基于下垂控制的并聯三相逆變器相位調節方法

李超然，肖　飛，劉計龍，陳　偉

（1. 海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢430033；2. 西安交通大學電氣工程學院，西安710049）

基于下垂控制的并聯三相逆變器相位調節方法

李超然1，肖飛1，劉計龍2，陳偉1

（1. 海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢430033；2. 西安交通大學電氣工程學院，西安710049）

研究無互聯線三相逆變器并聯控制技術，針對傳統下垂控制對于三相逆變器并聯系統電壓相位差調節的不足，提出一種在下垂控制的基礎上引入相位調節環的并聯三相逆變器相位調節方法。該相位調節環對并聯系統電壓相位進行檢測，并直接實施同步調節，減小并聯系統的相位差從而減小并聯沖擊。分析了下垂控制的原理以及并聯系統相位差的產生原因，介紹了改進后的下垂控制的拓撲結構圖以及工作方法。通過搭建兩模塊并聯三相逆變器實驗平臺驗證了該方法的正確性和有效性。

逆變器并聯控制下垂控制相位調節環

0　引言

隨著逆變電源在大容量供電系統中的廣泛使用，三相逆變器冗余并聯控制技術在現代工業中使用越來越頻繁。無互聯線逆變器并聯控制技術是其中一種廣泛采用的并聯控制技術［1-7］，這種并聯控制只通過交流母線連接并聯系統的各模塊，減少了外界干擾的影響，較大程度提高了并聯系統的冗余性和可靠性［8］。無互聯線逆變器并聯控制技術利用三相逆變器輸出下垂特性，分別通過有功功率和無功功率對輸出電壓相位和幅值進行調節，實現并聯系統各模塊輸出電壓的頻率、相位和幅值的平衡［9-11］。在傳統的下垂控制相位調節方式中，需要以固定周期計算三相逆變器每一

工頻周期中的輸出有功和無功功率，因此存在動態響應慢和周期性調節的固有缺點。文獻［12］提出一種新的軟件鎖相環控制方案，采用DSP的捕獲功能和改變計時器的周期值來實現并聯系統相位和頻率的跟蹤，但實現起來較為復雜。

本文提出了一種在傳統下垂控制基礎上引入相位調節環的相位調節方法。當三相逆變器并聯系統輸出電壓的相位差超過設定的某個限定值時，相位調節環就在三相逆變器輸出電壓的相位上引入一個調節值，使相位差迅速減小到合適的范圍內，從而減小并聯時刻的沖擊。最后，本文搭建了一個兩模塊并聯三相逆變器實驗平臺，驗證了本方案的可行性。

1　三相逆變器并聯系統分析

1.1下垂控制原理

兩臺三相逆變器并聯拓撲結構如圖1所示，其中E1∠θ1，E2∠θ2，i1，i2分別對應兩臺并聯三相逆變器的輸出電壓和輸出電流。Uo∠0°為母線電壓，io為負載電流，jX1+r1，jX2+r2分別為兩臺三相逆變器線路阻抗與輸出阻抗之和。iH為互聯模塊間的環流大小，方向定義為從三相逆變器1流向三相逆變器2。

圖1　兩臺三相逆變并職等效模型

由圖1可推導出兩臺并聯三相逆變器的有功功率P1與P2和無功功率Q1與Q2表達式為：

由式（1）和式（2）可以看出相位差和幅值差分別對三相逆變器的無功功率Q和有功功率P有影響。

在三相逆變器并聯系統中，輸出電壓之間的相位差很小，很難精確地通過控制相位來實現有功功率的調整，一般按照式（3）利用頻率與相位的關系，通過控制三相逆變器輸出電壓的頻率間接對三相逆變器輸出電壓的相位進行調整，實現對三相逆變器輸出有功功率的調整。

因此推導出下垂控制的控制方程為

其中fn為三相逆變器空載時輸出電壓頻率的基準值，Un為三相逆變器空載時輸出電壓幅值的基準值；kp為有功頻率下垂系數、kq為無功幅值下垂系數；fi為三相逆變器帶載時輸出電壓頻率的參考值，Ui為三相逆變器帶載時輸出電壓幅值的參考值。通過下垂控制，兩臺并聯三相逆變器運行一段時間后，輸出電壓的幅值與相位將趨于一致。

1.2聯系統的相位差

在三相逆變器并聯系統中，因為下垂控制的作用，母線電壓的相位就是在線工作的三相逆變器輸出電壓的相位，而在線工作的三相逆變器和離線待機的三相逆變器因為帯載情況的不同將導致輸出電壓頻率的不同。不同頻率的正弦波間會出現相對偏移的現象，產生相位差。如圖2所示，某一時刻在線工作的三相逆變器和離線待機的三相逆變器輸出電壓的相位重合，此時兩者相位差為0，由于帯載情況的不同導致輸出電壓頻率的不同，經過一段時間后兩者間會出現偏移錯位，引起了三相逆變器并聯系統的相位差。

圖2　待并三相逆變器輸出電壓與母線電壓的相位關系

在線工作的三相逆變器輸出電壓的相位θ1和離線待機的三相逆變器輸出電壓的相位為θ2的表達式如式（5）所示。

當并聯系統的輸出電壓相位差滿足式（6）時，三相逆變器系統可以實現并聯。其中Δθ為三相逆變器并聯系統的相位差，σ為三相逆變器可實現并聯的相位差閾值。

2　一種引入相位調節環的下垂控制方式

為了盡快將逆變器并聯系統輸出電壓的相位差縮小到閾值以下，減小并聯時刻的沖擊和并聯系統的環流，本文在傳統下垂控制的基礎上引入了相位調節環。當并聯系統的相位差超過某個預定值σ時，在三相逆變器輸出電壓的相位上引入一個固定值ε，保證并聯系統的相位差能夠控制在較小的范圍內。經過改進后的下垂控制方式拓撲結構如圖3所示，主要分為兩個部分：①內層電壓電流雙環PI下垂控制環；②外層相位調節環。

圖3　改進的三相逆變器下垂控制方式

2.1流雙環PI下垂控制環

采樣得到的濾波電感電流采樣和輸出電壓采樣經過旋轉坐標變換后得到d、q軸分量，經過PQ計算得到三相逆變器的有功功率和無功功率，經過下垂調節后得到電壓外環的參考值Udqref和輸出電壓的頻率f1。電壓外環參考值與d、q軸的輸出電壓Udq的誤差經過PI調節后得到電流內環的參考值Idqref，電流內環的參考值Idqref與d、q軸的電感電流誤差經過PI調節后經過空間矢量控制后得到用于驅動三相逆變器的驅動信號。經過下垂控制后得到的三相逆變器的輸出頻率f1經過積分后得到相位θ1.，其在相位調節環的作用下得到三相逆變器的輸出電壓相位θ。

2.2節環

經過電壓電流雙環PI下垂控制得到的三相逆變器的輸出電壓相位θ1和在線工作的三相逆變器的輸出電壓相位θ2范圍都是［0，2π］，兩者的相位關系存在五種情形，如圖4所示。為了保證三相逆變器并聯系統的相位能夠以最快的速度趨近，相位θ1的移動方向在以下五種情形中各有不同，定義向左移動為ε，向右移動為-ε。

圖4　母線電壓與待并三相逆變器輸出電壓的五種相位情況

由圖4可以得到經過相位調節環調節后的三相逆變器輸出電壓的相位的表達式

3　實驗結果

為驗證本文所提出的方法，實驗設計了兩臺原理樣機，其主要性能參數如表1所示，所接負載為三相電阻負載，連接方式為星型并聯方式。兩臺三相逆變器并聯運行其中一臺退出時，輸出電壓與電流的波形如圖5所示。從圖5可以看出，某時刻其中一臺三相逆變器退出系統時，兩臺三相逆變器的電壓與電流立刻產生動態響應，調整之后輸出的波形質量較高。退出系統后的三相逆變器將處于空載狀態，而未退出系統的三相逆變器將處于帶載狀態，負載的不同必然導致兩者輸出電壓頻率的差異，但圖5中輸出電壓u1和u2兩者的波形基本吻合，說明采用該方法后，三相逆變器退出運行后仍然能夠較好地跟蹤母線電壓。

表1　三相逆變器原理樣機主要性能參數表

圖5　兩臺三相逆變器并職運行時，其中一臺退出運行

一臺三相逆變器運行時另一臺三相逆變器并入系統時，輸出電壓與電流的波形如圖6所示。從圖6可以看出，某時刻另外一臺三相逆變器并入系統時，兩臺三相逆變器立刻動態響應，經過很短時間后能夠輸出較為穩定的波形且輸出電壓u1和u2兩者的波形基本吻合。說明采用該方法后，三相逆變器系統可以較好地實現并聯，且對其它三相逆變器基本無影響，擁有良好的熱并機性能。

圖6　一臺三相逆變器運行時，另一臺三相逆變器投入運行

并聯的兩臺三相逆變器穩定運行時，輸出電壓與電流的波形如圖7所示。由圖7中的波形可以看出，輸出電壓u1和u2基本吻合且波形質量較好，而輸出電流i1和i2存在抖動。其主要原因在于系統的開關頻率較低，鎖相環的精度不夠，無法精確控制兩臺并聯三相逆變器輸出電壓之間的相位差，導致并聯回路之中產生環流，對輸出電流造成了影響。

圖7　兩臺三相逆變器并職運行時穩態波形

4　結論

本文提出了一種引入相位調節環的改進下垂控制方法，并通過搭建一個兩模塊并聯三相逆變器實驗平臺，驗證了本方案的可行性。由實驗結果可見，本方法能夠較好地實現并聯下垂控制，提高了系統的動態響應能力和穩定性。

［1］ 路嘉鑫，張穎超，錢希森等. 三相逆變器無線并聯虛擬阻抗分析［J］. 電源學報，2014，01：54-60.

［2］ Dipankar D，Ramanarayanan V.Decentralized prallel oeration of iverters saring ub alanced and nnlinear lads［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25（12）：3015-3025.

［3］ Ming Hua，Haibing Hu，Yan Xing，et al.Multilayer control f or inverters in parallel operation w ithout signal interconnection［C］.IEEEI ECON2011，Melbourne，Australia，2011：3180-3185.

［4］ He Z，Xing Y.Distributed control for UPS modules in parallel operation with RMS voltage regulation［J］.IEEE T ransactions on Industrial Electronics，2008，55（8）：2860-2869.

［5］ Josep M G，Vicu?a L G，Matas J，et al.Wireless-control strategy for parallel operation of distributed-generation inverters［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53（5）：1461-1470.

［6］ 闞加榮，謝少軍，吳云亞.無互聯線并聯三相逆變器的功率解耦控制策略［J］.中國電機工程學報，2008，28（21）：40-45.

［7］ 闞加榮.單相三相逆變器無互聯線并聯控制技術研究［D］.南京：南京航空航天大學，2007.

［8］ 姜鳳華，丁喆，張虎等.基于DSP的逆變電源并聯運行控制技術的研究［J］.通信電源技術，2008，25（4）：20-23.

［9］ 郭忠南，張純江，孟曉脈. 基于可變虛擬阻抗的接口三相逆變器改進下垂控制［J］. 電源學報，2014，06：66-72.

［10］ 華明，胡海兵，邢巖.三相逆變器多層控制無線并聯技術［J］.中國電機工程學報，2011，31（36）：33-39.

［11］ 姚瑋，陳敏，陳晶晶.一種用于無互連線三相逆變器并聯的多環控制方法［J］.電工技術學報，2008，23（1）：84-89.

［12］ 闞加榮，謝少軍.無互聯線三相逆變器并聯系統中數字鎖相環的設計［J］.電力電子技術，2007，41（4）：37-39.

Phase Adjustment Method of Parallel Three-phase Inverter with Droop Control

Li Chaoran1，Xiao Fei1，Liu Jilong2，Chen Wei1
（1. National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China； 2. School of Electrical Engineering，Xian Jiaotong University，Xian 710049，China）

In order to cope with drawbacks of conventional droop method，a phase-adjustment method of parallel three-phase inverter with droop control is proposed. Adding the phase-adjustment loop to the droop voltage-current double loop PI control can ensure all parallel inverters keep the similar phase with each other. The principle of droop control and causes of phase difference in the process of the parallel connection are analyzed，the topology of droop-multilayer control phase-adjustment loop circuit is given，and the working principle of phase-adjustment loop is introduced. By constructing parallel three-phase inverter experimental platform，the experimental results verify that the proposed method is effective for inverter to incorporate in AC bus.

inverter； parallel control； droop control ； phase-adjustment loop

TM464

A

1003-4862（2015）09-0011-04

2015-05-09

李超然（1992-），男，碩士研究生.研究方向：電力電子與電力傳動。