摘 要： 傳統(tǒng)的逆變器并聯(lián)方法一般只適用于功率容量一致的逆變器，針對(duì)不同容量逆變器的并聯(lián)方法較少,。本文在對(duì)幾種不同容量逆變器并聯(lián)方法分析研究的基礎(chǔ)上,，提出了一種新型的逆變器并聯(lián)方法。該方法采用電壓型逆變器和電流型逆變器混合并聯(lián)的方式,，利用電壓型逆變器提供電壓基準(zhǔn),，電流型逆變器輸出電流可以穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，實(shí)現(xiàn)并聯(lián),。該方法算法簡(jiǎn)單,，適合大部分的逆變器并聯(lián)場(chǎng)合，經(jīng)過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)證明了其有效性和可行性,。
關(guān)鍵詞： 逆變器,；不同容量；混合并聯(lián)方法
0 引言
隨著電能變換技術(shù)的迅速發(fā)展,，對(duì)逆變器的容量,、可靠性的要求也越來(lái)越高，獨(dú)立工作的逆變器已不能滿足需要,，逆變器并聯(lián)運(yùn)行就成為擴(kuò)大供電容量和提高電源系統(tǒng)可靠性的一種重要途徑,。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)逆變器并聯(lián)的研究取得了一定的成果，但是大多數(shù)只是針對(duì)容量相同的逆變器[1],。在實(shí)際應(yīng)用中存在大量不同容量逆變器并聯(lián)的需求,，傳統(tǒng)的逆變器并聯(lián)方法并不能滿足。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)相關(guān)問(wèn)題的研究相對(duì)較少,，所以提出一種無(wú)功率限制的逆變器并聯(lián)方法十分必要,。
功率下垂控制是逆變器并聯(lián)的主要方法，參考文獻(xiàn)[1-2]提出一種改進(jìn)的功率下垂法實(shí)現(xiàn)不同容量逆變器的并聯(lián),，該方法可以實(shí)現(xiàn)不同容量逆變器的無(wú)線互聯(lián),，但是存在計(jì)算復(fù)雜、計(jì)算量大的缺點(diǎn),。參考文獻(xiàn)[3]提出了一種基于瞬時(shí)電流控制的電流權(quán)重分配控制方式,，該并聯(lián)方法電路簡(jiǎn)單，但是分配電流的模擬信號(hào)易受干擾并且分配精度受到電源線長(zhǎng)度的影響,。參考文獻(xiàn)[4]提出一種采用滑模變結(jié)構(gòu)控制的電壓電流混合控制的逆變器并聯(lián)方法,，該方法具有較好的魯棒性，但是仲裁電路采用模擬信號(hào)容易受到干擾[5],，而且不能實(shí)現(xiàn)不同功率逆變器的并聯(lián),。
本文在對(duì)各種不同容量逆變器的并聯(lián)方法的研究分析的基礎(chǔ)上,，提出一種全新的不同功率逆變器并聯(lián)方法。該方法不再采用控制難度較大的電壓型逆變器并聯(lián)結(jié)構(gòu),，而是采用電壓型逆變器和電流型逆變器混合并聯(lián)的方式,，利用電流型逆變器對(duì)電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的作用。該方法并聯(lián)電路和算法簡(jiǎn)單,，采用數(shù)字通信的方式增強(qiáng)了抗干擾能力,，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)冗余和熱拔插，具有較強(qiáng)的魯棒性,。
1 理論分析
本文提出電壓源和電流源的并聯(lián)模型,，為了便于分析，以一臺(tái)電壓型逆變器和電流型逆變器并聯(lián)為例,，其簡(jiǎn)化電路如下圖1所示,。圖1中U1是理想交流電壓源，I2是理想交流電流源,，R1,、R2分別代表兩逆變器的內(nèi)阻，ZL為負(fù)載阻抗,。由圖1可得電壓源的輸出電流：
由于電流源的電流方向是確定的,，由式（1）可知，如果電流源單獨(dú)作用在負(fù)載上產(chǎn)生的電壓小于或者等于電壓源的電壓時(shí),，即使電壓源和電流源輸出電流不一致即輸出功率不相同時(shí),，它們之間也不存在環(huán)流，只向負(fù)載輸出功率,。當(dāng)電壓大于電壓源電壓時(shí),，由于電流源的輸出電流一定，所以環(huán)流也是可控的,。
由圖1得負(fù)載兩端的電壓與電壓源,、電流源的關(guān)系式如下：
由式（2）可知，在電壓源輸出電壓不變的條件下,，負(fù)載兩端的電壓可以通過(guò)改變電流源的輸出電流I2得到調(diào)節(jié),，但是前提條件是U0小于U1。并且由式（2）還知,，電流型逆變器的輸出電感和內(nèi)阻對(duì)整個(gè)并聯(lián)電路沒(méi)有影響,。
由圖1電路圖可知負(fù)載的視在功率為：
由于電流源輸出電流相位跟隨負(fù)載電壓相位，可以認(rèn)為Φ2≈0,，無(wú)用功Q2的值接近于零,。所以在并聯(lián)系統(tǒng)中電流源向負(fù)載提供有用功率,，電壓源提供無(wú)用功和部分有用功率,。
根據(jù)以上的分析可知，在適當(dāng)條件下可以將一電壓型逆變器同電流型逆變器相并聯(lián)，并可以通過(guò)調(diào)節(jié)電流源的輸出電流來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載端的電壓,。由于兩逆變器并聯(lián)時(shí)的輸出功率并不一定相同,，所以這種并聯(lián)方式可以用于不同容量逆變器的并聯(lián)。
2 并聯(lián)方法與驗(yàn)證
2.1 并聯(lián)方法
因?yàn)椴捎秒妷盒团c電流型逆變器并聯(lián)的方法,，所以控制思想和控制電路就相對(duì)更為簡(jiǎn)單,。圖2所示為逆變器并聯(lián)框圖，多逆變器并聯(lián)時(shí)僅存在一個(gè)電壓型逆變器,，其余為電流型逆變器,。并聯(lián)逆變器存在電壓型和電流型兩種工作模式以及并網(wǎng)和待機(jī)兩種工作狀態(tài)。逆變器處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)與電網(wǎng)斷開(kāi),，在得到命令后并入電網(wǎng)開(kāi)始工作,。
按照?qǐng)D2框圖思想設(shè)計(jì)逆變器，每臺(tái)逆變器可以在電壓型和電流型模式之間進(jìn)行切換,，且具有唯一的ID地址,。逆變器之間可以通過(guò)線路進(jìn)行通信。電壓型逆變器采用PID控制通過(guò)程序改變?nèi)遣ㄅc正弦波的調(diào)制比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓,。電流型逆變器采用定時(shí)滯環(huán)跟蹤的方式,，根據(jù)電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)輸出電流并保持電流相位與電網(wǎng)電壓相位的嚴(yán)格一致，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,。
當(dāng)逆變器1接入電網(wǎng)時(shí),，檢測(cè)到電網(wǎng)沒(méi)有電壓后便以電壓型模式開(kāi)始工作。當(dāng)負(fù)載增加,，調(diào)制比達(dá)到最大時(shí),，逆變器1通過(guò)ID地址通知逆變器2以電流模式開(kāi)始工作，電壓型逆變器此后處于開(kāi)環(huán)控制階段并保持最大調(diào)制比不變,。得到通知的電流型逆變器2在檢測(cè)到電網(wǎng)電壓降低后開(kāi)始逐漸增大輸出電流提高電網(wǎng)電壓,。當(dāng)負(fù)載繼續(xù)增大，電流型逆變器2輸出電流達(dá)到最大時(shí)便通知下一個(gè)逆變器3開(kāi)始工作,，負(fù)載越大,，并入電網(wǎng)的逆變器也就越多。當(dāng)負(fù)載減小時(shí),，可以根據(jù)逆變器并入電網(wǎng)的先后順序,，后并入電網(wǎng)的逆變器先減小輸出電流、退出電網(wǎng),、進(jìn)入待機(jī)狀態(tài),。因?yàn)殡娋W(wǎng)中的逆變器可以在并網(wǎng)和待機(jī)兩種狀態(tài)中自由切換，所以這種并聯(lián)方法可以實(shí)現(xiàn)逆變器的熱拔插,，還可以實(shí)現(xiàn)冗余增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。
由于電壓型逆變器在電路中承擔(dān)相位基準(zhǔn)的重要功能,，所以當(dāng)發(fā)生故障時(shí)整個(gè)電網(wǎng)將不能正常工作。所以在電壓型逆變器故障時(shí),，可以將待機(jī)狀態(tài)逆變器轉(zhuǎn)化為電壓型的工作狀態(tài),，保證電路的正常工作。但是當(dāng)大量負(fù)載突然離開(kāi)電網(wǎng)時(shí),，電網(wǎng)的電壓升高,，逆變器間會(huì)出現(xiàn)環(huán)流，需要盡快減小電流型逆變器電流,，恢復(fù)電網(wǎng)正常,。
2.2 仿真驗(yàn)證
利用MATLAB/Simulink搭建兩個(gè)逆變器模型，電壓型逆變器采用雙極性SPWM調(diào)制方式,，電流型逆變器采用滯環(huán)電流跟蹤方式并添加相應(yīng)的控制通信電路,。并聯(lián)電路仿真時(shí)，負(fù)載采用感性負(fù)載,。圖4是電壓型逆變器調(diào)制比達(dá)到最大時(shí)負(fù)載突然增大條件下,，兩逆變器并聯(lián)的仿真圖。
由圖4可知,，40 ms前電壓型逆變器單獨(dú)工作,，電流型逆變器輸出電流為零處于離網(wǎng)待機(jī)狀態(tài)。在30 ms時(shí)負(fù)載增加,，超出電壓型逆變器調(diào)節(jié)范圍,，電網(wǎng)電壓下降。電流型逆變器檢測(cè)到電網(wǎng)電壓下降并在40 ms電壓過(guò)零點(diǎn)處開(kāi)始工作,，逐步增大輸出電流提高電網(wǎng)電壓,，在100 ms后電網(wǎng)電壓重新恢復(fù)正常。而且從圖4可知,，兩逆變器100 ms后輸出功率不一致的情況下,，逆變器也可以正常工作。
圖5是兩逆變器并聯(lián),，負(fù)載突然減小時(shí)的仿真波形,。開(kāi)始工作時(shí)兩逆變器并聯(lián)工作，在30 ms時(shí)負(fù)載突然減小,，電網(wǎng)電壓升高波形發(fā)生形變,，電壓型逆變器輸出電流減小。40 ms開(kāi)始電流型逆變器開(kāi)始減小輸出電流降低電網(wǎng)電壓,，在電壓型逆變器可以承擔(dān)電網(wǎng)負(fù)載的情況下最終退出電網(wǎng),。電網(wǎng)電壓在100 ms后恢復(fù)正常。
2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
制作兩臺(tái)低電壓逆變器進(jìn)行驗(yàn)證,。電壓型逆變器采用雙極性SPWM調(diào)制方式,，電流型逆變器采用電流定時(shí)比較跟蹤的方式,，兩種逆變器電路結(jié)構(gòu)完全一致在進(jìn)行模式切換時(shí)硬件電路無(wú)需更改。逆變器均采用STM32103RBT6作為主控芯片,，利用串口進(jìn)行通信,。負(fù)載為兩滑動(dòng)變阻器,。
如圖6所示,，電壓為衰減至十分之一的結(jié)果，電流每格為1 A,。在t1時(shí)刻負(fù)載突然增大電網(wǎng)電壓下降,。電流型逆變器在檢測(cè)到電網(wǎng)電壓下降之后在t2時(shí)刻并入電網(wǎng)開(kāi)始工作，并逐漸增大輸出電流使電網(wǎng)電壓逐漸升高,。在t3時(shí)刻后電網(wǎng)電壓達(dá)到正常值,。
圖7中，電壓衰減為原電壓1/10的結(jié)果,，電流每格為2 A,。在t1時(shí)刻負(fù)載突然減小，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓升高,，電流型逆變器檢測(cè)到電網(wǎng)電壓升高,，在t2時(shí)刻后逐漸減小輸出電流，并在t3時(shí)刻退出電網(wǎng)轉(zhuǎn)入待機(jī)狀態(tài),。電網(wǎng)電壓t3時(shí)刻后達(dá)到設(shè)定值,。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文通過(guò)理論分析、仿真和樣機(jī)驗(yàn)證,，提出一種新型的逆變器并聯(lián)方法,。該方法不僅可以將不同容量的逆變器并聯(lián)在一起，而且可以實(shí)現(xiàn)熱拔插和系統(tǒng)冗余,。由于該方法采用電壓型逆變器和電流型逆變器混合并聯(lián)的方式,，所以控制電路和通信策略更加簡(jiǎn)單，適用于各種不同容量逆變器并聯(lián)的應(yīng)用場(chǎng)合,。
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