淺談逆變器并聯運行技術

摘要：文章介紹了UPS的分類與應用情況，分析了采用逆變器并聯技術的UPS系統的優勢并對逆變器運行的有功、無功功率控制及主從式控制等多種控制方案進行了討論。

關鍵詞：逆變器；并聯運行；UPS

中圖分類號：TM464 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）28-0053-03

1 概述

現代社會對用電設備的要求不斷增加，單模塊的大功率系統已經不符合現代供電要求，并聯逆變器的應用可有效解決集中供電中存在的問題。采用多模塊并聯工作的方式已經得到了極大推廣，但由于交流電源的參數較多且復雜，實現逆變器并聯就有一定的技術難度。要滿足均流與各參數同步的要求則需要對其采取一定的控制措施。近年來逆變器并聯的研究更是成為了科學研究的熱門課題，其控制方案很多，最終目的都是使并聯的逆變器之間均分負載功率，包括有功功率和無功功率。本文介紹了幾種常用的控制方案，并對新型的逆變器并聯技術進行了研究討論。

2 UPS的分類與應用

2.1 一般的UPS的分類與應用

UPS（Uninterrupted Power System）即不間斷電源系統，是一種由逆變器、電池組等為主要組成部分的恒壓、恒頻的不間斷電源，是一種含有儲能的裝置。供電能力較差的普通電源采用UPS設備，電源經過UPS時，其內部的整流濾波器會將電源過濾為直流電源。逆變器也是UPS的重要組成部分，依據正弦脈寬調制法的原理，經由整流濾波器變為直流電的電流可由逆變器將其調制為純正的高質量正弦波電源再進行輸出，達到提高電源質量的目的。而且在UPS內部裝有蓄電池或電池組等，當供電出現間斷故障或完全停電時，UPS內部的蓄電池依然可繼續向逆變器提供直流電源，UPS系統可毫不間斷地輸出保障用電，且輸電質量依然為無波形擾動的高質量交流或直流電源。根據蓄電池儲電能力的不同，UPS系統在斷電后提供的后備供電時間也不同，一般的市供電采用的UPS系統的供電時間在10min以內，對于特殊的或者要求較高的用戶，可通過擴充電池組的方式延長后備供電時間。

UPS主要分為在線式UPS、在線互動式UPS和后備式UPS等類型。在線式UPS的逆變器始終處于工作狀態，開機后UPS電源一直工作。正常供電中由UPS的充電器向蓄電池充電并將直流電轉換為交流電，當供電發生問題時，UPS的供電來源轉換到電池組，供電完全沒有中斷，這種UPS電源適合于工作站網絡設備等要求高的用戶。

在線互動式UPS是充電器又是逆變器，故稱雙變換式，在線互動式是指在供電正常時，即電源的逆變器處于反向工作狀態給電池充電，供電故障時逆變器反向供電需要一定的轉換時間，這種UPS電源適合于服務器和小型機。

后備式UPS逆變器不工作，處于等待狀態。供電異常時，UPS會迅速切換到逆變狀態，將電池電能逆變為交流電并對負載繼續供電，充電器與逆變器是分開的。在UPS發生供電故障時為我們的正常工作提供了備用電力，在為我們提高用電質量的同時也提高了我們的工作效率以及延長了機器設備等的使用壽命，UPS已經不斷地在不同領域得到了推廣與應用。

2.2 逆變器并聯技術運用的優勢

逆變器主要由高頻晶體管開關、輸出隔離變壓器和交流濾波器組成，在UPS系統中的作用是將輸入直流電壓轉換為可調節的單相交流電壓提供給負載。多臺逆變器并聯輸出，其優點首先是可以擴容，其次冗余結構能夠提高系統可靠性，提高供電靈活性，可將小功率的晶體管元件開關頻率提高到MHz級，使逆變器模塊的體積、重量減小，減小各模塊功率開關器件之間的電流應力和承受的反向峰值電壓。采用冗余結構可使多臺逆變器均分負載電流，將4臺逆變器進行并聯，如果一臺損壞，剩余模塊繼續向負載提供100%電流，每臺均分電流變為1/3，繼續向負荷提供可靠的電源。

3 逆變器并聯運行的控制方案

實現多臺逆變器并聯運行要求逆變器的輸出電壓值或者幅值相近且輸出電壓的頻率與相位要嚴格一致。當逆變器輸出的電源電壓幅值、頻率及相位均完全一致時是各逆變電壓無壓差的理想工作狀態。在實際的并聯技術中，由于負載設備特性及電路系統的差異，難以實現零電壓差的控制。系統內部形成的環流會對設備造成一定的損壞，因此逆變器并聯的運行要在均流控制的前提下進行。圖1是逆變器并聯簡化電路圖，逆變器的輸出電流可分為負載電流量與環流分量，當并聯的逆變器輸出電壓幅值有差異時，形成較大的電流不經過負載，造成了對設備電源間的環流，需要進行控制。

3.1 有功、無功功率的控制

采用交流供電電源的系統在輸出電壓的頻率和相位上可達成同步的狀態，采用功率開關器件的SPWM逆變器不能實現同步，要通過一定的控制完成電壓與電流均衡同步?？筛鶕?組電路分別對逆變器輸出的電流與系統平均電流對比，分析有功和無功分量，根據所得參數調整各并聯逆變器模塊的基準電壓相位及幅度等，無功電流和有功電流到達均衡狀態。要控制減小并聯模塊間的環形電流，可增加阻抗使輸出電壓降低，并聯逆變器單元組的輸出阻抗取決于濾波器的阻抗，在系統中根據輸出電壓的參數選擇電感，逆變器單元組的環形電流即可

減弱。

3.2 電壓和頻率下垂控制

通過調節開關變化器可調節輸出阻抗，達到并聯的逆變電源均流控制。下垂均流控制可控制直流電源，實現并聯輸出均流，對于逆變器并聯的電源系統通過電壓頻率下垂均流控制可達到對輸出電壓的均流控制，從而抑制了逆變器并聯組之間的

環流。

3.3 串接限流電感對環流進行抑制

在交流電并聯電源的輸出端串接限流電感式抑制環流的重要方法，由于限流電感的壓降使電源的穩壓性降低，接入的串聯電感較大時環流的抑制效果較明顯，同時產生的壓降對穩壓精度也會產生巨大影響，因此在采用串聯電感控制環流時要合理估計壓降對輸出電源造成的影響，綜合具體情況控制電感值大小。

3.4 主從式并聯技術

并聯系統采取主從式模塊設計，是由一個電壓控制逆變器單元同時數個電流控制PWM逆變器單元及其他設備組成的并聯結構。包含有VCPI主控單元，通過電壓調節器保證系統對輸出電壓頻率等參數及穩定性的控制。還含有多個CCPI從單元與功率分配中心配合使用。單一調節的形式使系統的穩定性較好，達到的均流效果也較好，且易于擴展

容量。

在中國的CPR1000核電堆型中就使用了這種技術，這種技術優點雖多，但在主從機相互轉換中容易產生干擾信號，使得系統的頻率波動，嚴重的情況甚至會出現系統的輸出短暫失電的情況，因此這種技術對于系統二次控制回路的設計要求十分高。

4 新型N+M并聯技術的探討

N+M并聯技術是指逆變器運行模塊共同運行的，有N個完成用戶指定功率的電源模塊和M個冗余逆變電源模塊的供電方式。當M的值越大時，系統的供電可靠性越高，M值為1時，N+1式的供電方式使每個逆變開關的應力降低，降低運行成本的同時也保障了運行穩定可靠性。同時采用熱更換技術實現不停機的維修，多個IPSU實現N+1冗余并聯熱更換技術是多種技術共同結合，使逆變電源趨于更加穩定和便于控制的狀態。

5 結語

隨著社會的發展，電源系統的應用領域越來越廣泛，對供電系統的整體要求也不斷在增高。在需電量不斷增大的情況下，分布式的供電措施中采取多模塊的并聯供電是供電技術發展的主要趨勢。多模塊電源可靈活提高系統的容量，在提高可靠性的同時降低運營成本，便于管理。但將并聯的逆變器設備投入電網應用的過程中也存在著一定的問題，極大程度地減小并聯逆變器相應的電力參數，降低逆變器對電網造成的影響，進行合理控制是電力技術研究的重要課題。

參考文獻

[1] 李成章.智能化UPS供電系統原理與維修[M].北京：電子工業出版社，1999.

[2] 吳國忠，等.開關電源并聯系統的數字均流技術[J].電源技術，2003，（1）：50-53.

[3] 田浩，等.電源模塊并聯供電的冗余結構及均流技術[J].電源技術，2004，（2）：7-9.

[4] 段善旭.模塊化逆變電源全數字化并聯控制技術研究

[D].華中理工大學，1999.

[5] 蕭嵐.逆變器并聯控制技術研究[J].電力研究，2000，（8）.

[6] 吳渭.基于雙CPU的UPS控制技術的研究[D].南京航空航天大學，2003：32-34.

[7] 謝利華.逆變電源的數字控制技術及其并聯控制策略的研究[D].西安交通大學，2001.

[8] 李愛文，等.現代逆變技術及其應用[J].北京：科學出版社，2000.

作者簡介：劉磊（1984-），男，陜西漢中人，中廣核工程有限公司助理工程師，研究方向：電力系統自動化；鄒成偉（1985-），男，四川人，中廣核工程有限公司工程師，碩士。

（責任編輯：周加轉）