逆变器的并联运行技术-电子工程世界

摘要：介绍多个电源模块并联使用时，会产生的问题及其解决方法。

关键词：电源模块并联运行均流

信息技术的迅速发展，对其供电系统的容量、性能和可靠性要求越来越高，也推动着电力电子技术的研究不断深入，研究领域不断拓宽。多模块并联实现大容量电源被公认为当今电源变换技术发展的重要方向之一。多个电源模块并联，分担负载功率，各个模块中主开关器件的电流应力大大减小，从根本上提高可靠性、降低成本。同时，各模块的功率容量减小而使功率密度大幅度提高。另外，多个模块并联，可以灵活构成各种功率容量，以模块化取代系列化，从而缩短研制、生产周期和降低成本，提高各类开关电源的标准化程度、可维护性和互换性等。

80年代国外开始研究DC/DC变换器并联运行技术，现已取得实用性的成果，而新的均流技术、系统稳定性等方面的研究仍在不断深入。同主电路和控制电路的研究发展过程一样，逆变器并联运行技术的研究也是在借鉴DC/DC并联技术的基础上不断深入。但由于是正弦输出，其并联运行远比直流电源困难，首先要解决三个问题：

（1）两台或多台投入运行时，相互间及与系统的频率、相位、幅度必须达到一致或小于容许误差时才能投入，否则可能给电网造成强烈冲击或输出失真。而且并联工作过程中，各逆变器也必须保持输出一致，否则，频率微弱差异的积累将造成并联系统输出幅度的周期性变化和波形畸变；相位不同使输出幅度不稳。

（2）功率的分配包括有功和无功功率的平均分配，即均流包括有功和无功均流。直流电源的均流技术不能直接采用。

（3）故障保护。除单机内部故障保护外，当均流或同步异常时，也要将相应逆变器模块切除。必要时还要实现不中断转换。

目前，实现逆变器并联运行的几类典型方法有：

1 自整步法[1][2][3]

    并联系统中各模块是等价的，没有专门的控制模块。通过模块间的均流线实现同步和均流，源于航空恒速恒频（CSCF）电源的自整步并联技术[2]。其基本原理是（见图1）：

    以两路并联为例。当两通道的输出电压略有偏差时，将会有偏差电压存在。幅度偏差引起的与、基本上同相，见图1（c），相位偏差引起的与、基本上垂直（超前90°），见图1（b），尽量减小、的幅值和相位偏差将会减小偏差电压(=＋)，从而减小环流(=＋)，见图1（a）。类似CSCF电源系统，逆变器输出端一般接有串联电感L和分流电容C构成的输出滤波器，但并联时两通道间的差模阻抗(Z1－Z2)，见图1(a)只含L，而C归入负载阻抗。忽略导线电阻，则引起的偏差电流滞后90°，与、基本同相，引起的偏差电流则滞后、90°，因此对相位偏差的控制，可以实现对偏差电流有功分量的控制，使两通道分担的有功功率趋于均衡；而对幅值偏差的控制，可以实现对偏差电流无功分量的控制，使无功功率趋于均衡。

    偏差电流可以通过图2电流检测环CTLOOP实现。设通道1、2的电流互感器次级电流分别为、I1、I2，流过采样电阻R1、R2的电流分别为、，则电流检测闭合环路：

    IR1R1＋IR2R2=(I1－IT)R1＋(I2－IT)R2=0

    一般取R1=R2则IT=(I1＋I2)/2可见，IT体现了负载电流均值、而IR1、IR2体现了电流偏差，将其分离成有功、无功分量，并分别用于调整电压相位和幅值，见图3，从而实现有功和无功功率的均衡。

这一方法适合开环控制的低频调制逆变器，电流检测、分解和控制环节的电路复杂，调节时间长、精度低。

2 外特性下垂法[4]

出发点类似于直流输出变换器并联均流的下垂法。模块间没有控制信号连线。它仅以本模块有功功率、无功功率和失真功率为控制变量，从而使各模块独立工作。各模块有自己的控制电路，之间唯一的连接是各模块交流并联功率输出线。均流靠模块内部输出频率、电压和谐波电压分别随输出的有功功率、无功功率和失真功率呈下垂特性，从而实现同步和均流。

并联的各模块为带电流内环和电压外环的正弦波逆变器，见图4，AC为公共负载线，Zline为输出端导线阻抗。

    （1）线性负载的均流

    令Zline为纯感性，由图5，可导出模块i（i=1，2）的有功功率无功功率

    Pi=EiU / X sinδi

    无功功率 Qi=EiUcosδi / X

    上式表明，两模块有功功率的均衡主要取决于功率角δ1和δ2的一致性，而无功功率主要取决于逆变器输出电压有效值E1和E2的一致性。令各模块

    ω=ω0－m·P

U=U0－n·Q

式中：ω0、U0分别为空载时的角频率和有效值；

m、n分别为ω和U的下降率。

下垂特性使各模块的功率流受控。两模块并联时，下垂特性使系统的频率和电压跌落到新的工作点，该点环流最小。

（2）非线性负载的均流

此时，视在功率S的表达式中又增加了一项谐波电流造成的失真功率D：

S 2=P 2＋Q 2＋D 2

与基波无功功率不同，只调整逆变器输出电压的基波分量不会影响失真功率，解决这一问题的方法之一是作为失真功率的函数调整电压环增益，使电压环的增益和带宽随谐波分量而降低，从而得到所需的输出阻抗特性。借此降低谐波电压分量，改善各模块对谐波电流的均流，如图4所示。

这一方案的关键环节是功率计算单元。算法必须能处理线性和非线性两种负载情况。算法所需信息源于电感电流和输出电压，其基本思路是将电感电流谐波分解，然后以输出电压与之相乘，从而得到各个功率分量。

该方案的优点是各模块仅在负载端相连，方便现场组成并联系统，特别适合于分布式并联系统。缺点是下垂特性造成系统的频率和电压随负载而变，偏离理想工作点（虽然理论上偏离可以很小）。文中提供的仿真和实验结果表明，均流效果不够理想，特别是动态过程或带非线性负载时，算法实现较复杂。

3 主从模块法[5][6][7]

如参考文献[5]介绍的主从式并联系统，由一个电压控制PWM逆变器（VCPI）单元、数个电流控制PWM逆变器（CCPI）单元（功率单元）和功率分配中心（PDC）单元组成并联系统。并联系统的基本结构如图6所示，它包括：

（1）一个VCPI主控单元，其电压调节器保证系统输出幅度、频率稳定的正弦电压；

（2）N个CCPI从单元，设计其具有电流跟随器性质，分别跟随PDC单元分配的电流；

（3）PDC单元检测负载电流，并平均分配给各CCPI单元，且是同步的。

VCPI单元通过锁相环（PLL）使其正弦输出电压与市电或自身产生的基准电压信号同步，而输出电流取决于负载性质。它与常规的逆变器或UPS无异。

CCPI单元必须具备快速响应性能以跟随所分担的负载电流，不需要PLL实现同步，故可适应VCPI输出频率的变化。输出电压被看作干扰输入，通过前馈加以补偿。

PDC的主要功能是监控整个系统的工作状态，并按各单元的视在功率Si为各工作单元分配电流。

该并联系统采用单一电压调节器，CCPI单元无需同步电路，故系统稳定性好，易于容量扩展；均流效果好。问题是VCPI、CCPI和PDC是不同性质的模块单元，构成复杂，不能完全实现系统冗余，存在故障瓶颈现象。

4 热同步并机技术[8]

一种称做“热同步并机”的逆变器并联技术，已应用在UPS产品中。它不需要在两台UPS之间设置通信信号，在先进的微处理器所提供的数字信号处理技术的支持下，采用独特的自适应调控技术，每台UPS只需检测自己的输出电压、电流、相位和功率的变化状态，就能实现同步和均流。其基本原理是：首先，两台UPS的输出电压被调至相同的幅度，参数和性能的一致性必须很好。在这一前提下，并联工作时，若其相位略有差异则输出波形处于“超前”状态的那台，就会承担较大的负载电流。因此，每台UPS检测自己每个周期输出功率的变化情况，当变化量增大时，说明其相位超前，应略降低输出频率。每次频率的调节量（步长）是极小的，以确保负载均分的平滑性和频率精度。它可以做到模块均流的不平衡度小于2％。

它本质上属于“外特性下垂法”的一种简化形式。算法实现复杂，对模块参数的一致性要求较高。

5 无主从同步均流技术[9][10]

在分析和借鉴逆变器现有并联方法的基础上，我们研究了一种基于先进的电流型瞬时反馈控

制技术的逆变器并联运行系统的构成方式。其实现要点是：

（1）各个逆变器模块的基准信号发生电路之间通过局部反馈（同步信号）实现基准信号的同步（同频、同相、同幅），为各模块提供公共的基准信号；

（2）各模块电压调节器的输出信号共同作用生成各模块公共的电流基准。

此并联系统突出的结构特点是：

（1）电压基准同步环节和电流基准生成环节分散在各个逆变器模块中，各模块完全等价；

（2）构成并联系统时不用附加额外的控制模块，通过模块间的少量信号线（2～3条）实现输出同步和均流；

（3）理论上可以任意数目模块并联，也可单机运行。

其优良的控制性能体现在：

（1）并联系统的动、静态性能不低于单模块设计性能；