并网型辅助电源系统研究

贺庚良

摘 要：新型无互联线并网型辅助电源供电稳定性、可靠性、舒适性高。单台SIV的容量小，设备体积小、噪声低，系统冗余设计成本低。本文对并网型地铁辅助电源系统进行了研究分析，对锁相同步控制、下垂特性均流控制进行了理论研究。对锁相同步和并联输出均流性能进行了试验分析。最后针对并联环流客观存在，特别是并联运行的各台SIV输出阻抗不平衡工况下的环流问题，提出进一步采用虚拟阻抗算法进行环流抑制。

关键词：并网;下垂特性;锁相同步;均流;虚拟阻抗

0 绪论

随着辅助供电系统的可靠性、稳定性、可维护性要求不断提高，与此同时，产品的市场竞争力、经济性要求使得系统成本却在进一步压缩。

并网式辅助供电方式存在着全面的性能优势，然而其对系统控制的技术要求也大幅提高。其一，多台SIV必须同步工作，需进行锁相同步控制;其二，多台SIV并联工作，必须进行均流控制，否则单台SIV易发生输出过流故障，影响整个供电系统的可靠性[1]。

本文介绍的并联方案采用无互连线并联控制方式。无互连线控制方式借鉴同步发电机的自同步特性和电压下垂特性，对逆变器输出电压的幅值和频率采用下垂特性控制。其优点是结构简单，系统易于扩展、抗干扰能力强、并联系统的稳定性好、完全实现了模块化设计。

1 系统简介

SIV系统采用无互联线并联控制方式，借鉴同步发电机的自同步和电压下垂特性，对逆变器输出电压的幅值和频率采用下垂特性控制;系统逆变控制则采用成熟的电压、电流闭环数字PI控制SPWM逆变器控制方式，控制原理如图1所示。

电压指令与幅值下垂控制器输出的电压下垂量之和再与电压互感器PT1产生的输出电压反馈进行比较得出电压差值，该值作为电压控制器的偏差信号输入。电压控制器输出的电流指令与电流传感器产生的输出电流值相比较得出主电路电流偏差值，经电流控制器控制得到SPWM调制度信号mk。

频率控制器综合系统频率给定值、锁相器的输出相位、频率下垂控制器输出的频率下垂量，得出SPWM的频率信号。

2 并网控制技术

以2台SIV并联为例，等效电路如图2所示。

SIV1 输出阻抗与连线阻抗之和为，SIV2 输出阻抗与连线阻抗之和为， 、为等效电阻，、为等效感抗，和分别为两台SIV的空载输出电压，为各个逆变器模块的输出电压与母线电压的相角差。负载为，、为别为2台SIV输出电流，为交流母线电压。

由于SIV输出电压幅值可直接控制，而其相位控制则是通过调节输出频率来实现的。这样，在系统输出电压一定时，各并联SIV就能通过检测各自的输出功率大小进行并联控制。

2.1 软件锁相控制

在dq坐标系下：

如果锁相角与母线电压相位同步，则直流分量ud为额定值Um，而uq为零。因此，可以将目标值零和实际三相电压坐标变换后的uq相减，得到误差信号，再经过PI调节后得到误差信号，再与理论角频率2πf相加后得到实际角频率。最后经过一积分环节，输出即是交流母线电压的相位θ。整个锁相过程构成一个反馈，通过PI调节达到锁相目的，锁相闭环控制系统结构如图3所示。

2.2 下垂均流控制

下垂均流控制就是调节SIV的外特性倾斜率，以达到并联的SIV均流的目的。SIV可以通过电压幅值和频率下垂控制来达到并联输出的有功和无功功率的自动均分，通过人为引入逆变电源的电压和频率下垂特性，来实现并联SIV输出负载电流的均分和“环流”抑制[3-4]。根据各SIV的实际的Pn和Qn，可对各单元的频率和电压幅值作以下调整，即：

由于存在电压和频率的下垂外特性，所以SIV在并联后，负载运行时系统的频率及电压都会降低到某一个点N，在这个点上所有的电源都会在一个较空载运行点偏低的电压和频率工作，从而使各模块电源对输出功率作相应的调整以达到输出均流和消除环流的目的。

3 试验分析

对于并网型辅助逆变器系统，锁相控制和并联均流控制性能十分重要。为验证系统锁相及并联均流功能，以两台160KVA容量的SIV搭建试验台，试验原理如图4所示。

2台SIV从DC750V输入电源取电，通过TCMS给SIV发送相关并网控制指令，并用上位机软件和示波器等，记录各种工况波形。

2台SIV完成并网后，逐级增加负载，用上位机软件记录在每种负载组合下，SIV1和SIV2输出相电流有效值。为探究SIV输出阻抗对均流性能的影响，分别在不串电感和串联0.3mH输出电感的情况下进行试验，试验结果如表1和表2所示。

分析表1所示数据可知，不串输出电感，随着输出功率的增大，电流差值减小，系统可稳定工作，证明在下垂均流控制下，系统具有一定的均流能力。对比分析表1和表2数据，可知串联0.3mH输出电感后，输出均流性能有一定的提升，这是因为并网的SIV功率差与输出阻抗成反比，串联输出电感后，SIV的输出阻抗增大，环流减小。

4 总结与展望

本文对并网型辅助电源系统的系统控制原理进行了研究分析，对锁相同步控制、下垂特性均流控制算法进行了理论研究。最后搭建试验平台，对系统锁相同步和并联输出均流性能进行了试验验证分析，试验结果证明系统锁相同步、输出均流效果比较理想，但环流仍然无法完全消除，有待进一步改善。

结合前文并联供电电路模型分析得出的第三个重要结论，可增加适当的输出电感来增大输出阻抗，进一步实现输出功率的均分，减小并联环流。更进一步分析，也可探究采用先进的虚拟阻抗算法实现SIV输出阻抗软件配置，实现输出功率的均分。

参考文献：

[1]陈良亮，肖岚，龚春英等.逆变器并联系统直流环流产生原因及其检测与抑制方法[J].中国电机工程学报，2004，24（09）：56-61.

[2]吉正华，韦芬卿，杨海英等.基于dq变换的三相软件锁相环设计[J].电力自动化设备，2011，31（04）：104-106.

[3]魏凯，张志学，尚敬等.高速动车组辅助变流器的并联控制[J].大功率變流技术，2014（05）：17-23.

[4]周玉柱，茆美琴，苏建徽等.基于功率下垂特性的逆变器无线并联控制技术[J].电力电子技术，2007，41（04）：9-11.

[5]龚锦霞，解大，张延迟.三相数字锁相环的原理及性能[J].电工技术学报，2009，24（10）：94-99.

[6]周国梁，石新春，付超.三相电压畸变条件下软件锁相环分析与实现[J].电力电子技术，2007，41（07）：47-49.