逆变器的并联运行技术

发布时间:2022-09-14 17:07:21 来源:欧宝平台APP 作者:欧宝app安装

内容简介:  信息技术的迅速发展,对其供电系统的容量、性能和可靠性要求越来越高,也推动着电力电子技术的研究不断深入,研究领域不断拓宽。多模块并联实现大容量电源被公认为当今电源变换技术发展的重要方向之一。多个电源模块并联,分担负载功率,各个模块中主开关器件的电流应力大大减小,从根本上提高可靠性、降低成本。同时,各模块的功率容量减小而使功率密度大幅度提高。另外,多个模块并联,可以灵活构成各种功率容量,以模块化取代系劣化,从而缩短研制、生产周期和降低成本,提高各类开关电源的标准化程度、可维护性和互换性等。  当前大容量的逆变电源的发展趋势是采用全控高...

详细介绍

  信息技术的迅速发展,对其供电系统的容量、性能和可靠性要求越来越高,也推动着电力电子技术的研究不断深入,研究领域不断拓宽。多模块并联实现大容量电源被公认为当今电源变换技术发展的重要方向之一。多个电源模块并联,分担负载功率,各个模块中主开关器件的电流应力大大减小,从根本上提高可靠性、降低成本。同时,各模块的功率容量减小而使功率密度大幅度提高。另外,多个模块并联,可以灵活构成各种功率容量,以模块化取代系劣化,从而缩短研制、生产周期和降低成本,提高各类开关电源的标准化程度、可维护性和互换性等。

  当前大容量的逆变电源的发展趋势是采用全控高频开关器件构成逆变电源模块单元再通过多个模块并联运行扩容 。研究表明:采用N+1冗余并联是一种很好的解决方案 。实现冗余并联的主要优点如下 :

  图1是两台并联逆变器的等效电路图。其中U 、U,为逆变桥的输出 PWM 波的基波分量;U u ,为逆变电源的输出电压;r 、r ,为表征电感内阻线路阻抗等逆变电源损耗因素的等效阻抗 ;r、r,为 并联线的线路 阻抗 ;L 、L,、C 、C,为逆变电源的滤波电感和电容;Z为 2台逆变电源的公共负载,可为感性容性或纯阻性 。

  由于电感电流滞后电压 90°,因此,此时的环流主要 是无功分量 。当U l 与 u 2 只存在相位差异,则此电压差比 逆变输出电压超前90°,环流电流与逆变电压同相位,因此,此时的环流主要是有功分量。

  由于环流 i H 的存在使得各逆变电源的输出电流不仅包含有效负载电流分量,还有环流分量。在不同状况 下环流分量相对于各逆变电源呈现出 不同的负载特性,或为有功或为无功 。 环流分量改变了各逆变电源的输 出电流也相应改变了各逆变电源的输出功率,使得各逆变电源所承担的负载不均衡 。

  从以上的分析可得出结论:实现逆变电源的并联,必须保证各逆变器输出电压的幅值 、频率 、相位的一 致,保证各个模块按预先设定比例均分有功和无功电流,使输出电流等于0。

  集中控制并联方案是一种较早提出的方案,在该方案中,并联控制模块检测市电频率和相位,同时给出同步信号给每个逆变器。当市电掉电时,每个逆变器的锁相环电路保证输出电压的频率和相位的一致。并联控制模块同时还检测负载电流,除以参与并联逆变器的台数,作为每台逆变器的电流参考指令。同时,每台逆变器检测自身的输出电流,与平均电流求误差用以补偿参考电压指令,消除环流 。图3 是集中控制并联方案的原理框图。

  集中控制并联方案实现简单,均流效果也较好,但是并没有实现真正的冗余,并联控制器一旦故障,则整个系统崩惯,可靠性大大降低 。

  主从控制并联方案是从集中控制并联方案衍生而来,其主要改 进之处在于可以通过模式选择开关、软件设定、硬件指定或工作状态进行主 、从模块间的切换,从而避免了集中控制模式中由于控制器发生故障导致系统崩渍的可能 。

  主从式并联系统,由一个电压控制PWM逆变器 (VCPI)单元、数个电流控制 PWM 逆变器( CCPI)单元和功 率分配中心(PDC) 单元组成并联系统 。图4 是功率分配中心控制并联方案的控制框图 ,图5 是该方案的等效电路 图 ,它包括 :

  (1)一个VCPI,主控单元,其电压调节器保证系统输出幅度 、频率稳定的正弦电压;

  (2) N 个 CCPI 从单元,设计其具有电流眼随器性质,分别跟随 PDC 单元分配的电流 ;

  (3)PDC 单元检测负载电流,并平均分配给各 CCPI单元,且是同步的 。

  VCPI单元通过锁相环(PLL)使其正弦输出电压与市电或自身产生的基准电压信号同步 、而输出电流取决于负载性质。它与常规的逆变器或 Ups 无异。

  主从控制并联方案不需要 PLL电路,因为CCPI 模块 会自动地跟随 VCPI模块的电率变化,自动实现锁相功能。主从控制并联方案的特点如下 :

  ( 2 ) 整个系统的稳定度和控制精度较好,动态性能 良好,对线性负载和非线性负载都有较好的均流能力;

  (1) 由于有主从模块之分,同时需要额外的控制器, 整个系统中各个模块并不是地位均等,一旦控制器发生故障,则整个系统崩惯,并没有实现线 ) 主从模块进行切换时,由于基准正弦波幅值和 相位的差异,容易产生很大的瞬时环流 。主从模块切换 是造成系统崩溃的重要因素 。

  分布式控制并联方案也称分散逻辑控制并联方案 ( Distributed Logic Control) 。分布式并联控制是一种真正的冗余控制方法 。其中任何一个模块的加入和退出都不会影响这个系统的运行 。

  在目前所见的文献中,分布式控制并联方案主要 包括平均电流瞬时控制方案和有功无功控制方案 。

  平均电流瞬时控制方案一般通过锁相环电路保证各个模块基准电压的严格同步、通过求出各个模块输出电流的瞬时平均值进行电流的调节。因此该方案中一般需要控制互连线 是平均电流瞬时值控制的原理框图。

  ( 1) 采用两条并联控制线 :输出电流平均线 、基准方披 频率 /相位同步线 ) 各个模块之间的位一致,可以实现真正的分布式 冗余控制;

  ( 4 ) 模块间的模拟通信信号较多,因此容易受到干 扰,同时容易导致EMI 问题;

  ( 5 ) 各个模块基准电压的幅值和频率的偏差对系统 控制精度和系统的稳定性影响较大 。

  有功无功控制方 案则是通过检测本机的有功 、 无 功信息 ,通过有功 、无功并联线与其他模块通信,通过 与其他模块有功 、无功功率比较,对本模块的输出电压 的频率、幅值进行调节,实现逆变器的并联 ,图7 是基于有功无功控制方案的原理框图 。

  ( 1 ) 采用三条并联控制线:有功功率线,无功功率线, 频率线 ) 各个模块之间的位一致,可以实现真正的分布式冗余控制 。

  3C 控制方法是采用眼中的思想中,将第一台逆变器的输出电流反馈信号加到第二台逆变器的控制回路中,第二台的输出电流反馈信号加到第三台,依次连接,最后一台的输出电流反馈信号返回到第一台逆变器的控制回路 ,使并联系 统在信号上形成一个环形结构,在功率输出方面形成并联关系 。图8 为两个模块并联控制框图 。

  3 C 控制并联方案是分布式控制方法的改进。虽然其环形信号通路中每一模块仅接收上一模块的电流信号,但此信号中已包含其他模块的信息。因此,3C方案的互联线大大减少,既减小了干扰,又非常容易实现多台的并联。但是控制器的设计相当复杂,常规控制方案无法实现系统的可靠运行。为了保证系统的稳定性和动态性能,文献提出了Hoo 理论控制方法。

  近年来 ,无互连线并联控制成为逆变器并联的研究热点 。无线并联方案是从有功无功并联方案发展而来,借助电机并网中下垂特性的思想,通过预先设计的权值控制,使得逆变器的输出电压的频率和幅值分别随着输出有功功率和无功功率的增加而下降,从而使逆变器的 输出电压和频率稳定在一个新的平衡点 。图9 是无线并联控制的原理框图 。

  ( 1 )所有并联逆变器除了输出功率线外,没有别的电气连接,实现了真正的无线 ) 基于下垂特性的无线并联方案是在输出电压频率、幅值与有功 、无功均分的一个折中,因此输出特性软化 。

  ( 3 ) 由于有功、无功的计算一般在一个工频周期内计算得出,因此大大限制了动态响应 。

  传统的基于下垂特性的无线并联方案是在输出电压调节和功率均分之间取折中,而且,有功功率变化还可能 导致逆变器输出频率的漂移,因此,如何实现真正的无 线并联,同时又克服无线并联内在的缺陷成为研究的核心所在。利用逆变器的输出交流功率线作为通信载体的电力线载波通信方式实现逆变器之间的信息交换。每台逆变器都将自身的有功和无功大小通过高频调制 成高频数字信号通合到功率输出母线上,这样,每台逆变器都能知道其他模块的输出功率,从而调节自身的输出 电压和频率。

  普通的电力线载波通信是将单台逆变器自身的信息通过高频调制的方式精合到输出电力线上,这使得滤波器参数的选择非常困难 。针对电力线载波通信 的高频干 扰产生的误码问题采取了新的通信策略 。这种策略将单台 逆变器的自身信息,包括并联模块的台数以及同步信号 等 ,通过频率调制的方式转变成 500 Hz 附近的抖频共模电 流信号。各并联模块将功率输出端的共模输出电流与自身 的共模给定信号比较 ,从而得到其他模块的信息 。

  共模电流频率调制法将同步信号和逆变器其他信息调 制成 500Hz 附近的模拟信号,从而避免了开关频率对输出 信号的干扰,也避免了输出差模滤波器对信 号的衰减 。但 是由于调制输出的信号为中频模拟信号 ,因而例如并联逆 变器的台数等的信息对逆变器主电路输出阻抗参数的依赖 性很大 。例如 ,若逆变器输出共模阻抗不一致 ,将会使 单台逆变器对并联模块的台数作出错误的估计,从而影响 同步和均流精度。

  逆变电源可以为负载提供高质量的正弦交流电源,而逆变电源的并联运行不仅可以满足容量扩充的要求,同时可以组成并联冗余系统提高系统的可靠性和可维护性。本文在阐述逆变电源并联原理的基础上,介绍了并联技术发展史上出现的具有代表性的控制策略,讨论了各方案的优点和不足。

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