安防之家讯：姜桂宾，裴云庆，杨旭，王兆安

（西安交通大学电气工程学院，陕西西安，710049）


该文提出了一种可适用于分布式发电系统或大容量UPS系统的高性能数模混合型逆变电源无线并联控制方案。这种控制技术以DSP为核心，通过检测逆变电源自身的输出功率来对高性能模拟SPWM逆变电源的电压幅值及频率进行下垂控制，从而实现了逆变电源的并联同步运行。实验结果表明，逆变电源均分负载电流的效果很好，逆变电源之间的环流很小。
关键词：正弦脉宽调制逆变器；无线并联；均流




1引言
逆变电源广泛应用于UPS等供电设备，多台SPWM逆变电源的并联运行可以扩大系统的容量，还可以组成并联冗余系统以提高系统的可靠性及可维护性[1]，同时可以通过逆变电源的并联运行将分布式洁净能源组成分布式发电系统。然而，SPWM逆变电源的并联运行相对的困难[2]，因为所有并联运行的SPWM逆变电源必须同步运行，否则，各逆变电源之间将存在很大的环流，过大的环流会使逆变器的负担加重，发散的环流将使系统崩溃，导致供电中断。
SPWM逆变电源的并联运行控制方式一般分为集中控制、主从控制、分散逻辑控制和无互联线独立控制4种方案[2]。在前3种控制方式中，各逆变电源之间存在较多的控制用互联信号线，且大容量的逆变电源并联时互连线的距离较远，干扰严重，尤其在分散式发电系统中，各逆变电源之间的距离在几百米甚至几公里以上，使得信号的传输变得复杂且降低了系统的可靠性，因此，这些控制方式不适合应用在分散式发电系统中。目前，可并联使用的UPS逆变电源系统基本为前3种控制方式，国外只有几家公司生产无信号线并联控制的UPS系统。
本文提出了一种高性能数模混合型逆变电源无线并联控制方案：数字均流外环控制高性能模拟逆变电源。逆变电源为高性能SPWM逆变电源，其控制方式为采用PI调节器的带电容电流反馈的瞬时电压波形控制[3~5]。它具有工作稳定，动态响应快，非线性负载适应能力强等特点，为实现高性能SPWM逆变电源无互联信号线并联奠定了基础。各台逆变电源之间的并联控制方式以DSP为核心，采用外特性下垂法，即采用输出电压的幅值及频率下垂法来实现逆变电源的无互联信号线并联运行。
本文阐述了无互联信号线并联的原理，并分析了并联系统环流的产生及其特性，提出了数模混合型逆变电源无互联信号线并联的控制方案，并给出了实验结果。
2逆变电源无线并联的原理
SPWM逆变电源并联工作系统如图1所示，电源系统包括并联的各逆变电源模块以及接在交流总线上的负载。为了便于分析，以下以2台逆变电源模块向同一负载供电为例进行分析，其等效电路如图2所示，其中X为线路阻抗。


逆变器1供给负载的复功率为

由于一般逆变器的输出电压U1与系统电压U0之间的相位差很小，则sinφ1≈φ1，如果令U1=k1U0则

同理得出逆变电源2的输出功率为

由此可以得出各逆变电源输出的有功功率主要取决于相位角φ，相位差超前者发出有功功率，反之吸收有功功率；并联逆变电源输出的无功功率则主要取决于输出的电压幅值U，幅值高者发出无功功率，反之吸收无功功率。
逆变电源相位角φ的调节是通过微调频率f来实现的，要调节各逆变电源输出的有功功率，只需对输出电压的频率作相应的调整。因此，可以通过改变逆变器的输出电压的频率来控制输出的有功功率；通过改变逆变器的输出电压幅值来控制输出的无功功率，从而把逆变电源的频率（相位）与幅值2个要素可以通过输出的有功功率P和无功功率Q进行非严格的近似解耦控制[6,7]。本文所采用的逆变电源无互联信号线并联运行策略正是基于这种系统的功率特性来进行控制的。逆变电源在并联运行时，各电源模块可根据自身的容量和输出的有功、无功功率，对其输出的电压频率、电压幅值进行相应的衰减调节来实现负载电流的均分和环流的抑制。根据以上分析，SPWM逆变电源输出电压频率、幅值可以按以下特性进行衰减调节控制（即外特性下垂法调节控制），来实现负载电流的均分和环流的抑制：

式中f0为空载频率；Dfmax为系统允许最大频率变化；Pei为逆变电源的额定有功功率；mi为频率衰减系数；U0为空载电压幅值，DUmax为系统允许最大电压幅值变化；Qei为逆变电源的额定无功功率；ki为电压幅值衰减系数。
图3为2台逆变电源的频率和幅值下垂特性示意图。

通过输出电压的频率、幅值的下垂法控制，实现了SPWM逆变电源的无互联信号线并联运行，但这种控制方式却牺牲了输出电压频率、幅值的稳定性指标。
3并联系统的环流特性分析
只有并联的各逆变电源均分负载电流而不产生环流，并联系统才能够正常、高效的工作。为了消除逆变器之间的环流，必须分析环流产生的原因及其特性。
逆变电源并联系统中的环流是由于各逆变电源模块的输出特性之间的差异所形成的。为了简化分析，假设图2中2台并联供电的逆变电源的容量相同，并且它们的输出电压U1、U2为标准正弦，线路阻抗X1、X2相等且为纯电感L则

据此可以得出：逆变器的输出电流包含负载电流和环流；当U1、U2同相不同幅值时，产生无功环流；当U1、U2同幅值不同相时，产生有功环流，且相位超前者环流分量为正有功分量，反之为负有功分量；当U1、U2幅值相位均不同时，环流分量中既有有功部分，又有无功部分；当U1、U2的波形畸变时，会产生谐波环流。
假设线路感抗L为额定负载的1，则0.1的相位误差引起的有功环流为

可见，0.1的相位误差引起的有功环流为额定负载电流的31.4，0.1的幅值误差引起的有功环流为额定负载电流的5。因此要实现有功电流及无功电流的均分，必须提高逆变电源频率及幅值的控制精度，尤其是频率的控制精度。
为了减小电压波形畸变引起的谐波环流，各台逆变电源的输出波形应接近标准正弦波，即输出电压的谐波总含量THD尽可能小。
采用下垂法实现无线并联时还应使得各台逆变电源的空载频率f0、空载电压幅值U0一致，同时，尽可能提高检测及控制精度。
4无线并联控制方案的实现
根据以上分析，本文提出了一种高性能的数模混合型逆变电源无线并联控制方案，其控制框图如图4所示。

它以高速数字信号处理器TPS320F240为核心，通过外扩12位高速A/D转换器检测输出的电压、电流，并基于瞬时无功功率理论[8]，计算出逆变电源的输出有功功率P及无功功率Q，通过下垂法计算出频率f及幅值U，然后合成正弦电压指令，经12位D/A转换后送至高性能逆变电源，此高性能逆变电源按照给定的电压指令输出正弦电压。
要实现有功电流及无功电流的均分，减小逆变器之间的环流，必须提高逆变电源频率及幅值的控制精度，尤其是频率的控制精度。本文所采用的控制方案中，DSP的时钟晶振为20MHz，DSP发出的电压指令的频率调节分辨率约为20万分之一，足以保证逆变器的有功功率的均分及有功下垂调节器的稳定性；DSP发出的电压指令的幅值调节分辨率约为四千分之一，足以保证无功功率均分及无功下垂调节器的稳定性。
高性能逆变电源作为电压给定指令的执行者，具有高稳定性、高稳压精度、输出高正弦度。它采用一种新颖的控制方案，此方案结构简单，仅有2个简单PI调节环：瞬时电压波形外环、高速电容电流内环。瞬时电压外环保证输出电压的跟踪精度，高速、低稳态误差的电容电流内环可以克服因负载波动或扰动电压对输出波形的影响，使得逆变电源实现了输出电压接近纯正弦，并且非线性负载适应能力强，在二极管整流负载条件下输出电压谐波总畸变率（THD）仅为0.17，动态响应速度快，突加减负载时调节过程小于200μs，输出电压精度优于0.1。由高性能逆变电源并联组成的电源系统，具有很强的负载适应能力。
由于采用瞬时电压波形外环的高性能逆变电源，在逆变器并联系统中，线路阻抗不可缺少，否则，逆变器的瞬时电压波形外环会失效，使逆变器不能正常工作。在实际的逆变电源并联系统中，每台逆变电源的输出串入了一个适当的阻抗。串入线路阻抗将导致非线性负载的电压波形有一定畸变，但它可以抑制并联运行的各台逆变电源间因谐波电压的差异而产生的谐波环流，同时也使得并联的各台逆变电源能够均分因非线性负载而产生的负载谐波电流及失真功率，从而不必在控制上考虑负载谐波电流及失真功率的均分。
5实验结果
根据本文提出的数模混合型逆变电源无线并联控制方案，制作了2台逆变电源的无线并联系统，每台逆变电源的主要参数如下：容量为1.5kVA；开关频率为20kHz；空载输出电压为110V；空载输出电压频率为50Hz；串联线路阻抗为0.2mH。图5~8为相关的实验波形。

图5为单台高性能逆变电源（不包含因并联而串入的输出电抗器）在突加减桥式整流滤波负载时的输出电压波形及输出电流波形。从图5可以看出：高性能逆变电源在突加减桥式整流滤波负载时，输出电压波形基本保持不变（实际测量空载及加载时的输出电压有效值均约为110V），并且在突加减负载时，输出电压的动态调整过程十分短暂（实际测量调节时间为200μs）,加载后输出电压的THD为0.17（表1为谐波含量表）。

图6为两台逆变电源并联时的空载环流波形，实际测量空载环流的有效值约为0.1A，仅为额定输出电流的0.7％。

图7为突加减阻性负载时2台并联逆变电源的输出电流波形，加载时2台逆变电源的输出电流有效值分别为3.71A和3.89A。图8为突加减桥式整流滤波负载时2台并联逆变电源的输出电流波形，加载时2台逆变电源的输出电流的峰－峰值分别为32.1A和31.4A。可以看出，负载电流均分的效果很好，但是还存在一定的差异，这是由于DSP晶振频率的差异、电流采样电阻的差异，以及电流传感器的零点漂移、线路阻抗的不平衡等因素引起的。如果提高逆变电源的空载频率f0和空载电压幅值U0一致性，以及检测、控制环节的精度，还可进一步提高均流效果。然而，不平衡的线路阻抗对无功功率的均分影响值得进一步深入研究。


6结论
本文阐述了无线并联的原理，并分析了并联系统环流的产生及其特性，从而提出了基于高性能逆变电源的无线并联控制方案。高性能SPWM逆变电源，其控制方式为采用双PI调节器的带电容电流反馈的瞬时电压波形控制，为实现高性能SPWM逆变电源无互联信号线并联奠定了基础。各台逆变电源之间的并联控制方式以DSP为核心，采用瞬时无功功率理论及逆变电源的外特性下垂法，即输出电压的幅值及频率下垂法，实现了逆变电源的无互联信号线并联运行，得到了满意的实验结果。

参考文献

[1]TuladharA，JinH，UngerT，etal．Paralleloperationofsinglephaseinvertermoduleswithnocontrolinterconnections[A]．AppliedPowerElectronicsConferenceandExposition，AtlantaUSA[C]．1997：94-100．
[2]段善旭（DuanShanxu）．模块化逆变电源全数字化并联控制技术研究（Paralleloperationcontroltechniquesofthemodularinvertersystembasedonfullydigitizedcontrol）[D]．华中科技大学（HuazhongUniversityofScienceandTechnology），2001：39-40．
[3]MichaelJRyan，RobertDLorenz．Ahighperformancesinewaveinvertercontrollerwithcapacitorcurrentfeedbackand‘Back-EMF’decoupling[A]．26thPowerElectronicsSpecialistsConference[C]．AtlantaUSA，1995，1：507-513．
[4]NaserAbdel-Rahim，JohnEQuaicoe．Analysisanddesignofamultiplefeedbackloopcontrolstrategyforsingle-phasevoltage-sourceUPSinverters[J]．TransactionsonPowerElectronics，1996．11：532-541．
[5]LuJialin，SuYanmin．Anovelcontrolstrategyforhighpowerhigh-performanceACpowersupplies[A]．27thConferenceonIndustrialElectronicsControlandInstrumentation[C]．Denver，USA，2001，2：1178-1183．
[6]DuanShanxu，MengYu，ChengJian，etal．ParalleloperationcontroltechniqueofvoltagesourceinvertersinUPS[A]．IEEEInternationalConferenceonPowerElectronicsandDriveSystems[C]．HongKong，1999，2：883-887．
[7]AnilTuladhar，HuaJin，TomUnger，etal．Controlofparallelinverterindistributedacpowersystemswithconsiderationoflineimpedanceeffect[J]．IEEETransactiononIndustrialApplications，2000，36(1)：131-138．
[8]王茂海，刘会金（WangMaohai，Liuhuijin）．通用瞬时功率定义及广义谐波理论（Auniversaldefinitionofinstantaneouspowerandbroadsenseharmonictheory）[J]．中国电机工程学报（ProceedingsoftheCSEE），2001，21(9)：68-73

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