逆變電源并聯控制綜述

潘慧梅

(攀枝花學院 電氣信息工程學院，四川 攀枝花 617000)

逆變電源并聯控制綜述

潘慧梅

(攀枝花學院 電氣信息工程學院，四川 攀枝花 617000)

逆變器并聯雖然能提高電源系統的容量、可維護性和可冗余度，但是其主電路設計和控制方法比單臺逆變器復雜，基于此，詳細綜述了逆變器主電路的拓撲結構。在主電路結構中，分別介紹了獨立并聯系統、交互并聯系統、獨立直流電源逆變器并聯和共用直流電源并聯的主電路結構，同時分別介紹了各自的優缺點，針對不同的主電路拓撲電路，介紹了相應的控制方法。對提高工業自動化電源、高端焊接逆變電源系統的穩定性和可靠性具有一定的參考價值。

逆變電源；并聯；直流電源；拓撲電路；控制

0 前言

隨著電力電子技術不斷的發展，逆變電源并聯廣泛應用于工業自動化、軍工以及船舶等高端設備系統中。多臺逆變電源的并聯運行不僅可以擴大系統的容量，還可以組成并聯冗余系統以提高系統的穩定性、可靠性和可維護性。由于單臺逆變電源運行時，一旦該逆變電源發生故障，整個供電設備將無法運行，處于癱瘓狀態，這是單個逆變器運行存在的最大問題。另外，在大容量的電源系統中，單臺大容量逆變電源的大功率開關器件昂貴、開關損耗大、諧波成分抑制難、電磁干擾(EMI)嚴重、控制方法困難，而小功率的逆變電源又不能滿足用戶用電的要求。因此，為了提高電源的容量、可靠性、穩定性和可維護性，可行的辦法是讓多臺逆變器并聯運行。電源系統正向著系統模塊化、可冗余、低損耗、高效率等方向發展。在此綜述了相關并聯逆變器系統大量的國內外參考文獻，再加上長期對逆變電源并聯系統的研究，全面地闡述了逆變電源并聯系統的主電路拓撲結構和控制方法[1-2]。

逆變電源并聯控制思想是建立在早期的直流電源并聯的基礎上，逆變電源并聯從電路拓撲結構和控制方法比直流電源更復雜，因為所有并聯運行逆變電源必須同步運行，否則各逆變電源之間將存在很大的環流，過大的環流不僅造成系統更多的功率耗損，嚴重時造成開關管功率器件損壞，達不到逆變電源并聯的目的[1]。本研究的綜述分析對提高工業自動化電源、高端焊接逆變電源系統的穩定性和可靠性具有一定的參價值。

1 逆變器并聯拓撲電路

逆變器并聯系統的結構形式多種多樣，從不同的角度具有不同的劃分方法。按照是否與公用電網進行能量交換，可以分為獨立并聯系統和交互式并聯系統；按照是否公用直流電源，可以分為獨立直流電源的并聯系統和共用直流電源的并聯系統；按照逆變器的輸出特性，可以分為電壓源逆變器并聯、電流源逆變器并聯和兩者混合并聯系統[3-6]。

1.1 獨立并聯系統

獨立逆變器并聯系統不與公共電網連接，逆變的交流電直接為負載提供電能。逆變器的類型可能是電壓控制型、電流控制型、電流控制型和電壓控制型的混合并聯系統。電壓控制型逆變器并聯時，處于并聯狀態的每一臺逆變器相當于一個電壓源，都具有相同的地位，這種并聯系統拓撲結構的優點是便于實現模塊化，由于并聯系統中的每臺逆變器是一個電壓源，多臺逆變器并聯之后其輸出濾波器的諧振頻率會發生改變，使得并聯系統的波形控制難度加大，導致諧波環流成分的增加(見圖1a)。在電壓控制型逆變器和電流控制型逆變器的混合并聯系統中，首先由電壓控制型逆變器工作，以電壓型逆變器輸出的電壓波形作為其他電流型逆變器控制波形的參考電壓，也就是所有的電流控制型逆變器跟追電壓控制型逆變器的輸出電壓波形，逆變器之間自動實現均流。在這種并聯控制方案中，只有一臺逆變器相當于是電壓源，其他都是電流源，逆變器并聯系統不會改變其諧振頻率，波形質量好，諧波環流較小(見圖1b)[7-11]。

圖1 獨立并聯逆變器示意

1.2 交互式并聯系統

交互式并聯系統與獨立并聯系統的區別是交互式并聯系統中的逆變器與公共電網進行能量交換。隨著新能源的發展，交互式并聯系統得到越來越廣泛的應用。在這種系統中，若分布式供電所提供的能量不足以滿足本地用戶需求時，就從電網吸收一部分額外的能量，相反，若分布式供電系統所提供的能量超出了本地用戶的需求時，可以將多余的能量回饋至電網，這種系統可以實現能量共享和能源的充分利用[6-11]。

1.3 獨立直流電源的逆變器并聯

具有獨立直流電源供電的逆變器并聯系統結構如圖2所示，其對單機系統而言是一臺獨立的供電系統，將這種結構模式的逆變器進行并聯要考慮以下問題[11-15]：

圖2 兩個單相并聯逆變器電路

(1)由于每一臺逆變器的直流電源是獨立的，很難保證處于并聯狀態的每臺逆變器直流電壓的一致性，在并聯逆變器的控制中，忽略死區效應和功率開關器件的開關特性不一致的影響，總是期望處于并聯狀態的逆變器輸出交流電壓的相位、幅值和頻率是嚴格一致的。如果每臺逆變器的直流電壓不一致，可以通過檢測每一臺逆變器輸出電壓和電流的瞬時值控制SPWM的波形，確保兩臺逆變器的輸出相位完全一致，在實際應用中，由于逆變器的開關管工作頻率為幾十kHz，電磁干擾比較大，并且輸出的交流電壓中還存在交流電壓的諧波。因此很難測試到輸出電壓、電流取樣信號的真實值，如果用數字控制，很難實現用SPWM的方法來控制，最好的辦法是盡量保證每一臺逆變器的直流電壓保持一致。為了達到這個目的，可以在DC／AC前級加一個DC／DC電路，這樣有兩個優點：一是根據逆變器的要求通過DC／DC的升壓或降壓原理達到每一臺逆變器需要的直流電壓；二是可以使每一臺逆變器的直流電壓基本保持一致，如圖3所示。

(2)在這種具有獨立直流母線電壓的逆變器并聯系統當中，如果各直流電源的動態響應不一致，則在直流母線電壓的動態過程調節中也會在并聯狀態的逆變器之間形成諧波環流。

(3)若控制不當，在各臺并聯逆變器之間產生了較大的有功環流，且該有功環流是單方向的，則有可能使其中一臺逆變器輸出負的有功電流，即該臺逆變器成為其他逆變器的負載(這種狀況最容易出現在逆變器空載并聯時)，從而會使其直流側電壓獲得抬升，很容易損壞直流側電容或開關器件。

圖3 多臺光伏發電系統逆變器并聯示意

1.4 共用直流電源的逆變器并聯

共用直流電源的兩臺逆變器并聯系統拓撲結構中，由于處于并聯狀態逆變器的直流母線電壓始終保持一致，可以更好地達到輸出電壓、電流波形一樣，保證均流，但還是存在以下兩個問題：

(1)應當將濾波電抗器一分為二，將逆變器1的濾波電抗器分解為L11和L12，將逆變器2的濾波電抗器分解為L21和L22，且采取對稱接法，這樣能夠避免由于各臺逆變器開關管的開關模式不一致而導致的直流電源短路，也可以在每一臺逆變器輸出的交流電壓零線端接一個電感，從而防止短路，如圖4所示。

圖4 共用直流母線并聯逆變器主電路結構

(2)在這種共直流電源的逆變器并聯系統中，如果并聯各臺逆變器開關頻率、死區時間等參數不一致，同樣會在各逆變器之間產生環流，因此在實際應用中，每一臺逆變器的器件參數應一致，同時在每一臺逆變器調試時應注意其調試數據應保持一致，否則會在并聯時出現異常現象[15-19]。

2 逆變器并聯的控制方法

將多臺單個逆變器并聯在一起，要使它們能夠穩定可靠的運行，除了一個好的拓撲電路結構外，還需要一種可行的控制策略。逆變器輸出的是交流電壓，在任意時刻必須保持處于并聯運行的每一臺逆變器輸出電壓的頻率、相位和幅值嚴格一致，否則會在并聯逆變器之間產生很大的不經過負載的電流(環流)，導致并聯系統崩潰。采用有效的控制策略，可以使處于并聯運行狀態的各逆變器輸出電壓的幅值、頻率和相位保持同步，并有效地抑制這種環流。目前逆變器并聯系統的控制策略有：集中控制、主從控制、分散控制和無互連線分散控制等[16-23]。

主從模塊控制方式是選擇一個模塊作為主模塊運行，其他模塊由主模塊控制，主模塊逆變器用電壓控制，以保證系統輸出的幅度、頻率穩定的交流電壓與自身產生的基準電壓同步。在主從控制方案中，并聯逆變器系統中有一臺是電壓控制型的，其輸出相當于是電壓源，該模塊稱為主模塊，它支撐并聯系統的輸出電壓，其他所有的逆變器均作為電流源輸出，這些模塊稱為從模塊，且從模塊將主模塊的輸出電流作為自己的電流指令。主從控制方案與集中控制方案相比較而言，減少了集中控制中心，因此主從并聯系統的可靠性相對集中控制要高一些，但是，各從模塊仍然需要從并聯的主模塊得到電流指令，如果再考慮到在線熱插拔功能的實現，控制邏輯相當復雜。因此也不能實現真正的模塊化。

分散邏輯式也稱為對等式或自整步法，它是將系統的控制權進行分散化和獨立化，將均流控制分散在各個模塊中，通過模塊間的信號互連線獲得信息，所有模塊都是相同的，可以真正實現冗余，最終使系統中各個單元實現獨立工作。逆變器的均流控制是基于所有處于并聯運行狀態的逆變器之間的并聯通信總線完成的。分散邏輯并聯控制方式中各逆變電源之間互聯線較多，且大容量設備并聯時互聯線距離較遠，干擾很嚴重。

無互連線方式也稱外特性下垂法，它借鑒于同步發電機并網時的控制策略，通過人為引入頻率和幅值下垂特性實現各臺逆變器總功率均分。電壓頻率下垂控制方式主要依靠調節開關頻率的外部特性的傾斜度，以達到并聯逆變器均流控制的目的，電壓頻率下垂控制方式的關鍵是功率單元的計算，這種并聯控制方式僅檢測本模塊的輸出功率，進行有功和無功功率分解后，分別調整模塊輸出電壓的頻率和幅度以實現均流，由于完全消除了并聯各逆變器之間的通信互聯線而取消了并聯逆變器之間距離上的限制，減小外界的噪聲和干擾，真正實現冗余結構和模塊化設計，因而可構成真正意義上的分布式供電系統

3 結論

詳細分析了逆變器并聯的拓撲電路結構和控制方法。在主電路結構中，分別介紹了獨立并聯系統、交互并聯系統、獨立直流電源逆變器并聯和共用直流電源并聯的主電路結構以及各自的優缺點，針對不同的主電路拓撲電路介紹相應的控制方法。在實際工業自動化應用中，要對工藝要求和負載的特性有針對性的選用主電路結構和與其對應的控制策略，對工業自動化電源的穩定性和可靠性提供一定的參考。

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Reviews on parallel circuit of interver power

PAN Hui-mei
(School of Information and Electric Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000，China)

The parallel of inverter power can improve power system's capacity，maintainability and redundancy，but design of main circuit and control method is more complex.This paper detailed the analysis of the inverter's main circuit with topology.including independent parallel systems，interactive parallel system，independent parallel of DC power inverter and parallel of common DC power，and their advantages and disadvantages.Aim to different topologycal main circuit，this paper introduced the relevant control method，which is of certain guidance for improving the stability and reliability of industrial automatic power and high-end inverter welding power system.

inverters；parallel；DC power；topological circuit；control

TM71

C

1001-2303(2011)05-0022-04

2011-01-03；

2011-03-16

潘慧梅(1970—)，女，內蒙古武川人，講師，碩士，主要從事電力電子傳動、電機理論及電氣控制研究工作。