逆變器的并聯(lián)運行技術(shù)

摘要：介紹多個(gè)電源模塊并聯(lián)使用時(shí)，會(huì )產(chǎn)生的問(wèn)題及其解決方法。

關(guān)鍵詞：電源模塊 并聯(lián)運行 均流

信息技術(shù)的迅速發(fā)展，對其供電系統的容量、性能和可靠性要求越來(lái)越高，也推動(dòng)著(zhù)電力電子技術(shù)的研究不斷深入，研究領(lǐng)域不斷拓寬。多模塊并聯(lián)實(shí)現大容量電源被公認為當今電源變換技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。多個(gè)電源模塊并聯(lián)，分擔負載功率，各個(gè)模塊中主開(kāi)關(guān)器件的電流應力大大減小，從根本上提高可靠性、降低成本。同時(shí)，各模塊的功率容量減小而使功率密度大幅度提高。另外，多個(gè)模塊并聯(lián)，可以靈活構成各種功率容量，以模塊化取代系列化，從而縮短研制、生產(chǎn)周期和降低成本，提高各類(lèi)開(kāi)關(guān)電源的標準化程度、可維護性和互換性等。

80年代國外開(kāi)始研究DC/DC變換器并聯(lián)運行技術(shù)，現已取得實(shí)用性的成果，而新的均流技術(shù)、系統穩定性等方面的研究仍在不斷深入。同主電路和控制電路的研究發(fā)展過(guò)程一樣，逆變器并聯(lián)運行技術(shù)的研究也是在借鑒DC/DC并聯(lián)技術(shù)的基礎上不斷深入。但由于是正弦輸出，其并聯(lián)運行遠比直流電源困難，首先要解決三個(gè)問(wèn)題：

（1）兩臺或多臺投入運行時(shí)，相互間及與系統的頻率、相位、幅度必須達到一致或小于容許誤差時(shí)才能投入，否則可能給電網(wǎng)造成強烈沖擊或輸出失真。而且并聯(lián)工作過(guò)程中，各逆變器也必須保持輸出一致，否則，頻率微弱差異的積累將造成并聯(lián)系統輸出幅度的周期性變化和波形畸變；相位不同使輸出幅度不穩。

（2）功率的分配包括有功和無(wú)功功率的平均分配，即均流包括有功和無(wú)功均流。直流電源的均流技術(shù)不能直接采用。

（3）故障保護。除單機內部故障保護外，當均流或同步異常時(shí)，也要將相應逆變器模塊切除。必要時(shí)還要實(shí)現不中斷轉換。

目前，實(shí)現逆變器并聯(lián)運行的幾類(lèi)典型方法有：

1 自整步法[1][2][3]

并聯(lián)系統中各模塊是等價(jià)的，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的控制模塊。通過(guò)模塊間的均流線(xiàn)實(shí)現同步和均流，源于航空恒速恒頻（CSCF）電源的自整步并聯(lián)技術(shù)[2]。其基本原理是（見(jiàn)圖1）：

以?xún)陕凡⒙?lián)為例。當兩通道的輸出電壓略有偏差時(shí)，將會(huì )有偏差電壓存在。幅度偏差引起的與、基本上同相，見(jiàn)圖1（c），相位偏差引起的與、基本上垂直（超前90°），見(jiàn)圖1（b），盡量減小、的幅值和相位偏差將會(huì )減小偏差電壓(=＋)，從而減小環(huán)流(=＋)，見(jiàn)圖1（a）。類(lèi)似CSCF電源系統，逆變器輸出端一般接有串聯(lián)電感L和分流電容C構成的輸出濾波器，但并聯(lián)時(shí)兩通道間的差模阻抗(Z1－Z2)，見(jiàn)圖1(a)只含L，而C歸入負載阻抗。忽略導線(xiàn)電阻，則引起的偏差電流滯后90°，與、基本同相，引起的偏差電流則滯后、90°，因此對相位偏差的控制，可以實(shí)現對偏差電流有功分量的控制，使兩通道分擔的有功功率趨于均衡；而對幅值偏差的控制，可以實(shí)現對偏差電流無(wú)功分量的控制，使無(wú)功功率趨于均衡。

偏差電流可以通過(guò)圖2電流檢測環(huán)CTLOOP實(shí)現。設通道1、2的電流互感器次級電流分別為、I1、I2，流過(guò)采樣電阻R1、R2的電流分別為、，則電流檢測閉合環(huán)路：

IR1R1＋IR2R2=(I1－IT)R1＋(I2－IT)R2=0

一般取R1=R2則IT=(I1＋I2)/2可見(jiàn)，IT體現了負載電流均值、而IR1、IR2體現了電流偏差，將其分離成有功、無(wú)功分量，并分別用于調整電壓相位和幅值，見(jiàn)圖3，從而實(shí)現有功和無(wú)功功率的均衡。

這一方法適合開(kāi)環(huán)控制的低頻調制逆變器，電流檢測、分解和控制環(huán)節的電路復雜，調節時(shí)間長(cháng)、精度低。

2 外特性下垂法[4]

出發(fā)點(diǎn)類(lèi)似于直流輸出變換器并聯(lián)均流的下垂法。模塊間沒(méi)有控制信號連線(xiàn)。它僅以本模塊有功功率、無(wú)功功率和失真功率為控制變量，從而使各模塊獨立工作。各模塊有自己的控制電路，之間唯一的連接是各模塊交流并聯(lián)功率輸出線(xiàn)。均流靠模塊內部輸出頻率、電壓和諧波電壓分別隨輸出的有功功率、無(wú)功功率和失真功率呈下垂特性，從而實(shí)現同步和均流。

并聯(lián)的各模塊為帶電流內環(huán)和電壓外環(huán)的正弦波逆變器，見(jiàn)圖4，AC為公共負載線(xiàn)，Zline為輸出端導線(xiàn)阻抗。

（1）線(xiàn)性負載的均流

令Zline為純感性，由圖5，可導出模塊i（i=1，2）的有功功率無(wú)功功率

Pi=EiU / X sinδi

無(wú)功功率 Qi=EiUcosδi / X

上式表明，兩模塊有功功率的均衡主要取決于功率角δ1和δ2的一致性，而無(wú)功功率主要取決于逆變器輸出電壓有效值E1和E2的一致性。令各模塊

ω=ω0－m·P

U=U0－n·Q

式中：ω0、U0分別為空載時(shí)的角頻率和有效值；

m、n分別為ω和U的下降率。

下垂特性使各模塊的功率流受控。兩模塊并聯(lián)時(shí)，下垂特性使系統的頻率和電壓跌落到新的工作點(diǎn)，該點(diǎn)環(huán)流最小。

（2）非線(xiàn)性負載的均流

此時(shí)，視在功率S的表達式中又增加了一項諧波電流造成的失真功率D：

S 2=P 2＋Q 2＋D 2

與基波無(wú)功功率不同，只調整逆變器輸出電壓的基波分量不會(huì )影響失真功率，解決這一問(wèn)題的方法之一是作為失真功率的函數調整電壓環(huán)增益，使電壓環(huán)的增益和帶寬隨諧波分量而降低，從而得到所需的輸出阻抗特性。借此降低諧波電壓分量，改善各模塊對諧波電流的均流，如圖4所示。

這一方案的關(guān)鍵環(huán)節是功率計算單元。算法必須能處理線(xiàn)性和非線(xiàn)性?xún)煞N負載情況。算法所需信息源于電感電流和輸出電壓，其基本思路是將電感電流諧波分解，然后以輸出電壓與之相乘，從而得到各個(gè)功率分量。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是各模塊僅在負載端相連，方便現場(chǎng)組成并聯(lián)系統，特別適合于分布式并聯(lián)系統。缺點(diǎn)是下垂特性造成系統的頻率和電壓隨負載而變，偏離理想工作點(diǎn)（雖然理論上偏離可以很?。?。文中提供的仿真和實(shí)驗結果表明，均流效果不夠理想，特別是動(dòng)態(tài)過(guò)程或帶非線(xiàn)性負載時(shí)，算法實(shí)現較復雜。

3 主從模塊法[5][6][7]

如參考文獻[5]介紹的主從式并聯(lián)系統，由一個(gè)電壓控制PWM逆變器（VCPI）單元、數個(gè)電流控制PWM逆變器（CCPI）單元（功率單元）和功率分配中心（PDC）單元組成并聯(lián)系統。并聯(lián)系統的基本結構如圖6所示，它包括：

（1）一個(gè)VCPI主控單元，其電壓調節器保證系統輸出幅度、頻率穩定的正弦電壓；

（2）N個(gè)CCPI從單元，設計其具有電流跟隨器性質(zhì)，分別跟隨PDC單元分配的電流；

（3）PDC單元檢測負載電流，并平均分配給各CCPI單元，且是同步的。

VCPI單元通過(guò)鎖相環(huán)（PLL）使其正弦輸出電壓與市電或自身產(chǎn)生的基準電壓信號同步，而輸出電流取決于負載性質(zhì)。它與常規的逆變器或UPS無(wú)異。

CCPI單元必須具備快速響應性能以跟隨所分擔的負載電流，不需要PLL實(shí)現同步，故可適應VCPI輸出頻率的變化。輸出電壓被看作干擾輸入，通過(guò)前饋加以補償。

PDC的主要功能是監控整個(gè)系統的工作狀態(tài)，并按各單元的視在功率Si為各工作單元分配電流。

該并聯(lián)系統采用單一電壓調節器，CCPI單元無(wú)需同步電路，故系統穩定性好，易于容量擴展；均流效果好。問(wèn)題是VCPI、CCPI和PDC是不同性質(zhì)的模塊單元，構成復雜，不能完全實(shí)現系統冗余，存在故障瓶頸現象。

4 熱同步并機技術(shù)[8]

一種稱(chēng)做“熱同步并機”的逆變器并聯(lián)技術(shù)，已應用在UPS產(chǎn)品中。它不需要在兩臺UPS之間設置通信信號，在先進(jìn)的微處理器所提供的數字信號處理技術(shù)的支持下，采用獨特的自適應調控技術(shù)，每臺UPS只需檢測自己的輸出電壓、電流、相位和功率的變化狀態(tài)，就能實(shí)現同步和均流。其基本原理是：首先，兩臺UPS的輸出電壓被調至相同的幅度，參數和性能的一致性必須很好。在這一前提下，并聯(lián)工作時(shí)，若其相位略有差異則輸出波形處于“超前”狀態(tài)的那臺，就會(huì )承擔較大的負載電流。因此，每臺UPS檢測自己每個(gè)周期輸出功率的變化情況，當變化量增大時(shí)，說(shuō)明其相位超前，應略降低輸出頻率。每次頻率的調節量（步長(cháng)）是極小的，以確保負載均分的平滑性和頻率精度。它可以做到模塊均流的不平衡度小于2％。

它本質(zhì)上屬于“外特性下垂法”的一種簡(jiǎn)化形式。算法實(shí)現復雜，對模塊參數的一致性要求較高。

5 無(wú)主從同步均流技術(shù)[9][10]

在分析和借鑒逆變器現有并聯(lián)方法的基礎上，我們研究了一種基于先進(jìn)的電流型瞬時(shí)反饋控

制技術(shù)的逆變器并聯(lián)運行系統的構成方式。其實(shí)現要點(diǎn)是：

（1）各個(gè)逆變器模塊的基準信號發(fā)生電路之間通過(guò)局部反饋（同步信號）實(shí)現基準信號的同步（同頻、同相、同幅），為各模塊提供公共的基準信號；

（2）各模塊電壓調節器的輸出信號共同作用生成各模塊公共的電流基準。

此并聯(lián)系統突出的結構特點(diǎn)是：

（1）電壓基準同步環(huán)節和電流基準生成環(huán)節分散在各個(gè)逆變器模塊中，各模塊完全等價(jià)；

（2）構成并聯(lián)系統時(shí)不用附加額外的控制模塊，通過(guò)模塊間的少量信號線(xiàn)（2～3條）實(shí)現輸出同步和均流；

（3）理論上可以任意數目模塊并聯(lián)，也可單機運行。

其優(yōu)良的控制性能體現在：

（1）并聯(lián)系統的動(dòng)、靜態(tài)性能不低于單模塊設計性能；

（2）各模塊電感電流的均衡程度基本上只取決于各模塊電流反饋系數的一致性。當電流采樣電路參數安全相同時(shí)，理論上各模塊沒(méi)有均流誤差。

缺點(diǎn)是只適用于電流型控制的逆變器。