兩種雙環(huán)控制方式對(duì)并聯(lián)逆變器的影響

劉旭光，伍家駒

（南昌航空大學(xué)，江西 南昌330036）

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各行業(yè)對(duì)供電的要求也逐漸提高。逆變電源作為一種生活常見(jiàn)的供電方式，在各個(gè)領(lǐng)域起著非常重要的作用［1］。逆變電源并聯(lián)技術(shù)是提高逆變電源可靠運(yùn)行和擴(kuò)大其容量的一種有效途徑［2］，逆變電源并聯(lián)控制方式有：集中控制、主從控制、分散控制、無(wú)互聯(lián)線控制。由于無(wú)線并聯(lián)控制方式的可靠性相對(duì)于其它控制方式高，所以本文采用無(wú)線并聯(lián)控制方式。逆變并聯(lián)電源穩(wěn)定運(yùn)行的條件是幅值、頻率均一致，使得各個(gè)逆變電源共同均分負(fù)載的有功功率與無(wú)功功率，從而實(shí)現(xiàn)并聯(lián)。

對(duì)于單個(gè)逆變電源的控制方式通常采用電壓電流雙環(huán)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(diǎn)分析兩種反饋方式，文獻(xiàn)［3］只對(duì)單個(gè)逆變電源作了分析，沒(méi)有對(duì)并聯(lián)逆變電源進(jìn)行分析。針對(duì)以上問(wèn)題本文通過(guò)仿真分析在兩種反饋控制方式下對(duì)無(wú)線并聯(lián)逆變電源中環(huán)流的影響。

1 單相逆變電源數(shù)學(xué)模型

本文針對(duì)單相全橋逆變電路進(jìn)行分析，其主要結(jié)構(gòu)由IGBT開關(guān)器件、濾波電感L、濾波電容C等組成，其電路結(jié)構(gòu)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(duì)單相全橋逆變電路圖1進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析，由狀態(tài)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(huán)控制設(shè)計(jì)

本文逆變電源采用雙環(huán)控制策略，即內(nèi)外環(huán)控制，內(nèi)外環(huán)控制通常能夠改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。采用電流反饋?zhàn)鳛閮?nèi)環(huán)控制時(shí)，用外環(huán)電壓誤差信號(hào)控制電流，通過(guò)調(diào)節(jié)電流使輸出電壓跟蹤給定電壓。電流內(nèi)環(huán)能夠擴(kuò)大逆變電源控制系統(tǒng)的寬帶，逆變系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到提高，輸出電壓的諧波含量減小。電壓電流雙環(huán)控制是逆變電源最有效的方式之一。

逆變系統(tǒng)采用雙環(huán)控制策略，其由電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)兩部分組成；電壓外環(huán)GV（S）采用比例積分調(diào)節(jié)，即PI調(diào)節(jié)；電流內(nèi)環(huán)Gi（S）采用比例調(diào)節(jié)，即P調(diào)節(jié)。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(diào)節(jié)器可設(shè)為：

則由圖3可得到其傳遞函數(shù)關(guān)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(shù)關(guān)系式為：

由傳遞函數(shù)關(guān)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(fù)載時(shí)其輸出電壓不同，與其等效輸出阻抗的大小有關(guān)；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(tǒng)的一個(gè)重要特性對(duì)并聯(lián)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(shù)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?yàn)殡姼须娏鞣从畴娏鞯淖兓?，電容電流是輸出電壓的微分，反映了輸出電壓的變化趨?shì)，輸出電壓可以提前得以進(jìn)行校正，所以電容電流反饋方式對(duì)系統(tǒng)的輸出電壓有著更好的控制能力。

3 控制方式對(duì)環(huán)流的影響分析

為了提高電源的容量、可靠性，通常采用無(wú)線并聯(lián)方式將N個(gè)逆變電源并聯(lián)。逆變電源并聯(lián)要求保證并聯(lián)的各個(gè)逆變電源幅值、相位、輸出阻抗均一致，否則會(huì)產(chǎn)生環(huán)流對(duì)逆變電源系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的影響。現(xiàn)以兩個(gè)逆變電源并聯(lián)為例進(jìn)行分析，采用不同的內(nèi)環(huán)控制方式對(duì)減小環(huán)流有何不同的影響，如圖5所示。

圖5 并聯(lián)逆變系統(tǒng)圖

圖中E1、E2為逆變電源的幅值，α、β為兩個(gè)逆變電源相對(duì)輸出端的相位差，R1＋X1、R2＋X2為輸出阻抗，Zo為輸出負(fù)載。環(huán)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(lián)的各逆變電源模塊均分負(fù)載電流而不產(chǎn)生環(huán)流，系統(tǒng)才能正常、高效的工作。由等效電路圖可知流經(jīng)輸出阻抗的電流I1、I2分別為：

則其環(huán)流定義為：

由上式可知并聯(lián)系統(tǒng)要求兩個(gè)逆變電源的輸出電壓幅值、相位、輸出阻抗均一致，否則將產(chǎn)生環(huán)流。并聯(lián)單元間的環(huán)流是造成逆變電源故障的主要原因。這個(gè)問(wèn)題解決不好，不僅可靠性得不到提高，而且會(huì)適得其反。輸出阻抗的增大可以減小并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流，輸出阻抗很大程度上可以由逆變器的控制環(huán)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(huán)流小于電容電流反饋的環(huán)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(duì)上述理論進(jìn)行系統(tǒng)仿真。系統(tǒng)模型由三個(gè)部分組成：全橋電路、控制器、PWM脈沖產(chǎn)生模塊，采樣電路的信號(hào)傳給控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，產(chǎn)生的調(diào)節(jié)信號(hào)傳送給PWM模塊。單相逆變器仿真參數(shù)：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?？刂破鞯膮?shù)為：Kvp＝2，Kvi＝5 000，Kip＝4。在上述條件下分別對(duì)兩種電流反饋方式進(jìn)行仿真，其負(fù)載為純阻性。仿真結(jié)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(guò)以上仿真可以得出，采用電感電流反饋方式時(shí)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(shù)據(jù)如表1所示。

表1 兩種方式輸出電壓和THD比較

對(duì)于并聯(lián)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，各個(gè)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(lián)系統(tǒng)的環(huán)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(fù)載電流和環(huán)流

圖9 電容電流反饋輸出阻抗負(fù)載電流和環(huán)流

由仿真可知兩種反饋控制方式對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)輸出阻抗的電流影響較大，但是其環(huán)流很小。電流反饋產(chǎn)生的環(huán)流小于電容電流反饋產(chǎn)生的環(huán)流，這是由于電感電流反映了負(fù)載電流的變化，所以相對(duì)電容電流精確，產(chǎn)生的環(huán)流小。并聯(lián)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(chǎn)生的環(huán)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(lián)逆變系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)控制方式。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)兩種電流反饋控制方式進(jìn)行理論分析和比較，電感電流反饋控制方式對(duì)逆變電源的輸出電壓產(chǎn)生的誤差較大；并聯(lián)系統(tǒng)中電容電流反饋方式對(duì)并聯(lián)逆變電源的環(huán)流影響相對(duì)電感電流反饋方式大，但是兩種方式產(chǎn)生的環(huán)流大小相差不大。基于并聯(lián)逆變電源系統(tǒng)中的要求，綜合考慮選擇電容電流反饋方式可以保證并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓的精度，電容電流反饋、電壓外環(huán)反饋是一種較好的控制方式，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論的可行性。

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