逆变电源并联技术

逆变电源并联技术

Parallel Strategy of Inverter

陈 宏 胡育文(南京航空航天大学航空电源科技重点实验室 210016)

Chen Hong Hu Yuwen (Nanjing University of Aeronautics and Astronautics 210016 China) 摘要 逆变器并联是提高电源系统可靠性,扩充系统容量的有效方式。本文介绍了逆变电源并联的原理、技术要求和特点。对当前采用的逆变电源并联方案进行了总结和分类。在此基础上详细分析了各种并联方案的特点和内在关系,指出了逆变电源并联技术的发展趋势。

关键词:逆变电源 并联 环流中图分类号:TM464

Abstr act The parallel operation of inverter is not only a very useful method to increase the capac 2ity of power system,but also a good way to improve reliability of it 1This paper introduces the princi 2ple of inverter .parallel operation 1Several methods are summed up and classified 1Features and problems of these strategies are discussed and inner relationship has been described 1The developing process of in 2verter .s parallel is shown clearly in this paper 1

Keywor ds:Inverter,parallel,circumfluence

陈 宏 男,1972生,博士研究生,研究方向为电力电子与电力传动。胡育文 男,1944生,教授,博士生导师,研究方向为电力电子与电力传动。

1 前言

当前,交流电源供电方式正在由集中式向分布式、全功能式发展,而后者的技术核心就是模块化电源的并联技术,这是一个研究的热点。逆变电源的并联策略有很多,有主从结构[1],用电压型逆变器作为主模块控制系统电压,电流型逆变器提供负载电流。有对等式[2,4]

,并联的各个逆变器结构功能相同,相互间有信号的传递,但不存在隶属关系。还有基于有功无功调节的无连线并联方式[5,6]。本文重点讨论了并联的技术问题和各项并联方案的特点。

2 逆变器并联原理和特点

逆变器的并联需要满足5项条件,即电压、频

率、波形、相位、相序相同,只有这样才能消除环流、均分负载功率,达到最佳的运行状态。以下对

两台单相逆变器并联进行分析,图1中将逆变器简化为电压源加LC 滤波器的形式。根据图1中的电流电压关系得到电路方程(1)

如下

图1 逆变器并联电路图F ig 11 Circuit of parallel inverters

U 1-J X L 1i L 1=U 0U 2-J X L 2i L 2=U 0

i L 1-i R 1-i C 1+i L 2-i R 2-i C 2=0U 0/R =i R 2+i R 1U 0#j X C 1=i C 1U 0#j X C 2=i C 2

(1)

设C 1=C 2=C,L 1=L 2=L ,由式(1)可得

第17卷第5期

电工技术学报

2002年10月

i L1=(U1-U2)/2j X L+1

2

U0(1/R+2j X C)

i L2=-(U1-U2)/2j X L+1

2U0(1/R+2j X C)

(2)

由式(2)可以看出,在输出滤波器相同的情况下,等式右边第二项自然相等,第一项为无功环流,它使得并联逆变器的输出电流不相同。由于环流方向相反,只有令它为0,才能保证并联逆变器输出电流相等,而此环流仅由U1、U2决定。由于等式中电压为矢量形式,所以U1与U2的电压幅值与相位的差异都会引起两台逆变器的电流差异。可以通过两种方法减小逆变器的环流,一是增大输出滤波器电感量L来抑制环流;二是调节电压矢量U1=U2。方法一增加了滤波器的体积重量,同时降低了输出的动态性能。方法二不需改动电路结构、参数,只要选取合适的控制策略,但此种方案对控制有较高要求。

由于逆变电源并联是一种特殊的工作形式,所以对逆变器本身也有特殊要求。

(1)逆变器的负载多为开关电源等非线性负载,电流谐波大,功率因数低,并联时必须考虑谐波引起的失真功率分配问题。

(2)逆变器多采用电压闭环控制,频率由晶振决定,外特性较硬,而简单的电压控制不具备发电机的频率自同步和输出电压自然下垂特性,并联时需要考虑相应的控制策略。

(3)对逆变器的直流环节有特殊要求。直流环节的响应速度不同,会引起输出电压的瞬时差异。而不同的直流电压会导致输出波形谐波成分不同,形成高次谐波环流。

(4)需要考虑逆变器电压相位滞后时吸收的有功功率的泄放问题,防止直流环节电压升高,损坏功率器件。

3逆变器并联方案

逆变器并联的关键在于负载的分配,因此有直接基于有功无功分配的并联方案[5,6]。但在实际系统中,逆变器多为电压型,而且电流量易于检测,所以并联方案大多是基于电流均分控制[1~4]。根据模块之间的隶属关系,电流均分控制又可分为主从式和对等式。

311电压源/受控电流源型

电压源/受控电流源型并联方案属于主从式并联方案。电压源作为主控模块,用来建立恒定的电压,从模块的作用是跟踪电流给定,提供相应的负载电流,见图2。VCPI为电压控制逆变器,CCPI 是电流控制PWM逆变器,PDC是功率分配中心。系统中VCPI作为主控单元,它通过锁相环PLL 使输出频率与市电或者自身频率基准同步,并通过反馈环节使得输出电压恒定。它的输出电流取决于负载性质,与常规逆变器相同。PDC单元(功率分配中心)负责提供CCPI电流参考信号。它检测负载电流I0,根据CCPI的单元数计算I comn

=I0/ N,并将电流指令I comn同步分配给各个CCPI单元。N个CCPI单元(电流控制PWM逆变器)被设计成电流跟随器性质,跟踪PDC分配的参考电流。CCPI内部设有参考电流前馈,用来加快电流响应。由于PDC提供的参考电流与I0(负载电流)同步,而且CCPI又具有很好的快速跟随性,所以CCPI单元不需要锁相环(PLL)电路进行同步,避免了PLL动态特性差的缺点。

图2电压源与电流源组合式并联方案

F ig12Scheme of master2slaver inverters

这种方案将电压与电流通过不同的单元分别加以控制,思路简单明了,易于实现,可以方便地扩充系统容量,而且系统稳定性好。此系统中模块间均流效果取决于两方面,一是PDC平均分配电流的精度,二是CCPI的电流放大倍数的一致性。所以此种并联方案对参数一致性要求较高。但是此方案只在从单元CCPI之间实现冗余,VCPI与PDC 没有冗余单元,故障时无法替代,并联系统未实现功能和结构的完全冗余。

56电工技术学报2002年10月