基于電壓調節的逆變器并聯控制系統研究

黃允燦，倪文昊

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基于電壓調節的逆變器并聯控制系統研究

黃允燦1，倪文昊2

（1. 海軍駐武漢七一二所軍事代表室，武漢430064；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064）

介紹了并聯逆變電源控制系統的工作原理，建立了等效模型，并對系統的均流性能進行了仿真。仿真結果表明，采用并聯逆變電源控制系統可以減小電抗器的體積，提高推進系統的可靠性。

電壓調節 并聯控制 環流 均流原理

0 引言

基于電壓調節的并聯控制系統，與主控制器通過接口電路直接相連的就自動成為主模塊。每個從模塊再通過接口電路與主模塊的接口電路相連，這些接口信號串聯在一起實現信號的傳遞。對于這種主從控制方式，主模塊可以由任意一個模塊擔任，只要裝有主控制器就可擔任。沒有主控制器的就自動成為從模塊。當有模塊發生故障時，系統會自動降功率運行。假如某個從模塊發生故障，則將之與直流電網和電機斷開連接。假如發生故障的是主模塊，除了要將它與電網和電機斷開外，還要將主控制器移到第一個從模塊并使它接替成為主模塊。因此，推進系統的可靠性大大提高。

1 并聯逆變電源控制系統的工作原理和等效模型[2]

為了實現逆變器的并聯運行，必須控制各逆變模塊輸出電壓頻率、相位、幅度相同，使輸出電流盡可能接近。本控制系統采用加入同步控制單元和均流控制單元的主從式結構。原理框圖如圖1所示。

主控制器經過矢量控制計算出給定電壓，并傳遞給從模塊作為參考信號。

為了確保逆變電源并聯時負載電流的均分，各模塊控制電路間有2條互連線：一為公共電壓基準信號，通過同步單元保證各模塊的輸出電壓相位和頻率一致；二為電流基準信號，各模塊輸出電流與參考值的誤差調整電壓參考值實現均流。

以2個逆變電源并聯為例，控制框圖如圖2所示。

圖2 逆變電源并聯控制系統的等效模型

圖2中：g1、g2是并聯系統的給定基準電壓，1、2是逆變器的輸出電壓，0是負載電壓，i是環流。其中，1、2、分別是2個并聯逆變器的傳遞函數，3、4是輸出電壓和環流的傳輸比。

環流為輸出電壓之差除以2倍的均流阻抗，所以

其中，K為同步調幅控制的調幅系數。

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基準電壓幅值的調整采用乘以幅值調節系數的方法，使各點以同一倍數放大或縮小，使輸出的波形不變，并且幅值的調整在每周期波形過零點時調整。每個周期調節一次調幅操作，因此從相頻特性看，產生了附加的滯后相位，相當于系統中加入了一個延時周期的時滯環節s，使系統總的相位滯后增大，增加了系統的不穩定因素。

當控制系統無環流反饋時，逆變器輸出電壓及環流為：

當控制系統加入環流反饋后，逆變器輸出電壓及環流為：

如果控制系統中1=2=，則

可見，將環流信號反饋控制基準電壓，輸出電壓沒有改變，仍然跟蹤給定電壓，而環流大大降低。

由式（4）得出，環流的傳遞函數框圖為圖3。

圖3 環流的傳遞函數框圖

所以，均流控制環的開環傳遞函數c(s)為

調幅系數H大小對整個控制系統穩定性和動態性能有很大影響。調幅系數越大，環流越小，同時調節時間減少，但超調量增大，系統容易不穩定。

以2個逆變器并聯為例，電機電流等于2逆變器電流輸出電流之和。對電機電流和環流分別采取閉環控制。電機定子電流的簡化傳遞函數框圖為圖4。

圖4 定子電流的傳遞函數框圖

電流調節器簡化為放大倍數K的放大器，逆變器的等效模型簡化為增益KPWM。所以，定子電流的開環傳遞函數為：

環流在模塊之間流動，均流控制器采用比例控制，增益為K，其傳遞框圖為圖5。

圖5 環流的傳遞函數框圖

同樣，均流環的開環傳遞函數為：比較式（7）和式（8），可以得到電機電流環與均流環的截止頻率之比為：

在共用轉速調節器的主從式控制系統中，為了同時滿足減小環流和電機電流諧波2個性能，折衷方法就是選取電抗器參數與電機主電感為同一數量級。而在基于電壓調節的并聯逆變器控制系統中[3]，二者的電流環采用不同的放大倍數，就可以大大減小電抗器的參數，這樣不僅提高了輸出電壓，而且還改善了系統的功率因數。

3 系統的均流性能仿真

控制模型采用基于電壓調節的主從并聯控制策略，圖6是電機突加負載時輸出電壓和電流的動態過程波形圖，圖7是電機調速過程中電機的輸出電壓以及并聯逆變器的輸出電流。

該控制方案的仿真波形不管是突加減負載還是電機調速的動態過程中，系統都能夠很好的實現均流，而且動態響應快，不到一個周期就能夠實現系統的穩定輸出。

并聯逆變器的調制采用空間矢量調制技術，圖8(a)為主模塊矢量控制計算得到的參考電壓對應的調制波。通過環流反饋對調制波幅值進行調節，圖8(b)為對應每個開關周期的均流控制器輸出的調節電壓，其調節范圍取占空比的4％。圖8(c)為修正后的逆變器控制電壓對應的調制波波形。

圖6 電機突加負載時輸出電壓和電流的動態波形

圖7 電機調速過程電機的電壓和并聯逆變器的輸出電流

由圖8可以看出，每個開關周期內都計算逆變器之間的環流大小，當逆變器之間環流超過限定的幅值后，均流環輸出的調整電壓反饋到參考電壓，改變參考電壓的幅值。環流的最大限值選為電機額定電流的5％。

圖9(a)為電抗器上的電壓，交流脈沖電壓的周期為0.2 ms，對應頻率為5000 Hz，所以電抗器的電壓頻率為開關頻率，交流脈沖電壓的幅值為直流母線電壓d。圖9(b)為逆變器1和2之間的一相環流波形。通過a和b的對照可以看出，電抗器依靠產生反向的脈沖電壓，使得環流的極性發生改變，從而減小環流。

圖9 抑制動態環流的均流電抗器的電壓波形

4 結語

控制系統中，環流是單獨控制的，使得電抗器的參數可以大大減小。而且其控制周期為開關周期，使得電抗器的體積大大減小，從而有利于整個并聯系統的體積減小。

[1] 肖嵐, 胡文斌, 蔣渭忠, 嚴仰光．基于主從控制的逆變器并聯系統研究[J]．東南大學學報, 2002, 32(1): 133-137.

[2] Heinz Van der Broeck, Ulrich Boeke．A simple method for parallel operation of inverters．IEEE IECON 1998, pp: 143-150．

[3] 黃蕾．并聯逆變器控制技術的研究．南京：南京航空航天大學, 2004年．

The Control System for Parallel Operation of Inverters Based on Voltage Regulation

Huang Yuncan1, Ni Wenhao2

(1. Naval Representatives Office in 712 Research Institute, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM464

A

1003-4862（2015）02-0030-04

2014-12-04

黃允燦(1989-),男，助理工程師。研究方向：動力電池。