一種逆變器均流控制方法

袁立軍

（海軍駐上海江南造船(集團(tuán))有限公司軍事代表室，上海 201913）

一種逆變器均流控制方法

袁立軍

（海軍駐上海江南造船(集團(tuán))有限公司軍事代表室，上海 201913）

在逆變器均流控制方法中，下垂控制和平均功率控制都需要精確計(jì)算逆變器輸出有功功率和無(wú)功功率以控制輸出電壓的幅值和相角（頻率）。在輕載和空載情況下，由于輸出電流很小，電流采樣和功率計(jì)算存在很大誤差，有功功率環(huán)流會(huì)造成直流母線過(guò)壓故障甚至損壞逆變器。本文采用電感電流代替輸出電流計(jì)算逆變器輸出有功功率和無(wú)功功率，并通過(guò)改變電感電流采樣時(shí)刻提高了功率計(jì)算的精度。利用兩臺(tái)三相四線逆變器并聯(lián)系統(tǒng)驗(yàn)證了理論分析的正確性，實(shí)驗(yàn)證明運(yùn)用該功率計(jì)算方法取得了良好的并聯(lián)均流效果。

逆變器；有功功率無(wú)功功率計(jì)算；并聯(lián)；均流控制

0 引言

逆變器并聯(lián)系統(tǒng)由于具有N+X冗余性、可擴(kuò)展性、高可靠性以及易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于重要負(fù)載的供電以及停電保護(hù)中。

現(xiàn)有的逆變器并聯(lián)控制方法[1]主要有3種，即瞬時(shí)平均電流控制方法、無(wú)線并聯(lián)下垂控制方法以及有功功率無(wú)功功率控制方法。瞬時(shí)平均電流控制[2-5]利用平均電流總線信號(hào)與自身輸出電流的差即瞬時(shí)環(huán)流指令來(lái)調(diào)節(jié)逆變器的輸出電流，從而使負(fù)載電流在并聯(lián)系統(tǒng)中均勻分配。平均電流總線上的信號(hào)可由并聯(lián)系統(tǒng)中逆變器輸出電流總和的平均值產(chǎn)生[6]，也可由輸出電流最大的逆變器產(chǎn)生[7]。

本文采用有功功率和無(wú)功功率控制方法實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流的均分。由于在空載和小功率負(fù)載情況下輸出電流很小，帶來(lái)很大的采樣誤差和功率計(jì)算誤差，這影響并聯(lián)系均電流控制精度和穩(wěn)定性。采用電感電流來(lái)計(jì)算逆變器輸出功率以及改變電感電流采樣時(shí)刻來(lái)實(shí)現(xiàn)輕載和空載情況下精確的功率計(jì)算，從而提高整個(gè)逆變器系統(tǒng)的均流特性和穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該方法的正確性。

1 有功功率無(wú)功功率均流控制

圖1為并聯(lián)逆變器 逆變部分電路原理圖，圖2為兩臺(tái)并聯(lián)逆變器逆變部分控制框圖。最外面是功率控制環(huán)，用來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值和相角。單臺(tái)逆變器逆變部分采用輸出電壓外環(huán)和電感電流內(nèi)環(huán)控制。

圖1 兩臺(tái)并聯(lián)逆變器逆變部分電路圖

圖2 兩臺(tái)并聯(lián)逆變器、逆變控制框圖

2 功率計(jì)算方法

圖3為逆變器單相電路原理圖；圖4(a)為S1導(dǎo)通時(shí)逆變器等效電路圖；圖4(b)為S2導(dǎo)通時(shí)逆變器等效電路圖。由圖4(a)、(b)可得到如下公式

圖3 逆變器單相電路原理圖

圖4 導(dǎo)通時(shí)逆變器等效電路圖

圖5為逆變器關(guān)鍵波形,Uref(t)為輸出參考電壓，Uc(t)為三角載波，Uin是逆變器開(kāi)關(guān)側(cè)電壓波形，U0是輸出電壓波形，UL是輸出濾波電感上電壓波形。

假設(shè)U0(t)=Usin(ωt)，

圖5 逆變器關(guān)鍵波形

圖6為逆變器輸出濾波電感上電壓和電流波形。

圖6 輸出濾波電感上電壓和電流波形

由圖6可知，電感電流在不同階段的表達(dá)式：

濾波電感電流的平均值為

由式(4)～(8)，可得到電感電流的初始值iL0(k)如式(9)所示。

圖7為輸出濾波電感電流波形。由圖7可知，電感電流的兩個(gè)采樣值iLS1(k)和iLS2(k)。

由式(10)、(11)知有功功率的理論估計(jì)值為

圖7 輸出濾波電感電流波形

3 有功功率理論估計(jì)值與采樣時(shí)刻的關(guān)系

圖8為在不同負(fù)載情況下(空載，500、5000W)有功功率的理論估計(jì)值Pcal與采集時(shí)間Td關(guān)系的曲線。可看出，有功功率的計(jì)算精度與采集時(shí)刻 Td有很大的關(guān)系，特別是在輕載和空載的情況下。合理選取采樣時(shí)間可提高有功功率(Pcal)的計(jì)算精度，對(duì)于無(wú)功功率計(jì)算也是如此，從而提高整個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)的均流特性和穩(wěn)定性(P=U20/2R)。

圖8 不同負(fù)載情況下有功功率的理論估計(jì)值Pcal與采樣時(shí)間Td關(guān)系的曲線

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9為空載情況下兩臺(tái)逆變器并聯(lián)A相電流波形。圖10為在阻性負(fù)載情況下，兩臺(tái)30kVA 逆變器并聯(lián)A相電流波形。從實(shí)驗(yàn)波形可看出，運(yùn)用新的功率計(jì)算方法后兩臺(tái)逆變器輸出電流基本重合，取得了良好的均流效果。

圖9 空載時(shí)兩臺(tái)并聯(lián)逆變器輸出A相電流波形

圖10 阻性12kW負(fù)載時(shí)兩臺(tái)并聯(lián)逆變器輸出A相電流波形

5 結(jié)論

本文介紹了用于并聯(lián)逆變器系統(tǒng)均流控制的一種新的有功功率無(wú)功功率精確計(jì)算方法，采用輸出濾波電感電流代替輸出電流計(jì)算有功功率和無(wú)功功率，并且合理選取采樣時(shí)間Td可提高空載和輕載情況下輸出功率計(jì)算的準(zhǔn)確性，從而提高系統(tǒng)的均流特性和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了理論分析的正確性，并聯(lián)逆變器系統(tǒng)在不同負(fù)載情況下都取得了良好的均流效果。

[1] Duan S X, Yu M，Xiong J, et al. Parallel operation control technique of voltage source inverters in[C]//IEEE PEDS,1999: 883-887.

[2] Lee C S, Kim S, Kim C B, et al. Parallel with a instantaneous current sharing control[C] //IEEE IECON，1998: 568-573．

[3] Chen J F, Chu C L. Combination voltage-controlled PWM inverter for parallel operation[J]. IEEE Trans. on Power Electronics, 1995, 10(5): 547-558．

[4] Sun X, Lee Y S, Xu D H. Modeling, analysis, and implementation of parallel multi-inverter systems with Instantaneous average-current-sharing scheme[J]. IEEE Trans. on Power Electronics, 2003, 18(3): 844-856．

[5] Chiang S J, Lin C H, Yen C Y. Current limitation control technique for parallel operation of inverters[C]// IEEE 35th AnnualPower Electronics Specialists Conference,2004,36:1922-1927.

[6] Tuladhar A. Parallel operation of single-phase inverter modules with no control interconnections[C]//IEEE APEC, 1997:94-100．

[7] Jensen B, Blaabjerg F, Enjeti N P. Sharing of nonlinear load in parallel connected three-phase converters[C]//IEEE Industrial Applications Soc. Conf, New Orleans LA, 2000, 4: 2338-2344.

Control Methods of Load-sharing Control of Inverter

YUAN Li-jun
(Navy Military Agent’s Office in Shanghai Jiangnan Shipyard (Group)Co., Ltd., Shanghai 201913, China)

In some paralleled inverter control strategies such as output droop method and active and reactive power control method,inverter output active and reactive power are used to control the phase (frequency)and amplitude of output voltage reference. So inverter output power must be calculated, otherwise the paralleled inverter system cannot achieve good load-sharing quality. In light or without load conditions, active circulation current can cause high DC voltage error or even damage the machine. In this paper, the output filter inductor current is used instead of output current to calculate inverter output active and reactive power. It is also found that changing the sample time of inductor current can greatly increase the accuracy of power calculation. Theory analysis of power calculation is presented. The experiments show that using two digital controlled three-phase four-wire paralleled inverter systems are presented to show the correction of the theory analysis.

inverter; active and reactive power calculation; parallel; load-sharing control

TM41

A

袁立軍（1972-）， ，碩士研究生，工程師。研究方向：艦船電氣。