多逆變器－電機推進系統的環流分析及抑制方法

黃允燦, 劉理

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多逆變器－電機推進系統的環流分析及抑制方法

黃允燦, 劉理

（海軍駐武漢七一二所軍事代表室，武漢 430064）

根據多逆變器－電機推進系統的電路結構，應用戴維南等效定理，分析了環流的產生機理，得到并聯逆變器推進系統的等效輸出電路，從而可以簡化控制系統設計。根據環流產生的機理，討論了加均流電抗器和加環流反饋控制的環流抑制方法。

多逆變器 電機推進系統 環流 戴維南等效原理

0 引言

并聯逆變器的輸入端直接并聯，共用同一個直流源[1]，輸出端通過均流電抗器或變壓器并聯在一起。如果各逆變器采用獨立的直流電源時，假若直流電壓有所不同，為了得到相同的輸出電壓，每個逆變器就會產生不同的PWM[2]波形，因此會導致產生較高次諧波，從而會形成較明顯的環流而影響并聯工作。

1 多逆變器并聯－電機系統的模型等效輸出電路

根據戴維南（Thevinin）等效原理，可以將多個逆變模塊的推進系統簡化成單個逆變器的系統，以2個并聯的三相逆變器帶三相阻感的一相為例，等效電路和戴維南等效變換后的電路如圖1所示。

同單模塊相比，并聯系統的輸出阻抗減小，外特性變硬。在相同負載條件下，輸出電壓下降量減小。

所以，逆變模塊i的輸出電流

2 環流產生的原因

由等效模型圖看出，導致并聯模塊電流不同的原因有兩方面：1）模塊的輸出電壓不同。當并聯模塊開關管的開通占空比不同時，輸出電壓幅值就會出現差異。2）模塊的輸出阻抗參數不同。由于逆變器參數的分散性，用于多機并聯的各電源模塊外特性不一定一致。這兩種情況會導致各臺逆變器的輸出電流出現幅值或相位的差異，這種電流差在各臺逆變器間流動，形成系統的環流。環流的出現，不僅會嚴重影響逆變器的工作性能，使系統的效率降低，而且可能對逆變器的主電路器件產生較大影響，嚴重時甚至燒毀逆變器，因此必須加以控制。

3 環流的抑制方法

根據環流特征，電壓型逆變器之間的環流可分為兩類：1）由逆變器輸出基波電壓的幅值、頻率或相位不同而導致的基波頻率成分；2）由逆變器輸出電壓瞬時差而導致的開關頻率環流成分，即諧波環流。

基波環流導致逆變器之間輸出電流不均衡，通常要采取均流調節器加以抑制；諧波環流不對系統的電流均衡產生影響，消除諧波環流的最直接途徑是盡量減小逆變器之間硬件參數的分散性，此外還要依靠電抗器的設計、逆變器PWM控制方式。

3.1 串均流電抗器

根據式（4），如果逆變器等效輸出阻抗越大，輸出電流對實際輸出阻抗的靈敏度就越低，從而電流均分能力得到提高。

具體實現如圖2所示。

3.2 加入均流反饋環節的控制技術

為了實現大電流輸出，除了在逆變器輸出端加入均流電抗器或者相間變壓器外，需要將環流引入控制系統，對環流進行反饋控制。在并聯控制技術中，主從控制法易于設計和實現，缺點是沒有實現真正意義的冗余。對于大功率的驅動系統來講，對并聯逆變器的冗余性要求并不高，所以主從式控制仍然是驅動系統并聯逆變器的常用控制結構[3]。根據環流抑制的原理，將主從式結構的均流控制技術分為兩類：1）參考電流調節法。控制結構采用主從式，由主模塊計算參考電流并發送給各從模塊，從模塊根據參考電流值來調節各自電流輸出，從而使得各電流輸出趨于一致。2）參考電壓調節法。控制結構采用主從式或分布式，由主模塊或者所有模塊共同產生公共電壓參考信號。

單個逆變器供電的異步電機變頻調速采用速度、電流雙閉環控制，具有比較滿意的穩定性能。多個逆變器并聯供電時，將瞬時環流引入控制系統中，使得控制系統中增加了環流參與的均流環，這樣有可能會導致整個調速系統的不穩定。因此，逆變器的并聯控制不僅要解決減小均流的問題，還要通過參數設計提高整個控制系統的可靠性。

4 仿真與實驗結果

4.1 仿真結果

利用Matlab/Simulink仿真軟件，對2個逆變器并聯拖動三相電機負載的系統進行建模和仿真。

三相電機參數：

參照電機漏感參數，根據均流電抗器的選取原則，電感幅值選為3 mH[4]。

1）開關管特性差異對系統環流的影響

由圖3(b)可以看出：當并聯模塊的開關管特性存在差異時，即使控制脈沖完全相同，仍會出現環流。而且，因為2個并聯逆變器的控制脈沖完全同步，所以環流以直流和基波環流為主，諧波環流含量很少。

2）均流電感差異對系統環流影響的仿真研究

逆變器1的均流電抗器參數更小，對應的輸出電流更大。由于并聯逆變器的輸出阻抗差異，2個逆變模塊的電流相差較大，這樣有可能因為超過逆變器的額定容量而燒毀分流大的模塊。而且，各逆變模塊間的環流量大小與濾波電感之間的大小差成正比。

4.2 試驗結果

實驗在2.2 kW的電動機上進行，電機調速采用恒壓頻比的開環控制方式。2個逆變器采用同步脈沖控制方式進行并聯，改變2個并聯逆變器的均流電抗大小，驗證環流與均流電抗器的關系。圖5為均流電抗器的參數為2 mH時2個逆變器的輸出電流。圖6為均流電抗器參數為4 mH時2個逆變器的輸出電流。圖7為2個逆變器的均流電抗器的參數分別為4 mH和2mH時對應的輸出電流波形。

通過圖的對比，可以看出：均流電抗器的電感越大時，2臺逆變器之間的環流抑制效果越好，但同時也會降低逆變器的有效輸出電壓。2個逆變器的均流電感有差異時，會導致更大的環流產生，因此，對于多個逆變器并聯的環流控制，盡量選擇參數一致的均流電感，以減小外部因素引起的環流問題。

5 總結

本文建立了基于開關函數的并聯逆變器的等效電路，通過分析等效電路，得出了系統產生環流的2個原因：并聯逆變器的輸出電壓矢量的差異和輸出阻抗的差異。

根據戴維南等效原理，得出逆變器并聯系統的等效輸出電路，推導等效電壓和等效輸出阻抗的表達式，從電機負載角度，任意多個并聯逆變器可以簡化為單個逆變器，從而可以簡化整個控制系統的設計。特別提出了基于環流反饋的2種均流方法，為逆變器并聯控制方案打下良好的基礎。

[1] 吳旭升, 馬偉明. 直流混合供電的多相電機數學模型的分析與研究[J]. 中小型電機, 2001, 28(1): 7-12．

[2] 卓放，周新，李可等．模塊化PWM主電路實現的大容量有源電力濾波器．電力系統自動化，2002，26（16）：45-4.

[3] N．Kawakami, M．Hombu．Quick response and low-distortion current control for multiple inverter-fed induction motor drives．IEEE Trans on power electronics, 1994, 9(2):240-247.

[4] 于飛．多相永磁同步電動機控制與調速的仿真研究[D]. 武漢：海軍工程大學， 2001．

Circulation Analysis and Restraining Method of Multi Inverter for Motor Propulsion System

Huang Yuncan, Liu Li

(Naval Representatives Office in No.712 Research Institute, Wuhan 430068, China)

TM461

A

1003-4862（2014）11-0064-04

2013-06-10

黃允燦(1989-),男，助理工程師。研究方向：電機工程。