基于电压调节的逆变器并联控制系统研究

黄允灿，倪文昊



基于电压调节的逆变器并联控制系统研究

黄允灿1，倪文昊2

（1. 海军驻武汉七一二所军事代表室，武汉430064；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064）

介绍了并联逆变电源控制系统的工作原理，建立了等效模型，并对系统的均流性能进行了仿真。仿真结果表明，采用并联逆变电源控制系统可以减小电抗器的体积，提高推进系统的可靠性。

电压调节 并联控制 环流 均流原理

0 引言

基于电压调节的并联控制系统，与主控制器通过接口电路直接相连的就自动成为主模块。每个从模块再通过接口电路与主模块的接口电路相连，这些接口信号串联在一起实现信号的传递。对于这种主从控制方式，主模块可以由任意一个模块担任，只要装有主控制器就可担任。没有主控制器的就自动成为从模块。当有模块发生故障时，系统会自动降功率运行。假如某个从模块发生故障，则将之与直流电网和电机断开连接。假如发生故障的是主模块，除了要将它与电网和电机断开外，还要将主控制器移到第一个从模块并使它接替成为主模块。因此，推进系统的可靠性大大提高。

1 并联逆变电源控制系统的工作原理和等效模型[2]

为了实现逆变器的并联运行，必须控制各逆变模块输出电压频率、相位、幅度相同，使输出电流尽可能接近。本控制系统采用加入同步控制单元和均流控制单元的主从式结构。原理框图如图1所示。

主控制器经过矢量控制计算出给定电压，并传递给从模块作为参考信号。

为了确保逆变电源并联时负载电流的均分，各模块控制电路间有2条互连线：一为公共电压基准信号，通过同步单元保证各模块的输出电压相位和频率一致；二为电流基准信号，各模块输出电流与参考值的误差调整电压参考值实现均流。

以2个逆变电源并联为例，控制框图如图2所示。

图2 逆变电源并联控制系统的等效模型

图2中：g1、g2是并联系统的给定基准电压，1、2是逆变器的输出电压，0是负载电压，i是环流。其中，1、2、分别是2个并联逆变器的传递函数，3、4是输出电压和环流的传输比。

环流为输出电压之差除以2倍的均流阻抗，所以

其中，K为同步调幅控制的调幅系数。

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基准电压幅值的调整采用乘以幅值调节系数的方法，使各点以同一倍数放大或缩小，使输出的波形不变，并且幅值的调整在每周期波形过零点时调整。每个周期调节一次调幅操作，因此从相频特性看，产生了附加的滞后相位，相当于系统中加入了一个延时周期的时滞环节s，使系统总的相位滞后增大，增加了系统的不稳定因素。

当控制系统无环流反馈时，逆变器输出电压及环流为：

当控制系统加入环流反馈后，逆变器输出电压及环流为：

如果控制系统中1=2=，则

可见，将环流信号反馈控制基准电压，输出电压没有改变，仍然跟踪给定电压，而环流大大降低。

由式（4）得出，环流的传递函数框图为图3。

图3 环流的传递函数框图

所以，均流控制环的开环传递函数c(s)为

调幅系数H大小对整个控制系统稳定性和动态性能有很大影响。调幅系数越大，环流越小，同时调节时间减少，但超调量增大，系统容易不稳定。

以2个逆变器并联为例，电机电流等于2逆变器电流输出电流之和。对电机电流和环流分别采取闭环控制。电机定子电流的简化传递函数框图为图4。

图4 定子电流的传递函数框图

电流调节器简化为放大倍数K的放大器，逆变器的等效模型简化为增益KPWM。所以，定子电流的开环传递函数为：

环流在模块之间流动，均流控制器采用比例控制，增益为K，其传递框图为图5。

图5 环流的传递函数框图

同样，均流环的开环传递函数为：比较式（7）和式（8），可以得到电机电流环与均流环的截止频率之比为：

在共用转速调节器的主从式控制系统中，为了同时满足减小环流和电机电流谐波2个性能，折衷方法就是选取电抗器参数与电机主电感为同一数量级。而在基于电压调节的并联逆变器控制系统中[3]，二者的电流环采用不同的放大倍数，就可以大大减小电抗器的参数，这样不仅提高了输出电压，而且还改善了系统的功率因数。

3 系统的均流性能仿真

控制模型采用基于电压调节的主从并联控制策略，图6是电机突加负载时输出电压和电流的动态过程波形图，图7是电机调速过程中电机的输出电压以及并联逆变器的输出电流。

该控制方案的仿真波形不管是突加减负载还是电机调速的动态过程中，系统都能够很好的实现均流，而且动态响应快，不到一个周期就能够实现系统的稳定输出。

并联逆变器的调制采用空间矢量调制技术，图8(a)为主模块矢量控制计算得到的参考电压对应的调制波。通过环流反馈对调制波幅值进行调节，图8(b)为对应每个开关周期的均流控制器输出的调节电压，其调节范围取占空比的4％。图8(c)为修正后的逆变器控制电压对应的调制波波形。

图6 电机突加负载时输出电压和电流的动态波形

图7 电机调速过程电机的电压和并联逆变器的输出电流

由图8可以看出，每个开关周期内都计算逆变器之间的环流大小，当逆变器之间环流超过限定的幅值后，均流环输出的调整电压反馈到参考电压，改变参考电压的幅值。环流的最大限值选为电机额定电流的5％。

图9(a)为电抗器上的电压，交流脉冲电压的周期为0.2 ms，对应频率为5000 Hz，所以电抗器的电压频率为开关频率，交流脉冲电压的幅值为直流母线电压d。图9(b)为逆变器1和2之间的一相环流波形。通过a和b的对照可以看出，电抗器依靠产生反向的脉冲电压，使得环流的极性发生改变，从而减小环流。

图9 抑制动态环流的均流电抗器的电压波形

4 结语

控制系统中，环流是单独控制的，使得电抗器的参数可以大大减小。而且其控制周期为开关周期，使得电抗器的体积大大减小，从而有利于整个并联系统的体积减小。

[1] 肖岚, 胡文斌, 蒋渭忠, 严仰光．基于主从控制的逆变器并联系统研究[J]．东南大学学报, 2002, 32(1): 133-137.

[2] Heinz Van der Broeck, Ulrich Boeke．A simple method for parallel operation of inverters．IEEE IECON 1998, pp: 143-150．

[3] 黄蕾．并联逆变器控制技术的研究．南京：南京航空航天大学, 2004年．

The Control System for Parallel Operation of Inverters Based on Voltage Regulation

Huang Yuncan1, Ni Wenhao2

(1. Naval Representatives Office in 712 Research Institute, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM464

A

1003-4862（2015）02-0030-04

2014-12-04

黄允灿(1989-),男，助理工程师。研究方向：动力电池。