并联逆变器系统环流分析

时间：2023-06-17 理论教育 版权反馈

【摘要】：图7-2 两台逆变电源并联时电压电流矢量图2.功率偏差与环流同功率容量的逆变器并联时，不论并联逆变器输出的有功功率还是无功功率不一致时，如果这个功率的偏差并不消耗在负载上而在逆变器之间则就会导致环流的产生。尤其逆变器开关信号的死区会引起输出电压的畸变而产生不可预知的谐波分量，从而产生谐波环流。基于上述模型，对双单元逆变电源并联系统环流情况作仿真，重点反映由参考电压不一致所导致的环流特性。

并联逆变器系统环流分析

1.并联系统环流的基本概念

考虑因各逆变器单元输出特性间的差异所造成的环流影响，假设在静态下的和为标准正弦，忽略波形畸变的影响，则由图7-1可知

即有

若r₁=r₂=r，且有r<<Z_o，则式（7-4）可简化为

定义环流：

因，故有：

根据上述电量关系，可得到图7-2所示的两台逆变器并联运行时电压、电流相量关系图，其中φ为负载功率因数角，φ₁₁、φ₂₂为、与U_o的相位差。由式（7-8）并分析对比图7-2中各相量图可知：

（1）因和幅值不等或相位差异而导致存在，更由于线路阻抗r非常小，故而形成较大的环流。

（2）环流的相位及幅值仅与ΔU·有关而与负载大小无关。

（3）在相同环流大小情况下，负载阻抗角φ越大则各逆变器输出电流的幅值差越大，纯阻性负载下输出电流的幅值差最小。

（4）环流随相位差Δφ=φ₁₁+φ₂₂的增大而呈非线性上升。

（5）逆变器输出电流的相位随着Δφ的变化大幅度变化，从而使两逆变电源的输出等效负载呈现为容性或感性，且功率因数很低。（6）环流可看作两个相互垂直的电流相量的合成，其中与同向的分量在线路阻抗、功率管压降、电感内阻上消耗了有功功率；而与垂直的分量则以无功功率的形式在不同单元间传送，它会加大逆变模块中的功率器件及输出滤波器等的电流应力和热应力，严重时将导致逆变器模块和并联系统无法正常工作，甚至损坏。

图7-2 两台逆变电源并联时电压电流矢量图

2.功率偏差与环流

同功率容量的逆变器并联时，不论并联逆变器输出的有功功率还是无功功率不一致时，如果这个功率的偏差并不消耗在负载上而在逆变器之间则就会导致环流的产生。功率的均分程度就反映了逆变器之间负载均分的程度，因此可以通过控制逆变器的功率流动达到均流的目的。

以下以两台逆变电源向同一负载供电为例进行分析，为了便于分析，并联系统简化成如图7-3所示。

逆变器1供给负载的复功率为

S₁=P₁+jQ₁=U·_oI·_o*1（7-9）

输出电流为

故

由此可得到逆变器1输出有功功率和无功功率为

由于一般逆变器输出电压和系统电压o^{间的相位差很小}，即sinφ₁₁≈φ₁₁，且令U₁₁=k₁U_o，则(www.daowen.com)

令U₂₂=k₂U_o，则同理逆变器2的输出功率为

图7-3 两台逆变器并联简化电路

由式（7-13）和式（7-14）可以看出逆变电源的输出有功功率主要取决于功率角φ₁₁和φ22，而输出无功功率则主要取决于输出电压幅值（U₁₁、U₂₂），因此，从功率均衡的要求分析：①频率及相位上的严格一致是保证并联逆变电源输出功率均衡的前提，即使频率相同，微小的相位差都可能使并联运行的逆变电源输出有功严重不平衡，当输出功率较小或相差较大时，某些逆变电源甚至可能运行于整流状态（吸收输出端的功率）；②输出电压幅值不相同，将导致输出电流中含有无功环流成分，使各逆变电源的输出电流增加，轻则增加运行消耗，严重时会使逆变电源过载或过电流保护电路动作，并联系统无法正常工作；③可以通过调节逆变电源的输出电压幅值或系数k₁、k₂来控制无功输出，调节输出电压的相位差（φ₁₁、φ₂₂）来控制有功输出，实现动态的环流抑制。

3.影响环流的主要因素

造成并联环流的具体原因有很多，如：输出滤波参数、开关死区、反馈系数、参考给定等差异，都可能引起环流。尤其逆变器开关信号的死区会引起输出电压的畸变而产生不可预知的谐波分量，从而产生谐波环流。

SPWM逆变器控制方法以电压、电流双闭环控制最为典型，控制框图如图7-4所示，外环为电压瞬时值反馈闭环控制，电流内环以输出滤波电感的电流作为反馈信号。

图7-4 双闭环逆变器控制框图

这种双闭环控制逆变器在并联运行时，产生环流的原因可归为两种：一是电压基准（参考电压给定u_ref的参数）不一致；另一种是因电路元器件特性差异而导致逆变器结构参数不一致，当然也包括闭环反馈系数（K_vf和K_if）的差异在内。

令i_o=0（即当逆变器空载）时，可得增益：

令逆变器参考给定输入U_ref=0时，可得系统输出阻抗为

由式（7-15）和式（7-16）可得到双闭环控制逆变器的戴维南等效电路如图7-5所示（其中负载设为Z_o），于是，逆变器结构参数的不一致都可归结为增益G_o和输出阻抗Z的不一致。实际上，所有各种导致G_o和Z参数不一致而产生环流的结果最终都可由输出电压差异来表示，因此可以等效并入因参考电压差而产生环流。

基于上述模型，对双单元逆变电源并联系统环流情况作仿真，重点反映由参考电压不一致所导致的环流特性。单元逆变电源仿真参数为：直流侧输入DC 400V，输出AC 220V/50Hz，电压调节器参数K_vp=50、K_vi=278，电流调节器参数K_ip=3.1，电压反馈系数K_vf=0.01，电流反馈系数K_if=1，参考电压基准U_ref=3.1V。

当两台逆变器的U_ref存有幅值差时的仿真结果如图7-6所示，图中i_o1和i_o2是两台逆变器各自输出电流，i_H为环流，显见：U_ref幅值差越大环流越大。