无互联线的单相逆变模块并联

无互联线的单相逆变模块并联摘要：我们已经研制出在无辅助互联线的情况下，对于两个或多个单相逆变器模块并联的控制方法。这种方法使用频率、基波电压以及谐波电压下垂特性来使得相互独立的逆变器按照各自的容量来负担负载的功率。仿真的结果提供了概念的验证。1.简介在北美，可靠的电源系统被我们认为是理所应当的。然而，在世界上的大部分地区却不是这张情况，有许多计划中和计划外的供电中断。为了在这种情况下提供可靠的电源系统，一种可以很容易的扩容以满足增长需求不间断供电系统应运而生。诸如此类的系统还应该具有容错机制和冗余机制，使用小功率逆变器并联，并且辅以设计严密的控制算法，使它们既能独立工作，又能共同承担负载功率，如上所述的目标就很容易达到。传统的并联模块之间需要不同模块之间有一条互联线来使得功率能平均分配。通常地，如果有其中一个子模块不工作都会导致整个系统的瘫痪。为了保证负载功率的合理分配，通常采用主从控制的方法：使用一个PWM电压控制的逆变器作为主模块，电流控制的逆变器作为从模块。主模块来控制输出电压，并产生电流控制模块所需的电流信号。尽管连接线上会有阻抗的存在，但是这种方法仍然是给出了一种直观和易于设计的负载功率分配方法。但是会有一些严重的缺陷：系统并不是真正冗余的，因为当主模块出现故障时，整个系统的可靠性会因为主模块的故障而下降，互联线也可能成为噪声和故障的来源。为了得到能独立运行的电源模块，我们提出了一种使用有功功率，无功功率和谐波来作为变量的方法来实现模块的独立运行。每一个模块都有各自的控制环路，唯一一条互联线是模块间交流电源线。负载功率分配通过每个模块的输出频率、电压和谐波电压的下垂特性来确定每个模块的有功功率、无功功率和谐波。这样使得系统对于终端用户显得更加简单并且易于扩展。目前的研究工作讨论的还是在三相线性负载中所出现的这类问题。随着越来越普遍被配置成单相的不间断供电电源的发展，供电的负载中非线性负载又占了很大一部分，控制的问题开始变得不同起来。本文重点给出负载为线性或非线性，两个或多个单相逆变器的并联控制方法。使用传统的正弦电压逆变器，用电流作为内环，电压作为外环，我们可以控制电压指令信号电压的环路增益。我们通过仿真来验证了使用此类方法并联两个模块的正确性，这种方法对于不止两个模块的并联以及不同功率因数的模块的并联，仍有很好的控制效果。2.系统结构图1给出了交流总线上挂接有负载的多个单相电压逆变器的供电系统，为了对连接线的阻抗进行建模，在逆变器模块和负载总线之间加入了等效阻抗lineZ。图1单相逆变器模块并联供电的交流供电系统需要指出的是对于不间断供电电源系统连线阻抗大多是感性的所以大多数不能被一个简单的电感所代替。图2给出了单模块逆变器的控制策略。每个模块的主要部分是电流内环，电压外环的PWM调制的全桥逆变器。LC滤波器用来对削弱逆变器输出的高频谐波成分。电感电流和电容电压被采样并被作为反馈变量：内环电流提供了固有的电流限制并且简化了外部电压环的设计，电压环调控输出电压。图2单逆变器模块的控制算法实现当这些模块并联的时候它们应该会按照各自的功率等级来对有功电流、无功电流和谐波电流按比例分配。与终端系统相比，负载分配的问题存在着一些相似之外还有一些不同之处：（1）终端系统通常是三相的而通常考虑的UPS系统是单相的。三相系统为为达到控制目的而对单相的空间旋转向量提供了可行性。它们还允许从交流变量中获得直流量来使得控制更加简单。而这些在单相系统中都是不可行的。（2）大多数实际运用的系统提供给终端的都是线性的和具有很高功率因数的系统，大多数用户都要为现存的注入设备的低功率因数买单。相反的UPS可以将其全部的视在功率传递给线性负载。（3）终端的同步发生器比起UPS系统中并联的逆变器来有相对较高的输出阻抗。（4）同步发生器趋向于自动的根据他们的输出功率下降它们的速度，这在逆变器中并不存在。（5）同步发生器对电流实时控制的有相当慢的动态特性，会影响电压控制的带宽。逆变器可以通过电压控制环取得很高的带宽。（6）设备之间的互联线大多是感性的（在其值已知时可以根据需要用线性电容对消）而此种系统的互联线是阻性的并且其值并不确切。在由本地多模块UPS网构成的逆变设备中，运用负载分配算法技术之前都必须考虑到这些不同。我们的工作已经证实大多数终端系统中运用的控制算法都可以适应稍有变化的不间断供电电源系统。一些有用的算法电力电子领域的算法也在考虑之中。我们试图研制出一种控制方法可以取得最好的效果。3.提出控制算法A线性负载分担先让我们来重温一下有关交流系统中功率流动的理论。为了简化分析，用一个纯电感来代替线性阻抗，注意到线性阻抗的特性对于负载分担的控制有很重要的影响。逆变器1的负载侧复功率为：*1111SPjQVI(1)*1I是逆变器1电流的共轭，由下式得出：**1111cossin[]EjVIjX(2)*1111cossin[]EjVSVjX(3)图3两个与负载相连的逆变器我们得到：222sinEVPjX(4)2111cosEVVQjX(5)对于第二个逆变器相类似的有：222sinEVPjX(6)2222cosEVVQjX(7)为了使得从逆变器侧流向负载的有功功率和无功功率可以被合理控制，两个逆变器之间不能有实际存在的环流。等式（4）~（7）显示有功功率的流动主要由功率角1和2控制而无功功率流动主要由逆变器侧电压1E和2E控制。为了避免过载，我们希望每一个逆变器都能对负载的变化作出反应，来共同按比例来分配额定功率。由于逆变器是一个有单一开环频率和电压值的相对的刚性系统，如果只是不加额外控制的简单并联，就会形成大的环流。这种问题可以通过引入人工的逆变器电压和频率的下垂特性曲线来解决。根据预定的下垂特性，我们可以得到频率和电压幅值：0mP(8)0VVnQ(9)0表示空载时的频率；0V表示空载时的电压；m表示0的下垂因子n表示0V的下垂因子对两个不同额定功率逆变器的下垂特性曲线如图4所示。图4频率和电压的下垂特性为了保证能根据逆变器的额定功率来进行负载的分配，下垂特性因子通过下式选定：112233nnmSmSmSmS……(10)112233nnnSnSnSnS……(11)这里1S、2S……nS是逆变器的额定视在功率。现在，在图4中，两个逆变器可以被视为按比例的分担有功和无功功率。系统负载的总功率是12QQ的无功功率和12PP的有功功率。由于下垂特性，系统的频率和电压会下降到这样一个值，在这个值上，所有的单元会工作在一个新的更低的频率，电压消除了环流。因此，下垂的概念使得可以用可控的方式对每个模块的功率流动进行控制。使用这种方法应该再频率偏移和电压偏移标称值方面权衡，理论上这些偏移可以任意小而实际上会考虑一个下限值来设置相应的下垂因子。对于线性负载，这样做非常好但是对于分担由非线性负载造成的畸变成分就无济于事了。B.分担非线性负载对于非线性负载，例如大多数直流电源的整流电容负载，总谐波畸变率可以高到150%。即所有电流谐波的有效值时基波电流幅值的1.5倍，如果并联系统不能保证有效的分担这些谐波电流的话系统带非线性负载时的性能就会显著下降。这为共同分担由线性和非线性负载带来的基波分量一样的由非线性负载带来的畸变电流提供了动因。在这个例子中，电流含有显著的直到60HZ的9次谐波。假设逆变器的电压波形是正弦的，我们可以得到有功功率、无功功率和畸变功率的表达式如下：112sineEt(12)11122992{sin()sin(2)+sin(9)}iItItIt……(13)这里，nI是电流分量的有效值；n是电流和输出电压之间的相角差，有效值电压=1E（正弦值），有效值电流=I=22221239+IIII……，(14)视在功率是：1SEI(15)222222222211111111cossinnSEIEIEI(16)或者2222SPQD（17）这里P是有功功率，Q是无功功率，2D是畸变率的平方。与频率不同，畸变功率是由电压和电流成分共同决定，尽管在这些谐波中没有电压成分，却有畸变功率成分在这之中。与基波的无功功率不同的是，畸变功率的流动不能通过调整单个逆变器的电压基波电压成分来改变，一个解决方法就是调整电压环路增益。图5给出了控制系统方框图：图5控制系统方框图通过降低电压环路畸变成分的的增益和带宽，我们可以得到一个具有下垂特性的输出阻抗曲线。这样我们使得谐波电压成分下降而使得各个分立的模块来共同分担电流谐波。这种方法的缺陷是降低了波形的质量。由于是真正的是普遍的下垂特性方法，下垂特性越高则分担功率的特性越好。此例中更高的下垂的特性是指合适的降低电压环的带宽，从而导致了波形质量的下降。由设计者在波形质量和负载的功率分配精准性上做出权衡。4.功率的计算一个主要的控制模块是功率计算模块，提供的算法必须能够对线性的和非线性的负载都做到精确的把握。这一个模块必须仔细设计，因为它的动态特性将会影响整个系统的性能。图6给出了计算所有三个功率量的方法。所有计算功率成分所需的信息已经在滤波器电感电流和逆变器输出电压中体现出来。这种算法首先分离了电感电流和它的成分然后将它们与输出电压向量相乘来得到功率成分。电感电流由如下几项构成：0()()()()()Lpqdititititit（18）这里，0()t是直流成分，()pit是相分量，()qit是无功正交分量，()dit是畸变成分。我们可以从这些分量中提取分离出电感电流。提取直流分量也很容易，为了得到相分量电流我们将电流和输出电压信号的相分量相乘：0()sinsin[1cos2]2pIittIttacterms……（19）等式19只有一个直流项，与pI成正比。因此，只需一个低通滤波器就可以恢复相电流。输出的正弦电压相分量和直流值相乘，会得到一个电流相分量的估计值，从总电流中减去这个估计值，闭环系统的控制使得我们能够从电感电流中完全地提取出相电流分量。图6有功功率、无功功率和畸变功率的计算可以用相似的方法来提取电感电路中的正交分量。通过在电感电流中减去直流分量，相分量，和正交分量，我们可以得到谐波电流（畸变电流）。已知这些电流成分和输出电压，有功功率、无功功率和畸变功率都可以被计算出来。5.互联线阻抗的影响互联线阻抗将会影响负载功率分配的精准性，如果系统的互联线阻抗可以得知的话，这种影响就可以得到补偿。由于缺乏此类信息，可以使用更多的下垂特性来改善功率分配问题，但仅仅是在一点上。在两个模块的例子中，我们可以通过以下等式来找到在线路阻抗1Z和2Z影响下的负载分配准确性所需的下垂特性。12100((1))/.dZxZVx（20）这里，d是所需的下垂特性，x是分离负载功率的偏移，12ZZ和是线路阻抗，V是负载电压。6.仿真结果两个不同额定功率的模块并联来给非线性负载供电的仿真结果如下所示，此结果显示了所提出方案的正确性。仿真使用的是两个常用的仿真软件：PSIM和Pspice，图7给出了仿真系统的设置，表1给出了逆变器的参数。图7两并联的模块给负载供电A.线性负载初始负载是5，26mH，在0.23秒时变到2.5，13mH，由于逆变器模块1有频率下垂因子，逆变器2的下垂因子是1的一半，它应该提供2倍的有功功率，这个可以通过图8证实。有趣的是，可以观察到有功功率在两个模块中得到了完美的分担但是无功功率并不是按比例严格分配的，差异的原因是逆变器模块和负载总线之间的线路阻抗，引起了逆变器的输出电压不同于负载电压。表1逆变器并联的参数设定值B.非线性负载我们使用全波整流和半波整流的整流器来检查相同配置的逆变器对非线性负载的分担。图9和图10给出了全波和半波整流时各自模块的电流。模块1被设定为是模块2电流两倍的电流，当情况并不是这样时（依赖于线路阻抗），这种分担并不能取得很好的效果，环流也很小。图8两并联输出模块的输出功率7.结论我们已经呈示了除了交流电源线之外的无互联线的单