电压基准预同步的逆变器并联运行控制

2 × 360 N 200 1 = %∝ α= 360 N N
（ 3） 式中
（ 7）
3
输出均流控制
逆变器并联系统输出均流控制在电压基准信号
fr k 0, Ur k 0——第 k 台逆变器电压基准的初始 频率、初始幅值； f r′k , U r′k ——经过有功无功调节后的基准频 率、幅值； k∆ P , k∆ Q ——∆Pk 、 ∆Q k 的调节系数。
预先同步调节的基础上进行。为了提高并联系统的 抗扰性，各逆变器之间应没有承载诸如公共电压基 准等模拟信号的互连线。可以在各逆变器中分别计 算本模块输出的有功功率和无功功率， 采用 PLC 通 信或 CAN 通信方式在各模块之间传递输出功率信 息，各模块分别计算出本机输出功率与平均负载功 率的差异，利用功率差异信息调节各自电压基准信 号的相位和幅度，实现输出均流。本文研究了基于 CAN 通信和功率差调节的均流方法。 3.1 均流控制原理 逆变器双机并联系统等效电路如图 3 所示，图 中， U 1∠ θ 1、 U 2∠ θ 2 分别为两模块空载输出电压， r 1+j X1、r 2+j X2 分别为两模块的输出阻抗、线路阻抗 及输出扼流电感感抗之和， Z L 为并联系统总负载， U o∠ 0 为并联系统输出电压。经过电压基准信号的 预同步调节，图 3 中 θ 1、 θ 2 接近 0 ，则有 sin θ k = θ k cos θ k = 1 k = 1, 2 （ 4）
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电 工 技 术 学 报
2010 年 4 月
流信息，因此热插拔性能、在非线性负载下或动态 过程中的均流性能不够理想。 电力线通信（ PLC ）技术的研究已有数年的历 史，它借助于调制解调技术，通过低压电力线载波 以串行方式传送数据，目前在电力系统等领域已有 较多应用
[6-7]
基准正弦信号发生器的输入相位。均流控制单元根 据逆变控制电路提供的本机输出功率 Pj、 Q j，与经 过通信单元如 PLC 通信或 CAN 通信得到的其他逆 变模块的输出功率 Pk、Qk 进行比较，计算出本机输 出偏差功率，据此微调 u rj 信号的相位和幅度，对 u rj 的相位调节量、幅度调节量分别为 ∆ϕ j、∆U rj。本 逆变模块的通信单元与其他模块的通信单元之间采 用一定的方式和协议进行信息传递。
⎧ k = f rk 0 − k ∆P ∆P k ⎪ f r′ ⎨ ′ = − ∆ U U k Q ∆Q rk 0 k ⎪ ⎩ rk
每改变 1 时， T squ 的改变量为
∆Tsqu_min = N f CPU ∝N
（ 2）
程序中判断各 s j 信号已同步的依据是它们的相 位变量的大小差异在 −1～ +1 以内， 从而同步调节能 够达到的精度为
(b) s 1 滞后 s 2
图2 Fig.2
s 1 与 s 2 的相位关系判断图
Phase relationship between s 1 and s 2
第 25 卷第 4 期
Hale Waihona Puke Baidu
何中一 等
电压基准预同步的逆变器并联运行控制
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本系统中，采用数字信号处理器（ DSP ）控制 PLC 芯片的收发数据和同步控制。 DSP 采用定时器 每个计数 T1 的连续增计数方式产生方波同步信号 sj， 周期相位变量 ϕ自加 1，其取值范围为 0～ N−1，则
2
电压基准信号的预同步调节
逆变器并联运行均分负载的条件是：通过控制
各模块电压基准信号的频率和幅度，使各模块输出 电压的频率、相位、幅度分别对应相同。为了便于 捕获正弦信号的相位，采用的方法是控制与各电压 基准信号 u rj 同频同相的方波同步信号 s j 保持同步。 所谓电压基准信号的预同步调节，是指在逆变器整 个运行过程中控制其电压基准信号与并联系统中其 他逆变器的电压基准信号保持同频同相。 图 1 所示为本文提出的电压基准预同步的逆变 器并联系统的单机结构框图。图中， ϕ j、U rj 分别为 电压基准信号 u rj 的相位和幅度， u j、 ioj 分别为本机 输出电压、输出电流， Lx 为输出扼流电感， u o 为并 联输出电压。 图 1 中，同步控制单元根据逆变控制电路产生 的本机方波同步信号 s j 和经过通信单元如 PLC 通信 得到的其他模块的方波同步信号 s k 计算出各模块的 s j 信号之间的相位差，根据相位差相应调节 s j 信号 的频率，使各 s j 信号的相位 ϕ j 保持同频同相，作为
式中
T 1PR——定时器 T 1 的周期寄存器的数值； fCPU ——DSP 的 CPU 频率。 程序中通过调整 T 1PR 的大小调节 T squ ， T 1PR 的
（ 6）
只要调节各逆变器输出电压有效值相等，就能 只要调节各逆变器输出电压相位相等， 获得 Q 1=Q 2； 就能获得 P1=P2。 3.2 改进的累加功率调节算法 根据式（ 5）和式（ 6） ，以及传统的频率、幅度 下垂调节方法， 可以得到利用功率差调节基准频率、 幅度的全补偿调节法，如式（ 7 ）所示。
综合传统的无连线逆变器下垂并联方法和有连线分布式并联方法的优点，提出了一种
电压基准预同步的逆变器并联系统及基于电力线通信（ PLC）的实现方法。研究并实现了电压基 准信号的同步控制，并联模块之间传递各基准信号的频率和相位差信息，通过同步控制算法调节 使各基准信号的相位相互一致；在基准同步的基础上，由各并联逆变器之间传递的有功功率、无 功功率信息各自生成功率差信号，提出了一种改进的功率调节累加算法，利用累加的功率差对电 压基准信号的相位和幅度进行调节，实现了输出均流和并联模块的热插拔。仿真分析和实验结果 证实了控制的有效性和可行性。 关键词： 逆变器 并联 同步 电力线通信 控制器区域网 中图分类号： TM464
Tsqu = NT1PR f CPU
假定 r 1=r 2≈ 0 、 X1=X2=X，两模块输出功率为
2 U k U oθ k U U −Uo Qk = k o X X 式中， k = 1, 2 ，下同。
Pk =
（ 5）
（ 1）
模块 1 算得的功率差为
∆P 1 = U o (U1θ1 − U 2θ 2 ) X ∆Q1 = U o (U1 − U 2 ) X
图1 Fig.1
并联系统中的一个逆变器模块的结构框图 Structure block diagram of the proposed system
本文研究的基准正弦信号的预同步调节方法借 助 PLC 通信和同步算法实现，就同步控制而言，并 联系统各模块之间无需信号互连线。 逆变器并联系统中，各模块均根据同样的相位 参考信号得到各自方波同步信号 s j 的相位大小后， 即可得到各 s j 信号之间的相位关系。 在双机并联系统中，图 2a、图 2b 所示分别为 s1 超前、滞后 s2 时的相位关系。图中，用相位变量 ϕ1、
2010 年 4 月 第 25 卷第 4 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.25 Apr.
No. 4 2010
电压基准预同步的逆变器并联运行控制
何中一 邢 岩 祁飚杰 王笑娜
南京 210016 ） （南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室 摘要
Control for Inverters in Parallel Operation With Pre-synchronized Voltage References
He Zhongyi Xing Yan Qi Biaojie Wang Xiaona Nanjing 210016 China） （ Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Abstract
台达环境与教育基金会电力电子科教发展计划和江苏省普通高校 研究生科研创新计划（ XM06-63 ）资助项目。 收稿日期 2008-12-11 改稿日期 2009-04-29
1
引言
逆变器并联运行控制是提高逆变器运行可靠性
和扩大供电系统容量的重要技术手段，是电源系统
但常规 因其硬件简单的特点而备受推崇和关注 [3-5] 。 的无连线方法基于外特性下垂原理，模块间很难交
。采用 PLC 方式在并联模块之间交换
信息，功率输出线和信号通信线合二为一，使模块 间既有信息交流，硬件上又没有通信线。文献 [8-9] 将 PLC 技术应用于逆变器并联系统， 实现了各模块 的并联运行，验证了该技术的可行性。 研究表明， 基于基准同步先行的并联控制策略， 各并联模块间首先交换电压基准信号的相位信息、 并直接据此分别调节各自的基准信号、达到相互同 频同相，在此基础上再做均流调节，对于改善动态、 特别是热插拔过程的均流性能有重要意义 [10] 。本文 在各并联模块电压基准信号预先同步调节的基础 上，提出了一种基于 PLC/CAN 通信的逆变器并联 运行输出均流控制方法，各逆变器分别计算本模块 输出的有功功率和无功功率，经 PLC/CAN 通信得 到各模块之间的输出有功功率差和无功功率差，利 用功率差异信息调节各自电压基准信号的相位和幅 度，研究了传统的全补偿有功无功调节法不能实现 功率完全均分的原因，给出了实现功率均分的累加 算法， 实现了负载功率的均分和并联模块的热插拔。
ϕ2 控制 s1、 s2 的相位，其取值范围为 0～N−1。对于 模块 1，ϕ2 通过 PLC 得到；对于模块 2，ϕ1 通过 PLC
得到。各模块计算 sj 相位的方法为：捕获并联系统 中各模块共享的相位参考信号的同一位置如上升沿 时刻，读取此时 ϕ j 的大小，即可判断 sj 的相位。
(a) s 1 超前 s 2
A novel inverter parallel system based on pre-synchronized voltage reference signal
and output power difference regulation is proposed to take advantage of both the conventional wireless droop method and the distribution control method. The pre-synchronization control for voltage reference signal is implemented by combining power line communication (PLC) and digital signal processor (DSP) hardware with the corresponding software algorithm. In parallel system, the phase angle of each voltage reference signal is exchanged by PLC and regulated to be identical among all the modules. The active power and reactive power of each module are calculated and exchanged by means of communication such as PLC and controller area network (CAN) in parallel system to generate the output power differences. The accumulative power regulation algorithm is proposed with theoretical analysis in detail, and the phase and amplitude of the voltage reference signals are regulated by the output power differences. Simulation and experimental results are obtained in the dual-module parallel system to verify the validity and feasibility of the proposed control. Keywords： Inverter, parallel, synchronization, power line communication (PLC), controller area network (CAN) 的发展方向之一。并联系统的正常运行要求各模块 在各种过程中都能够均分负载，使各模块之间的环 流尽可能小。分布式并联控制方法通过模块间的信 号互连线交流信息，真正实现了系统的冗余，但互 无连线并联控制方法 连线增加了系统的复杂性 [1-2] 。