基于分布式的逆變電源并聯(lián)控制技術(shù)

　　逆變電源的并聯(lián)技術(shù)是提高逆變電源供電可靠性和擴(kuò)大供電容量的重要技術(shù)手段。當(dāng)前大容量的逆變電源的發(fā)展趨勢(shì)是采用新型全控高頻開關(guān)器件構(gòu)成逆變電源模塊單元，再通過多個(gè)模塊并聯(lián)進(jìn)行擴(kuò)容。這樣可以提高逆變電源模塊的通用性和靈活性，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、組合更加方便，同時(shí)增加系統(tǒng)的冗余性和可靠性。交流電源間的并聯(lián)遠(yuǎn)比直流電源并聯(lián)運(yùn)行復(fù)雜，由于其正弦波輸出，逆變電源的并聯(lián)需要滿足5項(xiàng)條件，即相同的電壓、頻率、波形、相位和相序，只有這樣才能消除環(huán)流、均分負(fù)載功率，達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)，真正實(shí)現(xiàn)逆變電源并聯(lián)。

　　目前，逆變電源并聯(lián)控制方式一般分為集中控制、主從控制、分布式控制、3C控制和無互連線獨(dú)立控制5種控制策略。

　　在現(xiàn)有的各種控制方式中，集中控制、主從控制在實(shí)際應(yīng)用中都有一定的應(yīng)用，但由于并聯(lián)控制電路故障可能會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)故障停機(jī)，所以應(yīng)用受到一定的限制。3C控制實(shí)際上是對(duì)分布式控制的一種改進(jìn)，而無互連線控制與實(shí)際應(yīng)用有一定的差距，所以分布式控制相對(duì)有一定的優(yōu)勢(shì)。

　　1 分布式控制并聯(lián)控制策略

　　1.1 分布式控制的概念

　　分布式控制技術(shù)又稱分散邏輯控制，將系統(tǒng)的各個(gè)中心環(huán)節(jié)的控制權(quán)進(jìn)行分散化和獨(dú)立化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各個(gè)單元的獨(dú)立工作。這種控制方式可實(shí)現(xiàn)真正的冗余并聯(lián)，有1個(gè)模塊故障退出時(shí)，并不影響其他模塊的并聯(lián)運(yùn)行；可靠性高、危險(xiǎn)性分散、功能擴(kuò)展容易等良好的特性已在眾多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用；成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的主要方向之一，是一種比較完善的分布式智能控制技術(shù)。

　　1.2 分布式并聯(lián)的控制原理

　　逆變電源并聯(lián)控制策略中，集中控制和主從控制都可能因?yàn)椴糠蛛娐饭收隙拐麄€(gè)系統(tǒng)故障停機(jī)。分布式并聯(lián)控制[1]策略可解決該問題，在各逆變電源中綜合每個(gè)電源模塊的電流及頻率信號(hào)，得出各自頻率及電壓的補(bǔ)償信號(hào)，該方式能實(shí)現(xiàn)真正的N+1運(yùn)行模式。

　　各模塊并聯(lián)控制單元檢測(cè)相應(yīng)模塊的市電頻率和相位，給其他各電源模塊發(fā)出同步脈沖，無市電時(shí)，同步脈沖有晶振產(chǎn)生，各個(gè)逆變電源的鎖相環(huán)電路用來保證其輸出電壓頻率和相位與同步總線脈沖信號(hào)同步。并聯(lián)控制單元將其他模塊單元負(fù)載電流與本機(jī)負(fù)載電流作比較，求出電流偏差，并將其作為電壓指令的補(bǔ)償量發(fā)送給每個(gè)逆變電源單元，以消除各模塊輸出電流的不平衡?？刂凭C合部分的均流及同步原理如圖1所示。

　　1.3 并聯(lián)系統(tǒng)控制方案

　　在目前所見的文獻(xiàn)里，分布式控制并聯(lián)方案主要包括有功無功控制和平均電流瞬時(shí)控制方案兩種。

　　1.3.1有功無功控制方案

　　有功和無功并聯(lián)控制,即功率偏差并聯(lián)控制。通過每個(gè)逆變電源單元檢測(cè)出本單元輸出的有功和無功的偏差值,以調(diào)節(jié)逆變電源單元輸出電壓的相位和幅值,保證每個(gè)逆變電源單元輸出的有功無功相等,達(dá)到均流的目的。

　　以2臺(tái)逆變電源模塊向同一負(fù)載供電為例進(jìn)行簡單的分析，如圖2所示，其中X為線路阻抗，U0為并聯(lián)電網(wǎng)電壓。

　　由式(5) 和式(6)可看出逆變電源的輸出有功的大小主要取決于功率角，而輸出無功功率則主要取決于輸出電壓的幅值，因此，可以通過改變逆變電源的輸出電壓幅值來控制無功功率，通過改變相位來控制有功功率，從而實(shí)現(xiàn)各輸出電源模塊的均流。 基于有功無功控制策略系統(tǒng)圖如圖3所示。

　　通過上述分析可得出這種控制策略的特點(diǎn)：

　　（1）采用3條并聯(lián)控制線：有功功率線、無功功率線、頻率線；

　?。?）各模塊之間地位一致, 可以實(shí)現(xiàn)真正的分布式冗余控制；

　　（3）并聯(lián)控制線屬于直流信號(hào), 抗干擾能力較強(qiáng)；

　　（4）屬于平均值控制方式, 動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差；

　　（5）有功、無功的計(jì)算量大。

　　1.3.2平均電流瞬時(shí)控制方案

　　平均電流瞬時(shí)控制方案一般通過鎖相環(huán)電路保證各模塊基準(zhǔn)電壓的嚴(yán)格同步，通過求出各模塊輸出電流的瞬時(shí)平均值進(jìn)行電流的調(diào)節(jié)，以達(dá)到均流的目的。

　　根據(jù)戴維南定理，1個(gè)逆變器可以用圖4所示的等效電路來表示，其中GUi是一個(gè)可控變電壓源，Z是逆變電源的輸出阻抗，Zp是連接逆變電源輸出端到負(fù)載的連線阻抗，Zl是負(fù)載阻抗。

　　在逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)中，每個(gè)逆變電源都是一個(gè)電壓源，如果各個(gè)逆變電源完全一致，那么負(fù)載電流就會(huì)自動(dòng)地平均分配到各個(gè)逆變電源模塊中去，然而實(shí)際電路中逆變電源的參數(shù)或多或少都會(huì)有偏差，這些參數(shù)偏差最終導(dǎo)致逆變電源的輸出電流有偏差。因此，可以把參數(shù)偏差當(dāng)作是加于逆變電源輸出電流的一種干擾。為方便分析圖4所示等效圖，把所有參數(shù)偏差造成的影響集中起來并用一個(gè)干擾源id來表示，這樣均流問題就成為一個(gè)抗干擾問題，如圖5所示。

　　引入一個(gè)干擾源來代表所有誤差偏離，那么并聯(lián)逆變電源系統(tǒng)中各個(gè)逆變模塊就可以看成是一致的,如圖6 所示。

　　式（12）、式（13）展示了系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)和均流特，性系統(tǒng)是否穩(wěn)定由式（12）、式（13）分母的根的位置決定。

　　基于上述分析可知該控制策略的特點(diǎn)如下:

　　(1)電壓基準(zhǔn)、電壓反饋、電流基準(zhǔn)均為各并聯(lián)模塊相應(yīng)信號(hào)的平均值，并聯(lián)后系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能不低于單模塊設(shè)計(jì)性能，且不需附加額外的并聯(lián)控制模塊；

　　(2)各個(gè)模塊之間地位一致, 可以實(shí)現(xiàn)真正的分布式冗余控制;

　　(3)并聯(lián)方法模塊間的模擬信號(hào)線較多，不適于遠(yuǎn)距離通信，易受干擾；

　　(4)并聯(lián)控制電路復(fù)雜，可靠性降低。

　　2 結(jié)論

　　基于分布式的逆變電源并聯(lián)運(yùn)行不僅可以滿足容量擴(kuò)充的要求，也可組成并聯(lián)冗余系統(tǒng)，提高運(yùn)行的可靠性，同時(shí)也使整個(gè)系統(tǒng)具有極高的系統(tǒng)可維護(hù)性能，在逆變單元出現(xiàn)故障時(shí)，可方便地進(jìn)行熱插拔更換或維修。本文對(duì)分布式并聯(lián)控制的常用方法進(jìn)行了詳細(xì)的原理闡述和簡單的比較，指出了其優(yōu)缺點(diǎn),在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行選擇。