数字化逆变电源并联控制技术研究

2022-12-22何洋，庞遥，张卓

通信电源技术 2022年16期

何洋，庞遥，张卓

（雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都 610000）

0 引言

社会发展和科技进步促进了电源技术的发展，目前人们对电源系统的研究已经逐渐从为电子设备供电的常规电源延伸到现代电力系统的各个方面，包括储能系统和新能源并网发电系统等，形成了多样化的供电系统。模块化电源利用分布式网络形式并联构成发电和储能系统，可以适应不同用电场景的需求，扩展了电网系统的延展性[1]。逆变电源并联系统采用了标准化模块，强化了系统冗余功能实现，通过交错控制技术可以有效降低电压/电流纹波。在相同电压/电流纹波要求下，变换器功率密度提高，滤波器数量减少，提高了系统运行效率。

1 逆变电源并联运行控制方式

采用标准化模块设计逆变电源并联控制系统，控制方式主要有以下几种。

（1）集中控制方式。该方式下，市电频率和相位先被并联控制单元检测，并发送同步脉冲给每个逆变电源。如果没有检测到市电，就会由晶振产生同步脉冲。其中，逆变电源的锁相环电路能够同步电网电压和给定信号。各逆变电源在集中控制方式下，通过补充电流偏差来消除电流不平衡问题。

（2）主从控制方式。在实际应用中，一些生产厂家在逆变电源中增加了并联控制单元。以软件配置的方式选择开关，电源运行时首先启动的一台负责实现并联控制功能，作为主控逆变电源，其他逆变电源作为从机，从而实现主从控制方式。和集中控制方式相比，主从控制方式更加可靠。

（3）分散逻辑控制方式。该方式是一种独立并联控制方式，在各逆变电源中将每个电源模块中的电流与频率信号进行综合，得出各自频率与电压补偿信号的控制策略。该方式是真正意义上的冗余设计，实现了N+1并联运行，当出现模块运行故障退出时，其他模块仍可以正常运行。分散逻辑控制可靠性高、功能扩展简单，在很多领域得到广泛应用[2]。基于分散逻辑控制的并联冗余逆变电源系统如图1所示。

图1 基于分散逻辑控制的并联冗余逆变电源系统

（4）无互连线独立控制方式。各模块都有相对独立的控制系统，不直接产生电气关联，提升了安装维护的便捷性，促使并联系统更加安全可靠的运行。

2 逆变电源分散逻辑并联控制原理

2.1 分散逻辑并联控制的特点

分散逻辑并联控制系统和传统控制系统相比，不再产生单点故障问题，每台单机都可以独立运行，不受其他单机影响[3]。和传统并机系统相比，在同样功率等级的情况下，基于分散逻辑的并联控制系统具有更少的组件，能够实现远程监控。分散逻辑控制系统中的每台电源都是一个独立单元，单点故障问题不再出现，有利于进行数字化信号的传输。传统并联系统结构如图2（a）所示，分散逻辑并联系统结构如图2（b）所示。

图2 控制系统结构

2.2 并联系统控制结构

做好逆变电源的并联控制，需要解决各模块输出电压的参考信号和同步控制问题。基于分散逻辑控制方式将控制权分散，逆变电源并联控制时，各模块之间互相传输和接收相应参数，主要包括输出电压频率f、输出有功功率P和无功功率Q等。通过对其进行综合性判断，确定各模块的基准频率f*、基准有功功率P*、基准无功功率Q*，从而进一步完成并联均流控制。分散逻辑并联冗余逆变电源综合控制原理如图3所示。

图3 分散逻辑并联冗余逆变电源综合控制原理

2.3 分散逻辑并联控制系统的内外同步锁相控制

在并联运行的逆变电源系统中，锁相环可以微调不同逆变器模块之间的相位，对模块之间的环流加以抑制，最终使各逆变器的输出参数保持一致。基于分散逻辑控制的思想，要想提高锁相精度和可靠性，可以使用二级锁相技术[4]。第一级锁相环与市电锁相，也叫外同步锁相环，其输出相位和周期指令以脉冲形式发出，作为第二级锁相环的内同步指令。如果发生市电掉电或者市电频率不稳定，就可以切换脉冲为内部精准的50 Hz脉冲信号。第二级锁相环也叫内同步锁相环，基准为上级锁相环输出的周期和相位指令，使逆变器输出电压的相位跟踪内同步指令。二级锁相环工作过程如图4所示。

图4 二级锁相环工作过程

在一级锁相环结构中，为了确保锁相速度，锁相环控制器的调节参数不能太小。当市电周期抖动ΔTs变化较快时，各逆变器的输出相位也会相应剧烈抖动。采用二级锁相环结构后，通过降低第一级锁相环的调节速度，从而降低其输出相位与频率指令的突变速度，可以极大地改善二级锁相环输出频率和相位的抖动。二级锁相环的锁相环调节器需要满足以下条件：一是一级锁相环应保证其输出周期指令的变化较慢；二是二级锁相环对内同步指令的跟踪速度要快。为了降低内同步信号周期变化的影响，二级锁相环的给定由检测到的内同步指令经小惯性滤波环节得到。

3 基于分散逻辑的数字化逆变电源并联系统设计

3.1 数字化功率检测技术

逆变电源并联控制策略使用有功功率、无功功率补偿，对各逆变单元的输出有功功率和无功功率进行准确检测，从而实现并联控制。

设正弦相电压有效值为U，相电流有效值为I、初相角分别为φu和φi，则正弦相电压为

相电流为

由此可以计算出有功功率为

无功功率为

真实场景还需要考虑谐波情况，不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）在不同负载情况下，电流中就有不同的谐波含量。在功率部分计算时，需要对其中的基波成分进行分离。如果并联的2台UPS承担同样大小的负载并且参数一致，那么它们应有一致的谐波变化趋势，而基波功率和谐波功率具有类似的变化趋势，二者可以互为参照。如果要考虑瞬时均流等情况，可以采取一些更复杂的算法。

3.2 模块间信息交换实现方法

在分散逻辑控制方式中，必须在逆变电源模块之间高速可靠地交换数据，数据交换可以是数字或模拟形式。如果信息交换是数字形式，可以配置高速通信总线，这样可以获得良好的传输质量，抗干扰性强。但通信总线的扩展功能弱、传输能力有限，实现瞬时值均流控制较难，影响了系统暂态性能的提高。

基于控制器局域网络（Controllr Aea Network，CAN）总线的UPS网络监控系统如图5所示，利用本地PC监控机与远程网监控机完成对UPS并联系统的数据监视与控制。UPS1、UPS2、UPS3作为并联系统中可单独运行供电的不间断电源模块，相互之间通过CAN总线通信完成均流算法。

图5 基于CAN总线的UPS网络监控系统

3.3 基于双环控制的并联控制策略

逆变器开环运行时会出现输出波形畸变，造成这一问题的原因较多，例如死区影响等。开环运行不能很好地满足一些实际场景需要，动态性能较差，采用瞬时闭环波形控制则能很好地解决这些问题。有关高性能逆变电源的文献研究表明，双环控制方案可以取得很好的实际效果，基于较宽的逆变器控制系统带宽使其动态响应速度提升，减少了电流、电压输出谐波量，尤其对非线性负载扰动控制效果良好[5]。

双闭环控制结构中，有多种方法可以对内环的电流进行控制。以电感电流作为内环瞬时反馈，仿真试验结果表明该控制方法可以获得良好的动态响应速度，抗负载扰动能力强。如果出现输出过载，还能发挥限流作用。基于双环控制的逆变器主电路结构如图6所示。