逆变器无互联线并联运行控制策略

U
1U X
0
s
in
U1
Q1 =
U1 U0 cos U1 - U20 X
( 4)
由于一般逆变器输出电压 U1 和系统电压 U 0 间的相位差 U1 很小, 即 cosU1 U 1, sinU1 U U1 , 则
Q1 =
( U1 - U0 ) U 0 X
( 5)
P1 =
U1 U0 U1 X
同理, 逆变器 2 的输出功率为
U0 U X1
1
$
U1
( 8)
同理, 对( 6) 式取微分并化简得
$Q 1 =
U X
0 1
$U
1
( 9)
可以看出, 逆变电源的输出有功功率主要取
决于功率角, 而输出无功功率则主要取决于输出
电压幅值差, 即两模块有功功率的均衡取决于输 出电压相位 U1 、U2 的一致性, 无功功率的均衡主 要取决于输出电压 U 1 、U2 的一致性。因此, 通过
/ 环流0[ 5] 。
基于预先的下垂特性, 可以得到
X = X0 - m P ( 10)
U = U0 - n Q 其中, X0 为空载时的频率; U 0 为空载时的电压幅 值; m 为频率 X 的下垂系数; n 为电压幅值 U 的下
垂系数。
2 个不同容量的逆变器下垂特性, 如图 2 所
示。当并联所用的逆 变电源额定容 量规模不同
假设并联系统中各台逆变器的相位、幅值相 差较小时, 可以认为并联系统的有功环流跟相位 差有关, 而无功环流跟幅值差有关, 利用逆变器输
出的下垂特性, 各逆变器以自身的有功和无功功 率为依据, 调整自身输出电压的频率和幅值, 以达 到各台逆变器的均流运行[ 2] 。
1 PQ 原理分析
11 1 潮流理论 互联成网的交流电力系统在稳态运行方式下
由于存在电压和频率的下垂外特性, 所以在并联
后, 负载运行时系统的频率及电压都会降低到某
一个点, 在这个点上所有的电源都会在一个较空
载运行点偏低的电压和频率工作, 从而使各模块
电源对输出功率作相应的调整以达到消除环流的
目的。采用这种均流控制的各并联逆变电源之间
可以没有互连线, 而且可以实现各种不同容量的
的外特性倾斜度( 即调节输出阻抗) , 以达到并联
的逆变电源均流控制的目的。直流电源通过下垂
均流控制, 可以自动实现并联输出均流, 逆变电源
也可以通过电压频率下垂均流控制来达到并联输
出的有功和无功功率的自动均分控制。通过人为
引入逆变电源的电压和频率下垂特性, 就可以达 到并联逆变电源输出的均流控制, 从而抑制并联
时, 为了确保每个逆变电源能够根据其额定容量
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合肥工业大学学报( 自然科学版)
第 31 卷
分担 负载, 下 垂系 数的 选 择为 ( 其 中 S 为 视在
功率)
m1S 1 = m2S2 = + = mnS n n1 S1 = n2 S2 = + = nnS n
( 11)
根据( 11) 式中的调整下垂特性和图 2 可知,
0引 言
逆变器并联运行可实现大容量供电和冗余供 电, 是当今逆变技术发展的重要方向之一[ 1] 。在 逆变电源并联运行系统中, 必须分析和解决电压 同步与均流控制问题。为了减少逆变器之间的连 线, 本文提出了实现无互联线式逆变器并联系统 的一个方案, 这种并联控制方式基于逆变器输出 的外下垂特性即 P Q 下垂理论, 其思想来源于电 力系统的并网运行。
图 2 频率与电压的下垂特性
考虑到每个逆变器都有自己的空载频率 X01 、 X02 , 并联系统只有一个工作频 率 X, 假设两逆变
器同容量, 根据( 10) 式有 X= X01 - m P1 , X= X02 mP2, 则这 2 个模块间的有功功率差为
$P = | X01 - X02 | m
故得到下垂系数 m 的上限值为
mmax =
$Xm ax P min
( 12)
同理, 可得下垂系数 n 的上限值为
nmax =
$Um a x Qm in
( 1ຫໍສະໝຸດ Baidu)
( 8) 式、( 9) 式、( 12) 式和( 13) 式, 表明 P Q 法 调节中的系数 m 与逆变器的输出电压的幅值和
连线阻抗有关, 而系数 n 与输出连线阻抗有关, 故
基于 P Q 理论的无互联线并联方案[ 7, 8] , 如图 3 所示。图 3 是系统中的一个并联模块的 P Q 控 制结构图, 各并联模块检测出自己的输出电压和 电流, 进行有功功率和无功功率的计算, 然后再计 算出频率和参考电压幅值, 两者合成为逆变器的 参考电压, 作为电压调节器( P I 调节) 的给定, 与 输出电压相综合构成电源负反馈系统, 形成双闭 环控制的电压外环; 电压调节器的输出作为电流 调节器的给定, 与输出电流相综合加到电流调节 器( P 调节) 形成电流内环; 电流调节器的输出经 PWM 控制产生出发信号驱动开关器件工作在逆 变状态。
过仿真论述了调节系数的取值问题。结果表明, 该系统切换过程迅速, 过渡过程平滑, 具有极好的动态性能。
关键词: 逆变器; 无联线并联; 环流; PQ 调 节
中图分类号: T M 464
文献标识码: A
文章编号: 1003- 5060( 2008) 04- 0556- 05
A control strategy on parallel operation of inverters with wireless
具有同一频率, 当系统中出现有功功率不平衡时, 如电源不足或负荷增大时, 将会引起系统频率下 降; 反之, 将造成系统频率过高。而当系统中的两 节点电压存在差异时, 无功功率将从节点电压高 的一端流向节点电压低的一侧。这种由于电力系 统供电电压的频率和幅值变化引起有功功率和无
收稿日期: 2007-04-17; 修改日期: 2007- 06-25 基金项目: 安徽省教育厅自然科学基金资助项目( 2006 kj172c) 作者简介: 周松林( 1975- ) , 男, 安徽东至人, 硕士生, 铜陵学院讲师;
逆变器的输出连线阻抗将影响其功率均分性能。
逆变器的并联。但是, 这种控制方法存在一个严
重的缺陷, 逆变器的输出特性必须设计为软特性,
即输出电压和频率必须随着负载的大小变化, 对
于一个利用下垂特性的系统来说, 在从空载到满
载变化时, 频率将会变化 2 rad/ s, 幅值将会变化
10% , 下垂系数越大, 频率和幅值下降得越多, 所 以对下垂系数要有限制[ 6] 。
ZH OU Song- lin, GONG Zhao- t ian, LIU Zeng- liang
( D ept . of Elect rical Engineering, T on gling College, Tongl ing 244000, China)
Abstract: A contr ol st rat eg y on par all el invert ers w ith w ireless is pr esent ed based on circulat ing- curr ent t heo ry and the P Q principle. T he key of t he cont rol st rategy lies in it s realizat ion of pow er regul at ion as po w er calculat ion and r eg ulat ion. T o calculat e the pow er exact ly, pow er t heory is f ully anal yzed and some relevant f orm ulas of pow er calculation are achiev ed. T he dr oop coef ficients hav e direct inf luence o n t he im prov em ent o f t he regulation precision and dy namic r espo nse. T he paper ex po unds the choice of t he value of t he adjust able coef ficients w ith sim ulat ion. T he result s sho w that the sy st em sw it ches r apidly, t ransf orms smoo thly and has a g ood dy namic per for mance. Key words: invert er; parallel w it h w ireless; circulat ing cur rent ; PQ regulat io n
Q2 =
( U2 - U0 ) U 0 X
( 6)
P2 =
U2 U0 U2 X
对( 5) 式取微分, 则
$P1 =
U0 X1
(
U1
$U1
+
U1 $U1 +
$U1 $U1 )
( 7)
由于 U1 比较小, 有
U 1 $U1 m U1 $U1
U 1 $U1 m $U 1 $U1
化简( 7) 式, 得
$P1 =
刘增良( 1958- ) 男, 河北保定人, 铜陵学院教授, 硕士生导师.
第4期
周松林, 等: 逆变器无互联线并联运行控制策略
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功功率的潮流变化, 称为潮流理论。 11 2 PQ 基本公式推导
由潮流理论可知, 在一个供电系统中, 要使多 台逆变器的功率达到平衡, 可以通过调节各台逆 变器输出电压的频率和幅值实现。对于逆变器并 联系统, 如果不加任何环流抑制措施, 由于逆变器 输出引线阻抗很小, 各模块输出电压幅值和相位 等参数的微小变化都将在模块间产生很大的环流 ( 具体分析见环流原理部分) , 使得逆变器各模块 不能均分负载功率, 因此必须采取措施抑制环流。
调节各逆变器的基准电压信号的幅值和相位, 就
可以实现各逆变器输出的无功功率和有功功率的
均衡, 从而达到均流的目的。由于相位不易检测,
一般通过调节输出电压的频率来达到改变输出电
压的相位, 进而调节逆变器的输出有功功率, 这就
是 PQ 下垂控制的基本思想。 11 3 PQ 下垂控制理论
下垂均流控制( Dr oop) 就是调节开关变换器
第 31 卷 第 4 期 2008 年 4 月
合肥工业大学学报( 自然科学版)
JO U RN AL O F H EFEI U N IV ERSIT Y OF T ECH N OL O GY
Vol. 31 No . 4 Apr. 2008
逆变器无互联线并联运行控制策略
周松林, 贡照天, 刘增良
( 铜陵学院 电气工程系, 安徽 铜陵 244000)
于输出连线阻抗造成 的各逆变器间 的功率不平 衡, 一般取连线电感的阻抗远大于连接导线, 使得 各逆变器间的输出连线阻抗近似相等。
2 PQ 控制方案
21 1 系统结构 在并联系统中, 逆变器若要稳定工作, 关键要
使得各逆变器的输出功率基本均衡。由上述的理 论分析可知, 可以用检测来的功率调节逆变器自 身的输出电压幅值和频率, 以达到实现各逆变器 模块在系统中均分负载电流。因而, 功率的获得 和实时调节成为方案设计的关键之一。
目前, 比较有效的方法有 2 种: 在逆变器输出 端串耦合电感, 或者直接用电感; 在逆变器输出端 并联隔离变压器。本文的分析采用输出端直接用 电感的方法。
以 2 台逆变电源模块向同一负载供电为例, 如图 1 所示。其中, X 为线路阻抗, 联线电阻很 小, 可忽略不计; U 0 为并联电网电压。
图 1 逆变电源并联系统
逆变器 1 供给负载的复功率为
S1 =
P1+
jQ1 =
U
0
I
* 1
( 1)
输出电流为
I
* 1
=
U1 ( cos U1 + j sinU1 ) jX
U0
( 2)
故
S1 =
U
0
I
* 1
=
U0
U1 ( co sU1 + j sinU1 ) jX
U0
( 3) 由此可以得出, 输出有功功率和无功功率分 别为
P1 =
摘 要: 文章在分析环流理论、PQ 原理的基础上, 提出了一种逆变器 无互联线控 制策略。要保 证无互联 线并
联的性能关键在于调功的实现, 这包括功率的获 取和功率的调 节。为准确计 算出功率, 先对功 率基本理论 进
行分析, 并得出相关计算公式。在功率的调节中, PQ 的调节系数将直接影响 调节的精 度和动态响 应, 该 文通