一种无主从自均流逆变器并联装置的设计

摘要：设计了一种无主从自均流逆变器并联运行装置，在逆变器并联模型分析基础上得出了并联系统环流的产生与各逆变器输出有功功率、无功功率与逆变电压相位、幅值间的关系，并结合快速有功、无功功率计算方法和CAN总线通讯应用实现了3台逆变器间无主从并联的稳定运行及带电热插拔过程自动均流的稳定运行。同时给出了系统控制策略和器件选型参数，以达到系统稳态和暂态运行的控制目标。最后，通过实验验证了装置及其控制策略的可行性。
关键词：逆变器；并联系统；自均流；环流功率

1 引言
逆变器并联运行是提高系统可靠性和扩大系统容量的一种有效途径，广泛应用于不间断电源。逆变器并联系统的模块化、易扩展、高可靠性、大功率是未来研究的发展趋势。
此处设计的无主从自均流模块逆变器并联仅需检测各自输出的电压、电流及电网电源电压相位和频率，即可达到各模块输出电压同步和功率均分控制。模块间无主从之分，信号交流通过CAN总线传递，这样可尽量少地接收到干扰信号，提高系统可靠性。该装置采用DSP进行主要控制，FPGA辅助控制，系统响应快速，各逆变器之间进行热插拔不影响其余在线逆变器的稳定运行，从而实现无主从逆变器并联稳定运行和自动均流的目的。

2 逆变器并联均流策略
2．1 主电路拓扑
此处设计的无主从自均流逆变器并联系统拓扑结构如图1所示，主电路由两个全桥电路组成，第1个全桥H1对电网进行单位功率因数整流AC／DC，对电网污染少；第2个全桥H2进行DC／AC并联输出电压控制对负载供电，并保证各并联逆变器均分负荷且相互间无环流。Ls为电网侧工频电感，Cs为电网输入侧电容。直流滤波电容C构成直流电压的支撑环节，负载端采用T型滤波器Lo，Co，L1，系统并联向负载供电。

2．2 均流策略分析
图2示出两个逆变器并联的等效模型，多个逆变器模型与其类似，其中，u1，u2为逆变器1，2的空载电压，i1，i2为逆变器1，2的输出电流，Z1，Z2为逆变器1，2的等效输出阻抗，一般可近似等效为电抗，即Z1=Z2=jX，uo，io，Zo分别为并联母线的负载电压、负载电流和负载阻抗，且u1，u2与uo的相位差分别为φ1，φ2，即u1=U1∠φ1，u2=U2∠φ2，uo=Uo∠0°。

根据图2和上述分析得出逆变输出电流为：

由上述功率分析可知，逆变器并联的输出有功功率近似仅与电压相位有关，输出的无功功率近似仅与电压幅值有关。
2．3 并联系统控制策略
逆变器并联运行时，H2工作在正弦脉宽调制(SPWM)逆变模式，各逆变器首先通过测量各自输出电压ui和各自输出电流ii，计算出该模块输出的有功功率Pi和无功功率Qi，并传给其他模块。该模块将自身的有功、无功值与并联系统其他模块统计得到的平均功率Paver=∑(P1+P2+ …+Pn)／n和Qaver=∑(Q1+Q2+…+Qn)／n做差，经系统PI调节后得到第i个逆变器输出电压参考波的频率调节量△fi和幅值调节量△Umi。此外，各逆变器输出电压ui的频率采用跟踪电网电压us频率的方法，并实时检测ui与us的相位差和幅值差是否满足并联条件。控制策略框图如图3所示。

由图3可见，并联系统通过控制各逆变器输出功率无差达到输出电压无差，满足逆变器并联条件。各逆变器间通过CAN总线交换各自输出到负载的有功无功信号，每个逆变器都以平均功率作为功率参考值，将误差通过PI控制器调节电压频率和幅值的参考值，即在原有电压瞬时值内环和有效值外环基础上再加两个功率控制环。
系统自动检测逆变器工作台数，快速计算平均功率，当系统突加或突减一台时能迅速应对，保证系统继续稳定运行，实现系统热插拔功能。
2．4 功率计算
采用DSP进行数字控制时，无法直接进行连续域中的积分运算，为快速准确地计算出有功、无功功率，此处设计采用全波傅里叶变换法，在数字域正交提取功率计算。设DSP在一个基频正弦周期内采样次数为N，u(k)，i(k)为输出电压和电流，sin(k)，cos(k)为正交基频波，则功率计算可改写为离散域的累加运算：

数字域中以k记录第几次采样，一个基波周期开始时k清零，记满一个基波周期k=N-1时再次清零。DSP将一个基波周期(2π)分成N等份，计算每等份的正弦余弦值，生成一个正余弦表，可用查表方式读正余弦值进行计算，每次采样后通过上述计算方法在一个基波周期内计算有功功率和无功功率。

3 实验分析
3．1 系统主要参数
为验证此处设计的无主从自均流逆变器并联装置和控制策略的有效性，搭建了实验样机。样机主控制器选用TMS320F2812，辅助控制器选用XC2S200-5PO型FPGA，其中DSP完成主要控制功能，FPGA完成脉冲发生、I／O口缓冲、系统保护等功能，开关管选用PM150CLIA120型IPM，人机控制界面采用MT6070iH，系统主要参数为：电网侧电感Ls=3 mH，电网侧电容Cs=40μF，直流侧电容C=2 200μF，输出侧电感Lo=3 mH，输出侧电容Co=40μF，并联侧电感L1=2 mH，直流侧电压Udc=400 V，开关频率10 kHz。
3．2 稳态实验分析
系统前级全桥H1可进行单位功率因数整流，对电网污染少，图4a为整流侧电网电压us和电流is波形，Udc为C的电压，Idc为整流后直流电流，可见us与is同相位，功率因数高，Udc和Idc波动较小，系统性能满足设计要求。使系统运行在线性负载下，图4b，c示出3台样机并联运行时的负载和环流波形。由图4b可见，负载电压有效值能稳定在220 V，THD=1．6％，具有较高的功率因数。由图4c可见，3台逆变器能均分负载功率，逆变器之间的环流均小于2 A，并联运行稳定。