)，依次類(lèi)推，最后一臺(tái)的輸出電流反饋信號(hào)返回到第1臺(tái)逆變電源的控制回路，使并聯(lián)系統(tǒng)在信號(hào)上形成一個(gè)環(huán)鏈結(jié)構(gòu)，在功率輸出方面形成并聯(lián)關(guān)系。每個(gè)逆變電源的電流內(nèi)環(huán)可以采用傳統(tǒng)的PI控制，電壓外環(huán)的特性隨著并聯(lián)數(shù)目的增多和帶載的不同有很大變化。為了減小這種影響，外環(huán)采用了魯棒控制，主要是抑制器件的不一致性、負(fù)載的變化以及并聯(lián)單元相互間的影響。

與前面的方案相比，3C環(huán)鏈型并聯(lián)方案無(wú)需模擬信號(hào)平均電路，也無(wú)需知道并聯(lián)單元數(shù)。同時(shí)3C環(huán)鏈結(jié)構(gòu)還包含一條檢測(cè)環(huán)路（圖中未畫(huà)出），用來(lái)檢測(cè)和旁路故障的逆變單元，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。但該方案在控制回路中引入其它單元信號(hào)，加強(qiáng)了模塊間的影響，使得常規(guī)控制方案難以解決系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題，一般采用魯棒控制器，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度較大，實(shí)現(xiàn)較困難。并且由于系統(tǒng)是一個(gè)封閉的環(huán)鏈結(jié)構(gòu)，因此在系統(tǒng)擴(kuò)容方面不具有優(yōu)勢(shì)。3C環(huán)鏈控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 3C環(huán)鏈控制結(jié)構(gòu)示意圖

5 基于外特性下垂的無(wú)互聯(lián)信號(hào)線控制

逆變電源的無(wú)聯(lián)絡(luò)線獨(dú)立控制技術(shù)是通過(guò)借鑒同步發(fā)電機(jī)的自同步和電壓下垂特性，實(shí)現(xiàn)單元間無(wú)信號(hào)線的并聯(lián)技術(shù)，也是目前最先進(jìn)的并聯(lián)控制技術(shù)之一。

在這種控制方式中不存在各模塊間的互聯(lián)控制信號(hào)線，只需將各模塊的輸出直接掛接在負(fù)載上，各模塊通過(guò)檢測(cè)自身的功率輸出情況，并根據(jù)外特性下垂法來(lái)調(diào)節(jié)自己的輸出電壓的相位、幅值，從而實(shí)現(xiàn)各模塊均分負(fù)載功率，消除模塊間的環(huán)流。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維修簡(jiǎn)便快捷，系統(tǒng)擴(kuò)容方便，成本低；并且在有模塊故障的情況下，系統(tǒng)仍能正常工作，系統(tǒng)的可靠性高。

這種控制方式實(shí)現(xiàn)的前提條件是檢測(cè)和控制精度很高，計(jì)算速度很快，否則均流精度很差。在逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)中，逆變電源基于無(wú)互聯(lián)信號(hào)線并聯(lián)運(yùn)行后，負(fù)載的有功功率可以得到較好的均分；然而由于線路阻抗的存在，負(fù)載的無(wú)功功率均分效果會(huì)受到一定的影響。

6 逆變器并聯(lián)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

早期的逆變電源控制，一般都采用模擬控制。模擬控制的方案能夠使逆電源的靜態(tài)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，然而模擬控制需要大量的分立元件和電路板，制造成本比較高；元器件之間的連接復(fù)雜，從而使系統(tǒng)的故障檢測(cè)與維修較為困難；電源模塊的一致性不是很好。模擬器件的老化問(wèn)題和不可補(bǔ)償?shù)臏仄瘑?wèn)題，以及易受環(huán)境(如電磁噪聲，工作環(huán)境溫度等)干擾等因素都會(huì)影響控制系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。專(zhuān)用模擬控制集成芯片能方便實(shí)現(xiàn)一些電路控制功能，但控制環(huán)路中的反饋控制網(wǎng)絡(luò)仍需外接大量的電容電阻等模擬器件。專(zhuān)用芯片還存在控制不夠靈活，很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、先進(jìn)的控制算法等缺點(diǎn)。

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制電源已是當(dāng)今電源發(fā)展的方向，數(shù)字控制的廣泛應(yīng)用使得逆變電源的控制方法向多樣性發(fā)展，一些復(fù)雜的控制方法能夠被應(yīng)用到逆變電源的控制中來(lái)，提高了逆變電源的性能。同時(shí)由于采用數(shù)字控制時(shí)，檢測(cè)手段更加方便，使整個(gè)逆變電源系統(tǒng)的控制更加完善、可靠。

高速的微處理器的出現(xiàn)如DSP，使得數(shù)字控制技術(shù)實(shí)時(shí)性迅速提高，數(shù)字控制得到更廣泛的應(yīng)用。用軟件手段實(shí)現(xiàn)的反饋控制算法能很好的解決控制系統(tǒng)由于元器件老化和溫漂帶來(lái)的問(wèn)題，抗干擾能力也將大大地增強(qiáng)。此外，控制系統(tǒng)的升級(jí)可以通過(guò)改變軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，在不改變硬件的條件下可提高系統(tǒng)的性能。

逆變電源的數(shù)字控制方法有：數(shù)字PID控制、重復(fù)控制、無(wú)差拍控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等。這些數(shù)字控制技術(shù)，一些已經(jīng)應(yīng)用在實(shí)際的產(chǎn)品中，另一些還處于技術(shù)研究階段。從電源的發(fā)展方向來(lái)看，數(shù)字化已經(jīng)是整個(gè)電源系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向，因此逆變電源的數(shù)字化控制是今后逆變電源控制的一個(gè)趨勢(shì)。■