基于主从控制的逆变器并联系统研究

图3
主从并联控制框图
2
2.l
电路分析
环流分析 由于电路器件参数的离散性， 各模块参数不
可能完全相等， 逆变器之间必存在环流 . 由式 （l） 可写出并联系统的环流表达式为
~ I Ol - ~ I O2 k il - k i2 ~ !C fl - !C f2 ~ ~ IH = Ig U O（3） = 2 2 2
第 32 卷第 1 期 Voi.32 No.1 东 南 大 学 学 报（ 自 然 科 学 版 ） 2002 年 1 月 Jan . 2002 （ Naturai Science Edition） JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
关 . 逆变器采用输出电压瞬时值和滤波电感电流瞬 时值双闭环反馈控制， 输出电压波形失真度低于 畸变系数小于 5% ， 波峰系数在 l%［2］. 而一般说来， 就能完全满足并联运行要求， 不 l . 4l 1 0 . l 范围内，
［3］ 会对电源产生明显影响 . 因此无需考虑各并联逆
变器的输出电压波形是否一致 .
收稿日期：2001-04-24 . 作者简介：肖 岚 （1971—） ，女，博士， 副教授 .
图1
并联系统构成框图
2
东南大学学报 （自然科学版）
第 32 卷
用改进的两路有源箝位正激电路交错并联工作， 将 输入低压直流电 27 V 隔离变换成平均电压 l80 V、 频率 l00 kHZ 的直流脉冲电压 u D . 桥式逆变器经离 散脉冲滞环控制和输出滤波， 将脉冲电压 u D 变换 成 ll5 V / 400 HZ 正弦波输出 . 控制其功率管在直流 脉冲列 u D 的过零处进行开关， 从而实现零电压开
V
单模块逆变器的正向通道传递函数、 反馈通道 传递函数和输入输出传递函数为 ki RO 1 S 1 SC f R O + !V （ S ）= k Vf H G ） （ ） U（ S U S = O 1 + GH g （ S ）= G
V
(k
+
)
(k
+
)
（5）
（9）
空载时 1 ki （6） !V S SC f 忽略逆变器功率管压降、 直直变换器输出阻 G（ 0 S ）= kV + 抗， 逆变器等效输出电路为电感和电容并联， 等效 输出阻抗为
基于主从控制的逆变器并联系统研究
肖 岚 胡文斌 蒋渭忠 严仰光
（南京航空航天大学自动化学院，南京 210016）
摘要：基于主从控制的逆变器并联系统由 3 个采用输出电压瞬时值和滤波电感电流瞬时值双 闭环反馈控制的逆变器模块构成， 通过共用电压调节器实现负载均分 . 理论分析证明并联系统 的输出阻抗减小， 输出电压精度提高 . 电路仿真结果表明逆变器输出滤波电容和逆变器的电流 环放大倍数是影响负载均分的主要因素 . 实验结果表明该并联方案可行， 并联系统具有较好的 均流精度， 电气性能指标优于单逆变模块 . 关键词：并联； 逆变器； 主从控制； 均流 中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：1001 - 0505 （2002） 01-0000-00
}
（l） （2）
i Ol + i O2 = i O
和 （2） 可见， 若各模块电流放大倍数、 由式 （l） 滤波电容相等， 因为各模块的滤波电感电流均跟踪 同一信号 i g 变化， 所以各模块的输出电流相等， 并 均分负载电流 .
放大环节， 分别用放大倍数 k il ~ k i3 表示 . C fl ~ C f3 分别为 3 个模块的输出滤波电容 . R O 为负载 . 只
表 1 给出了并联系统在输入电压为 27 V 时， 负 载为阻性和感性时的实验测试数据 . 由实验结果可 见： 负载变化时， 输出电压变化较小； 输出电压失真 度低； 模块均流程度高， 3 个并联模块电流不均衡 度 （定义为最大电流差与平均值之比） 小于 2% . 逆 变器效率较高 . 图 5 为电路实验波形 . 图 （ 中的 4 个波形分 5 a） 别对应阻性负载时的输出电压 " O 波形和 3 个模块 的输出电流 # O1 ， 输出 # O2 ， # O3 波形 . 由波形测试可见， 电压有效值为 115 V， 3 个模块的输出电流有效值分 别为 9 . 06， 不均衡度 2 . 19% . 图 （ 9 . 26， 9 . 12 A， 5 b） 中的 4 个波形分别对应感性负载 （ cOs 时 ! = 0 . 766） 的输出电压波形和 3 个模块的输出电流波ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ . 输出 电压有效值为 116 V， 3 个模块的输出电流有效值分 别为 5， 不均衡度为 1 . 58% . 5 . 08， 5 . 08 A， 图（ （ b）分别给出了 3 个逆变模块 （用 6 a）和 和并联系统 （用 PARALLEL 表示） 1# ， 2# ， 3 # 表示） 在输入电压为 30 V， 空载到满载时的输出外特性曲 线和效率曲线 . 可见并联系统输出电压精度提高， 输出阻抗减小， 效率提高 .
图4
电路参数有差且变化时的两模块输出电流和环流仿真波形
因此， 由理论分析和仿真结果可见： 逆变器采 用瞬时电流滞环控制时， 逆变器输出滤波电容和逆 变器的电流环放大倍数是影响逆变模块均分负载 的主要因素， 必须尽量减小各模块在电流环节、 输
［5］ 出滤波环节参数的差异以提高负载均流程度 . 2 . 2 外特性
Abstract： The master-siave controiied inverter paraiiei system is composed of three inverter moduies . Based on the instantaneous output-voitage and fiiter-inductor-current doubie ciosed-ioop feedback controi and through sharing the same voitage reguiator，the current-sharing is achieved . Theory anaiysis proves that the output impedance of paraiiei system is reduced and the precision of output voitage is improved . Simuiation resuits show that the main factors which infiuence the current sharing are output fiiter capacitor and the ampiifying muitipie of current-ioop . Experimentai resuits confirm the feasibiiity of this paraiiei scheme and show that the paraiiei system has good current-sharing performance，being superior to singie moduie . Key words： paraiiei；inverter；master-siave controi；current sharing 并联是实现高可靠、 大功率供电的关键技术 . 交流电源实现并联的难度较大， 因为它必须保证各 模块的输出电压幅值、 频率、 相位、 波形和相序一 致， 且并联后要实现有功和无功负载均分 . 电流控 制技术可使逆变器获得良好的静态和动态性能， 便
图2
单模块变流器主电路原理图
逆变模块并联工作时采用共用电压调节器的 主从并联法， 如图 3 所示 . 外环是电压环， k vf 为电压 检测环节的放大系数， 电压调节器为比例积分环 节， 控制逆变器输出电压 u O 的反馈信号 u Of 跟踪基 稳定并联系统的输出电压及频率 . 准电压 u g 变化， 电压调节器输出 i g 作为各并联模块电流调节器的 采用电流三态滞环控制， 使逆 给定 . 内环为电流环， 变器滤波电感电流 i L 跟踪 i g 在一定的正负环宽内
Research on master- slave controlled inverter parallel system
Xiao Lan Hu Wenbin Jiang Weizhong Yan Yangguang
（ Coiiege of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）
每一模块输出电流由负载电流和环流决定 . 环 流不经过负载在各模块之间流动 . 由式 （3）可见： 环流大小取决于电流环放大倍数差和输出滤波电 容差 . 图 4 为采用 Saber 电子线路仿真软件进行的电 路仿 真 波 形 . 仿 真 参 数 为： 电 压 反 馈 系 数 k Vf = 电压调节器 k V = 12 . 14， 电流 0 . 034； S； !V = 16 . 8! 滤波电容 C f = 10! 给 调节器 k if = 1 . 79； F. 图 （ 4 a） 出了环流与输出滤波电容的关系曲线和两模块输
第1期
肖 ' I O1 = ' IO / 2 + ' IH ' ' ' I O2 = I O / 2 - I H
岚等： 基于主从控制的逆变器并联系统研究
3
}
（4）
出电流曲线 . 负载为 100 "阻性， C f1 = 10! F. 当 C f2 从 9! 环流 i H 正比于容值之差 . F 变化至 11 ! F 时， 当输出滤波电容相差 10% 时， 环流的最大有效值 为 0 . 18 A， 占负载电流的 15 . 7% . 图 （ 给出了环 4 b） 流与模块电流放大倍数间的关系曲线和两模块输 出电流曲线 . 负载为 6 "阻性 . 当模块 2 的电流放大 倍数 k i2 从 1 . 63 线性变化到 1 . 95 时， 环流与电流放 大倍数差关系近似线性 . 当电流放大倍数相差约 环流的最大有效值为 0 . 6 A， 占负载电流的 10% 时， 3 . 1% .
空载时 G' （ 0 S ）= G（ 0 S） （10） 并联系统等效输出电路为 3 个电感和电容并 联， 等效输出阻抗为 Z 'Out =
(
)
"L f （ 3 1 - "2 L f C f ）
（11）
4 并联系统输出功率为 ! 'O = 3 ! O
东南大学学报 （自然科学版）
第 32 卷
（12）
［1］ 于逆变器并联均流运行 . 本文对基于输出电压瞬
1
工作原理
高频软开关变流器采用 3 台 1 kVA 单相变流器
模块并联构成 （见图 1） . 单逆变模块主电路如图 2 所示， 由直直变换器和逆变器构成 . 直直变换器采
时值和滤波电感电流瞬时值双闭环反馈控制的逆 变器并联进行了研究 . 并联系统由 3 个单相逆变器 模块构成， 通过共用电压调节器实现均流 . 本文通 过电路分析、 仿真和实验证明： 该并联方案均流效 果好， 并联系统性能指标优于单逆变模块 .
［4］ 可等效为一 变化 . 电流内环呈电流跟随器性质，
有一个模块的电压环起作用， 该模块即为主模块 . 为简化分析， 假设并联系统由 2 个模块构成， 由图 3 可写出电路方程如下： i Ol = k il i g - C fl i O2 = k i2 i g - C f 2 CuO Ct CuO Ct
（7） Z Out = "L f （ / 1 - "2 L f C f ） 假设各逆变模块输出滤波电 3 个模块并联后， 容相等， 电流环放大倍数相等， 即 k i1 = k i2 = k i3 = 有 ki ， C f1 = C f2 = C f3 = C f ， ' O （8） 3 ki ' Ig = 3 ' I L =（1 / R O + 3 "C f ）U 由式 （8） 有系统的正向通道传递函数、 反馈通 道传递函数和输入输出传递函数为 3 ki RO 1 !V S 1 + 3 SC f R O （ S ）= k Vf H' G' U（ U（ O S ）= g S） 1 + G' H （ S ）= G'