數字化逆變電源并聯控制技術研究

何 洋，龐 遙，張 卓

（雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610000）

0 引 言

社會發展和科技進步促進了電源技術的發展，目前人們對電源系統的研究已經逐漸從為電子設備供電的常規電源延伸到現代電力系統的各個方面，包括儲能系統和新能源并網發電系統等，形成了多樣化的供電系統。模塊化電源利用分布式網絡形式并聯構成發電和儲能系統，可以適應不同用電場景的需求，擴展了電網系統的延展性[1]。逆變電源并聯系統采用了標準化模塊，強化了系統冗余功能實現，通過交錯控制技術可以有效降低電壓/電流紋波。在相同電壓/電流紋波要求下，變換器功率密度提高，濾波器數量減少，提高了系統運行效率。

1 逆變電源并聯運行控制方式

采用標準化模塊設計逆變電源并聯控制系統，控制方式主要有以下幾種。

（1）集中控制方式。該方式下，市電頻率和相位先被并聯控制單元檢測，并發送同步脈沖給每個逆變電源。如果沒有檢測到市電，就會由晶振產生同步脈沖。其中，逆變電源的鎖相環電路能夠同步電網電壓和給定信號。各逆變電源在集中控制方式下，通過補充電流偏差來消除電流不平衡問題。

（2）主從控制方式。在實際應用中，一些生產廠家在逆變電源中增加了并聯控制單元。以軟件配置的方式選擇開關，電源運行時首先啟動的一臺負責實現并聯控制功能，作為主控逆變電源，其他逆變電源作為從機，從而實現主從控制方式。和集中控制方式相比，主從控制方式更加可靠。

（3）分散邏輯控制方式。該方式是一種獨立并聯控制方式，在各逆變電源中將每個電源模塊中的電流與頻率信號進行綜合，得出各自頻率與電壓補償信號的控制策略。該方式是真正意義上的冗余設計，實現了N+1并聯運行，當出現模塊運行故障退出時，其他模塊仍可以正常運行。分散邏輯控制可靠性高、功能擴展簡單，在很多領域得到廣泛應用[2]?；诜稚⑦壿嬁刂频牟⒙撊哂嗄孀冸娫聪到y如圖1所示。

圖1 基于分散邏輯控制的并聯冗余逆變電源系統

（4）無互連線獨立控制方式。各模塊都有相對獨立的控制系統，不直接產生電氣關聯，提升了安裝維護的便捷性，促使并聯系統更加安全可靠的運行。

2 逆變電源分散邏輯并聯控制原理

2.1 分散邏輯并聯控制的特點

分散邏輯并聯控制系統和傳統控制系統相比，不再產生單點故障問題，每臺單機都可以獨立運行，不受其他單機影響[3]。和傳統并機系統相比，在同樣功率等級的情況下，基于分散邏輯的并聯控制系統具有更少的組件，能夠實現遠程監控。分散邏輯控制系統中的每臺電源都是一個獨立單元，單點故障問題不再出現，有利于進行數字化信號的傳輸。傳統并聯系統結構如圖2（a）所示，分散邏輯并聯系統結構如圖2（b）所示。

圖2 控制系統結構

2.2 并聯系統控制結構

做好逆變電源的并聯控制，需要解決各模塊輸出電壓的參考信號和同步控制問題?；诜稚⑦壿嬁刂品绞綄⒖刂茩喾稚ⅲ孀冸娫床⒙摽刂茣r，各模塊之間互相傳輸和接收相應參數，主要包括輸出電壓頻率f、輸出有功功率P和無功功率Q等。通過對其進行綜合性判斷，確定各模塊的基準頻率f*、基準有功功率P*、基準無功功率Q*，從而進一步完成并聯均流控制。分散邏輯并聯冗余逆變電源綜合控制原理如圖3所示。

圖3 分散邏輯并聯冗余逆變電源綜合控制原理

2.3 分散邏輯并聯控制系統的內外同步鎖相控制

在并聯運行的逆變電源系統中，鎖相環可以微調不同逆變器模塊之間的相位，對模塊之間的環流加以抑制，最終使各逆變器的輸出參數保持一致。基于分散邏輯控制的思想，要想提高鎖相精度和可靠性，可以使用二級鎖相技術[4]。第一級鎖相環與市電鎖相，也叫外同步鎖相環，其輸出相位和周期指令以脈沖形式發出，作為第二級鎖相環的內同步指令。如果發生市電掉電或者市電頻率不穩定，就可以切換脈沖為內部精準的50 Hz脈沖信號。第二級鎖相環也叫內同步鎖相環，基準為上級鎖相環輸出的周期和相位指令，使逆變器輸出電壓的相位跟蹤內同步指令。二級鎖相環工作過程如圖4所示。

圖4 二級鎖相環工作過程

在一級鎖相環結構中，為了確保鎖相速度，鎖相環控制器的調節參數不能太小。當市電周期抖動ΔTs變化較快時，各逆變器的輸出相位也會相應劇烈抖動。采用二級鎖相環結構后，通過降低第一級鎖相環的調節速度，從而降低其輸出相位與頻率指令的突變速度，可以極大地改善二級鎖相環輸出頻率和相位的抖動。二級鎖相環的鎖相環調節器需要滿足以下條件：一是一級鎖相環應保證其輸出周期指令的變化較慢；二是二級鎖相環對內同步指令的跟蹤速度要快。為了降低內同步信號周期變化的影響，二級鎖相環的給定由檢測到的內同步指令經小慣性濾波環節得到。

3 基于分散邏輯的數字化逆變電源并聯系統設計

3.1 數字化功率檢測技術

逆變電源并聯控制策略使用有功功率、無功功率補償，對各逆變單元的輸出有功功率和無功功率進行準確檢測，從而實現并聯控制。

設正弦相電壓有效值為U，相電流有效值為I、初相角分別為φu和φi，則正弦相電壓為

相電流為

由此可以計算出有功功率為

無功功率為

真實場景還需要考慮諧波情況，不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）在不同負載情況下，電流中就有不同的諧波含量。在功率部分計算時，需要對其中的基波成分進行分離。如果并聯的2臺UPS承擔同樣大小的負載并且參數一致，那么它們應有一致的諧波變化趨勢，而基波功率和諧波功率具有類似的變化趨勢，二者可以互為參照。如果要考慮瞬時均流等情況，可以采取一些更復雜的算法。

3.2 模塊間信息交換實現方法

在分散邏輯控制方式中，必須在逆變電源模塊之間高速可靠地交換數據，數據交換可以是數字或模擬形式。如果信息交換是數字形式，可以配置高速通信總線，這樣可以獲得良好的傳輸質量，抗干擾性強。但通信總線的擴展功能弱、傳輸能力有限，實現瞬時值均流控制較難，影響了系統暫態性能的提高。

基于控制器局域網絡（Controllr Aea Network，CAN）總線的UPS網絡監控系統如圖5所示，利用本地PC監控機與遠程網監控機完成對UPS并聯系統的數據監視與控制。UPS1、UPS2、UPS3作為并聯系統中可單獨運行供電的不間斷電源模塊，相互之間通過CAN總線通信完成均流算法。

圖5 基于CAN總線的UPS網絡監控系統

3.3 基于雙環控制的并聯控制策略

逆變器開環運行時會出現輸出波形畸變，造成這一問題的原因較多，例如死區影響等。開環運行不能很好地滿足一些實際場景需要，動態性能較差，采用瞬時閉環波形控制則能很好地解決這些問題。有關高性能逆變電源的文獻研究表明，雙環控制方案可以取得很好的實際效果，基于較寬的逆變器控制系統帶寬使其動態響應速度提升，減少了電流、電壓輸出諧波量，尤其對非線性負載擾動控制效果良好[5]。

雙閉環控制結構中，有多種方法可以對內環的電流進行控制。以電感電流作為內環瞬時反饋，仿真試驗結果表明該控制方法可以獲得良好的動態響應速度，抗負載擾動能力強。如果出現輸出過載，還能發揮限流作用。基于雙環控制的逆變器主電路結構如圖6所示。

圖6 基于雙環控制的逆變器主電路結構

首先獲得電壓誤差，通過給定電壓與輸出電壓反饋比較得到；其次在電壓調節器的作用下得到電流內環的給定電流再與電感電流比較得到電流誤差；最后通過電流調節器獲得最終控制量，從而控制逆變器輸出波形。電感電流內環電壓外環控制系統如圖7所示。

圖7 電感電流內環電壓外環控制系統

4 結 論

隨著供電系統越來越復雜，對系統功率和可靠性提出了更高要求，這些都與逆變電源的并聯運行控制直接相關。逆變電源可以實現高可靠性供電，在改善供電質量的同時，降低諧波污染，具有較好的應用價值。