三相逆變器并聯下垂控制策略的研究

邵明生　揭貴生　賀云南　林克文　侯暢武

【摘要】在逆變器并聯系統中采用傳統下垂控制實現功率均分時，由于下垂系數為常數，輸出電壓精度與功率均分效果間存在矛盾；同時，在突加突減負載時，輸出電流易發生振蕩。為此本文提出了一種引入母線電壓反饋、變下垂系數及PI控制器的改進控制策略，既解決了下垂控制固有的輸出電壓調整率易超標的問題，又克服了傳統控制中下垂系數對電壓降的影響。構建了兩臺三相逆變器仿真模型，驗證了該控制策略的有效性。

【關鍵詞】三相逆變器無互連線并聯母線電壓改進下垂控制

0緒論

逆變電源廣泛應用于國防科技、船舶和通訊等需要不間斷供電領域，使得對其容量要求越來越高，提高系統容量的一種常用方式是多模塊并聯運行。

基于無互連線并聯下垂控制是模擬同步發電機并網運行的自下垂特性，但逆變器與發電機存在區別。在低壓配電網中，由于逆變器與母線距離差別較大，線路阻抗不可忽略，其較高的阻感比常導致傳統下垂控制不穩定。解決該問題最直接的方法就是外接電感，但會導致系統體積增加，輸出電壓精度降低 [1-2]。文獻[1]根據實際輸出功率動態調節下垂系數，以有效減小輸出電壓的波動，但當負載變化劇烈時，仍會使輸出電壓和頻率超標。文獻[2]提出了虛擬阻抗概念，將逆變器輸出電流通過虛擬阻抗反饋至電壓參考值，從而靈活改變逆變器輸出阻抗性質，但其大小難以確定，設置過小難以改控制效果，過大則會導致輸出電壓明顯跌落。

為克服上述問題，本文提出一種通過變下垂系數、PI控制器及母線電壓反饋共同構成的下垂控制。通過理論分析和仿真驗證，改進下垂控制能夠實現對并聯系統的電能質量更加靈活、更加有效的控制。

1傳統下垂控制策略

以兩臺單相逆變器并聯運行為例，其簡化電路如圖1所示。當等效輸出阻抗呈感性時[1]，有：

由圖2知：當m時，，，這表明功率下垂系數越大有功功率均分效果越好，但角頻率偏差越大；同理，無功功率與輸出電壓幅值存在類似結論。因此，當逆變器并聯運行時，其功率均分效果與輸出電壓質量必須折衷考慮。

2改進下垂控制策略

從控制器角度分析，由于輸出角頻率經過積分后，形成參考電壓的電角度，而輸出電壓直接作為了參考電壓；從環流抑制角度分析，無論是系統有功還是無功環流，其下垂參數應僅與環流有關，但控制器無法區分環流和負載功率，僅根據自身輸出功率進行調節。為此，本文通過研究分析，在式（1）基礎上引入PI控制器、母線電壓反饋、變下垂系數：

（2）

其中：與為穩態額定角頻率和額定電壓；m1、m2為有功下垂系數；n1、n2為無功下垂系數；m為常數；為母線電壓。

3 仿真驗證

搭建了兩臺三相逆變器并聯系統的模型，并聯運行時帶阻感負載。逆變器直流輸入電壓為400V，輸出電壓為150V，橋臂側電感為5mH；交流濾波電容為69uF；負載側電感為6.5mH；采樣頻率為3.6kHz；KPWM為逆變橋PWM等效增益，采用SVPWM技術，KPWM=Vdc/；KC=1/Ibase=1/39.6為電流采樣變比；KV=1/Vbase=1/326為電壓采樣變比。

由圖4、圖5和表1得：采用改進控制策略，系統輸出功率均分效果較好，環流也很小；由于變下垂系數、母線電壓反饋的引入，使得母線電壓在線路阻抗相差較大時也能滿足調整率要求，避免了傳統控制帶來的較大電壓偏差的現象。

兩臺逆變器并聯時，首先讓第1臺帶50%負載，在0.2s時讓第2臺投入并聯，在0.7s時突加50%負載至100%負載；首先讓第1臺帶50%負載，在0.2s時讓第2臺投入并聯，在0.3s時帶100%負載，然后在0.8s時再突缷50%負載。圖6為兩臺逆變器并聯負載變化時仿真波形，由圖6可知：采用改進下垂控制策略，逆變器之間的功率均分效果更佳，造成的環流較小。

4 結語

本文針對逆變器并聯系統提出了一種改進下垂控制策略。由于PI控制器、母線電壓以及可變下垂系數的引入，有效的提高了并聯系統的輸出電壓精度和穩定運行性能。理論分析和仿真結果證明該下垂控制策略具有較好的功率均分和環流抑制效果。

參考文獻

[1]Yao W，Chen M. Development of Communicationless Hot-Swap Paralleling for Single-Phase UPS Inverters based on Adaptive Droop Method[C]. APEC，2009：1283-1287.

[2]J. M， Guerrero， José Matas， et al. A wirelss controller to enhance dynamic performance of parallel inverters in distributed generation systems[J].IEEETrans.on Power Electronics， 2004：1205-1213.

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51177170）

作者簡介：邵明生（1990-），男，碩士，研究方向為電力電子與電力傳動。