并聯(lián)逆變電源的控制技術(shù)及短路保護(hù)的實(shí)驗(yàn)分析

余太成

（福建省三明市中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院，福建 三明 365001）

將多臺(tái)逆變電源并聯(lián)后，由于設(shè)備之間在控制精度、運(yùn)行參數(shù)上存在差異，會(huì)引起“環(huán)流”現(xiàn)象，當(dāng)環(huán)流達(dá)到一定程度后將會(huì)導(dǎo)致電器元件被燒壞。因此對(duì)于并聯(lián)逆變電源，必須要使用相應(yīng)的并聯(lián)控制技術(shù)保證電源功率均衡分配，從源頭解決環(huán)流，提高供電質(zhì)量。另外，逆變電源的并聯(lián)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)還有一定概率發(fā)生短路故障，產(chǎn)生瞬時(shí)大電流，也有可能燒壞電器元件。基于此，在并聯(lián)逆變電源控制技術(shù)研究中，還需要重點(diǎn)關(guān)注短路保護(hù)問題，目前比較常用的有限流保護(hù)策略、停機(jī)保護(hù)策略等。選擇合適的短路保護(hù)技術(shù)，對(duì)提高并聯(lián)逆變電源的穩(wěn)定供電也有積極幫助。

1 逆變電源的并聯(lián)控制方案

1.1 基于功率母線的有互聯(lián)線并聯(lián)方案

有線互聯(lián)的優(yōu)勢(shì)在于使用信號(hào)線實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)并聯(lián)逆變電源之間的信息互換，從而獲得更理想的均流效果，達(dá)到徹底消除環(huán)流的目的。其運(yùn)行原理為：當(dāng)多臺(tái)逆變電源完成同步鎖相實(shí)現(xiàn)并聯(lián)后，其中任意一臺(tái)逆變電源都會(huì)將自身的輸出功率以特定形式反饋給母線?？刂平K端通過計(jì)算后得出最大有功功率和無(wú)功功率，以此作為各臺(tái)逆變電源功率調(diào)節(jié)環(huán)的給定值，這樣就能實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的靈活調(diào)節(jié)。有線并聯(lián)控制方案的實(shí)驗(yàn)原理如圖1 所示。

圖1 有線并聯(lián)系統(tǒng)信號(hào)的綜合實(shí)現(xiàn)過程示意圖

結(jié)合圖1，將功率脈沖方波信號(hào)設(shè)定為高電平有效，此時(shí)能夠得到最大有功功率。假設(shè)有兩臺(tái)并聯(lián)逆變電源，實(shí)際發(fā)送的有功分別記為P1、P2，則經(jīng)過DSP 轉(zhuǎn)化方波后保存在存儲(chǔ)器中的數(shù)字量變成PO1、PO2，同時(shí)可以得到：

式（1）中PO為功率參考零點(diǎn)相對(duì)的DSP 存儲(chǔ)值。產(chǎn)生的兩個(gè)方波記為PWM1、PWM2，兩個(gè)方波發(fā)送到有功母線上完成線“或”作用后，能夠得出最大有功POmax的值。利用CAP 從POmax信號(hào)的下降沿處獲取計(jì)數(shù)器的值，記為PO2。則兩臺(tái)并聯(lián)逆變電源的最大有功參考值（P*）可表示為：

同樣的，將式（2）中PO2替換成PO1，可得到最大無(wú)功的參考值。將計(jì)算出的參考值作為逆變電源功率外環(huán)的給定值，分別使用對(duì)應(yīng)的有功控制器、無(wú)功控制地進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓幅值與頻率的微調(diào)，保證兩臺(tái)并聯(lián)逆變電源之間的有功和無(wú)功功率得以均分。

1.2 基于下垂理論的無(wú)互聯(lián)線并聯(lián)方案

相比于有線并聯(lián)方案，基于下垂理論的無(wú)線并聯(lián)方案具有更高的冗余性，能夠在出現(xiàn)連接線故障后仍然保證控制功能的實(shí)現(xiàn)。該方案的負(fù)載電流均分效果主要與輸出阻抗有關(guān)。以阻性阻抗為例，控制方程可表示為：

式（3）中，ωi和Ui表示第i 臺(tái)并聯(lián)逆變電源實(shí)際輸出電壓的頻率和幅值；ω*表示空載電壓頻率參考值，U*表示電壓幅值參考值；m、n 表示頻率與電壓的下垂系數(shù)；Qi和Pi表示逆變電源輸出的有功和無(wú)功功率。等效控制框圖如圖2 所示。

圖2 基于下垂理論的并聯(lián)等效控制圖

如果存在P1＞P2，則為了彌補(bǔ)兩者之間的功率差，需要在下一個(gè)調(diào)節(jié)周期中使U1＜U2，反之同理。在經(jīng)過若干個(gè)周期的不斷調(diào)節(jié)后，最終ΔU=U1-U2會(huì)等于0，此時(shí)實(shí)現(xiàn)了有功和無(wú)功功率的一致，即可保證兩臺(tái)并聯(lián)逆變電源的有功和無(wú)功功率均分。

2 逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的保護(hù)技術(shù)

2.1 短路限流保護(hù)技術(shù)

逆變電源的過載能力弱，如果負(fù)載發(fā)生短路出現(xiàn)瞬時(shí)大電流，很有可能導(dǎo)致電子器件燒壞。因此，在使用并聯(lián)逆變電源控制技術(shù)時(shí)，還必須采取短路保護(hù)措施。短路限流保護(hù)的作用是在出現(xiàn)短路故障時(shí)，將逆變電源的輸出電流控制在安全范圍，避免電流過大燒壞電力設(shè)備；同時(shí)，當(dāng)故障排除以后又能夠立刻使逆變電源恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)短路限流方式的不同，又可以分成硬件限流、軟件限流兩種。

所謂硬件限流，即由硬件電路的開關(guān)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)電路中電流的控制。其優(yōu)勢(shì)在于比較方便地獲取電路參數(shù)給定限流值，響應(yīng)速度快，基本上能夠?qū)崿F(xiàn)在短路發(fā)生瞬間同步開啟保護(hù)的效果，最大程度上降低故障損失。但是也有明顯缺點(diǎn)，例如驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻繁地開閉，導(dǎo)致輸出電流的波形產(chǎn)生鋸齒狀畸變，可能會(huì)對(duì)磁性元件（如變壓器）構(gòu)成威脅。因此，硬件限流保護(hù)只能用于突發(fā)故障的應(yīng)急保護(hù)，在此基礎(chǔ)上還要引入軟件限流保護(hù)作為補(bǔ)充。其原理是通過軟件判斷系統(tǒng)收集電路運(yùn)行參數(shù)，通過將實(shí)際參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)對(duì)比，判斷是否發(fā)生短路。在判定為短路故障后，由軟件下達(dá)保護(hù)動(dòng)作指令，完成電源模式切換，利用前端電流控制器的調(diào)節(jié)功能保證輸出電流恒定。

2.2 短路保護(hù)平滑切換技術(shù)

在使用軟件限流保護(hù)時(shí)，如果逆變電源正常工作，則選擇“電壓源”模式；如果出現(xiàn)短路故障，則自動(dòng)切換至“電流源”模式；當(dāng)短路故障排除后，又會(huì)自動(dòng)退出限流環(huán)恢復(fù)正常供電，此時(shí)切換至“電壓源”模式。為了進(jìn)一步提高短路保護(hù)效果，需要通過技術(shù)手段保證逆變電源在不同模式之間做到平滑切換。當(dāng)逆變電源出現(xiàn)短路故障，軟件限流的控制系統(tǒng)將采集到的輸出電壓和輸出阻抗的實(shí)際值，與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比。如果對(duì)比結(jié)果為“輸出阻抗＞設(shè)定閾值”或“輸出電壓＞設(shè)定閾值”，則確認(rèn)出現(xiàn)短路。然后自動(dòng)發(fā)送增大限流環(huán)的PI 參數(shù)，保證電壓能夠快速恢復(fù)。在電壓升高的過程中，系統(tǒng)仍然實(shí)時(shí)采集電壓參數(shù)，當(dāng)檢測(cè)到電壓接近或達(dá)到額定值后，固定限流環(huán)PI 參數(shù)，維持在當(dāng)前電壓。這樣既可以保證短路故障發(fā)生后輸出電壓快速恢復(fù)至正常水平，同時(shí)又不會(huì)產(chǎn)生震蕩和環(huán)流，從而保證了不同模式之間的平滑切換。

3 并聯(lián)逆變電源的短路保護(hù)實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用Matlab 軟件搭建了由兩臺(tái)完全相同的逆變電源并聯(lián)組成的仿真模型，采用電壓電流雙閉環(huán)控制，直流電壓380V，輸出相電壓的有效值220V，額定頻率50Hz，額定負(fù)載10KVA，功率因數(shù)0.8。兩條連線阻抗分別為0.3Ω、0.02Ω，濾波電容70uF。設(shè)定有功控制器參數(shù)，KpP=0.015，KiP=0.30；無(wú)功控制器參數(shù)，KpQ=0.015，KiQ=0.30。在實(shí)驗(yàn)開始后，讓其中一臺(tái)逆變器首先以正常荷載運(yùn)行，運(yùn)行0.5s 后讓另一臺(tái)逆變器投入運(yùn)行，并借助于鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)設(shè)備的相位同步。運(yùn)行10s后，設(shè)置負(fù)載側(cè)短路故障，并觀察短路保護(hù)結(jié)果。

3.2 短路保護(hù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 限流保護(hù)實(shí)驗(yàn)波形

當(dāng)負(fù)載側(cè)出現(xiàn)短路故障后，軟件限流保護(hù)系統(tǒng)收集電路系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，并輸出原邊電壓和原邊電流的波形，如圖3 所示。

圖3 軟件限流環(huán)處的電壓、電流輸出波形

根據(jù)圖3 可知，當(dāng)并聯(lián)逆變電源所在的電力系統(tǒng)中出現(xiàn)短路故障后，使用軟件限流保護(hù)的第一個(gè)開關(guān)周期中不采取拉低調(diào)制比的措施，完全借助于限流環(huán)自己的限流調(diào)節(jié)功能，將調(diào)制比從發(fā)生故障時(shí)的0.8 降低到穩(wěn)定狀態(tài)下的0.1，需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間。并且在這一過程中還會(huì)需要硬件電路輔助限流，因此無(wú)法避免電流、電壓畸變的情況。相比之下，將軟件限流環(huán)的調(diào)制比拉低，則能夠有效減少硬件保護(hù)時(shí)間，能夠在更短時(shí)間內(nèi)將輸出電流控制在穩(wěn)定值，既可以提高響應(yīng)速度，又不會(huì)產(chǎn)生電流畸變。

3.2.2 并聯(lián)電路恢復(fù)實(shí)驗(yàn)波形

當(dāng)并聯(lián)逆變電源所在的電力系統(tǒng)中，短路故障被排除以后，需要盡快使逆變電源從限流環(huán)切換至電壓環(huán)。如果切換不及時(shí)，很容易因?yàn)椴⒙?lián)短路恢復(fù)速度太慢，或者兩臺(tái)并聯(lián)逆變電源退出限流環(huán)的時(shí)間差太大，進(jìn)而引起震蕩。如果兩臺(tái)并聯(lián)逆變電源恢復(fù)時(shí)間相差太大，還有可能出現(xiàn)無(wú)法正?；謴?fù)的情況。短路保護(hù)中將電壓輸出波形作為判斷故障是否恢復(fù)的唯一指標(biāo)，雖然能夠保證兩臺(tái)逆變電源故障恢復(fù)后進(jìn)入電壓環(huán)不發(fā)生震蕩，但是此時(shí)電路中電流環(huán)的PI 參數(shù)遠(yuǎn)小于正常值。故輸出電壓要達(dá)到正常閾值需要花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間。從波形圖來(lái)看，大概要15 個(gè)基波周期。并且額定電壓越大，恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，因此將阻抗作為判斷故障恢復(fù)的標(biāo)志存在缺陷。相比之下，選擇基于負(fù)載平均阻抗和電壓相結(jié)合作為判斷依據(jù)，則能夠使短路故障在消除后的1 個(gè)基波周期內(nèi)，就可以讓逆變電源進(jìn)入電壓環(huán)，不僅恢復(fù)時(shí)間更短，而且可靠性也得到了保障。有線并聯(lián)和無(wú)線并聯(lián)下故障恢復(fù)波形如圖4 所示。

圖4 負(fù)載平均阻抗和電壓相結(jié)合判斷故障恢復(fù)實(shí)驗(yàn)波形

在短路故障排除后，從后臺(tái)收集負(fù)載平均阻抗的歷史數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)有明顯增加趨勢(shì)。而負(fù)載平均阻抗的增加，會(huì)使得兩臺(tái)逆變電源限流環(huán)的PI 參數(shù)相應(yīng)升高，故而讓輸出電壓以更快速度恢復(fù)至閾值。而當(dāng)實(shí)際電壓達(dá)到閾值后，并聯(lián)逆變電源自動(dòng)進(jìn)入電壓環(huán)，此時(shí)兩臺(tái)設(shè)備之間的電壓相等，實(shí)現(xiàn)了平滑過渡。

結(jié)束語(yǔ)

并聯(lián)逆變電源因?yàn)榫哂休^強(qiáng)的冗余性、可靠性，因此在一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、負(fù)荷較高的電力系統(tǒng)中得到了推廣使用。在并聯(lián)逆變電源運(yùn)行中，必須要采取短路保護(hù)措施來(lái)應(yīng)對(duì)短路故障對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的負(fù)面影響。基于軟件系統(tǒng)的限流保護(hù)是現(xiàn)階段比較常見的短路保護(hù)措施。選擇負(fù)載平均阻抗和電壓相結(jié)合的短路故障恢復(fù)判斷，能夠在短路故障排除后使電壓穩(wěn)定、快速地恢復(fù)至正常水平，進(jìn)一步提高了并聯(lián)逆變電源的實(shí)用效果。