基于瞬時環流控制的改進逆變器并聯控制策略

馬駿杰 王旭東 金寧治 白亞麗 王光

摘?要：針對逆變器并聯系統在負載動態變化時輸出電壓變化較大問題，提出一種逆變器均流控制方法。單機控制策略上，在傳統的帶輸出電壓前饋和有效值電壓調節器的雙閉環控制基礎上，增加負載電流前饋，并從2個角度分析了負載電流前饋控制對提升系統動態性能的優勢;并機控制策略上，以瞬態調節控制器為基礎，通過對環流的有功和無功分量進行下垂控制來調節有效值環的給定和鎖相環的輸出角度。最后，建立6臺20 kVA逆變器所構成的并機系統。實驗結果表明，這種控制方式可極大降低系統的不均流度，與傳統的硬件均流控制相比不易受干擾。同時，這種控制方式又表現出很好的動、穩態特性。

關鍵詞：負載電流前饋;下垂控制;均流調節;瞬時閉環控制;并聯控制器

中圖分類號：TM 464

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2019）07-0063-09

Abstract：For the issue that the voltage of the inverter parallel system changes greatly with the output load dynamic changes， an improved currentsharing control method was proposed. Based on the traditional inverter model with output voltage feedforward and double closeloop control method， the loadcurrent feedforward control method was added. The effect of loadcurrent feedforward control on the dynamic performance was analyzed in two different ways. Besides， based on the instantaneous closedloop controller， the proposed regulator of the parallel system was designed according to the droop characteristic of the current circulation. Finally， a parallel system with 6×20 kVA inverters was established. The experimental results show that with the proposed control method， the currentsharing error of the system is greatly decreased. Compared with the traditional method by the hardware signals， this method is not susceptible to interference. And the results also show that the proposed method has good steadystate and dynamic performance.

Keywords：current feedforward; droop control; currentsharing regulation; instantaneous closedloop control; parallel controller

0?引?言

逆變器的并聯運行是提高電源系統可靠性和擴大供電容量的一種重要途徑。相比于單臺逆變器，多個較小容量的逆變模塊并聯不僅成本低、易維護，而且更為靈活、可靠，通過改變并聯模塊的數目，可以獲得不同的容量。逆變器的并聯廣泛應用于不間斷供電電源（uninterruptible power system，UPS）供電系統，光伏發電、風力發電等綠色再生能源的分布式發電系統。逆變器的并聯可看成系統環流的最小化控制，其目的是使負載的功率能夠在逆變器之間實現均分，是通過調節變流器輸出電壓的幅值、相位來實現的。

逆變器并聯控制技術主要有以下方案：下垂控制法，有功及無功功率調節法和瞬態電流控制法[1-2]。下垂控制法是利用并機系統自身輸出功率的大小來調節逆變器輸出電壓的頻率和幅值，根據并機系統的輸出阻抗性質來設計下垂控制器，該方法能夠快速降低系統的不均流，但存在輸出電壓精度和均流度之間的矛盾，在實際系統中很少單獨使用，因而產生了 “虛擬阻抗法”的調節方式，這種方式一方面增加了控制的復雜程度，另一方面負載適應性較差;有功及無功功率調節法[3-4]是通過CAN總線傳輸各臺機器的有功及無功分量，各臺機器一方面接收系統其他機器的信息用于計算系統平均功率，并通過自身功率的偏差來調節各自逆變器輸出電壓的幅值和角度，另一方面將本機計算出的有功及無功分量放入CAN總線。CAN總線傳輸的是數字信號，因此抗干擾能力較強，但該方式調節的速率和調節精度取決于CAN總線的數據傳輸速率，動態響應速度慢且軟件計算量較大;瞬態電流控制法屬于瞬態控制方案[5-7]，它是利用各機之間的平均電流模擬信號線與自身負載電流產生的瞬時環流調節自身瞬時輸出的電壓，該方法簡單，動態響應速度快，可取得很好的均流效果，是單相逆變器并聯控制中最常用的方式，但模擬信號線抗干擾能力差，需增加大量的濾波環節。

為提高系統性能，相關文獻在環路控制方面做了很多研究。增加參考電壓前饋提高了輸出電壓對參考電壓的跟蹤能力，但需嚴格控制電壓前饋以避免系統出現過增益[8];增加有效值閉環來提高系統的穩壓精度，但使得系統的動態性能變差[9]。

在保證系統穩態性能的基礎上，提高系統的動態特性，本文在逆變器的環路設計上增加了負載電流前饋控制。此外，在并機均流控制策略上，本文在瞬時控制方案的基礎上，提出了一種更易于工程實現的工頻設計方法，即利用環流的有功分量和無功分量的解耦關系來對各自輸出電壓的幅值和相位進行下垂調節，一方面解決了單機系統中增加的輸出電壓有效值閉環而帶來的輸出電壓隨負載電流外特性硬化的問題;另一方面降低了殘留的電流靜差，彌補了瞬態控制穩定性較差的問題。實驗結果驗證了所提控制方案的有效性。

1?輸出電壓控制器設計

1.1?帶有效值環和電壓前饋的雙閉環控制

圖1為正、負直流母線結構的單相半橋式逆變器等效電路模型。該控制器采用加入參考電壓前饋的電壓電流雙閉環控制方法。

為滿足逆變器輸出電壓的穩壓精度，在原有控制系統中增加無靜差控制器（電壓有效值調節器）來降低電壓瞬時值閉環的靜差，如圖1中的虛線框所示[10-11]。每工頻周期計算實際輸出電壓Uc的有效值，并將其作為反饋與輸出電壓有效值給定Urms進行比較（Hrms（s）為有效值傳遞函數）。調節后的輸出電壓幅值Umax與鎖相環輸出角度構成瞬時電壓外環的給定Ur。

文獻[9]表明有效值環可消除由逆變器等效輸出阻抗引起的電壓跌落，但實際上有效值環的加入還能提高系統的穩態特性，降低輸出電壓的總諧波失真（total harmonic distortion， THD）。

逆變器帶整流性負載的仿真波形如圖2所示，可以看出，圖2（a）為不加入電壓有效值閉環的仿真波形，此時輸出電壓有效值為201.9 V，THD=7.71%;圖2（b）為加入電壓有效值閉環后的仿真波形，輸出電壓有效值228.5 V，THD=3.49%。

作為輸出電壓瞬時值閉環的補償，電壓有效值環的加入可提高輸出電壓穩壓精度并降低輸出電壓的THD，但“硬化了”輸出電壓特性，使并機系統的動態性能變差。

1.2?負載電流的前饋控制策略

文獻[12-13]給出了負載電流前饋控制的優勢，但缺乏理論分析，以下從電壓環和電流環2個角度對該問題進行說明。

1）電壓外環分析。

令電壓的前饋系數K=1，則帶電壓前饋的雙閉環控制框圖如圖3所示，令GV（s）=Kvp+Kvi/s。陰影部分為控制對象，虛線框為電流內環。

為簡化分析，考慮到逆變器輸出頻率工作在工頻段，即系統的調制頻率遠高于輸出濾波器頻寬，則電流內環可等效于比例環節，令電流內環比例系數為Km。

以阻性負載為例：當負載阻抗Z=R時，即R與逆變器輸出電容C并聯，未加入電流前饋的系統傳遞函數和傳遞函數的幅值[11]分別為：

2）電流內環分析。

電感電流內環控制模型如圖4所示，令GI（s）=Kip+Kii/s。

由式（8）得到G1（s）伯德圖如圖5所示，相關參數如表1所示。

由圖5可知，工頻段幅頻特性平穩，數值約-5.7 dB，即|iL（s）|= 5.2|io（s）|。這表明電感電流未完全跟蹤給定，系統存在較大誤差?？稍龃髢拳h調節力度來減少靜差，但極易造成系統輸出電壓振蕩。

電感電流對負載電流的伯德圖如圖6所示，可以看出，在未加入電流前饋時，G2（s）的幅頻特性在工頻段較平穩，數值約-20 dB，即|iL（s）|=0.1|io（s）|，這表明電流內環對負載電流有一定跟蹤作用，因而通過負載電流對給定電流進行補償，可進一步加強這種作用。G3（s）為加入負載電流前饋的控制策略下的伯德圖，明顯可知電流內環對負載電流的跟蹤能力增強。

圖7為2種控制策略下負載突加載及突卸載（阻性滿載）時對比仿真波形，仿真參數如表1所示。

圖7（a）是不具有負載電流前饋控制策略下的輸出電壓及電流波形?？砂l現電阻突然接入時，輸出電壓幅值變化80 V，電阻突然移除時輸出電壓幅值變化100 V，并且輸出電壓在恢復時出現振蕩。圖7（b）是具有負載電流前饋控制策略下的輸出電壓及電流波形，在電阻突然接入時輸出電壓幅值變化約為40 V，電阻突然移除時輸出電壓幅值變化40 V且輸出電壓未出現振蕩現象，說明負載電流前饋控制在系統動態時起到積極作用。

2?負載電流和參考電壓前饋的雙閉環輸出阻抗特性

2臺逆變器并聯控制系統框圖如圖8所示，并機控制系統方程為：

式中：Ur1（s）、Ur2（s）分別為2臺逆變輸出電壓瞬時值給定;UV1（s）、UV2（s）分別為2臺逆變器橋臂中點電壓;iL1（s）、iL2（s）分別為2臺逆變器輸出濾波電感電流;io1（s）、io2（s）分別為2臺逆變器負載電流;io（s）為系統的負載平均電流;GV（s）、GI（s）分別為系統輸出電壓瞬時值控制器和電感電流控制器。

由式（11）可知，輸出阻抗與系統硬件及控制參數有關。令Kvi為變量，GV（s）=Kvp+Kvi/s，GI（s）=Kip+Kii/s，其余參數見表1，得到伯德圖如圖9所示。

由圖9可知，并機系統的輸出阻抗可依據控制參數的變化而變化，因此通過合理的參數配置，可以將系統的輸出阻抗配置為阻性、感性或阻感性。以輸出阻性負載為例來說明均流控制策略。

3?基于環流下垂的并機復合控制

所提出的均流控制方案是在瞬態控制的基礎上，通過對環流的有功分量和無功分量進行下垂控制來調節電壓有效值環的給定和鎖相環的輸出角度。并聯系統控制結構框圖如圖10所示。

各臺逆變器通過硬件電路獲取負載平均電流，與本機輸出電流通過差分電路得到環流瞬時值。該瞬時值經數字信號控制器（digital signal controller，DSC）的數模轉換單元采樣后，經離散傅里葉變換（discrete fourier transform，DFT）得到系統環流功率中有功和無功分量，進而實現環流功率的調節。

3.1?瞬時環流控制

瞬時環流控制是單相逆變器常用的均流控制方式[14-15]。該方案簡單，動態響應速度快，但易受硬件干擾而造成逆變器之間平均電流的波動。環流瞬時值閉環控制系統模擬框圖如圖11所示。其中：io（s）為并聯系統負載平均電流，由硬件平均得到;ioj（s）為第j號逆變器（j=1，2，3，…）輸出負載的電流瞬時值;Ur（s）為輸出電壓瞬時值給定;GVC（s）為輸出電壓瞬時值環閉環傳遞函數;GIcir（s）為瞬時環流校正控制器。

3.2?環流有功及無功分量的下垂控制

電壓有效值環的加入“硬化了”逆變器的輸出特性，且傳統的瞬時環流控制極易受到硬件干擾，從而降低穩態均流效果。為了在保證系統輸出電壓穩壓精度的前提下提高系統的均流度，在瞬時環流控制的基礎上將環流信息進行有功和無功分解，繼而分別對有效值環的電壓給定及數字鎖相環的輸出角度進行下垂控制，從而進一步消除環流對并機系統的影響。

以逆變器輸出阻抗為電阻為例，并簡化分析令r1=r2=r，2臺逆變器并聯系統等效電路模型如圖12所示。

當2臺逆變器輸出電壓幅值Uo1≠Uo2，但相位相等時，并聯系統的環流可表示為

由式（12）可知，輸出電壓幅值的偏差僅產生基波環流的有功分量。通過構建如圖13（a）所示的幅值校正控制器來改變輸出電壓有效值環的給定值Urms（s），從而達到改變輸出電壓幅值的目的。為滿足并聯系統輸出電壓幅值有差的要求，將GIcirP（s）設計成比例積分控制器，表達式為

實驗發現，系統帶輕載時輸出電壓會出現不穩定現象，控制器可采用變系數方式快速調節自身輸出電壓幅值來消除差異：例如小于10%額定負載時b=1，否則b=0。

當2臺逆變器各自輸出電壓幅值Uo1=Uo2=U，但相位存在差異時，并聯系統的環流可表示為

由式（14）可知，可調節輸出電壓相位來調節無功功率，其控制框圖如圖13（b）所示（Δθ（s）為逆變鎖相環輸出）。將GIcirQ（s）設計為比例環節，比例系數為KpcirQ。由于輸出濾波電感很小，輸出電壓存在較小相位差就會產生較大的基波無功環流，因此參數KpcirQ取值要小以保證系統的穩定性。

各逆變器在采樣周期實時檢測自身的瞬時環流，利用DFT分析法求得瞬時環流的基波有功分量和基波無功分量分別為：

4?實驗驗證

實驗由6臺20 kVA 逆變器構成的并聯系統對所提的方案進行驗證。從負載適應性、系統輸出帶不等長功率線及硬件存在高頻干擾等情況下驗證系統的動態及穩態性能。

1）圖14為并聯系統帶阻性滿載時輸出電壓波形Vout和輸出電流波形Iout?？梢钥闯觯€態時1#機和6#機的輸出電壓穩定，動態時電壓沒有突變，輸出電流均流度良好。

2）為了驗證該并機控制策略在系統硬件存在干擾時的穩定性，將6#樣機DSC控制器的電流AD采樣通道加入高頻振蕩Vr，系統帶線性負載6×90%，觀察如圖15所示的6#機和1#機輸出電流Iout?？梢钥闯?，將振蕩頻率從57 Hz加至2 kHz，盡管本機輸出電流疊加了高頻振蕩，但輸出電流波形未發散，仍處于可控范圍內且對系統中其他機器輸出電流影響較小，保證系統均流度及穩定性。

3）為驗證該并機控制策略在輸出功率線纜長度差異較大情況下的穩定性，將并機系統中6#機的輸出功率線延長至10 m并串聯電感，電感量為0.148 mH，其余5臺逆變器輸出功率線為3 m。將6臺機器共同接入負載端，觀測6#機及1#機輸出電流Iout和并機系統輸出電壓Vout波形，如圖16所示。

可以看出，系統帶阻性負載和整流性負載的情況下，系統輸出電壓穩定，輸出電流沒有出現振蕩，系統均流度較好。

4）為了驗證系統在跟蹤源頻率持續變化時的穩定性，調節源頻率在跟蹤范圍45～60 Hz內持續變化，將1#～3#機加入和退出6并機系統，觀察此時系統輸出電壓Vout、1#機和6#機輸出電流Iout和6#機母線電壓Vdc情況。

機器加入或退出6并機系統時波形如圖17所示，可以看出，在機器加入和退出并機系統的瞬間，電流不存在沖擊，且只需半個工頻周期的時間，均流環會將系統的均流度調整到理想狀態。此外，母線電壓也沒有出現突變現象。

5?結?論

本文所提出的以瞬時環流控制為主，以系統間并機環流構成的下垂控制為輔的逆變器并機控制方案成功應用于6臺20 kVA系統中。為驗證本文所提并機均流控制方案的合理性，實驗從負載適應性、系統輸出帶不等長功率線及硬件存在高頻干擾等情況下對并機系統的動態及穩態性能進行了驗證。通過實驗結果可看出，本文提出的并機均流方案能夠保證并機的動態及穩態指標，具有較強的適應性，確保逆變器之間良好的均流度。此外，該設計簡單，克服了傳統方式數據計算復雜的缺陷。

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（編輯：邱赫男）