逆变器并联环流及抑制方法

电源并联运行的理想状况是并联运行中的多台电源标称额定功率相同，且各台电源输出功率完全一致。对逆变电源来说，就是要求各并联单元输出电压的幅值相同、频率和相位一致。但是由于各种实际因素的影响，这一点是很难做到的。由于各逆变电源输出特性的差异，形成了并联系统中的环流。环流是并联系统难以正常运行的关键所在。因此，有必要对环流的特性进行分析。下面，先对两逆变器并联运行的环流进行分析。

5.3.2.1 逆变器并联的环流分析

对于如图5-18所示的两台逆变器并联系统来说，环流定义为

同时考虑到

有

式（5-43）表明，两电源并联运行时，各电源模块的输出电流由两个部分组成：一部分是供给负载的负载电流，一部分是流通在并联电源之间的环流。对逆变器来说，前者是相同的分量，由负载决定，体现了各电源模块相互间均分负载的趋势；后者则大小相等，方向相反，由各并联单元输出电压的差异决定，体现了相互间承担负载的不相等。

由图5-18，有

方便起见，假设z=R+jX=R₁+jX₁=R₂+jX₂，则有

考虑到，一般z＜＜Z₀，则式（5-45）简化为

则根据式（5-41）和式（5-44）有

综合考虑式（5-44）、式（5-46）和式（5-47），有

式（5-48）环流的特性仅由两逆变器的电压矢量差和等效输出阻抗z决定。由于z仅为并机等效阻抗，其值非常小。两台逆变电源输出电压矢量在相位、幅值上有所差异时就会在各电源的输出端形成较大的电流，这一电流大部分不经过负载而在电源之间流动。

式（5-43）和式（5-48）体现了环流实际的物理意义。

5.3.2.2 多逆变器并联时的环流分析

可以将式（5-43）和式（5-48）推广到多逆变器并联的情况。

对于n台逆变器并联的情况，第n台逆变器的电流为

这里的负号只代表一种概念性的意义而不代表实际环流的流向，即环流是电流中的危害成分应该被分离出去，且实际环流的流向要比两逆变器并联时的情况更为复杂。

第n台逆变器的环流为(www.xing528.com)

式（5-50）表明，环流只与电压矢量差和等效输出阻抗有关。

5.3.2.3 环流抑制技术

式（5-48）和式（5-50）已经表明环流只与电压矢量差和等效输出阻抗相关。要实现理想运行，消除环流达到各并联模块输出功率平衡的目的，就要从上述两个影响环流的因素着手。因此抑制环流的方法有如下两种：一是加大并机阻抗；二是降低电压矢量差。

1.加大并机阻抗

加大并机阻抗可以通过设置限流电抗器实现，同时静态开关上的固定电压降也可以起到同样的作用，而且这些量并不是很大，因此可以在对输出电压影响不大的前提下提高并联的可靠性。在有变压器隔离的并联系统中，可以利用变压器的漏抗作为限流电抗，也可以单独设置限流电抗器。

但是一方面要使并机阻抗足够大，使得并联运行时的环流小，另一方面出于减小逆变器负载效应的考虑，则希望该阻抗越小越好，这样能够得到更好的输出电压波形。综合两方面考虑，限流电感的大小选取要折中。

虽然加大并机阻抗并不能彻底消除环流（实际上也没有方法真正能够彻底消除环流），但这种方法简单可靠，并且能够达到相关的指标要求，因此仍然是环流抑制中最重要的技术。

2.降低电压矢量差

降低电压矢量差同样也可以降低环流，这就必须通过控制手段实现。造成电压矢量差的原因是各逆变器输出电压的幅值、频率和相位的差异，而相位是频率的函数，因此降低电压矢量差的关键问题就是对逆变器输出电压幅值和频率的精确控制。而从前面提到的并联控制方法来看，逆变器输出电压和频率的控制又与系统的无功功率和有功功率有关。为此还需对环流的性质进行进一步研究。

考虑到并联阻抗特性的不确定性，不妨按照极端的情况分析，分析时仍以两台逆变器并联为例。

当z主要为感性时，可忽略其电阻R，则有

由式（5-51）可见，在、相位相同而幅值不同时，环流表现为无功功率特性，电压高的模块中环流分量为感性，反之则为容性；在、相位不同但幅值相同时，环流表现为有功功率特性，输出电压超前的模块输送有功功率，而滞后的吸收有功功率。也就是说环流的有功功率分量与逆变器输出电压相位有关，进而与逆变器输出频率相关；而环流的无功功率则与逆变器输出电压幅值相关。以上结论与式（5-39）和式（5-40）所描述的下垂特性完全一致，因此不必对其进行修改。

当z为阻性时，可忽略其电抗X，则有

由式（5-52）可见，在、的相位相同而幅值不同时，环流表现为有功环流的特性，电压高的模块输送有功功率，电压低的模块则吸收有功功率。在、相位不同但幅值相同时，由于相位的差别比较小，可以认为环流主要表现为无功环流的特性，输出电压超前的模块环流为容性，输出电压滞后的则环流为感性。也就是说环流的无功功率分量与逆变器输出电压相位有关，进而与逆变器输出频率相关；而环流的有功功率则与逆变器输出电压幅值相关。这与传统的下垂控制法完全不同，因此需改用下列新的下垂控制法，即

ω=ω₀+m·Q （5-53）

U=U₀-n·P （5-54）

对于更加一般的情况，即X与R均不可忽略的情况下，需要对下垂特性进行如下的改进：

ω=ω₀-n₂·P+m₁·Q （5-55）

U=U₀-n₁·P-m₂·Q （5-56）

式中，m₁、m₂、n₁和n₂为新的下垂系数。

从上面的分析可知，并机阻抗的性质对环流有决定性的影响，相应的控制策略也由此决定，因此必须确定实际系统的并机阻抗特性。在得到并机阻抗特性之后，再对下垂控制做相应的改进。

以上对环流的讨论都是基于稳态的，很多条件都是不能满足的。比如，输出电压是不能排除谐波成分的，各逆变器的输出阻抗不可能完全相等，各开关器件的工作负载、开关特性及死区时间等也不可能完全一致。因此除了前面分析的稳态环流以外，还要考虑到动态环流。动态环流的抑制同样可以通过加大并机电抗和减小电压矢量差来实现。在减少电压矢量差方面，上面所述的各种稳态下垂控制都不能满足要求，必须在特性方程中加入积分和微分的环节。

上面讨论的主要是无互连线并联控制时的均流问题。对于有互连线的均流问题，则可以通过各逆变器单元间的信息联系去处理，其控制方法更加灵活，效果也更好。