三相并联逆变电源控制设计分析

刘旭光，张晓同，邹剑，顾小虎，王亚东

（江苏南瑞帕威尔电气有限公司，江苏南京211100）

三相并联逆变电源控制设计分析

刘旭光，张晓同，邹剑，顾小虎，王亚东

（江苏南瑞帕威尔电气有限公司，江苏南京211100）

研究分析三相并联逆变系统模型，介绍通过下垂控制策略降低环流大小。首先分析电感电流和电容电流两种反馈控制方式对并联逆变系统的影响，研究发现电容电流反馈控制方式具有良好的动态响应，而动态响应速度对于并联电源系统非常重要，故采用电容电流控制方式，该方式可对电容电流和输出电压进行解耦控制。线路阻抗等的因素易导致并联逆变系统产生较大的环流，为提高均分负载的效果，针对输出阻抗进行优化设计。所提出的反馈控制方式和输出阻抗设计不仅可提高输出电压精度，而且控制器设计简单，通过Matlab软件仿真和实验验证了所提出理论的可行性。

并联逆变；下垂控制；输出阻抗

1 引言

逆变电源并联运行是提高电源容量，提高系统可靠性、实现模块化的有效途径［1］。

无互联线控制方法通常有谐波注入法和下垂控制法，谐波注入法可消除逆变电源间连线差异造成的不均流，但是该方法存在一定的难度，即基波和谐波锁相问题，造成产生的谐波环流会很大，并联逆变系统的稳定性遭到重创。下垂控制策略通过电压幅值和频率下垂特性来实现有功和无功调节，使得各个逆变模块输出参数达到一致，减少系统环流。

目前无线并联系统的控制主要针对均分负载进行研究，常忽略电压外特性，故该问题是当前急需解决的［2］，本文提出的在三相静止坐标系下采用电容电流反馈控制方式有效解决了输出电压外特性问题。

2 并联逆变系统分析

无互联线并联逆变方式通常采用下垂控制策略，通过有功、无功功率调整输出电压幅值差和相位差，图1为并联逆变电源系统框图。

图1中，E1，E2分别为逆变电源电压幅值；α，β为逆变电源相对输出端电位的相位差；Eo为输出负载端电压幅值；R1+X1，R2+X2为输出阻抗；Zo为输出负载；为流经输出阻抗的电流；为输出电流；为负载均分后产生的环流。

环流是并联逆变系统中亟待解决的重要问题，下垂控制策略可以实现输出功率的平均分配，其表达式为

式中：foi为并联逆变系统空载时的频率；Eoi为并联逆变电源空载时输出电压值；m，n为下垂控制系数。

下垂控制法由电动机并网得来［3］，通过检测各个逆变电源模块的有功功率和无功功率，调整各个逆变电源模块输出的电压幅值和频率，使得其有功功率、无功功率分别一致，最终得到负载均分效果。2台逆变电源模块并联时，为了达到各个逆变电源平均承担负载的效果，应当遵循如下原则：

式中：m1，m2为下垂控制系数；S1，S2为两电源模块容量。

下垂系数同电源模块容量呈相反关系。以有功功率特性为例，其频率下垂特性如图2所示。

由图2可知，下垂斜率不同时，下垂斜率大的其承担功率小；下垂斜率小的承担功率较大，幅值下垂特性类同。系统负载均分是以牺牲改变输出电压幅值、频率稳态为代价，故传统的控制策略将造成电压外特性硬度降低，控制部分需要进行相应的改善。

3 三相逆变电源建模设计

逆变电源采用三相全桥逆变拓扑结构，其拓扑电路如图3所示。

三相全桥逆变拓扑结构中，r为线路等效电阻，L为滤波电感，后级C为滤波电容；ili，ioi分别为流经滤波电感电流和输出负载电流，其中i= A，B，C。

三相全桥逆变数学模型通常采用坐标变换方式为αβο静止坐标系和dqο旋转坐标系，abc/αβο坐标变换后可转化为两个相互独立的单相逆变，控制形式简单；而abc/dqο坐标变换后其d轴上的状态变量与q轴上的状态变量仍然存在相互耦合现象［3］，故通常采用abc/αβο坐标变换。由三相全桥逆变系统状态方程park变换得到其在静止坐标系下表达式如式（1）所示，其推导过程不再赘述。

单相逆变系统通常采用双环控制，电感电流或电容电流作为内环，输出电压作为外环［4］。电感电流建立闭环系统在稳定上优于电容电流建立的系统，故仅从稳定上考虑，电感电流内环控制是比较好的。但是，从系统性能角度考虑，由于电感电流不能突变，假如负载电流在突变状况下，其突变全部由输出滤波电容承担，所以电容电流反应了输出负载的变化情况。电容电流作为内环可以使得系统具有良好的动态响应，故本文采用电容电流反馈方式。

三相逆变电源可看作为3个单相逆变电路，针对某一相电路可得到其电压电流关系表达式为

式中：u为逆变桥输出电压；uo为逆变系统输出电压；iC为电容电流。

以uo和iC为状态变量建立状态方程：

将式（5）化简可得：

为解决输出电压与电容电流间解耦，现需引入变量u*，令

式中：K为逆变桥的放大系数；̂分别为K，r的估计值。

4 输出阻抗设计

并联系统输出阻抗常忽略线路串联电阻，认为其为纯感性，使得负载均分精度降低。曾经有学者提出采用电感作为输出阻抗，使得下垂控制得以运用，电感的加入不仅导致了并联系统体积、质量的增大，而且成本也较高［5］；电感同交流母线连接时会造成一定的压降，在非线性负载的情况下逆变电源的输出电压的畸变率增大，影响并联逆变系统电压波形的质量。本文需针对上述问题进行解决，提高系统输出精度且降低环流大小。输出阻抗越大，并联系统产生的环流越小，输出阻抗的大小由控制环来决定。

由图4可推得其输出电压电流之间表达式为

式中：Gv为电压外环，Gv=kvp+kvi/s；Gi为电流内环，Gi=kip；kvp，kvi，kip分别为电压比例项、电压积分项、电流比例项。

由式（7）可得到其系统输出阻抗伯德图，如图5所示。

由图5可知，本文设计的控制参数保证其输出阻抗在低频段呈感性，高频段区域呈阻性。输出阻抗工频附近呈感性，高频段呈阻性时其可提高非线性负载均流精度。

5 仿真实验验证

基于以上理论分析设计，本文通过Matlab软件建立仿真模型和搭建2台5 kV·A三相全桥逆变电源实验平台进行验证。逆变电源输出滤波电感为1.15 mH，滤波电容为50μF，直流母线电压为400 V。实验中采用TMS320F2812型芯片控制并联逆变系统，并保证其实时性。

图6为并联系统仿真波形。图6a为其稳态波形；图6b和图6c为其暂态仿真波形。

由图6可知，稳态状况下，2个逆变电源的电流输出波形几乎吻合；暂态条件下，不论突加负载还是突卸载状况下，两逆变电源输出电流波形变化较平缓，稳定性较好。

为方便验证系统控制器的可靠性，本文实验针对系统A相进行测量，其实验波形如图7所示。

图7a为2台逆变电源带阻性负载实验波形；图7b、图7c为在某时刻突然启动和退出实验波形。由图7可知，采用本文控制策略实现的并联系统对负载电流的均分效果控制效果很好，达到预期目标。

6 结论

通过上述仿真实验结果可知，在静止坐标系下采用的电容电流反馈控制方式对输出电压的精度控制较好且动态响应性能良好，提高了系统的可靠性和稳定性，仿真和实验进一步验证了所提出理论的可行性。

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Design and Analysis of Three⁃phase Parallel Inverter Control

LIU Xu⁃guang，ZHANG Xiao⁃tong，ZOU Jian，GU Xiao⁃hu，WANG Ya⁃dong
（Jiangsu MARI Power Electric Co.，Ltd.，Nanjing 211100，Jiangsu，China）

Research and analysis of parallel three⁃phase inverter system model，introduces the droop control strategy to reduce the size of circulation.First analyzed the impact of the inductor current and capacitor current feedback control mode on parallel inverter system，the study found that capacitor current feedback control method has good dynamic response，while the dynamic response speed is very important to parallel power supply system，so adopted the capacitance current control strategy，which can be decoupled control of capacitor current and output voltage.The line impedance factors easily lead to parallel inverter system have a large circurrent，in order to improve the load sharing effect，the paper according to output impedance optimization design.Feedback control mode and output impedance design were proposed which could not only improve the accuracy of the output voltage，and the controller has the advantages of simple design，through the Matlab simulation of software and experiments verify the feasibility of the theories proposed.

parallel inverter；droop control；output impedance

TM464

A

2014-02-20

修改稿日期：2014-07-04

刘旭光（1986-），男，硕士，Email：lxgf611@126.com