赵军锋， 何改平

(1.西安热工研究院有限公司， 陕西 西安 710032; 2西安外事学院工学院， 陕西 西安 710077)

0 前 言

逆变电源并联控制技术的研究核心是研究新的控制策略以保证逆变电源并联运行的稳定性和均分负载的能力.对此，国内外的学者提出了很多方法[1-5]，如：集中控制、主从控制、分散逻辑控制和无线下垂并联控制.前3种方法可以很好地实现并联控制，消除环流，但是连线复杂且容易引入干扰.无线下垂并联控制克服了这种缺点，而且不受模块所处地理位置的限制，方法简单，易于实现.现有无线下垂并联控制方法存在的问题是：(1)P/Q下垂法输出电压幅值控制不可避免的存在模块间的无功功率差异.(2)功率均分精度和输出电压控制精度之间存在固有矛盾.(3)属于开环控制，很难实现好的控制效果.

本文针对上述问题，采用一种新的综合控制方法以克服传统下垂法的缺点.通过对单相400Hz逆变电源并联系统的仿真研究，验证了该方案的可行性.

1 逆变电源并联系统分析

1.1 逆变器并联模型及环流

图1 两台单相逆变电源并联等效电路图

图1所示为两台单相逆变电源并联等效输出模型.图中，E1∠φ1和E2∠φ2分别为两台逆变器的输出电压，io1和io2分别为两台逆变器的输出电流，io为负载电流，icir表示环流，Z1和Z2为分布阻抗(逆变器的等效输出阻抗和连线阻抗之和)，Zo为负载阻抗.

定义环流表达式如下：

(1)

1.2 无线下垂控制方案

由于滤波电感和连接线的存在，使得逆变电源的等效输出阻抗大多呈感性[1]，忽略电阻后，Zi≈jωLi，(i=1,2).由图1可以得到：

(2)

(3)

由式(2)、(3)可以得出如下结论：逆变电源幅值变化会引起输出无功功率的变化，输出电压相位的变化会引起输出有功功率的变化，因此可以通过调节幅值和相位来分别控制有功、无功功率.

下垂控制方程为[3]：

ω=ω*-m·P

(4)

E=E*-n·Q

(5)

由于式(4)、(5)是在分布阻抗为纯感性假设条件下得出的结论，实际中分布阻抗中的阻性成分是不可忽略的[4]，所以改进的下垂控制方程为：

ω=ω*-m1·P+m2·Q

(6)

E=E*-n1·Q-n2·P

(7)

2 新型综合并联控制方法

包含3部分：(1)新的自适应幅值下垂控制；(2)虚拟阻抗；(3)积分补偿器.

2.1 新型自适应幅值下垂控制

图2 新型幅值自适应下垂法

采用式(6)、(7)的下垂控制方程可以很好的实现有功功率的均分，但是由于输出滤波器储能元件的存在，使得无功功率不能收敛到设定点，故无功功率不能很好的均分.文献[2]提出了一种自适应下垂法，该方法虽然可以进一步提高无功功率的均分程度，但是输出电压的控制精度会下降更多.

为了既可以获得好的功率均分，又可以提高系统的输出电压控制精度，本文采用一种新的幅值自适应下垂法，如图2所示.新型幅值自适应下垂方程如下所示：

E=E*-n1·Q-n2·P (Qp≤Q0)

(8)

E=E*-n1·Q-n2·P-n3·(Q-Q0) (Qp>Q0)

(9)

2.2 虚拟阻抗

由于输出阻抗的不一致，严重影响功率均分和P/Q下垂控制策略，并导致暂态响应不稳定，造成环流电流过大[1].为使逆变电源有固定的输出阻抗，本文采用虚拟阻抗代替真实阻抗来减小暂态环流的大小，为此引入如下的瞬时下垂控制方案：

(10)

Zv=Rs+jXs

(11)

1.3 排除标准 ⑴20岁以下的AECOPD患者；⑵合并自身免疫性疾病、恶性肿瘤等终末期疾病、严重代谢性疾病、严重肝肾功能障碍的患者；⑶非实施本病综合救治原因死亡的患者。

(12)

2.3 输出电压补偿

功率均分程度与输出电压控制精度之间的矛盾是无线并联控制方案本身固有的，应用新的自适应幅值下垂控制虽然可以获得较好的功率均分，使输出电压幅值有所提高，但是还不能保证输出电压的控制精度要求.本文通过积分补偿器缓慢调整所有并联模块的参考电压对由于下垂控制和输出阻抗而使输出电压下垂的量进行补偿，将式(9)、(10)改写为：

(13)

(14)

图3 新型无线并联控制结构图

3 系统仿真

图4 逆变器仿真模型

为了验证本文提出的新型并联控制方案，通过MATLAB/Simulink和S函数建立仿真模型，结构如图3所示.各台逆变电源分别检测自身的输出电压、输出电流，经过瞬时功率计算单元和二阶低通滤波器得到P和Q，通过频率幅值下垂控制、输出电压积分补偿器和基准正弦参考电压产生单元得到逆变电源的参考输入电压uref，再减去虚拟阻抗压降即可得到逆变电源的参考电压u*.

本文主要针对单相逆变电源的并联系统进行研究，因此利用MATLAB/SIMULINK和S-函数建立了两台单相逆变电源并联系统的仿真模型.逆变电源子系统为图4所示的双环反馈控制系统仿真模型进行封装而成.

图5 下垂控制仿真模型

新型综合无线下垂控制算法子系统如图5所示.MATLAB中SIMULINK模块只能实现一些简单的功能，一些复杂的控制可以采用M文本文件、函数文件进行编程实现.本文利用的S函数具有可以和SIMULINK模块进行交互仿真的优点，对幅值自适应下垂算法通过S函数编程实现.

4 仿真结果

仿真参数如下：输出功率P=2kW，输出电压有效值U=115V，输出频率f=400Hz，滤波电感L=2mH，滤波电容C=40 μF，参考电压幅值差ΔE=5V，相位差Δφ=4°，连线阻抗分别为z1=0.02+j0.064,z1=0.025+j0.07.

针对现有下垂控制，采用方程式(6)、(7)带6Ω阻性负载进行仿真，环流波形如图6所示.

图6 并联系统带阻感性负载仿真波形

图7 并联系统带阻感性负载仿真波形

采用本文提出的新方法带6 Ω阻性负载和7 mH感性负载组成的阻感性负载进行仿真，结果如图7所示.

图7(a)中输出电压在稳态时幅值为163 V,表明系统加积分补偿器后逆变电源的输出电压达到了输出电压的要求. 图7(b)新型无线下垂法使系统可以很好地实现有功、无功功率的均分.无功功率在0.023 s时已经稳定在220 VAR并且完全重合，有功功率在0.04 s时稳定在70 W完全重合，实现了负载的有功、无功功率均分.由图7(c)可见，环流电流在0.06 s时基本收敛为零.

5 结束语

通过以上仿真研究结果可以看出，新型综合无线下垂并联控制方法很好地解决了传统下垂控制中存在的问题，既可以很好地消除环流并获得好的功率均分，又可以保证输出电压的控制精度，并使系统具有良好的动态响应性能，提高了并联逆变器系统的可靠性和稳定性.仿真结果表明了本文提出的新型综合无线下垂并联控制方法的有效性.

参考文献

[1] Josep M. Guerrero, Luis Garcia de Vicuna, Jose Matas,etal. Output impedance design of parallel-connected UPS inverters with wireless load-sharing control[J]. IEEE Transaction on industrial electronics, 2005,52(4):1 126-1 135.

[2] S .Y.Yang , C.W.Zhang , X.Zhang ,etal. Study on the control strategy for parallel operation of inverters based on adaptive droop method[C]. Proceedings in Industrial Electronics and Application, 2006 1ST IEEE Conference, 2006:1-5.

[3] Karel De Brabandere , Bruno Bolsens, Jeroen Van den Kerbus,etal. A voltage and frequency droop control method for parallel inverters[J].IEEE Transaction on power electronics, 2007,22(4):1 107-1 115.

[4] Ernane Antonio Lves Coelho, Porfirio Cabaleiro Cortizo, Pedro Francisco Donoso Garcia. Small-signal stability for parallel-connected inverters in stand-alone AC supply systems[J].IEEE Transaction on industrial electronics, 2002,38(2):533-542.

[5] J.W.Baek, M.H.Ryu, D.W.Yoo,etal. Wireless parallel operation of high voltage DC power supply using steady-state estimation[C]. Proceedings in Industrial Electronics Society, 2004.30th Annual Conference of IEEE, 2004:1 856-1 860.