逆变器系统并联分析

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2012 年中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集
示。图1中，U 1 、U 2 为逆变桥的输出SVPWM波的基波分量，U o1 、U o 2 为逆变器的输出电压，由 图1可以看出本系统采用了LCL滤波器， L11 、 L21 为滤波器的输入滤波电感， r11 、 r21 为其等效 电阻，C1 、C2 为逆变器的输出滤波电容， L12 、 L22 为滤波器的输出滤波电感， r12 、 r22 为其等 效电阻，Z为两台逆变器的公共负载。
图6 表1
NB NB NM NS ZO PS PM PB PB NB PB NB PM NB PM NB PS NM PS NS ZO ZO NM PB NB PB NB PM NB PM NM PS NS ZO ZO ZO PS
e、ec和u的隶属函数图
k p 和 ki 的模糊规则库
NS ZO PM NB PS NM PS NS ZO ZO PS PS NM PS NS ZO ZO PM ZO ZO NS ZO PB ZO ZO
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il1
SVPWM 逆变器1
io1 Vc
io
负载
Park 变换
V
+
D-Q 变换
il1
电流调 节器
+
D-Q 变换
il*1
ion
Vc*
D-Q 变换
*
+
Vc
+ +
逻辑 开关1
电压调 节器
-
+
io
Vc
至其它逆变器
来自其他逆变器
图4
各逆变模块的控制框图
*
3
基于改进型的模糊 PID 控制的逆变器并联系统
(1) 改进型的模糊 PID 控制 针对传统的模糊PID控制的一些不足，许多文献都提出了一些改进的方法，将传统的两 输入三输出变成两输入一输出，此方法克服了传统模糊PID的一些缺点，但是此方法降低了 模糊控制的维数，显得略微粗糙。 传统模糊控制的数学表达式为：
G1
H v1
U1

G3
Uo
Ug2
Uf2
G2
H v2
百度文库


U2
G4
IH
图2 逆变器并联闭环控制模型
在图1中，当 r12 = r22 = ro 时，输出电压U o 和环流 iH 分别为：
Uo U1 U 2 G3 U1 U 2 2 jωL1 / r 2 jωC
式 中 ： k1 2Z Lin Lout ， k2 Lin Lout 2 ， k3 2Z LinC Lin Lout Lin LoutC ，
2 2 2 ， k6 L2 。可见，逆变器之间形成的环 k4 2Lin LoutC Lin Lout ， k5 2ZL2 in LoutC in LinC
io1 io / 2 iH io 2 io / 2 iH
（2）
由式(2)可知每一个逆变模块的输出电流由负载电流和环流所组成。当图1中 L11 = L21 = Lin ，
L12 = L22 = Lout ，C1 = C2 =C，由于电感的等效电阻很小，因此可以忽略，由环流定义式（1）可以
PM NB PM NB PM NM PS NS ZO ZO
NS PS NS PM NM PB NM PB NB PB NB PB
NS PS NM PM NM PB NM PB NB PB
NS PS NS PM NM PB NM PB
NS PS NM PM NM PB
NS PS NS PM
(2) 改进型的模糊 PID 在逆变器并联系统中的应用 本文所述的系统中各逆变器模块既可以单独启动运行，也可以在并联系统中同时启动，或者 将一个逆变器模块先启动然后启动另一个逆变器模块与其并机运行。 改进型模糊PID控制器在并联 系统中的应用如图7所示。在整个系统中，改进型模糊PID控制器作为各个逆变器模块的电流内环 调节器，为主机和从机的SVPWM模块提供输入信号，主机和从机之间的信号传输采用CAN总线，当 主机和从机之间满足并机要求过后，并机闸1和并机闸n会自动闭合，实现逆变器模块的在线热插 入。当主机要退出系统时，从机逻辑开关kn闭合，并机闸1断开，关闭CAN总线传输，关闭主逆变
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基于一种改进型模糊控制的逆变器并联系统 性能分析
王汇灵 1，王军 1，曹太强 1，王明清 2，崔晓荣 1，林莉 1，孙章 1
(1 西华大学电气信息学院，四川 成都 610039，2 乐山职业技术学院，四川 乐山 614000)
摘要：当逆变器并联系统各模块的输出电压参数不一致时，常常会产生环流现象，这样不但会加大开关元件的负
1 U s Gs k p k I k d s es s
（6）
其中 Gs 为控制对象， es 为偏差输入。在二维的输入模糊控制中，三个参数均已经考虑 到了微分作用，而在PID控制中又再一次使用了微分，这使得第三个控制分量 k d 出现了 s ， 这意味着微分环节过于灵敏，控制效果变差。因此本文将比例积分环节引入模糊控制器，构 成复合控制器，作为系统各个模块的电流调节器，将微分环节剥离，不对微分参数 k d 进行 自适应调节，从而提高了模糊PID控制器的稳定性，改进型模糊PID控制框图如图5。
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逆变器并联运行
(1)逆变器并联分析 逆变器并联运行的理想情况是并联的两台逆变器输出特性完全一致。 对于逆变器来讲， 即使 两台输出的电压、频率和相位一致，但是由于实际开关器件所有参数不可能完全一样，所以需要 对逆变器的输出进行有效的控制。 为了简便起见，以两台单相逆变器并联为例进行分析，两台逆变器并联的等效电路如图1所
流与负载Z和逆变器之间的电压差、滤波器参数和输出阻抗等因素有关。 (2)并联电压闭环特性 若对两台逆变器不加任何均流环节而直接进行并联， 并假设两台逆变器的输出已经同步， 逆 变器并联运行的电路模型如图2所示。
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U g1

U f1
担，增加系统的损耗，严重时会损坏功率器件使系统崩溃，导致供电中断。针对双闭环逆变器并联系统，本文对 其输出环流的特性进行了深入分析。采用了一种改进型模糊PID控制和LCL滤波器，构成真正的冗余逆变系统，并 且实现了逆变器并联的在线热插拔。通过实验证明该方法对逆变器并联的输出环流有很好的抑制效果。
关键词：逆变器并联；模糊控制；LCL 滤波器；主从控制
*
主机模块将采样回来的电压值进行dq分解，再将其与给定值 Vcd 和 Vcq 进行比较，将比 较结果送入电压调节器，产生电流环的给定信号，再经过电流环调节后作为SVPWM模块的 给定值，最后SVPWM模块的输出去驱动逆变桥，产生一个稳定的输出电压。主机模块中的 逻辑开关处于开通状态， 电压调节器产生的参考信号不仅作为自身电流内环的参考信号， 还 将传输到其它模块作为从机的参考信号。 对于并联系统的从机来说，主要是跟随输出电流，从机模块的逻辑开关处于关断状态， 其电流参考信号来自主机模块。 从机模块将得到参考信号与自身的反馈电流信号进行差值比 较，将得到的值通过电流调节器后送入SVPWM模块，然后由SVPWM模块去驱动逆变器输 出。 通过对并联系统的运行分析可知，系统中各逆变器模块既可以独立运行又可以并联运 行。当主机模块发生故障时，系统通过逻辑开关会重新随机产生一个新的主机模块，当从机 模块出现故障时，故障模块会自动退出系统，不会影响整个系统的运行输出，当系统中有新 的模块接入时， 新模块会自动作为从机运行。 整个系统通过这种自动主从切换控制实现了各 个逆变模块的在线热插拔。
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e ec
ki1 ki 2
模糊 规则
ko1 ko 2
kp
kd
du
dt
ki
kd
u
e
PID控制器
图5 改进型模糊控制器结构
*
上图中偏差值 e 为参考电流与反馈电流的差值（ il - il ） ，模糊PID 控制器的输出 u作为 SVPWM模块的输入信号，其中 ki1 和 ki 2 为模糊PID控制器的输入量化因子， ko1 和 ko 2 为模 糊PID控制器的输出量化因子， k d 为剥离的微分参数。根据并联逆变系统要求结构简单、响 应灵敏、线性度好等特点，模糊控制采用Z形隶属函数、三角形隶属函数和S形隶属函数相 结合的方式，如图6所示。该模糊控制的规则库如表1。
得知环流在S域中可表示为：
iH s
s L L
3 in
out
C s 2 2ZLinC sLin Lout 2Z U1 S U 2 S 2 k6 s 6 k5 s 5 k4 s 4 k3s 3 k2 s 2 k1s



（3）
r11
U1
L11
L12
r12
io1
Uo1 Z
io2
Uo2
r22
L22
L21
r21
U2
C1
C2
图1
逆变器并联等效电路
定义逆变器并联的环流为：
iH io1 io 2 / 2
（1）
式中， io1 、 io 2 为两台逆变器的输出电流。假设流过负载Z的电流为 io ，则各逆变器的输出电流 可表示为：
1
引言
由于逆变器通常采用新型全控功率开关器件构成单元模块，受开关器件容量的限制，单个逆
变器的容量是有限的，通过多个模块并联扩容，不仅可以充分利用新型开关器件的优势，还可以 提高系统的动态响应速度和逆变器的通用性。逆变器的传统控制都是使用普通 PID 控制和两输入 三输出模糊 PID 控制，但是普通 PID 控制需要对控制对象建立精确的数学模型，并且难以处理复 杂的系统。两输入三输出模糊 PID 控制可以不依赖于被控对象精确的数学模型，其控制参数和输 出可以通过函数逻辑产生的模糊规则来运行，但是两输入三输出模糊 PID 控制器过于灵敏，会使 输出效果变差，使得系统性能得不到大的改善。 针对以上所述的不足，文献[5]采用了模糊 PI 控制来改变逆变器并联的运行性能，提升了系 统的均流效果和动态响应特性，同时降低了谐波含量，但是该控制系统没有考虑到系统内各逆变 器模块的在线热插拔过程对整个系统的影响。 文献[1]考虑了系统中各逆变器模块的在线热插拔过 程，采用了一种可热插拔的并联控制方式，具有良好的均流效果，但是该系统的动态响应特性还 有待提高。因此，为了改善以上文献当中系统运行特性的不足之处，本文采用了一种改进型的模 糊 PID 控制方法用于逆变器的并联控制。通过仿真实验，证明了该方法的可行性，通过改进的模 糊 PID 控制器能提高系统运行的稳定性，增加了系统运行的响应速度，实现了各逆变器模块的在 线热插拔。
Im I s1 Is2 I sn Io
负载 主机（电压源） 从机（电流源）
图3 并联等效电路
本文所有的逆变器模块都有功率变换部分、控制部分和通信部分，图4给出了各逆变模块的 控制结构框图。在并联系统中，所有逆变模块通过逻辑开关随机产生一台逆变器作为主机，主机 主要是给并联系统提供稳定的电压和频率，其它逆变模块都做从机，跟随系统输出电流。
U1 U 2 G4 U1 U 2 2 jωL
（4） （5）
IH
若逆变器并联时，U1 略大于U 2 ，由式（4）和式（5）可知U1 > U o > U 2 。根据各逆变器反馈控 制的过程可以得出，输出电压较高的逆变器输出电压会变得更高，输出电压较低的逆变器输出电 压会变得更低，从而加大了各个逆变器之间的环流。 (3)逆变器并联控制 逆变器主从并联控制方式是一种较早的并联控制方式， 主模块控制整个并联系统的输出电压 幅值与频率，从模块的输出电流跟随参考电流实现负载均分。早期的主从控制是整个系统只有一 个固定的主模块， 其他并联的逆变器都作为从模块， 一旦主模块发生故障， 整个系统就无法工作。 改进型的主从控制可以应用于多个相同的模块并联工作，通过逻辑模块产生一个主模块控制输出 电压，并且主模块的输出电流作为从模块的电流基准。当主模块发生故障时，任意一个从模块变 成主模块，实现了并联系统的冗余控制，提高了系统可靠性。 本文所采用的主从控制方式为公用电压外环法， 提供恒定电压输出， 从机提供恒定电流输出， 主机相当于电压源，从机相当于电流源，等效电路如图3所示。