基于瞬时无功理论的单相逆变电源并联控制技术

1、第31卷第5期2011年5月电力自动化设备ElectricPowerAutomationEquipmentVol31No.5May2011基于瞬时无功理论的单相逆变电源并联控制技术曹太强1，许建平1，徐顺刚1，2（1.西南交通大学电气工程学院，四川成都610031；2.重庆师范大学物理学与信息技术学院，重庆400047）摘要：提出了一种适用于光伏发电系统或大容量UPS系统的高性能逆变器并联的控制方案。该控制技术利用FPGA产生各并联逆变器SPWM调制波的频率和相位，并确保输出电压同步。把单相交流电压、电流构造成三相交流电压、电流，根据瞬时无功理论计算方法变换成2个直流分量，再用同步d-q变换得

2、到有功电流和无功电流，利用DSP使2台逆变器并联的瞬时有功、无功功率相等，从而实现2台逆变器输出电流的均流。实验结果表明，该控制方法能达到功率均分，逆变电源之间的环流很小。关键词：逆变电源；均流；瞬时无功理论；并联控制中图分类号：TM714文献标识码：A文章编号：10066047（2011）05008004围，或者接近于零。图1的等效电路如图2所示。T1T2i12UVT4T3C1iLBRLVT1L2C2T4T3U2T20引言目前有关逆变器并联技术的研究集中在对逆变器的关键技术问题进行理论分析和仿真，而在实际应用中会遇到很多困难，甚至无法实现。有的文献在考虑逆变器输出阻抗和线路阻抗中阻性分量的基

3、础上，分析了逆变器模块滤波电感和线路阻抗差异造成无功分配不均的原因，提出一种新型的下垂解耦控制，可减小功率分配不均的情况。但是该方法控制复杂，均流效果不是很明显，负载突增、突减时效果依然不理想。有的文献提出向各台逆变器的电压给定值注入幅值很小的谐波，通过谐波发出的有功功率来调节逆变单元的基波幅值设定值。该方法在实际应用中实现相当困难，计算也非常复杂，另外，由于电压基准引入谐波，使得输出电压波形畸变。本文提出一种高性能的瞬时无功理论控制方案，用FPGA产生各逆变器SPWM的同步调制波信号，在此条件下，用瞬时无功理论算法实时计算各逆变器输出的有功和无功功率，并通过DSP产生驱动信号控制开关管的PW

4、M，用PI算法实现各逆变器的功率均分，使各逆变器输出电流相等1-6，谐波成分少。图12台逆变器并联电路图Fig.1CircuitoftwoparallelinvertersL11U11r1iC1U00°C1RZC2r2L22iC2U22图22台并联逆变器的等效电路Fig.2Equivalentcircuitoftwoparallelinverters设负载电压相位为0°，逆变器1、2相对于负载电压的相位分别为1、2，则逆变器1输出的复功率为S=U0I*=U00°=jZU（cos-U）+jUsinU=UUjZ*sin1+1理论分析图1为2台逆变器并联主电路。2台逆变

5、器输出的交流电压在负载A处的相位或幅度不相等时就会产生环流i12，造成开关损耗增大，环流过大时将会影响系统的正常工作，甚至损坏系统。因此，逆变器并联工作时必须将环流减小到系统能承受的最小范收稿日期：2010-09-11；修回日期：2011-03-19基金项目：国家自然科学基金资助项目（50677056）ProjectsupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina（50677056）（1）j1（U1U0cos1-U20）=P1+jQ1其中，Z=r1+jL1=r2+jL2。因此，逆变器1输出的有功、无功功率为（2）P1=sin1，Q1=（

6、U1U0cos1-U20）ZZ同理可得逆变器2输出的有功、无功功率为（3）P2=UUsin2，Q2=1（U2U0cos2-U20）ZZ由式（2）（3）可知逆变电源向负载输出的有功、无功功率与相位差和幅度有关。因此，只要控制2台逆变器输出电压的相位差和幅度就能控制2台逆第5期曹太强，等：基于瞬时无功理论的单相逆变电源并联控制技术变器，使之功率相等，从而使环流接近于零，即P1=P2、Q1=Q2、i12=0，实现并联6。2仿真结果造出三相电压和电流，即可以将它们变换到-两相正交的坐标系上进行分析。由式（4）可以得到、两相瞬时电压u、u和两相瞬时电流i、i为针对以上分析，逆变器并联控制的2个主要技术指

7、标是逆变器的相位差为零、幅度相等，否则将会产生环流。为了验证上述分析结果，基于PSIM仿真软件对2台逆变器的并联运行进行了仿真研究。图3为2台逆变器在调制波相差0.5°、其他各参数相同的情况下的仿真波形。从图中可以看出，2台逆变器的输出电流不相等，峰峰值相差10A左右。图4是2台逆变器在输入直流电压相差1V、其他参数相同时的仿真波形。从图中可以看出，2台逆变器的输出电流的相位和幅度都不相等。仿真结果表明相位差和幅度都是影响逆变器并联工作时功率均分的重要因素，与上面的理论分析一致。15iA0-1510i1i2ttC32=uu=Cua，32buuc1t姨0ttttii=Cia32biic

8、ttt（4）-12姨2-12-姨2将检测到的电流变换到-坐标系下，再通过同步旋转d-q变换，可得d-q坐标系下的电流分量：sintii=Ctt=ttt-costiipqpq-cost-sintittti（5）20tms3040这2个分量就是被检测电流的有功和无功分量，从式（5）可得有功、无功电流的计算方法，如图5所示。它首先产生一个正、余弦信号发生电路，得到与电压u0同相位的正弦信号sint和余弦信号-cost。根据上述构造方法将输出电流i0构造成三相电流，再变换得到-坐标系下的2个电流分量。结合-坐标系下的电流分量和正、余弦信号，通过同步旋转d-q变换即可得到有功和无功电流ip、iq7-12

9、。i0+120°+240°C32iiCpqipiq图32台逆变器相位相差0.5°时仿真波形图Fig.3Simulativewaveformsoftwoparallelinverterswithphasedifference0.5°15iA0-15i21020tms3040i1图5有功、无功电流控制Fig.5Activeandreactivecurrentcontrol4同步信号的产生图42台逆变器直流电压相差1V时仿真波形图Fig.4Simulativewaveformsoftwoparallelinverterswithvoltagedifferenc

10、e1V3瞬时无功理论控制方法在逆变电源并联运行前，各逆变单元的输出电压幅度、频率、相位必须严格一致，否则在逆变器并联运行时会有很大环流，影响逆变电源正常工作。本文通过使用外部的同步总线控制各逆变电源的SPWM调制波的频率和相位相等，其工作原理如图6所示。f1f2f3传统的有功、无功功率都在平均值基础或相量的意义上定义，只适用于电压、电流均为正弦波的情况。而瞬时无功理论（p-q）概念在瞬时值基础上定义，它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波。对于图1，要计算准确的瞬时有功、无功功率，需借助瞬时无功理论的方法。但是瞬时无功理论是基于三相系统提出的，单相电路无法直接应用该理论。在三相三线制负载平衡电路

11、中，各相电压波形相同、相位相差120°，各相电流也是波形相同、相位相差120°。若通过单相电路的电压、电流构造一个类似的三相系统，即可使用三相电路的瞬时无功理论方法7-8。设u0、i0分别为单相电路的电压和电流瞬时值，由它们来构造三相系统，并设ua、ub、uc和ia、ib、ic分别为所构造系统的三相电压、电流的瞬时值。构造方法为：令ua=u0，ia=i0，将u0延时120°得ub，延时240°得uc。同样，将i0延时120°得ib，延时240°得ic。构图6同步信号跟踪原理图Fig.6Principleofsynchronizatio

12、nsignaltracking在逆变单元中同步电路采用FPGA实现，使用100MHz有源晶振为FPGA提供时基信号，以确保同步信号有足够高的时间分辨力。FPGA产生的50Hz方波信号Si在隔离后连接到同步总线上，同时同步总线上的同步信号So隔离后被FPGA取回，FPGA提取So的频率和相位信息送给正弦波发生电路产生和So同频同相的正弦波参考信号。当逆变单元单独运行时，So就是该单元送出的同步信号Si本身，当多个逆变单元并联工作时，So就是各个单元送出的同步信号“相与”，如图7所示。电力自动化设备S1FPGA1So1隔离隔离同步总线隔离隔离第31卷uS2So2FPGA2图7同步信号硬件控制框图F

13、ig.7Blockdiagramofsynchronizationsignalcontrolu：100Vdiv，i：10AdivSoi：5Adiv（6）So=S1&S2&&Sn在逆变单元启动时，首先检测同步总线上是否有同步信号。如果没有同步信号，说明该模块是第一个投入运行的模块，直接产生同步信号送入同步总线，否则说明系统中已有模块在正常工作，那么同步电路首先要跟踪总线同步信号的相位，待把自身同步信号的相位调到和同步总线上一致后再送出和其他模块的同步信号“相与”，这样就避免了当有逆变单元切入时造成系统输出的相位跳动。当有逆变单元需要退出时，该单元只需停止同步信号Si的产生

14、，不再将其向同步总线送出即可，So由其他模块送出的同步信号“相与”产生，频率相位不受任何影响。i2i1t：20msdiv图9阻性负载时2台逆变器输出电压、电流波形Fig.9Outputcurrentsandvoltagesofinverterswithresistiveload等；图10是负载为感性时的测试波形，可见负载在突减时逆变器也能达到均流；图11为逆变器的频谱图（图中，n为谐波次数），其谐波含量仅为1.2%，可见，在并联逆变器启动时相位同步的条件下，用瞬时无功理论方法能使逆变器并联运行达到满意的效果。i1i25实验方法和结果t：10msdiv基于上述分析及设计，本文使用2台2kV

15、83;A逆变器做并联运行实验。逆变电源的输出滤波电感为500H，输出滤波电容为10F。逆变电源的输入直流母线电压为200V，输出交流电压的额定值为110V。逆变电源输出电压的频率为50Hz，同步信号的产生和处理由FPGA实现，使用光耦6N137做同步总线的信号隔离，瞬时有功、无功算法由DSPTMS320F2812处理器完成11-12。同步电路采用FPGA和100MHz的有源晶振实现，对同步信号的检测和跟踪精度可以达到±10ns，充分保证了各逆变电源参考信号相位的一致性。并且同步信号是50Hz的方波信号，能够非常方便地使用光耦进行隔离，同样，由于同步总线传输的是数字量，抗干扰能力强，传

16、输距离远，如果采用光纤传输，甚至可以应用于分布式供电系统。图8是阻性负载时同步信号和2台并联逆变器输出电流的测试波形，由图可见，交流电流波形与FPGA产生同步信号同步，同时2台逆变器的电流相等；图9的测试波形说明电压与电流都同相，电流相u：2Vdiv，i：5Adiv图102台逆变器在感性负载突减时的测试波形Fig.10Experimentalwaveformsoftwoinvertersduringsuddendecreaseofinductiveload100%5001020304050n图11并联逆变器频谱图Fig.11Spectrumofinverters从测试数据可以看到，系统中2个逆

17、变电源的输出电流与同步信号同步，其交流电压与2台逆变器输出的电流频率、相位相等，同时2台逆变器的交流电流有效值相等，说明2台逆变器输出的功率均分，环流接近于零，达到了并联的目的13-15。6结论ui2i1t：10msdiv图8同步信号和2台逆变器的输出电流波形Fig.8Waveformsofsynchronizationsignalandoutputcurrents通过对2台逆变器并联的仿真和反复的实验可得：要使逆变器真正能够并联运行，必须保证并联的逆变器启动时，即在未给负载提供电能之前，各逆变器输出的信号必须保证绝对同步。在此条件下，才能用控制算法控制2台逆变器的功率均分。本文用瞬时无功理论

18、方法首先把单相逆变器输出的电压、电流构造一个虚拟相位差为120°的三相交流电压、电流，然后再通过变换得到-坐标系下的2个电流分量，并通过d-q变换得到有功和无功电流，通过DSP计算出2台逆变器的有功、无功功率，从而使并联的逆变器运行时，即使负载变化仍能保证输出的第5期曹太强，等：基于瞬时无功理论的单相逆变电源并联控制技术9余蜜，康勇，张宇，等.基于环流阻抗的逆变器并联控制策略J.中国电机工程学报，2008，28（18）：42-46.YUMi，KANGYong，ZHANGYu，etal.Researchonanovel交流电压相位差为零、幅度相等，环流接近于零。实验结果验证了该方法的正

19、确性。该控制方法同样可以应用于多台逆变器并联以及光伏发电多台并联逆变器向市电力网并网运行。参考文献：1何中一，邢岩，付大丰.模数混合分布式逆变器并联控制方法J.中国电机工程学报，2007，27（4）：113-117.HEZhongyi，XINGYan，FUDafeng.Hybridcurrentsharingcon-trolforinvertersinparalleloperationJ.ProceedingsoftheCSEE，2007，27（4）：113-117.2徐顺刚，许建平，曹太强.电压电流双闭环反馈逆变器并联控制J.电力自动化设备，2009，29（10）：103-106.XUShu

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