逆变器并联系统的控制方法探讨

● 湖南水利水电职业技术学院 胡文花

逆变电源的并联技术是分布式电源系统的核心技术。逆变器并联运行可以扩大电源容量及提高供电可靠性，是当今电源变换技术发展的重要方向之一。在逆变器并联运行状态，必须保证所有逆变器的输出电压同频率、同幅值和同相位。否则，各逆变电源之间将会出现环流，不仅会加大开关元件的负担，增加系统的损耗，严重时会损坏功率器件，使系统崩溃，导致供电中断。

逆变电源的并联控制策略按其有无控制互连线一般可分为两大类：有联络线并联控制方式和无联络线独立控制方式。其中有联络线控制方式包括：集中控制、主从控制、分散逻辑控制、3C(Circular Chain Control)环链控制等；无联络线独立控制方式主要是指功率下垂控制等。

1 主从控制技术

电压源作为主模块，用来建立并联系统的恒定输出电压。从模块的作用是跟踪主模块的给定参考电流，分担系统中相应的负载电流。而从模块的参考电流给出方式有2种：一种是由功率分配中心提供，另一种是由主控电压源提供。主从控制示意图如图1所示。

图1 主从控制示意图

而上述主从方案，主模块没有冗余，一旦主模块出现问题，可能导致整个系统的崩溃。目前在这种方案的基础上提出一种主从式改进方案，即自适应主从控制。通过采用自主模块法进行优化：当主模块出现问题时，通过适当的控制，可将某一从模块作为主模块，从而解决主模块不能冗余的问题。

2 集中控制技术

所有模块在整个并联系统中，没有主从之分，故并联系统中所有模块可实现完全冗余，这将大大增加系统的可靠性，但模块间需要均流信号线相连。集中控制技术分为直接集中控制和间接集中控制2种。

（1）直接集中控制。由集中控制单元的同步脉冲发生电路产生统一的同步脉冲信号，各逆变单元经PLL锁相控制保证其输出电压频率、相位一致；同时集中控制单元还要检测总负载电流，除以并联单元个数后得到负载平均电流作为各单元的电流参考指令，与本单元的输出电流比较求出偏差。由于各并联单元采用相同的同步信号源控制，其输出电压频率和相位偏差不会太大，可以直接把电流偏差作为电压幅值指令的补偿量引入各逆变电源的控制单元，以消除系统环流。但由于系统存在检测误差，所以实际输出电压频率、相位仍可能存在误差。

（2）间接集中控制。该方式与直接集中控制的不同在于：它利用本单元电流误差量ΔI和系统输出电压Vo计算出本单元的有功和无功偏差量ΔP、ΔQ，作为其输出电压相位和幅值的补偿量。该方案与直接集中控制相比，虽能提高系统的均流控制精度，但由于仍采用一个公共的控制单元，需要检测负载电流和准确知道参与并联的单元个数，使得系统仍存在单点故障，不能实现真正意义上的冗余。

3 分散逻辑控制

分散逻辑控制是将系统中心控制单元的控制权分散化和独立化，在逆变电源并联运行时，各并联单元检测出自身的有功和无功功率，通过控制总线将其传送到其它并联模块中；与此同时也接收来自其它单元的相应功率信号，进行综合判断并确定本单元的有功无功基准信号，与本机的有功无功信号比较后，获得各单元的电压和同步信号（频率和相位）的参考值。分散逻辑控制结构示意图如图2所示。

4 3C环链控制

图2 分散逻辑控制结构示意图

3C环链控制将第1台逆变电源的输出电流反馈信号加到第2台逆变电源的控制回路中，第2台的输出电流反馈信号加到第3台，依次类推，最后一台的输出电流反馈信号返回到第1台逆变电源的控制回路，使并联系统在信号上形成一个环链结构，在功率输出方面形成并联关系。每个逆变电源的电流内环可以采用传统的PI控制，电压外环的特性随着并联数目的增多和带载的不同有很大变化。为了减小这种影响，外环采用了鲁棒控制，主要是抑制器件的不一致性、负载的变化以及并联单元相互间的影响。

与前面的方案相比，3C环链型并联方案无需模拟信号平均电路，也无需知道并联单元数。同时3C环链结构还包含一条检测环路（图中未画出），用来检测和旁路故障的逆变单元，极大地提高了系统的可靠性。但该方案在控制回路中引入其它单元信号，加强了模块间的影响，使得常规控制方案难以解决系统的稳定性问题，一般采用鲁棒控制器，但其结构复杂，设计难度较大，实现较困难。并且由于系统是一个封闭的环链结构，因此在系统扩容方面不具有优势。3C环链控制结构示意图如图3所示。

图3 3C环链控制结构示意图

5 基于外特性下垂的无互联信号线控制

逆变电源的无联络线独立控制技术是通过借鉴同步发电机的自同步和电压下垂特性，实现单元间无信号线的并联技术，也是目前最先进的并联控制技术之一。

在这种控制方式中不存在各模块间的互联控制信号线，只需将各模块的输出直接挂接在负载上，各模块通过检测自身的功率输出情况，并根据外特性下垂法来调节自己的输出电压的相位、幅值，从而实现各模块均分负载功率，消除模块间的环流。它结构简单，安装维修简便快捷，系统扩容方便，成本低；并且在有模块故障的情况下，系统仍能正常工作，系统的可靠性高。

这种控制方式实现的前提条件是检测和控制精度很高，计算速度很快，否则均流精度很差。在逆变电源并联系统中，逆变电源基于无互联信号线并联运行后，负载的有功功率可以得到较好的均分；然而由于线路阻抗的存在，负载的无功功率均分效果会受到一定的影响。

6 逆变器并联技术的发展趋势

早期的逆变电源控制，一般都采用模拟控制。模拟控制的方案能够使逆电源的静态性能达到设计要求，然而模拟控制需要大量的分立元件和电路板，制造成本比较高；元器件之间的连接复杂，从而使系统的故障检测与维修较为困难；电源模块的一致性不是很好。模拟器件的老化问题和不可补偿的温漂问题，以及易受环境(如电磁噪声，工作环境温度等)干扰等因素都会影响控制系统的长期稳定性。专用模拟控制集成芯片能方便实现一些电路控制功能，但控制环路中的反馈控制网络仍需外接大量的电容电阻等模拟器件。专用芯片还存在控制不够灵活，很难实现复杂、先进的控制算法等缺点。

随着微电子技术的发展，数字控制电源已是当今电源发展的方向，数字控制的广泛应用使得逆变电源的控制方法向多样性发展，一些复杂的控制方法能够被应用到逆变电源的控制中来，提高了逆变电源的性能。同时由于采用数字控制时，检测手段更加方便，使整个逆变电源系统的控制更加完善、可靠。

高速的微处理器的出现如DSP，使得数字控制技术实时性迅速提高，数字控制得到更广泛的应用。用软件手段实现的反馈控制算法能很好的解决控制系统由于元器件老化和温漂带来的问题，抗干扰能力也将大大地增强。此外，控制系统的升级可以通过改变软件来实现，在不改变硬件的条件下可提高系统的性能。

逆变电源的数字控制方法有：数字PID控制、重复控制、无差拍控制、滑模变结构控制等。这些数字控制技术，一些已经应用在实际的产品中，另一些还处于技术研究阶段。从电源的发展方向来看，数字化已经是整个电源系统的一个发展方向，因此逆变电源的数字化控制是今后逆变电源控制的一个趋势。■