基于分布式的逆變電源并聯(lián)控制技術(shù)

　　逆變電源的并聯(lián)技術(shù)是提高逆變電源供電可靠性和擴大供電容量的重要技術(shù)手段。當前大容量的逆變電源的發(fā)展趨勢是采用新型全控高頻開(kāi)關(guān)器件構成逆變電源模塊單元，再通過(guò)多個(gè)模塊并聯(lián)進(jìn)行擴容。這樣可以提高逆變電源模塊的通用性和靈活性，使系統設計、安裝、組合更加方便，同時(shí)增加系統的冗余性和可靠性。交流電源間的并聯(lián)遠比直流電源并聯(lián)運行復雜，由于其正弦波輸出，逆變電源的并聯(lián)需要滿(mǎn)足5項條件，即相同的電壓、頻率、波形、相位和相序，只有這樣才能消除環(huán)流、均分負載功率，達到最佳的運行狀態(tài)，真正實(shí)現逆變電源并聯(lián)。

　　目前，逆變電源并聯(lián)控制方式一般分為集中控制、主從控制、分布式控制、3C控制和無(wú)互連線(xiàn)獨立控制5種控制策略。

　　在現有的各種控制方式中，集中控制、主從控制在實(shí)際應用中都有一定的應用，但由于并聯(lián)控制電路故障可能會(huì )引起整個(gè)系統故障停機，所以應用受到一定的限制。3C控制實(shí)際上是對分布式控制的一種改進(jìn)，而無(wú)互連線(xiàn)控制與實(shí)際應用有一定的差距，所以分布式控制相對有一定的優(yōu)勢。

　　1 分布式控制并聯(lián)控制策略

　　1.1 分布式控制的概念

　　分布式控制技術(shù)又稱(chēng)分散邏輯控制，將系統的各個(gè)中心環(huán)節的控制權進(jìn)行分散化和獨立化，實(shí)現系統中各個(gè)單元的獨立工作。這種控制方式可實(shí)現真正的冗余并聯(lián)，有1個(gè)模塊故障退出時(shí)，并不影響其他模塊的并聯(lián)運行；可靠性高、危險性分散、功能擴展容易等良好的特性已在眾多領(lǐng)域中得到了廣泛應用；成為計算機系統發(fā)展的主要方向之一，是一種比較完善的分布式智能控制技術(shù)。

　　1.2 分布式并聯(lián)的控制原理

　　逆變電源并聯(lián)控制策略中，集中控制和主從控制都可能因為部分電路故障而使整個(gè)系統故障停機。分布式并聯(lián)控制[1]策略可解決該問(wèn)題，在各逆變電源中綜合每個(gè)電源模塊的電流及頻率信號，得出各自頻率及電壓的補償信號，該方式能實(shí)現真正的N+1運行模式。

　　各模塊并聯(lián)控制單元檢測相應模塊的市電頻率和相位，給其他各電源模塊發(fā)出同步脈沖，無(wú)市電時(shí)，同步脈沖有晶振產(chǎn)生，各個(gè)逆變電源的鎖相環(huán)電路用來(lái)保證其輸出電壓頻率和相位與同步總線(xiàn)脈沖信號同步。并聯(lián)控制單元將其他模塊單元負載電流與本機負載電流作比較，求出電流偏差，并將其作為電壓指令的補償量發(fā)送給每個(gè)逆變電源單元，以消除各模塊輸出電流的不平衡?？刂凭C合部分的均流及同步原理如圖1所示。

　　1.3 并聯(lián)系統控制方案

　　在目前所見(jiàn)的文獻里，分布式控制并聯(lián)方案主要包括有功無(wú)功控制和平均電流瞬時(shí)控制方案兩種。

　　1.3.1有功無(wú)功控制方案

　　有功和無(wú)功并聯(lián)控制,即功率偏差并聯(lián)控制。通過(guò)每個(gè)逆變電源單元檢測出本單元輸出的有功和無(wú)功的偏差值,以調節逆變電源單元輸出電壓的相位和幅值,保證每個(gè)逆變電源單元輸出的有功無(wú)功相等,達到均流的目的。

　　以2臺逆變電源模塊向同一負載供電為例進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，如圖2所示，其中X為線(xiàn)路阻抗，U0為并聯(lián)電網(wǎng)電壓。

　　由式(5) 和式(6)可看出逆變電源的輸出有功的大小主要取決于功率角，而輸出無(wú)功功率則主要取決于輸出電壓的幅值，因此，可以通過(guò)改變逆變電源的輸出電壓幅值來(lái)控制無(wú)功功率，通過(guò)改變相位來(lái)控制有功功率，從而實(shí)現各輸出電源模塊的均流。 基于有功無(wú)功控制策略系統圖如圖3所示。

　　通過(guò)上述分析可得出這種控制策略的特點(diǎn)：

　?。?）采用3條并聯(lián)控制線(xiàn)：有功功率線(xiàn)、無(wú)功功率線(xiàn)、頻率線(xiàn)；

　?。?）各模塊之間地位一致, 可以實(shí)現真正的分布式冗余控制；

　?。?）并聯(lián)控制線(xiàn)屬于直流信號, 抗干擾能力較強；

　?。?）屬于平均值控制方式, 動(dòng)態(tài)響應較差；

　?。?）有功、無(wú)功的計算量大。

　　1.3.2平均電流瞬時(shí)控制方案

　　平均電流瞬時(shí)控制方案一般通過(guò)鎖相環(huán)電路保證各模塊基準電壓的嚴格同步，通過(guò)求出各模塊輸出電流的瞬時(shí)平均值進(jìn)行電流的調節，以達到均流的目的。

　　根據戴維南定理，1個(gè)逆變器可以用圖4所示的等效電路來(lái)表示，其中GUi是一個(gè)可控變電壓源，Z是逆變電源的輸出阻抗，Zp是連接逆變電源輸出端到負載的連線(xiàn)阻抗，Zl是負載阻抗。

　　在逆變電源并聯(lián)系統中，每個(gè)逆變電源都是一個(gè)電壓源，如果各個(gè)逆變電源完全一致，那么負載電流就會(huì )自動(dòng)地平均分配到各個(gè)逆變電源模塊中去，然而實(shí)際電路中逆變電源的參數或多或少都會(huì )有偏差，這些參數偏差最終導致逆變電源的輸出電流有偏差。因此，可以把參數偏差當作是加于逆變電源輸出電流的一種干擾。為方便分析圖4所示等效圖，把所有參數偏差造成的影響集中起來(lái)并用一個(gè)干擾源id來(lái)表示，這樣均流問(wèn)題就成為一個(gè)抗干擾問(wèn)題，如圖5所示。

　　引入一個(gè)干擾源來(lái)代表所有誤差偏離，那么并聯(lián)逆變電源系統中各個(gè)逆變模塊就可以看成是一致的,如圖6 所示。

　　式（12）、式（13）展示了系統電壓調節和均流特，性系統是否穩定由式（12）、式（13）分母的根的位置決定。

　　基于上述分析可知該控制策略的特點(diǎn)如下:

　　(1)電壓基準、電壓反饋、電流基準均為各并聯(lián)模塊相應信號的平均值，并聯(lián)后系統的動(dòng)靜態(tài)性能不低于單模塊設計性能，且不需附加額外的并聯(lián)控制模塊；

　　(2)各個(gè)模塊之間地位一致, 可以實(shí)現真正的分布式冗余控制;

　　(3)并聯(lián)方法模塊間的模擬信號線(xiàn)較多，不適于遠距離通信，易受干擾；

　　(4)并聯(lián)控制電路復雜，可靠性降低。

　　2 結論

　　基于分布式的逆變電源并聯(lián)運行不僅可以滿(mǎn)足容量擴充的要求，也可組成并聯(lián)冗余系統，提高運行的可靠性，同時(shí)也使整個(gè)系統具有極高的系統可維護性能，在逆變單元出現故障時(shí)，可方便地進(jìn)行熱插拔更換或維修。本文對分布式并聯(lián)控制的常用方法進(jìn)行了詳細的原理闡述和簡(jiǎn)單的比較，指出了其優(yōu)缺點(diǎn),在實(shí)際應用中可以根據側重點(diǎn)進(jìn)行選擇。