基于瞬時(shí)環(huán)流控制的改進(jìn)逆變器并聯(lián)控制策略

馬駿杰 王旭東 金寧治 白亞麗 王光

摘?要：針對(duì)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)在負(fù)載動(dòng)態(tài)變化時(shí)輸出電壓變化較大問(wèn)題，提出一種逆變器均流控制方法。單機(jī)控制策略上，在傳統(tǒng)的帶輸出電壓前饋和有效值電壓調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)控制基礎(chǔ)上，增加負(fù)載電流前饋，并從2個(gè)角度分析了負(fù)載電流前饋控制對(duì)提升系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)勢(shì);并機(jī)控制策略上，以瞬態(tài)調(diào)節(jié)控制器為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)環(huán)流的有功和無(wú)功分量進(jìn)行下垂控制來(lái)調(diào)節(jié)有效值環(huán)的給定和鎖相環(huán)的輸出角度。最后，建立6臺(tái)20 kVA逆變器所構(gòu)成的并機(jī)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種控制方式可極大降低系統(tǒng)的不均流度，與傳統(tǒng)的硬件均流控制相比不易受干擾。同時(shí)，這種控制方式又表現(xiàn)出很好的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)特性。

關(guān)鍵詞：負(fù)載電流前饋;下垂控制;均流調(diào)節(jié);瞬時(shí)閉環(huán)控制;并聯(lián)控制器

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 464

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2019）07-0063-09

Abstract：For the issue that the voltage of the inverter parallel system changes greatly with the output load dynamic changes， an improved currentsharing control method was proposed. Based on the traditional inverter model with output voltage feedforward and double closeloop control method， the loadcurrent feedforward control method was added. The effect of loadcurrent feedforward control on the dynamic performance was analyzed in two different ways. Besides， based on the instantaneous closedloop controller， the proposed regulator of the parallel system was designed according to the droop characteristic of the current circulation. Finally， a parallel system with 6×20 kVA inverters was established. The experimental results show that with the proposed control method， the currentsharing error of the system is greatly decreased. Compared with the traditional method by the hardware signals， this method is not susceptible to interference. And the results also show that the proposed method has good steadystate and dynamic performance.

Keywords：current feedforward; droop control; currentsharing regulation; instantaneous closedloop control; parallel controller

0?引?言

逆變器的并聯(lián)運(yùn)行是提高電源系統(tǒng)可靠性和擴(kuò)大供電容量的一種重要途徑。相比于單臺(tái)逆變器，多個(gè)較小容量的逆變模塊并聯(lián)不僅成本低、易維護(hù)，而且更為靈活、可靠，通過(guò)改變并聯(lián)模塊的數(shù)目，可以獲得不同的容量。逆變器的并聯(lián)廣泛應(yīng)用于不間斷供電電源（uninterruptible power system，UPS）供電系統(tǒng)，光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等綠色再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)。逆變器的并聯(lián)可看成系統(tǒng)環(huán)流的最小化控制，其目的是使負(fù)載的功率能夠在逆變器之間實(shí)現(xiàn)均分，是通過(guò)調(diào)節(jié)變流器輸出電壓的幅值、相位來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

逆變器并聯(lián)控制技術(shù)主要有以下方案：下垂控制法，有功及無(wú)功功率調(diào)節(jié)法和瞬態(tài)電流控制法[1-2]。下垂控制法是利用并機(jī)系統(tǒng)自身輸出功率的大小來(lái)調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的頻率和幅值，根據(jù)并機(jī)系統(tǒng)的輸出阻抗性質(zhì)來(lái)設(shè)計(jì)下垂控制器，該方法能夠快速降低系統(tǒng)的不均流，但存在輸出電壓精度和均流度之間的矛盾，在實(shí)際系統(tǒng)中很少單獨(dú)使用，因而產(chǎn)生了 “虛擬阻抗法”的調(diào)節(jié)方式，這種方式一方面增加了控制的復(fù)雜程度，另一方面負(fù)載適應(yīng)性較差;有功及無(wú)功功率調(diào)節(jié)法[3-4]是通過(guò)CAN總線傳輸各臺(tái)機(jī)器的有功及無(wú)功分量，各臺(tái)機(jī)器一方面接收系統(tǒng)其他機(jī)器的信息用于計(jì)算系統(tǒng)平均功率，并通過(guò)自身功率的偏差來(lái)調(diào)節(jié)各自逆變器輸出電壓的幅值和角度，另一方面將本機(jī)計(jì)算出的有功及無(wú)功分量放入CAN總線。CAN總線傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，因此抗干擾能力較強(qiáng)，但該方式調(diào)節(jié)的速率和調(diào)節(jié)精度取決于CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸速率，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢且軟件計(jì)算量較大;瞬態(tài)電流控制法屬于瞬態(tài)控制方案[5-7]，它是利用各機(jī)之間的平均電流模擬信號(hào)線與自身負(fù)載電流產(chǎn)生的瞬時(shí)環(huán)流調(diào)節(jié)自身瞬時(shí)輸出的電壓，該方法簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，可取得很好的均流效果，是單相逆變器并聯(lián)控制中最常用的方式，但模擬信號(hào)線抗干擾能力差，需增加大量的濾波環(huán)節(jié)。

為提高系統(tǒng)性能，相關(guān)文獻(xiàn)在環(huán)路控制方面做了很多研究。增加參考電壓前饋提高了輸出電壓對(duì)參考電壓的跟蹤能力，但需嚴(yán)格控制電壓前饋以避免系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)增益[8];增加有效值閉環(huán)來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)壓精度，但使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變差[9]。

在保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的基礎(chǔ)上，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，本文在逆變器的環(huán)路設(shè)計(jì)上增加了負(fù)載電流前饋控制。此外，在并機(jī)均流控制策略上，本文在瞬時(shí)控制方案的基礎(chǔ)上，提出了一種更易于工程實(shí)現(xiàn)的工頻設(shè)計(jì)方法，即利用環(huán)流的有功分量和無(wú)功分量的解耦關(guān)系來(lái)對(duì)各自輸出電壓的幅值和相位進(jìn)行下垂調(diào)節(jié)，一方面解決了單機(jī)系統(tǒng)中增加的輸出電壓有效值閉環(huán)而帶來(lái)的輸出電壓隨負(fù)載電流外特性硬化的問(wèn)題;另一方面降低了殘留的電流靜差，彌補(bǔ)了瞬態(tài)控制穩(wěn)定性較差的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提控制方案的有效性。

1?輸出電壓控制器設(shè)計(jì)

1.1?帶有效值環(huán)和電壓前饋的雙閉環(huán)控制

圖1為正、負(fù)直流母線結(jié)構(gòu)的單相半橋式逆變器等效電路模型。該控制器采用加入?yún)⒖茧妷呵梆伒碾妷弘娏麟p閉環(huán)控制方法。

為滿足逆變器輸出電壓的穩(wěn)壓精度，在原有控制系統(tǒng)中增加無(wú)靜差控制器（電壓有效值調(diào)節(jié)器）來(lái)降低電壓瞬時(shí)值閉環(huán)的靜差，如圖1中的虛線框所示[10-11]。每工頻周期計(jì)算實(shí)際輸出電壓Uc的有效值，并將其作為反饋與輸出電壓有效值給定Urms進(jìn)行比較（Hrms（s）為有效值傳遞函數(shù)）。調(diào)節(jié)后的輸出電壓幅值Umax與鎖相環(huán)輸出角度構(gòu)成瞬時(shí)電壓外環(huán)的給定Ur。

文獻(xiàn)[9]表明有效值環(huán)可消除由逆變器等效輸出阻抗引起的電壓跌落，但實(shí)際上有效值環(huán)的加入還能提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，降低輸出電壓的總諧波失真（total harmonic distortion， THD）。

逆變器帶整流性負(fù)載的仿真波形如圖2所示，可以看出，圖2（a）為不加入電壓有效值閉環(huán)的仿真波形，此時(shí)輸出電壓有效值為201.9 V，THD=7.71%;圖2（b）為加入電壓有效值閉環(huán)后的仿真波形，輸出電壓有效值228.5 V，THD=3.49%。

作為輸出電壓瞬時(shí)值閉環(huán)的補(bǔ)償，電壓有效值環(huán)的加入可提高輸出電壓穩(wěn)壓精度并降低輸出電壓的THD，但“硬化了”輸出電壓特性，使并機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變差。

1.2?負(fù)載電流的前饋控制策略

文獻(xiàn)[12-13]給出了負(fù)載電流前饋控制的優(yōu)勢(shì)，但缺乏理論分析，以下從電壓環(huán)和電流環(huán)2個(gè)角度對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行說(shuō)明。

1）電壓外環(huán)分析。

令電壓的前饋系數(shù)K=1，則帶電壓前饋的雙閉環(huán)控制框圖如圖3所示，令GV（s）=Kvp+Kvi/s。陰影部分為控制對(duì)象，虛線框?yàn)殡娏鲀?nèi)環(huán)。

為簡(jiǎn)化分析，考慮到逆變器輸出頻率工作在工頻段，即系統(tǒng)的調(diào)制頻率遠(yuǎn)高于輸出濾波器頻寬，則電流內(nèi)環(huán)可等效于比例環(huán)節(jié)，令電流內(nèi)環(huán)比例系數(shù)為Km。

以阻性負(fù)載為例：當(dāng)負(fù)載阻抗Z=R時(shí)，即R與逆變器輸出電容C并聯(lián)，未加入電流前饋的系統(tǒng)傳遞函數(shù)和傳遞函數(shù)的幅值[11]分別為：

2）電流內(nèi)環(huán)分析。

電感電流內(nèi)環(huán)控制模型如圖4所示，令GI（s）=Kip+Kii/s。

由式（8）得到G1（s）伯德圖如圖5所示，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

由圖5可知，工頻段幅頻特性平穩(wěn)，數(shù)值約-5.7 dB，即|iL（s）|= 5.2|io（s）|。這表明電感電流未完全跟蹤給定，系統(tǒng)存在較大誤差。可增大內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)力度來(lái)減少靜差，但極易造成系統(tǒng)輸出電壓振蕩。

電感電流對(duì)負(fù)載電流的伯德圖如圖6所示，可以看出，在未加入電流前饋時(shí)，G2（s）的幅頻特性在工頻段較平穩(wěn)，數(shù)值約-20 dB，即|iL（s）|=0.1|io（s）|，這表明電流內(nèi)環(huán)對(duì)負(fù)載電流有一定跟蹤作用，因而通過(guò)負(fù)載電流對(duì)給定電流進(jìn)行補(bǔ)償，可進(jìn)一步加強(qiáng)這種作用。G3（s）為加入負(fù)載電流前饋的控制策略下的伯德圖，明顯可知電流內(nèi)環(huán)對(duì)負(fù)載電流的跟蹤能力增強(qiáng)。

圖7為2種控制策略下負(fù)載突加載及突卸載（阻性滿載）時(shí)對(duì)比仿真波形，仿真參數(shù)如表1所示。

圖7（a）是不具有負(fù)載電流前饋控制策略下的輸出電壓及電流波形?？砂l(fā)現(xiàn)電阻突然接入時(shí)，輸出電壓幅值變化80 V，電阻突然移除時(shí)輸出電壓幅值變化100 V，并且輸出電壓在恢復(fù)時(shí)出現(xiàn)振蕩。圖7（b）是具有負(fù)載電流前饋控制策略下的輸出電壓及電流波形，在電阻突然接入時(shí)輸出電壓幅值變化約為40 V，電阻突然移除時(shí)輸出電壓幅值變化40 V且輸出電壓未出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，說(shuō)明負(fù)載電流前饋控制在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)時(shí)起到積極作用。

2?負(fù)載電流和參考電壓前饋的雙閉環(huán)輸出阻抗特性

2臺(tái)逆變器并聯(lián)控制系統(tǒng)框圖如圖8所示，并機(jī)控制系統(tǒng)方程為：

式中：Ur1（s）、Ur2（s）分別為2臺(tái)逆變輸出電壓瞬時(shí)值給定;UV1（s）、UV2（s）分別為2臺(tái)逆變器橋臂中點(diǎn)電壓;iL1（s）、iL2（s）分別為2臺(tái)逆變器輸出濾波電感電流;io1（s）、io2（s）分別為2臺(tái)逆變器負(fù)載電流;io（s）為系統(tǒng)的負(fù)載平均電流;GV（s）、GI（s）分別為系統(tǒng)輸出電壓瞬時(shí)值控制器和電感電流控制器。

由式（11）可知，輸出阻抗與系統(tǒng)硬件及控制參數(shù)有關(guān)。令Kvi為變量，GV（s）=Kvp+Kvi/s，GI（s）=Kip+Kii/s，其余參數(shù)見(jiàn)表1，得到伯德圖如圖9所示。

由圖9可知，并機(jī)系統(tǒng)的輸出阻抗可依據(jù)控制參數(shù)的變化而變化，因此通過(guò)合理的參數(shù)配置，可以將系統(tǒng)的輸出阻抗配置為阻性、感性或阻感性。以輸出阻性負(fù)載為例來(lái)說(shuō)明均流控制策略。

3?基于環(huán)流下垂的并機(jī)復(fù)合控制

所提出的均流控制方案是在瞬態(tài)控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)環(huán)流的有功分量和無(wú)功分量進(jìn)行下垂控制來(lái)調(diào)節(jié)電壓有效值環(huán)的給定和鎖相環(huán)的輸出角度。并聯(lián)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖10所示。

各臺(tái)逆變器通過(guò)硬件電路獲取負(fù)載平均電流，與本機(jī)輸出電流通過(guò)差分電路得到環(huán)流瞬時(shí)值。該瞬時(shí)值經(jīng)數(shù)字信號(hào)控制器（digital signal controller，DSC）的數(shù)模轉(zhuǎn)換單元采樣后，經(jīng)離散傅里葉變換（discrete fourier transform，DFT）得到系統(tǒng)環(huán)流功率中有功和無(wú)功分量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)環(huán)流功率的調(diào)節(jié)。

3.1?瞬時(shí)環(huán)流控制

瞬時(shí)環(huán)流控制是單相逆變器常用的均流控制方式[14-15]。該方案簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，但易受硬件干擾而造成逆變器之間平均電流的波動(dòng)。環(huán)流瞬時(shí)值閉環(huán)控制系統(tǒng)模擬框圖如圖11所示。其中：io（s）為并聯(lián)系統(tǒng)負(fù)載平均電流，由硬件平均得到;ioj（s）為第j號(hào)逆變器（j=1，2，3，…）輸出負(fù)載的電流瞬時(shí)值;Ur（s）為輸出電壓瞬時(shí)值給定;GVC（s）為輸出電壓瞬時(shí)值環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù);GIcir（s）為瞬時(shí)環(huán)流校正控制器。

3.2?環(huán)流有功及無(wú)功分量的下垂控制

電壓有效值環(huán)的加入“硬化了”逆變器的輸出特性，且傳統(tǒng)的瞬時(shí)環(huán)流控制極易受到硬件干擾，從而降低穩(wěn)態(tài)均流效果。為了在保證系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)壓精度的前提下提高系統(tǒng)的均流度，在瞬時(shí)環(huán)流控制的基礎(chǔ)上將環(huán)流信息進(jìn)行有功和無(wú)功分解，繼而分別對(duì)有效值環(huán)的電壓給定及數(shù)字鎖相環(huán)的輸出角度進(jìn)行下垂控制，從而進(jìn)一步消除環(huán)流對(duì)并機(jī)系統(tǒng)的影響。

以逆變器輸出阻抗為電阻為例，并簡(jiǎn)化分析令r1=r2=r，2臺(tái)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)等效電路模型如圖12所示。

當(dāng)2臺(tái)逆變器輸出電壓幅值Uo1≠Uo2，但相位相等時(shí)，并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流可表示為

由式（12）可知，輸出電壓幅值的偏差僅產(chǎn)生基波環(huán)流的有功分量。通過(guò)構(gòu)建如圖13（a）所示的幅值校正控制器來(lái)改變輸出電壓有效值環(huán)的給定值Urms（s），從而達(dá)到改變輸出電壓幅值的目的。為滿足并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓幅值有差的要求，將GIcirP（s）設(shè)計(jì)成比例積分控制器，表達(dá)式為

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)帶輕載時(shí)輸出電壓會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，控制器可采用變系數(shù)方式快速調(diào)節(jié)自身輸出電壓幅值來(lái)消除差異：例如小于10%額定負(fù)載時(shí)b=1，否則b=0。

當(dāng)2臺(tái)逆變器各自輸出電壓幅值Uo1=Uo2=U，但相位存在差異時(shí)，并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流可表示為

由式（14）可知，可調(diào)節(jié)輸出電壓相位來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功功率，其控制框圖如圖13（b）所示（Δθ（s）為逆變鎖相環(huán)輸出）。將GIcirQ（s）設(shè)計(jì)為比例環(huán)節(jié)，比例系數(shù)為KpcirQ。由于輸出濾波電感很小，輸出電壓存在較小相位差就會(huì)產(chǎn)生較大的基波無(wú)功環(huán)流，因此參數(shù)KpcirQ取值要小以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

各逆變器在采樣周期實(shí)時(shí)檢測(cè)自身的瞬時(shí)環(huán)流，利用DFT分析法求得瞬時(shí)環(huán)流的基波有功分量和基波無(wú)功分量分別為：

4?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)由6臺(tái)20 kVA 逆變器構(gòu)成的并聯(lián)系統(tǒng)對(duì)所提的方案進(jìn)行驗(yàn)證。從負(fù)載適應(yīng)性、系統(tǒng)輸出帶不等長(zhǎng)功率線及硬件存在高頻干擾等情況下驗(yàn)證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能。

1）圖14為并聯(lián)系統(tǒng)帶阻性滿載時(shí)輸出電壓波形Vout和輸出電流波形Iout?？梢钥闯?，穩(wěn)態(tài)時(shí)1#機(jī)和6#機(jī)的輸出電壓穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)時(shí)電壓沒(méi)有突變，輸出電流均流度良好。

2）為了驗(yàn)證該并機(jī)控制策略在系統(tǒng)硬件存在干擾時(shí)的穩(wěn)定性，將6#樣機(jī)DSC控制器的電流AD采樣通道加入高頻振蕩Vr，系統(tǒng)帶線性負(fù)載6×90%，觀察如圖15所示的6#機(jī)和1#機(jī)輸出電流Iout?？梢钥闯?，將振蕩頻率從57 Hz加至2 kHz，盡管本機(jī)輸出電流疊加了高頻振蕩，但輸出電流波形未發(fā)散，仍處于可控范圍內(nèi)且對(duì)系統(tǒng)中其他機(jī)器輸出電流影響較小，保證系統(tǒng)均流度及穩(wěn)定性。

3）為驗(yàn)證該并機(jī)控制策略在輸出功率線纜長(zhǎng)度差異較大情況下的穩(wěn)定性，將并機(jī)系統(tǒng)中6#機(jī)的輸出功率線延長(zhǎng)至10 m并串聯(lián)電感，電感量為0.148 mH，其余5臺(tái)逆變器輸出功率線為3 m。將6臺(tái)機(jī)器共同接入負(fù)載端，觀測(cè)6#機(jī)及1#機(jī)輸出電流Iout和并機(jī)系統(tǒng)輸出電壓Vout波形，如圖16所示。

可以看出，系統(tǒng)帶阻性負(fù)載和整流性負(fù)載的情況下，系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定，輸出電流沒(méi)有出現(xiàn)振蕩，系統(tǒng)均流度較好。

4）為了驗(yàn)證系統(tǒng)在跟蹤源頻率持續(xù)變化時(shí)的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)源頻率在跟蹤范圍45～60 Hz內(nèi)持續(xù)變化，將1#～3#機(jī)加入和退出6并機(jī)系統(tǒng)，觀察此時(shí)系統(tǒng)輸出電壓Vout、1#機(jī)和6#機(jī)輸出電流Iout和6#機(jī)母線電壓Vdc情況。

機(jī)器加入或退出6并機(jī)系統(tǒng)時(shí)波形如圖17所示，可以看出，在機(jī)器加入和退出并機(jī)系統(tǒng)的瞬間，電流不存在沖擊，且只需半個(gè)工頻周期的時(shí)間，均流環(huán)會(huì)將系統(tǒng)的均流度調(diào)整到理想狀態(tài)。此外，母線電壓也沒(méi)有出現(xiàn)突變現(xiàn)象。

5?結(jié)?論

本文所提出的以瞬時(shí)環(huán)流控制為主，以系統(tǒng)間并機(jī)環(huán)流構(gòu)成的下垂控制為輔的逆變器并機(jī)控制方案成功應(yīng)用于6臺(tái)20 kVA系統(tǒng)中。為驗(yàn)證本文所提并機(jī)均流控制方案的合理性，實(shí)驗(yàn)從負(fù)載適應(yīng)性、系統(tǒng)輸出帶不等長(zhǎng)功率線及硬件存在高頻干擾等情況下對(duì)并機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，本文提出的并機(jī)均流方案能夠保證并機(jī)的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，確保逆變器之間良好的均流度。此外，該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，克服了傳統(tǒng)方式數(shù)據(jù)計(jì)算復(fù)雜的缺陷。

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（編輯：邱赫男）