一种新型不同容量逆变器并联方法

摘 要： 传统的逆变器并联方法一般只适用于功率容量一致的逆变器，针对不同容量逆变器的并联方法较少。本文在对几种不同容量逆变器并联方法分析研究的基础上，提出了一种新型的逆变器并联方法。该方法采用电压型逆变器和电流型逆变器混合并联的方式，利用电压型逆变器提供电压基准，电流型逆变器输出电流可以稳定电网电压，实现并联。该方法算法简单，适合大部分的逆变器并联场合，经过仿真和实验证明了其有效性和可行性。

0 引言

随着电能变换技术的迅速发展，对逆变器的容量、可靠性的要求也越来越高，独立工作的逆变器已不能满足需要，逆变器并联运行就成为扩大供电容量和提高电源系统可靠性的一种重要途径。目前国内外对逆变器并联的研究取得了一定的成果，但是大多数只是针对容量相同的逆变器[1]。在实际应用中存在大量不同容量逆变器并联的需求，传统的逆变器并联方法并不能满足。目前国内外对相关问题的研究相对较少，所以提出一种无功率限制的逆变器并联方法十分必要。

功率下垂控制是逆变器并联的主要方法，参考文献[1-2]提出一种改进的功率下垂法实现不同容量逆变器的并联，该方法可以实现不同容量逆变器的无线互联，但是存在计算复杂、计算量大的缺点。参考文献[3]提出了一种基于瞬时电流控制的电流权重分配控制方式，该并联方法电路简单，但是分配电流的模拟信号易受干扰并且分配精度受到电源线长度的影响。参考文献[4]提出一种采用滑模变结构控制的电压电流混合控制的逆变器并联方法，该方法具有较好的鲁棒性，但是仲裁电路采用模拟信号容易受到干扰[5]，而且不能实现不同功率逆变器的并联。

本文在对各种不同容量逆变器的并联方法的研究分析的基础上，提出一种全新的不同功率逆变器并联方法。该方法不再采用控制难度较大的电压型逆变器并联结构，而是采用电压型逆变器和电流型逆变器混合并联的方式，利用电流型逆变器对电网电压的扰动实现稳定电网电压的作用。该方法并联电路和算法简单，采用数字通信的方式增强了抗干扰能力，实现了系统冗余和热拔插，具有较强的鲁棒性。

1 理论分析

本文提出电压源和电流源的并联模型，为了便于分析，以一台电压型逆变器和电流型逆变器并联为例，其简化电路如下图1所示。图1中U1是理想交流电压源，I2是理想交流电流源，R1、R2分别代表两逆变器的内阻，ZL为负载阻抗。由图1可得电压源的输出电流：

由于电流源的电流方向是确定的，由式（1）可知，如果电流源单独作用在负载上产生的电压小于或者等于电压源的电压时，即使电压源和电流源输出电流不一致即输出功率不相同时，它们之间也不存在环流，只向负载输出功率。当电压大于电压源电压时，由于电流源的输出电流一定，所以环流也是可控的。

由图1得负载两端的电压与电压源、电流源的关系式如下：

由式（2）可知，在电压源输出电压不变的条件下，负载两端的电压可以通过改变电流源的输出电流I2得到调节，但是前提条件是U0小于U1。并且由式（2）还知，电流型逆变器的输出电感和内阻对整个并联电路没有影响。

由图1电路图可知负载的视在功率为：

由于电流源输出电流相位跟随负载电压相位，可以认为Φ2≈0，无用功Q2的值接近于零。所以在并联系统中电流源向负载提供有用功率，电压源提供无用功和部分有用功率。

根据以上的分析可知，在适当条件下可以将一电压型逆变器同电流型逆变器相并联，并可以通过调节电流源的输出电流来调节负载端的电压。由于两逆变器并联时的输出功率并不一定相同，所以这种并联方式可以用于不同容量逆变器的并联。

2 并联方法与验证

2.1 并联方法

因为采用电压型与电流型逆变器并联的方法，所以控制思想和控制电路就相对更为简单。图2所示为逆变器并联框图，多逆变器并联时仅存在一个电压型逆变器，其余为电流型逆变器。并联逆变器存在电压型和电流型两种工作模式以及并网和待机两种工作状态。逆变器处于待机状态时与电网断开，在得到命令后并入电网开始工作。

按照图2框图思想设计逆变器，每台逆变器可以在电压型和电流型模式之间进行切换，且具有唯一的ID地址。逆变器之间可以通过线路进行通信。电压型逆变器采用PID控制通过程序改变三角波与正弦波的调制比来调节输出电压。电流型逆变器采用定时滞环跟踪的方式，根据电网电压调节输出电流并保持电流相位与电网电压相位的严格一致，其结构图如图3所示。

当逆变器1接入电网时，检测到电网没有电压后便以电压型模式开始工作。当负载增加，调制比达到最大时，逆变器1通过ID地址通知逆变器2以电流模式开始工作，电压型逆变器此后处于开环控制阶段并保持最大调制比不变。得到通知的电流型逆变器2在检测到电网电压降低后开始逐渐增大输出电流提高电网电压。当负载继续增大，电流型逆变器2输出电流达到最大时便通知下一个逆变器3开始工作，负载越大，并入电网的逆变器也就越多。当负载减小时，可以根据逆变器并入电网的先后顺序，后并入电网的逆变器先减小输出电流、退出电网、进入待机状态。因为电网中的逆变器可以在并网和待机两种状态中自由切换，所以这种并联方法可以实现逆变器的热拔插，还可以实现冗余增强系统的稳定性。

由于电压型逆变器在电路中承担相位基准的重要功能，所以当发生故障时整个电网将不能正常工作。所以在电压型逆变器故障时，可以将待机状态逆变器转化为电压型的工作状态，保证电路的正常工作。但是当大量负载突然离开电网时，电网的电压升高，逆变器间会出现环流，需要尽快减小电流型逆变器电流，恢复电网正常。

2.2 仿真验证

利用MATLAB/Simulink搭建两个逆变器模型，电压型逆变器采用双极性SPWM调制方式，电流型逆变器采用滞环电流跟踪方式并添加相应的控制通信电路。并联电路仿真时，负载采用感性负载。图4是电压型逆变器调制比达到最大时负载突然增大条件下，两逆变器并联的仿真图。

由图4可知，40 ms前电压型逆变器单独工作，电流型逆变器输出电流为零处于离网待机状态。在30 ms时负载增加，超出电压型逆变器调节范围，电网电压下降。电流型逆变器检测到电网电压下降并在40 ms电压过零点处开始工作，逐步增大输出电流提高电网电压，在100 ms后电网电压重新恢复正常。而且从图4可知，两逆变器100 ms后输出功率不一致的情况下，逆变器也可以正常工作。

图5是两逆变器并联，负载突然减小时的仿真波形。开始工作时两逆变器并联工作，在30 ms时负载突然减小，电网电压升高波形发生形变，电压型逆变器输出电流减小。40 ms开始电流型逆变器开始减小输出电流降低电网电压，在电压型逆变器可以承担电网负载的情况下最终退出电网。电网电压在100 ms后恢复正常。

2.3 实验验证

制作两台低电压逆变器进行验证。电压型逆变器采用双极性SPWM调制方式，电流型逆变器采用电流定时比较跟踪的方式，两种逆变器电路结构完全一致在进行模式切换时硬件电路无需更改。逆变器均采用STM32103RBT6作为主控芯片，利用串口进行通信。负载为两滑动变阻器。

如图6所示，电压为衰减至十分之一的结果，电流每格为1 A。在t1时刻负载突然增大电网电压下降。电流型逆变器在检测到电网电压下降之后在t2时刻并入电网开始工作，并逐渐增大输出电流使电网电压逐渐升高。在t3时刻后电网电压达到正常值。

图7中，电压衰减为原电压1/10的结果，电流每格为2 A。在t1时刻负载突然减小，导致电网电压升高，电流型逆变器检测到电网电压升高，在t2时刻后逐渐减小输出电流，并在t3时刻退出电网转入待机状态。电网电压t3时刻后达到设定值。

3 结束语

本文通过理论分析、仿真和样机验证，提出一种新型的逆变器并联方法。该方法不仅可以将不同容量的逆变器并联在一起，而且可以实现热拔插和系统冗余。由于该方法采用电压型逆变器和电流型逆变器混合并联的方式，所以控制电路和通信策略更加简单，适用于各种不同容量逆变器并联的应用场合。

参考文献

[1] 吕志鹏，苏剑，李蕊，等.不同功率等级微源逆变器并联控制新方法[J]．电工技术学报，2013，28（7）：191-198．

[2] 李国洪，张丽娟，何易恒．不同容量逆变器并联控制系统分析[J]．电焊机，2012，42（10）：38-43．

[3] WU T F， WU Y E， HSIEH H M， et al． Current weighting distribution control strategy for multi-inverter systems to achieve current sharing[J]． IEEE Transactions on Power Electronics， 2007，22（1）：160-168．

[4] 闫耀民， 范瑜， 汪至中． 一种改进的电压电流混合控制的并联逆变器[J]．铁道学报，2003，55（4）：55-58．

[5] 孙孝峰，顾和荣，王立乔，等.高频开关型逆变器及其并联并网技术[M].北京：机械工业出版社，2011.