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逆变器并联运行技术

不问断电豫逆变嚣

逆变器并联运行技术

王欣亚邢岩赵修科南京航空航天大学自控系(南京210016)

摘要:本文阐述了两种逆变器并联运行技术:基于有功、无功功率偏差控制的逆变器并联技术、主从并联技术。

叙词:基于有夥7无功功率偏差(△P、△Q)控制的并联技术,VCPICCPIPDCUPSPIL主从并联技帝均流技杏同步技专Dc—Dc变换移交流变换掺电压电流双环控制逆变:嗲

ParallelOperationofInverters

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多模块并联实现电源大容量化,是当今电源技术发展的一大趋势。与其它电源系统相比,多模块并联有以下特点:(1)多个电源模块单元并联分担负载功率,各个模块中主开关器件的电流应力小,从根本上保证了可靠性;(2)每个模块的容量较小,功率密度高,从而使整个电源体积重量碱小;(3)多模块并联可以灵活扩充电源容量、易安装、维护费用低;(4)可以实现冗余并联运行方式。

对开关变换器模块并联而言,其基本设计要求是:(I)各模块承受的电流腿自动均衡,实现均流;(2)为提高系统的可靠性当输人电压和(或)负载电流变化时,应保持输出电压稳定,并且均流瞬态响应好。在八十年代早期,国外已开始Dc—Dc变换器并联运行的研究,现已有商业产品出现,其中典翌代表是Um—hodeIC公司根据最大电流法自动均流原理开发的均流控制器集成电路ucB907。而对逆变器模块单元的并联而言,由于个单元的输出为正弦交流,各模块输出电压不仅要求幅值相等,而且必须频率一致、相位同步.所以较DC—IX:变换器并联技术复杂得多,本文介绍两种逆变器并联实现技术。1基于有功、无功功率偏差控制的并联技术

有功、无功功率偏差电压的控制的并联拓扑如圉1所示,用两套电路分别检测逆变器输出电流与系统平均电流之间偏差的有功和无功分量,根据有功、无功伯差电流由两套电路分别调整各并联单元基准电压的相位和幅度,以此来宴现有功电流、无功电流的均衡。本系统同步是通过一个镇相环(eLL)电路来实现.偏差电流厶有功分量r,p通过Pu电路来调节逆变器单元问的相位角,PIL电路本身响应慢,馥有功功率分配控制的响应速度不可能报快。

lJI一嵌畦爿占图1有功、无功功率偏差拄铡的负载均衡原理方框图

210第十三层全国电曩技术年会论文集

不问断电源逆变嚣

为了对有功、无功功率偏差控制工作原理作进一步阐述.我

们选取有两个并联单元的系统。如图2,两单元的输出电压分

别为n和地,Zl、z2分别为两并联单元的等效输出阻抗,这个

等效输出阻抗包括并联单元输出阻抗和反馈回路的阻抗,则有:

屯=(U—U2)/(五+邑)(1)

,l+,2=10;(2)

,l+J2=2za;(3)

Jl;o.5^+Jd;(4)

,2=o.5,0一,d(5)

其中J-,如分别为两个单元的电流,10为负载电流,厶为两并联

单元间的环流。

图2两交流单元并联原理

理想的并联单元的输出阻抗应相等,即

毛=磊=Z;

厶=(仉一如)/2z(6)(7)

由(4)、(5)两式可知,并联单元1的负载电流^与并联单元2的负载电流,2不相等,所以两个并联单元的负载是不均衡的。为了使两个并联通道的负载电流趋于均衡。即1I-,2。必须使厶=0,即环流为零。因此,碱小两并联单元间的环藏就可达到减小各并联单元问负载电流的不均衡。

那么,如何减小并联单元闻的环流呢?由环流关系式t'a=Ul一%/2z可知,减小厶的方法有两种:(1)增大输出阻抗Z。糖出阻抗z的增加可使,d减小,从而并联控钳和保护就简单,但同时使t出电压%降低。而且,由输出阻抗引起的输出电压降是负载的函数,负载越重,输出电压%就越低。并联逆变器单元的输出阻抗取决于输出滤波器的阻抗,我们可以认为输出滤波器的阻抗为纯感性,即逆变器单元的串联输出滤波电感值,因此,在并联系统设计中,要根据输出波形畸变、系统效率以及高次谐波抑制等情况来选样输出电感值,在此基础上尽量进较大的电癌。(2)使两个并联逆变器单元的输出电压矾、巩尽量接近。如图3所示,当仉、地在幅值和相位上有偏差时,存在偏差电压“(矢量差),砜远远小于UI、如,故幅值有偏差时引起的偏差电压乩与Ul、地基本上同相位,相位上的偏差引起的偏差电压仉与“、如基本上相位约差帅。。如果减小£^、如的幅值差和相位差就能减小偏差电压乩,从而斌小环流,d。

前面提到,并联逆变器单元的输出阻抗可近似为纯感性,则相位偏差引起的偏差电流厶基本上与u1、如同相位,幅值偏差引起的偏差电流,d基本上与UI、醍垂直。因此,通过控制相位偏差,就可实现对偏差电流,d有功分量的控制;通过控制幅值偏差,就可实现对偏差电流,d无功分量的控制。如果仉、也之间相位偏差减小,则偏差电流,d的有功分量减小,从而并联两逆变器单元的有功功率趋于均衡;如果Ul、以之间的幅值偏差减小,剜偏差电流厶的无功分量减小,从而可使两逆变并联单元承担的无功功率趋于均衡。

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U2U2

Us

图3两并联单元电压、幅值偏差、相位偏差矢量图

本并联系统各并联逆变器单元虽然相互独立、互换性好,但通过PIE铺相环电路来实现,PLL电路本身响应慢,决定了有功功率偏差控制的响应建度不可能很快。另外,此方案检测和控制电路实现复杂、并联单元之同易形成环流。

2主从式并联技术

主从式并联系统由一个电压控制PWM逆变器(、忸)单元,若干个电流控崩硎逆变器(c册)单元和功率分配中心(n3c)单元组成。佃作为主控单元,为系统提供稳定的电压输出.用于UPS时与电网同步。c倒作为从单元,具有电流跟随作用,跟随PDc单元分配的电流。PDc单元通过检测负载电流,来决定运行的(Xlal个数。并把负载电流平均分配给各运行的c叫单元。系统结构图如图4所示。

图4N单元UPS并联运行的基本方框图

主从逆变器并联系统等效电路图如图5。v∞表示为一个稳定正弦电压源和一个由电感‘和电容cf构成的输出滤波

器;O口阿表示为受pDc控翻的电流源以及扼流电感厶(j=1,2,…n),扼流电感使输出电流平精。每个佃单元的参考电压

由PDc根据负载电流生成。必须指出的是,尽管c回尽管跟踪

参考电流的快速电流响应,但每个从单元OaPI的输出电流和负载电流之间仍有时|可延迟或相位差,主单元埘的输出电流超

前从单元c∞。但这并不影响并联系统的性能,因为电流响应快,这个时问延迟很小。

第十三晨全啻电豫技术年会论文集211

不间断电源逆变嚣

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图5N单元UPS并联运行等效电路图

【1)电压控韵删逆变器(VCrt)。vcH是并联系统的主控单元,提供恒压恒频正弦输出,其基本控制方框图如图6所

示。GK(B)为相滞后补偿器,c飞(8)为相超前补偿器,K~是PWld调箭器的增益。在嘲单元中,输出正弦电压通过PLL

电路镁相,与公用系统或自己的晶振参考电压同步,故Vtat'l可用任何控制方案,许多成熟的UPS只要接口符合本并联系统的要求,都可用于并联运行。

图6vcH基本控制方框图

(2)电流控制PWM逆变器(曲)。电流控制PWM技术已广泛应用于AC驱动和无功补偿系统,文献中介绍的典蛩电流控制逆变器包括滞后控制器、正弦PWM控翻器、箱前电流控翻

和状态连接控制器(丑diaeetastate倒蜘皿0。本并联运行系统有N套CtaC,l单元,使电流参考跟踪上PDc分配的电流。瞄具

有快速电流跟踪特性。所以无需阻L链相电路,各并联单元就能

实现并联运行同步。CCPI从单元基本控制方框图如图7所示,控制器内设一个参考电流前愤,用来加快电流响应,仰可用

任何控制器来设计。只要电流响应快。并联系统输出电压看成0cPI的一个干扰信号,用一个前馈来对其进行补偿。

图7CCPl基本控制方框图

(3)功率分配中心PI)C。本并联系统中.VCFI主单元受电压控制,输出电压恒定而输出电流随负载的特性变化;0口n从单元受电流控崩,其输出电流跟踪PDC分配的电流参考;PI)C根据负载状况定激活的从单元数日,并给每个参加并联运行的从单元分配功率,图8所示为PDC结构原理图。以下讨论PDC在两种工作状态下作用。

图8功率分甯中心(PDC)

①公用电源系统供电。公用电源系统供电时,H)c检测到负载总功率,决定并联运行从单元的个数,分配从单元的参考电流(功率),功率的分配依麓于有艘的主从单元的设计容量。当输出负载增加到特定值时,备用单元开通。参加并联运行。分担输出电流;当输出功率低于另一特定值时,一些并联运行单元失效。单元失效并不是马上关断,而是加上一个延时时间,来确信要求切除的功率规定值处于稳定状态后再关断.延时设计为船电路。这样,即使在轻载时,并联系统的整体效率仍保持很高。

②公用系统失效。当公用系统失效时.各单元备用电池供给电能。为了艟等量消耗务单元的电池能量,所有逆变器单元都参加并联运行。

主从式并联运行方案易于实现、容量扩充灵活。从单元之问可以实现冗余,但主、从单元不等价,不适合单机运行。

随着对逆变器窖量、可靠性要求不断提高,近年来逆变器并联的研究受刊重视,得瓢一定的发展。目前,并联运行的逆变器在国外uPs中已有一定的应用,但各模块之问输出同步、均液等关健技术尚待进一步研究、完善,系统鲁棒性较差,对负载等的外界抗动较为t感。

参考立献

[1]Parallel删∞ofvoltageMilmmTskaob池b&轴i酬碰学出mIEZZTrims.1ad.娜pli隧.V01.24,No.2,坤篮1—287,19鼯

r2]nHp即lcy—h啪da啪t一曲啦k曲岫hixnalMtd珊”廿omVtlttnDavidJ.Pemmlt&RdmrtL,¥eldm.Jr.&JohnG.ka蜘出蛐.口衄Tram.PE.Vd.13,No.4。J班J19粥【3]c0曲蛐蛳一ooratolkdandotmamt—eaatldled硎in一咖farUPS坤耐Iel0p幽Jl帅一FullQkI&a吨一Img

(抽IEEETram.PE.V01.10.No.5。湖'EMBER1995

【4]蘩宣三,开关电源的均流技术,全国电谭技术年会论文集,1995,北豪。

[5]主晨,变速恒频电源变换器研究,硬士论文,南京航空航天大学。1997。

(下转弟215页)

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