兩種雙環控制方式對并聯逆變器的影響

劉旭光，伍家駒

（南昌航空大學，江西 南昌330036）

0 引 言

隨著國民經濟的迅速發展，各行業對供電的要求也逐漸提高。逆變電源作為一種生活常見的供電方式，在各個領域起著非常重要的作用［1］。逆變電源并聯技術是提高逆變電源可靠運行和擴大其容量的一種有效途徑［2］，逆變電源并聯控制方式有：集中控制、主從控制、分散控制、無互聯線控制。由于無線并聯控制方式的可靠性相對于其它控制方式高，所以本文采用無線并聯控制方式。逆變并聯電源穩定運行的條件是幅值、頻率均一致，使得各個逆變電源共同均分負載的有功功率與無功功率，從而實現并聯。

對于單個逆變電源的控制方式通常采用電壓電流雙環控制，其有兩種反饋方式：電容電流與電感電流反饋控制；本文重點分析兩種反饋方式，文獻［3］只對單個逆變電源作了分析，沒有對并聯逆變電源進行分析。針對以上問題本文通過仿真分析在兩種反饋控制方式下對無線并聯逆變電源中環流的影響。

1 單相逆變電源數學模型

本文針對單相全橋逆變電路進行分析，其主要結構由IGBT開關器件、濾波電感L、濾波電容C等組成，其電路結構圖如圖1所示。

圖1 單相逆變電路

圖1 中ui為逆變橋輸出電壓，uo為輸出電壓，iL為濾波電感電流，ic為濾波電容電流。對單相全橋逆變電路圖1進行數學建模分析，由狀態空間方程可以得出單相逆變電路主回路框圖，如圖2所示。

圖2 單相逆變主回路框圖

2 逆變電源雙環控制設計

本文逆變電源采用雙環控制策略，即內外環控制，內外環控制通常能夠改善系統的動態特性。采用電流反饋作為內環控制時，用外環電壓誤差信號控制電流，通過調節電流使輸出電壓跟蹤給定電壓。電流內環能夠擴大逆變電源控制系統的寬帶，逆變系統的動態性能得到提高，輸出電壓的諧波含量減小。電壓電流雙環控制是逆變電源最有效的方式之一。

逆變系統采用雙環控制策略，其由電壓外環與電流內環兩部分組成；電壓外環GV（S）采用比例積分調節，即PI調節；電流內環Gi（S）采用比例調節，即P調節。電感電流反饋控制框圖如圖3所示。

圖3 電感電流反饋控制框圖

其中電壓、電流調節器可設為：

則由圖3可得到其傳遞函數關系式

電容電流反饋控制方式如圖4所示。

圖4 電容電流反饋控制框圖

同理可得電容電流反饋控制方式的傳遞函數關系式為：

由傳遞函數關系式（3）與（4）可知其空載輸出電壓相同，等效輸出阻抗不同；帶負載時其輸出電壓不同，與其等效輸出阻抗的大小有關；兩種電流反饋方式的空載輸出電壓相同，即為：

兩種電流反饋方式的等效輸出阻抗分別為：

逆變電源外特性是逆變系統的一個重要特性對并聯的成功有著重要的影響，等效輸出阻抗決定了逆變電源的外特性。由式（3）與（4）可知在控制參數一致的情況下電感電流反饋方式的輸出電壓小于電容電流反饋方式的輸出電壓，即電壓外特性硬度不同。因為電感電流反映電流的變化，電容電流是輸出電壓的微分，反映了輸出電壓的變化趨勢，輸出電壓可以提前得以進行校正，所以電容電流反饋方式對系統的輸出電壓有著更好的控制能力。

3 控制方式對環流的影響分析

為了提高電源的容量、可靠性，通常采用無線并聯方式將N個逆變電源并聯。逆變電源并聯要求保證并聯的各個逆變電源幅值、相位、輸出阻抗均一致，否則會產生環流對逆變電源系統帶來嚴重的影響。現以兩個逆變電源并聯為例進行分析，采用不同的內環控制方式對減小環流有何不同的影響，如圖5所示。

圖5 并聯逆變系統圖

圖中E1、E2為逆變電源的幅值，α、β為兩個逆變電源相對輸出端的相位差，R1＋X1、R2＋X2為輸出阻抗，Zo為輸出負載。環流是由于各逆變電源模塊的輸出特性差異所造成的，只有并聯的各逆變電源模塊均分負載電流而不產生環流，系統才能正常、高效的工作。由等效電路圖可知流經輸出阻抗的電流I1、I2分別為：

則其環流定義為：

由上式可知并聯系統要求兩個逆變電源的輸出電壓幅值、相位、輸出阻抗均一致，否則將產生環流。并聯單元間的環流是造成逆變電源故障的主要原因。這個問題解決不好，不僅可靠性得不到提高，而且會適得其反。輸出阻抗的增大可以減小并聯系統的環流，輸出阻抗很大程度上可以由逆變器的控制環控制。由式（8）與式（9）可知在相同的條件情況下，電感電流反饋方式的輸出阻抗大于電容電流反饋方式下的輸出阻抗，則電感電流反饋方式下的環流小于電容電流反饋的環流。

4 兩種反饋方式仿真分析

基于以上理論分析，采用MATLAB軟件對上述理論進行系統仿真。系統模型由三個部分組成：全橋電路、控制器、PWM脈沖產生模塊，采樣電路的信號傳給控制器進行調節，產生的調節信號傳送給PWM模塊。單相逆變器仿真參數：輸入直流電壓330 V，輸出正弦交流電壓220 V，頻率50 Hz；濾波電感5 mH，濾波電容3μF。控制器的參數為：Kvp＝2，Kvi＝5 000，Kip＝4。在上述條件下分別對兩種電流反饋方式進行仿真，其負載為純阻性。仿真結果如圖6，圖7所示。

圖6 電感電流反饋輸出電壓和頻譜分析圖

圖7 電容電流反饋輸出電壓和頻譜分析圖

通過以上仿真可以得出，采用電感電流反饋方式時輸出電壓的硬特性較電容電流反饋方式的硬特性差，且電感電流反饋方式的輸出電壓THD稍大，數據如表1所示。

表1 兩種方式輸出電壓和THD比較

對于并聯系統來說，各個逆變電源的輸出電壓的外特性很重要，其電壓誤差越大，則并聯系統的環流越大，作兩種反饋方式的仿真如圖8、9所示。

圖8 電感電流反饋輸出阻抗負載電流和環流

圖9 電容電流反饋輸出阻抗負載電流和環流

由仿真可知兩種反饋控制方式對并聯系統輸出阻抗的電流影響較大，但是其環流很小。電流反饋產生的環流小于電容電流反饋產生的環流，這是由于電感電流反映了負載電流的變化，所以相對電容電流精確，產生的環流小。并聯逆變電路中首先要保證輸出電壓的幅值、相位一致，且保證輸出電壓誤差小。兩種電流反饋方式產生的環流大小相差不大，基于以上分析，本文選擇電容電流反饋方式作為并聯逆變系統的內環控制方式。

5 結 論

本文針對兩種電流反饋控制方式進行理論分析和比較，電感電流反饋控制方式對逆變電源的輸出電壓產生的誤差較大；并聯系統中電容電流反饋方式對并聯逆變電源的環流影響相對電感電流反饋方式大，但是兩種方式產生的環流大小相差不大。基于并聯逆變電源系統中的要求，綜合考慮選擇電容電流反饋方式可以保證并聯系統輸出電壓的精度，電容電流反饋、電壓外環反饋是一種較好的控制方式，仿真實驗驗證了理論的可行性。

［1］ 劉鳳君.現代逆變技術及應用［M］.北京：電子工業出版社，2006.

［2］ 周松林.逆變器無互聯線并聯運行控制策略［J］.合肥工業大學學報，2008，31（4）：556－560.

［3］ 呂永慶.兩種逆變器雙環反饋控制技術分析與比較［J］.通信電源技術，2009，26（4）：20－30.

［4］ 楊會敏，宋建成.基于雙環控制的單相電壓型PWM逆變器建模與仿真［J］.電氣傳動自動化，2009，31（1）：15－18.

［5］ 闞加榮，吳云亞.控制參數對并聯逆變器性能的影響［J］.電工技術學報，2009，24（9）：120－126.

［6］ 吳云亞.逆變器無線并聯系統的建模與仿真［J］.系統仿真學報，2009，21（12）：3807－3812.