逆變器無線并聯系統的應用

李 洋 ，譚驚濤

（1.上海交通大學電氣工程學院，上海200240；2.臺達能源（上海）有限公司，上海201209）

1 引言

隨著不間斷供電電源（UPS）對大容量和高可靠性的要求越來越高，人們更傾向于用并聯系統來替代傳統的單機系統[1，2]。而無線并聯系統有著許多的優點，比如：可冗余、可擴展、更高的可靠性等。很明顯，無線并聯系統的挑戰在于如何在并聯單元之間均分有功和無功功率[3-6]。

文獻[1]中，提出了一種新穎的無線并聯逆變器系統的控制方案，然而，對于一個實際的無線并聯系統，還有許多具體的環節需要設計與考慮，不但有功和無功功率需要得到很好的均分，而且輸出電壓的相位和頻率必須要很好地跟蹤電網電壓,否則會導致逆變器無法向電網輸出能量，反而由于電網向其回灌能量而損壞。根據文獻[1]我們知道，無線并聯的負載均分精度取決于負載電壓的有效值和頻率的計算精度。另外，負載電壓的相位也需要精確計算，所以及時和精確檢測負載電壓相位和頻率信息非常重要。本文提出了一種簡單新穎的檢測方法。

目前為止，絕大多數公開的無線并聯系統技術都需要在啟動時用內部通訊線作通訊[3，6]，所以這種并聯系統并非是“真正”的無線并聯系統。本文詳細地分析了無線并聯系統的起動機理并給出了一種無需任何通訊線的起動方案，使得無線并聯系統成為真正的無線并聯系統。

基于上面的一些考慮，本文最后給出了四個逆變器單元無線并聯的實驗波形。這些實驗波形也驗證了本文提出的無線并聯方案有較好的啟動效果和負載均流精度。

2 與電網同步的負載均分控制策略

基于靜態調節器，可與電網同步的負載均分控制策略（見圖1）。這種控制方案可以分成3個部分：內環控制器、外環控制器以及與電網同步的控制器。其中，內環控制器用來控制負載上的電壓波形；在這種負載均分控制策略中，內環控制器又包括了瞬時電壓環(VR)和瞬時電流環(CR)，它們的作用就是產生準確的參考信號(Vref)給逆變器去控制逆變器的輸出負載電壓。因此可以保證逆變器有較好的動態相應和較低的THD(total harmonic distortion)。外環控制器是用來保證系統有較高的電壓精度和負載均分精度。其中，有功功率控制器和無功功率控制器分別用來保證輸出無功功率和有功功率能很好地跟蹤有功功率和無功功率參考。因此，要想保證系統有比較高的負載均分精度，關鍵在于如何得到較高精度的有功功率和無功功率參考。

現在，以有功功率為例，有效值（RMS）調節器是一個靜態調節器，它的每一個輸入值都對應著唯一一個輸出值[1]。因此，我們可以通過它的輸入量(Verr)得到一個有功功率給定Pref。這里，電壓給定Vref是在數字信號處理器DSP(Digital Signal Process)中設置好的量，而Vo則是通過實際輸出電壓值計算出來的電壓有效值RMS (root-mean-square),所以通過每個Vo將會得到相應的Verr，換句話說，Pref的變化取決于Vo的變化。在并聯系統中，由于并聯的單元全部接在同一個輸出負載上，所以它們可以通過同一個負載電壓計算得到同樣的電壓有效值Vo所以，它們可以得到同樣的有功功率參考，從而使得有功功率的均分得以實現。詳細的控制策略分析可以參考文獻[1]。

無功功率的均分原則和有功功率的均分原則一樣。它仍舊是并聯的逆變器單元利用靜態誤差調節器 (System Frequency regulator)通過檢測輸出負載的頻率信息得到相同的無功功率給定來實現的[1]。具體如何通過頻率信息得到無功功率給定可以參考文獻[1]。

圖1 一種和電網同步的無線負載均分控制策略

2.1 與電網同步

文獻[1]中，系統的負載電壓沒有要求和電網同步，所以系統頻率參考fsys被設定成一個固定值，比如：

為了能和電網電壓同步，系統的頻率參考必須是一個隨著電網電壓頻率的變化而變化的量，它的算法如下：

式中：fin和θin分別是電網電壓的頻率和相位；θ0是負載電壓的相位；Kp是一個比例系數且可以根據需要的動態相應而調整。

2.2 負載均分誤差分析

顯然，無論并聯系統是否與電網同步并不影響著有功功率的分配。但是，同步控制效果影響了無功的均分效果，系統的無功調節器可以用以下公式表示：

式中：λ2是衰減因子，通常，0<λ≤1；ferr（k）是第K次采樣周期中的輸入誤差值；α2和β2是系數，通常 α＞β＞0。

在穩定狀態下無功功率參考可以定義為：

其中，kdroop2是系統頻率調節器的下垂系數。

在并聯系統中，假定輸出電壓很好地跟蹤電網電壓，則把公式 (3)代入式(1)得到以下結果:

顯然，和文獻[1]是有差別的。無功均分精度不僅和負載電壓頻率f0有關而且還和電網電壓的頻率fin、電網電壓相位θin和負載電壓相位θ0有關。

2.3 相位和頻率的監測

圖1中,兩個觀察器用來得到電網頻率fin、相位θin和負載電壓頻率f0、相位θ0。圖2介紹了這種結合軟件和硬件的頻率及相位檢測方法。一到電網電壓的過零點，硬件線路就產生一個脈沖，而DSP就可以檢測到這個脈沖并在其內部模擬出一個和電網電壓一樣的電壓信號Vin，我們可以用到DSP內部的其中一個定時器來做到模擬出來的電壓信號Vin和電網電壓完全同步，這里Vin的頻率與圖1中的fsys一致。

圖2 電網電壓相位檢測方法

圖3 是這種相位檢測方法的控制框圖。其中,eT是電網電壓過零點和Vin之間的誤差值。在穩定狀態下，只要能調節eT盡量接近0，我們就可以通過一個比例積分調節器(PI)來得到相應的電網電壓fin和θin。同理，負載電壓的f0和θ0也可以通過另外一個觀察器用同樣方法得到。

圖3 電網電壓相位觀測器

3 無線并聯系統啟動過程分析

啟動問題是另一個影響無線并聯系統實際應用的問題。大多數無線并聯系統在啟動的時候需要通信線，在等到啟動結束后再去掉，實際上這種無線并聯系統不是“真正”的無線并聯。本文中，有功和無功參考是從負載電壓得到的，而并聯系統中每個單元接在同一個負載上，所以每個單元可以得到相同的有功和無功信息。

從圖4中，我們可以發現,INV2已經連上負載而INV1還沒有連上，此時INV2已經可以用到負載電壓的電壓V0、頻率ω0的信息，但是INV1還用不到負載上的電壓和頻率信息。所以這時，用于系統內部的負載均分控制機理只可以用在INV2上而不是INV1上。

我們知道，INV1需要滿足下面兩個條件：

(1)INV1的輸出電壓有效值和負載電壓V0基本一致。

(2)INV1的輸出頻率和相位必須和負載電壓的頻率和相位一致。

所以，在INV1接到負載之前，我們必須對它做特殊處理以至讓它在沒有接到負載前就能得到負載電壓的有效值和頻率信息。

圖4 無線并聯逆變器系統簡圖

3.1 用通訊線啟動

圖5 是通過通訊線來啟動的并聯系統的結構框圖，這個控制架構可以被用于上文提到的逆變器單元1(INV1)，從而可以讓它在并入系統前得到從INV2傳送過來的負載頻率fref和有效值Vamp信息。在啟動過程中，只有內環控制器是起作用的，外環控制器和同步控制器沒有起作用，而這種啟動控制模式在INV1接上負載后立刻轉成正常的負載均分控制模式。

圖5 通過通訊線來啟動的并聯系統控制框圖

顯然，這種并聯系統在啟動時需要一根通訊線，所以不算是真正的無線并聯系統。

3.2 不需要通訊線的啟動

為了讓系統做到真正的無線并聯，本文提出了一種較為方便的控制方法。圖6中,無論并聯單元是否已經接上負載都可以檢測到負載電壓上的信息。但是監測到的信息是隨著繼電器開關狀態的變化而變化的。

圖6 無線并聯系統并聯簡圖

圖7 是本文所提出的啟動方案的控制策略圖。在并聯單元接上負載前，它監測到的電壓信息只有負載電壓信息，它的電壓參考值Vamp是一個固定值，所以其輸出電壓是固定值(如 230 V)。根據上面所提到的控制原理，并聯單元的輸出電壓是隨著負載的大小而變化的。但是變化范圍是我們設定的，變化范圍大則負載均分精度高但電壓隨負載變化的波動大，所以應該折中考慮，(如：設定滿載時輸出電壓為226 V，而空載時為234 V)因此，沒有接上負載的那個單元的輸出電壓不會和負載電壓差別太大，幾乎和負載電壓一樣。

圖7 無需通訊線來啟動的并聯系統控制框圖

在啟動過程中從Observer_1獲得到的θ0用于預測相位參考，然而，由于滯后調節器的本在特點，所預測的相位信息總是會滯后于負載電壓的相位，但是相位差是比較小的，而且是個固定值，所以并不影響系統運行。我們可以用一個固定的相位值θc去補償它。所以待并聯單元(INV1)就可以做到很好地同步于負載電壓。

4 實驗結果

為了驗證本文所提出的控制方案，本文給出了一個共有4個單元的無線并聯系統，見圖8所示。每個單元都有一個三電平PFC和三電平逆變器組成。控制器都是由數字信號處理器DSP（TMS320F2407）完成。每個單元的一些主要參數列于表1。

表1 一個并聯單元的參數

在穩態下，負載電壓的功率和電壓關系見圖9所示。負載電壓值隨著輸出功率的變化從234 V變化到226 V。負載電壓和電網電壓的相位差不超過2°。

圖8 并聯系統中的一個單元的拓撲

圖9 輸出電壓和負載的關系圖

圖10 示出了兩個單元并聯時刻電感電流的響應波形。在A點,INV1開始接上負載，由于INV1接上負載前是空載，所以其輸出電壓略高于負載電壓，從而導致A點過后緊接著有一段微小振蕩過程，但其幅度小，時間短，不影響整個系統的運行。在B點，整個啟動過程結束，系統開始穩定運行，整個過程大概持續時間4 s。

從上面分析結合實驗波形我們知道，本文提出的在無線并聯系統啟動過程中無須任何通訊線的方案是可行的。

圖10 兩個并聯單元并聯啟動時刻的電感電流

圖11 到圖13示出了負載均分的實驗波形。其中i1,i2,i3和i4分別是四個并聯單元的逆變器電感電流。其中圖11是空載穩態波形，圖12是線性滿載穩態波形，圖13是非線性滿載穩態波形。從這些波形可知，每個單元的電流幾乎相同，且頻率都很好地跟蹤50 Hz的電網電壓。由此可知，本文提出的無線并聯方案有相當高的負載均分精度。

圖11 四個單元空載并聯時的電感電流波形

圖12 四個單元線性滿載并聯時的電感電流波形

圖13 四個單元非線性負載并聯時的電感電流波形

5 結論

本文分析了一些出現在無線并聯系統實際應用中的問題，比如和電網電壓的鎖相、相位和頻率的預測、并聯系統的啟動問題，并且提出了一個簡單有效的解決方法，建立一個由四個單元并聯的平臺來驗證本文提出的解決方案，通過分析和實驗波形，我們可以得出如下結論：

（1）每個并聯單元都可以很好地與電網電壓同步。

（2）系統既有較高的負載均分精度又有較高的輸出電壓精度。

（3）本文提出的啟動方案可以使得無線并聯系統變成真正意義上的無線并聯。

[1]Jingtao Tan,Zhiqiang Jiang,Yang Li and Jianping Ying.Wireless Load Sharing of Parallel Inverter Based on Static-Error Regulator.PESC 2004.

[2]Jingtao Tan,Hua Lin and Jianping Ying.A Novel Load Sharing Control Technique for Paralleled Inverters.PESC 2003.

[3] A Tuladhar,H Jin,T Unger and K Mauch.Parallel Operation of Single Phase Inverter Modules With No Control Interconnections.in Proc.IEEE-APEC’97 Conf.,1997：94-100.

[4]S J Chiang,C Y Yen and K T Chang.A Multimodule Parallelable Series-Connected PWM Voltage Regulator.IEEE Trans.Ind.Electron.,2001,48（3）：506-516.

[5]U Borup,F Blaabjerg and P N Enjeti.Sharing of Nonlinear Load in Parallel-Connected Three-Phase Converters.IEEE Trans.Ind.Applicat.,2001，37（6）：1817-1823.

[6]J M Guerrero,L García de Vicun～a,J Matas and J Miret.A Wireless Load Sharing Controller to Improve Dynamic Performance of Parallel-Connected UPS Inverters.in Proc.IEEE-PESC’03 Conf.,2003.