两种双环控制方式对并联逆变器的影响

刘旭光，伍家驹

（南昌航空大学，江西 南昌330036）

0 引 言

随着国民经济的迅速发展，各行业对供电的要求也逐渐提高。逆变电源作为一种生活常见的供电方式，在各个领域起着非常重要的作用［1］。逆变电源并联技术是提高逆变电源可靠运行和扩大其容量的一种有效途径［2］，逆变电源并联控制方式有：集中控制、主从控制、分散控制、无互联线控制。由于无线并联控制方式的可靠性相对于其它控制方式高，所以本文采用无线并联控制方式。逆变并联电源稳定运行的条件是幅值、频率均一致，使得各个逆变电源共同均分负载的有功功率与无功功率，从而实现并联。

对于单个逆变电源的控制方式通常采用电压电流双环控制，其有两种反馈方式：电容电流与电感电流反馈控制；本文重点分析两种反馈方式，文献［3］只对单个逆变电源作了分析，没有对并联逆变电源进行分析。针对以上问题本文通过仿真分析在两种反馈控制方式下对无线并联逆变电源中环流的影响。

1 单相逆变电源数学模型

本文针对单相全桥逆变电路进行分析，其主要结构由IGBT开关器件、滤波电感L、滤波电容C等组成，其电路结构图如图1所示。

图1 单相逆变电路

图1 中ui为逆变桥输出电压，uo为输出电压，iL为滤波电感电流，ic为滤波电容电流。对单相全桥逆变电路图1进行数学建模分析，由状态空间方程可以得出单相逆变电路主回路框图，如图2所示。

图2 单相逆变主回路框图

2 逆变电源双环控制设计

本文逆变电源采用双环控制策略，即内外环控制，内外环控制通常能够改善系统的动态特性。采用电流反馈作为内环控制时，用外环电压误差信号控制电流，通过调节电流使输出电压跟踪给定电压。电流内环能够扩大逆变电源控制系统的宽带，逆变系统的动态性能得到提高，输出电压的谐波含量减小。电压电流双环控制是逆变电源最有效的方式之一。

逆变系统采用双环控制策略，其由电压外环与电流内环两部分组成；电压外环GV（S）采用比例积分调节，即PI调节；电流内环Gi（S）采用比例调节，即P调节。电感电流反馈控制框图如图3所示。

图3 电感电流反馈控制框图

其中电压、电流调节器可设为：

则由图3可得到其传递函数关系式

电容电流反馈控制方式如图4所示。

图4 电容电流反馈控制框图

同理可得电容电流反馈控制方式的传递函数关系式为：

由传递函数关系式（3）与（4）可知其空载输出电压相同，等效输出阻抗不同；带负载时其输出电压不同，与其等效输出阻抗的大小有关；两种电流反馈方式的空载输出电压相同，即为：

两种电流反馈方式的等效输出阻抗分别为：

逆变电源外特性是逆变系统的一个重要特性对并联的成功有着重要的影响，等效输出阻抗决定了逆变电源的外特性。由式（3）与（4）可知在控制参数一致的情况下电感电流反馈方式的输出电压小于电容电流反馈方式的输出电压，即电压外特性硬度不同。因为电感电流反映电流的变化，电容电流是输出电压的微分，反映了输出电压的变化趋势，输出电压可以提前得以进行校正，所以电容电流反馈方式对系统的输出电压有着更好的控制能力。

3 控制方式对环流的影响分析

为了提高电源的容量、可靠性，通常采用无线并联方式将N个逆变电源并联。逆变电源并联要求保证并联的各个逆变电源幅值、相位、输出阻抗均一致，否则会产生环流对逆变电源系统带来严重的影响。现以两个逆变电源并联为例进行分析，采用不同的内环控制方式对减小环流有何不同的影响，如图5所示。

图5 并联逆变系统图

图中E1、E2为逆变电源的幅值，α、β为两个逆变电源相对输出端的相位差，R1＋X1、R2＋X2为输出阻抗，Zo为输出负载。环流是由于各逆变电源模块的输出特性差异所造成的，只有并联的各逆变电源模块均分负载电流而不产生环流，系统才能正常、高效的工作。由等效电路图可知流经输出阻抗的电流I1、I2分别为：

则其环流定义为：

由上式可知并联系统要求两个逆变电源的输出电压幅值、相位、输出阻抗均一致，否则将产生环流。并联单元间的环流是造成逆变电源故障的主要原因。这个问题解决不好，不仅可靠性得不到提高，而且会适得其反。输出阻抗的增大可以减小并联系统的环流，输出阻抗很大程度上可以由逆变器的控制环控制。由式（8）与式（9）可知在相同的条件情况下，电感电流反馈方式的输出阻抗大于电容电流反馈方式下的输出阻抗，则电感电流反馈方式下的环流小于电容电流反馈的环流。

4 两种反馈方式仿真分析

基于以上理论分析，采用MATLAB软件对上述理论进行系统仿真。系统模型由三个部分组成：全桥电路、控制器、PWM脉冲产生模块，采样电路的信号传给控制器进行调节，产生的调节信号传送给PWM模块。单相逆变器仿真参数：输入直流电压330 V，输出正弦交流电压220 V，频率50 Hz；滤波电感5 mH，滤波电容3μF。控制器的参数为：Kvp＝2，Kvi＝5 000，Kip＝4。在上述条件下分别对两种电流反馈方式进行仿真，其负载为纯阻性。仿真结果如图6，图7所示。

图6 电感电流反馈输出电压和频谱分析图

图7 电容电流反馈输出电压和频谱分析图

通过以上仿真可以得出，采用电感电流反馈方式时输出电压的硬特性较电容电流反馈方式的硬特性差，且电感电流反馈方式的输出电压THD稍大，数据如表1所示。

表1 两种方式输出电压和THD比较

对于并联系统来说，各个逆变电源的输出电压的外特性很重要，其电压误差越大，则并联系统的环流越大，作两种反馈方式的仿真如图8、9所示。

图8 电感电流反馈输出阻抗负载电流和环流

图9 电容电流反馈输出阻抗负载电流和环流

由仿真可知两种反馈控制方式对并联系统输出阻抗的电流影响较大，但是其环流很小。电流反馈产生的环流小于电容电流反馈产生的环流，这是由于电感电流反映了负载电流的变化，所以相对电容电流精确，产生的环流小。并联逆变电路中首先要保证输出电压的幅值、相位一致，且保证输出电压误差小。两种电流反馈方式产生的环流大小相差不大，基于以上分析，本文选择电容电流反馈方式作为并联逆变系统的内环控制方式。

5 结 论

本文针对两种电流反馈控制方式进行理论分析和比较，电感电流反馈控制方式对逆变电源的输出电压产生的误差较大；并联系统中电容电流反馈方式对并联逆变电源的环流影响相对电感电流反馈方式大，但是两种方式产生的环流大小相差不大。基于并联逆变电源系统中的要求，综合考虑选择电容电流反馈方式可以保证并联系统输出电压的精度，电容电流反馈、电压外环反馈是一种较好的控制方式，仿真实验验证了理论的可行性。

［1］ 刘凤君.现代逆变技术及应用［M］.北京：电子工业出版社，2006.

［2］ 周松林.逆变器无互联线并联运行控制策略［J］.合肥工业大学学报，2008，31（4）：556－560.

［3］ 吕永庆.两种逆变器双环反馈控制技术分析与比较［J］.通信电源技术，2009，26（4）：20－30.

［4］ 杨会敏，宋建成.基于双环控制的单相电压型PWM逆变器建模与仿真［J］.电气传动自动化，2009，31（1）：15－18.

［5］ 阚加荣，吴云亚.控制参数对并联逆变器性能的影响［J］.电工技术学报，2009，24（9）：120－126.

［6］ 吴云亚.逆变器无线并联系统的建模与仿真［J］.系统仿真学报，2009，21（12）：3807－3812.