逆變器的并聯運行技術

摘要：介紹多個電源模塊并聯使用時，會產生的問題及其解決方法。

關鍵詞：電源模塊 并聯運行 均流

信息技術的迅速發展，對其供電系統的容量、性能和可靠性要求越來越高，也推動著電力電子技術的研究不斷深入，研究領域不斷拓寬。多模塊并聯實現大容量電源被公認為當今電源變換技術發展的重要方向之一。多個電源模塊并聯，分擔負載功率，各個模塊中主開關器件的電流應力大大減小，從根本上提高可靠性、降低成本。同時，各模塊的功率容量減小而使功率密度大幅度提高。另外，多個模塊并聯，可以靈活構成各種功率容量，以模塊化取代系列化，從而縮短研制、生產周期和降低成本，提高各類開關電源的標準化程度、可維護性和互換性等。

80年代國外開始研究DC/DC變換器并聯運行技術，現已取得實用性的成果，而新的均流技術、系統穩定性等方面的研究仍在不斷深入。同主電路和控制電路的研究發展過程一樣，逆變器并聯運行技術的研究也是在借鑒DC/DC并聯技術的基礎上不斷深入。但由于是正弦輸出，其并聯運行遠比直流電源困難，首先要解決三個問題：

（1）兩臺或多臺投入運行時，相互間及與系統的頻率、相位、幅度必須達到一致或小于容許誤差時才能投入，否則可能給電網造成強烈沖擊或輸出失真。而且并聯工作過程中，各逆變器也必須保持輸出一致，否則，頻率微弱差異的積累將造成并聯系統輸出幅度的周期性變化和波形畸變；相位不同使輸出幅度不穩。

（2）功率的分配包括有功和無功功率的平均分配，即均流包括有功和無功均流。直流電源的均流技術不能直接采用。

（3）故障保護。除單機內部故障保護外，當均流或同步異常時，也要將相應逆變器模塊切除。必要時還要實現不中斷轉換。

目前，實現逆變器并聯運行的幾類典型方法有：

1 自整步法[1][2][3]

并聯系統中各模塊是等價的，沒有專門的控制模塊。通過模塊間的均流線實現同步和均流，源于航空恒速恒頻（CSCF）電源的自整步并聯技術[2]。其基本原理是（見圖1）：

以兩路并聯為例。當兩通道的輸出電壓略有偏差時，將會有偏差電壓存在。幅度偏差引起的與、基本上同相，見圖1（c），相位偏差引起的與、基本上垂直（超前90°），見圖1（b），盡量減小、的幅值和相位偏差將會減小偏差電壓(=＋)，從而減小環流(=＋)，見圖1（a）。類似CSCF電源系統，逆變器輸出端一般接有串聯電感L和分流電容C構成的輸出濾波器，但并聯時兩通道間的差模阻抗(Z1－Z2)，見圖1(a)只含L，而C歸入負載阻抗。忽略導線電阻，則引起的偏差電流滯后90°，與、基本同相，引起的偏差電流則滯后、90°，因此對相位偏差的控制，可以實現對偏差電流有功分量的控制，使兩通道分擔的有功功率趨于均衡；而對幅值偏差的控制，可以實現對偏差電流無功分量的控制，使無功功率趨于均衡。

偏差電流可以通過圖2電流檢測環CTLOOP實現。設通道1、2的電流互感器次級電流分別為、I1、I2，流過采樣電阻R1、R2的電流分別為、，則電流檢測閉合環路：

IR1R1＋IR2R2=(I1－IT)R1＋(I2－IT)R2=0

一般取R1=R2則IT=(I1＋I2)/2可見，IT體現了負載電流均值、而IR1、IR2體現了電流偏差，將其分離成有功、無功分量，并分別用于調整電壓相位和幅值，見圖3，從而實現有功和無功功率的均衡。

這一方法適合開環控制的低頻調制逆變器，電流檢測、分解和控制環節的電路復雜，調節時間長、精度低。

2 外特性下垂法[4]

出發點類似于直流輸出變換器并聯均流的下垂法。模塊間沒有控制信號連線。它僅以本模塊有功功率、無功功率和失真功率為控制變量，從而使各模塊獨立工作。各模塊有自己的控制電路，之間唯一的連接是各模塊交流并聯功率輸出線。均流靠模塊內部輸出頻率、電壓和諧波電壓分別隨輸出的有功功率、無功功率和失真功率呈下垂特性，從而實現同步和均流。

并聯的各模塊為帶電流內環和電壓外環的正弦波逆變器，見圖4，AC為公共負載線，Zline為輸出端導線阻抗。

（1）線性負載的均流

令Zline為純感性，由圖5，可導出模塊i（i=1，2）的有功功率無功功率

Pi=EiU / X sinδi

無功功率 Qi=EiUcosδi / X

上式表明，兩模塊有功功率的均衡主要取決于功率角δ1和δ2的一致性，而無功功率主要取決于逆變器輸出電壓有效值E1和E2的一致性。令各模塊

ω=ω0－m·P

U=U0－n·Q

式中：ω0、U0分別為空載時的角頻率和有效值；

m、n分別為ω和U的下降率。

下垂特性使各模塊的功率流受控。兩模塊并聯時，下垂特性使系統的頻率和電壓跌落到新的工作點，該點環流最小。

（2）非線性負載的均流

此時，視在功率S的表達式中又增加了一項諧波電流造成的失真功率D：

S 2=P 2＋Q 2＋D 2

與基波無功功率不同，只調整逆變器輸出電壓的基波分量不會影響失真功率，解決這一問題的方法之一是作為失真功率的函數調整電壓環增益，使電壓環的增益和帶寬隨諧波分量而降低，從而得到所需的輸出阻抗特性。借此降低諧波電壓分量，改善各模塊對諧波電流的均流，如圖4所示。

這一方案的關鍵環節是功率計算單元。算法必須能處理線性和非線性兩種負載情況。算法所需信息源于電感電流和輸出電壓，其基本思路是將電感電流諧波分解，然后以輸出電壓與之相乘，從而得到各個功率分量。

該方案的優點是各模塊僅在負載端相連，方便現場組成并聯系統，特別適合于分布式并聯系統。缺點是下垂特性造成系統的頻率和電壓隨負載而變，偏離理想工作點（雖然理論上偏離可以很小）。文中提供的仿真和實驗結果表明，均流效果不夠理想，特別是動態過程或帶非線性負載時，算法實現較復雜。

3 主從模塊法[5][6][7]

如參考文獻[5]介紹的主從式并聯系統，由一個電壓控制PWM逆變器（VCPI）單元、數個電流控制PWM逆變器（CCPI）單元（功率單元）和功率分配中心（PDC）單元組成并聯系統。并聯系統的基本結構如圖6所示，它包括：

（1）一個VCPI主控單元，其電壓調節器保證系統輸出幅度、頻率穩定的正弦電壓；

（2）N個CCPI從單元，設計其具有電流跟隨器性質，分別跟隨PDC單元分配的電流；

（3）PDC單元檢測負載電流，并平均分配給各CCPI單元，且是同步的。

VCPI單元通過鎖相環（PLL）使其正弦輸出電壓與市電或自身產生的基準電壓信號同步，而輸出電流取決于負載性質。它與常規的逆變器或UPS無異。

CCPI單元必須具備快速響應性能以跟隨所分擔的負載電流，不需要PLL實現同步，故可適應VCPI輸出頻率的變化。輸出電壓被看作干擾輸入，通過前饋加以補償。

PDC的主要功能是監控整個系統的工作狀態，并按各單元的視在功率Si為各工作單元分配電流。

該并聯系統采用單一電壓調節器，CCPI單元無需同步電路，故系統穩定性好，易于容量擴展；均流效果好。問題是VCPI、CCPI和PDC是不同性質的模塊單元，構成復雜，不能完全實現系統冗余，存在故障瓶頸現象。

4 熱同步并機技術[8]

一種稱做“熱同步并機”的逆變器并聯技術，已應用在UPS產品中。它不需要在兩臺UPS之間設置通信信號，在先進的微處理器所提供的數字信號處理技術的支持下，采用獨特的自適應調控技術，每臺UPS只需檢測自己的輸出電壓、電流、相位和功率的變化狀態，就能實現同步和均流。其基本原理是：首先，兩臺UPS的輸出電壓被調至相同的幅度，參數和性能的一致性必須很好。在這一前提下，并聯工作時，若其相位略有差異則輸出波形處于“超前”狀態的那臺，就會承擔較大的負載電流。因此，每臺UPS檢測自己每個周期輸出功率的變化情況，當變化量增大時，說明其相位超前，應略降低輸出頻率。每次頻率的調節量（步長）是極小的，以確保負載均分的平滑性和頻率精度。它可以做到模塊均流的不平衡度小于2％。

它本質上屬于“外特性下垂法”的一種簡化形式。算法實現復雜，對模塊參數的一致性要求較高。

5 無主從同步均流技術[9][10]

在分析和借鑒逆變器現有并聯方法的基礎上，我們研究了一種基于先進的電流型瞬時反饋控

制技術的逆變器并聯運行系統的構成方式。其實現要點是：

（1）各個逆變器模塊的基準信號發生電路之間通過局部反饋（同步信號）實現基準信號的同步（同頻、同相、同幅），為各模塊提供公共的基準信號；

（2）各模塊電壓調節器的輸出信號共同作用生成各模塊公共的電流基準。

此并聯系統突出的結構特點是：

（1）電壓基準同步環節和電流基準生成環節分散在各個逆變器模塊中，各模塊完全等價；

（2）構成并聯系統時不用附加額外的控制模塊，通過模塊間的少量信號線（2～3條）實現輸出同步和均流；

（3）理論上可以任意數目模塊并聯，也可單機運行。

其優良的控制性能體現在：

（1）并聯系統的動、靜態性能不低于單模塊設計性能；

（2）各模塊電感電流的均衡程度基本上只取決于各模塊電流反饋系數的一致性。當電流采樣電路參數安全相同時，理論上各模塊沒有均流誤差。

缺點是只適用于電流型控制的逆變器。