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1、电力电子与电力传动 1101 基准预同步的逆变器并联运行均流控制研究 何中一 邢 岩 祁飚杰 南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室 江苏 南京 210016 【摘 要】 针对传统的无连线逆变器下垂并联方法和传统的有连线分布式并联方法的缺点，提出了一 种电压基准预同步的逆变器并联系统输出均流控制方法，首先研究并实现基于电力线通信 （PLC）的电压基准信号的同步控制，在基准同步先行的基础上，利用 PLC 或 CAN 通信在 各并联逆变器之间传递有功功率、无功功率信息并生成功率差信号，根据功率差相应调节 电压基准信号的相位和幅度，研究了能够实现负载均分的功率调节累加算法，实现了输出 均流和并联
2、模块的热插拔。仿真分析和实验结果证实了控制策略的有效性和可行性。 【关键词】 逆变器 并联 同步 均流 电力线通信 控制器区域网 Research on Current Sharing Control for Inverter Parallel System Based on Pre-synchronized Voltage Reference Signals He Zhongyi，Xing Yan，Qi Biaojie Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，Jiangsu，China Abstrac
3、t：A novel output current sharing control for multi-inverter system based on pre- synchronized voltage reference signal is proposed to take advantage of both the conventional wireless droop method and the distribution control method with analog current sharing bus. The pre-synchronization control for
4、 voltage reference signal is implemented by combining power line communication（PLC） and digital signal processor（DSP） hardware with the corresponding software algorithm. Unlike the conventional droop method，the phase and amplitude of the voltage reference signals are regulated by the output power di
5、fferences between the output power of each inverter and the average load power，and the output power differences are generated by implementing communication such as PLC and controller area network（CAN） among the parallel inverters. The accumulative power regulating algorithm for load power sharing is
6、 provided with simulation verification. Experimental results are obtained in the dual-module parallel system to verify the validity and feasibility of the proposed control. Key words ： inverter ； parallel ； synchronization ； current distribution ； power line communication （PLC） ；controller area netw
7、ork（CAN） 逆变器并联运行控制是提高逆变器运行可靠性和扩大供电系统容量的重要技术手段，是电源系统 的发展方向之一。并联系统的正常运行要求各模块在各种过程中都能够均分负载，使各模块之间的环 基金项目：本课题研究得到台达环境与教育基金会电力电子科教发展计划 、江苏省普通高校研究生科研创新计划资助 项目（XM06-63）的资助 作者简介：何中一（1979） ，男，博士研究生，研究方向为功率电子变换技术。电话：025-84890393-602，E-mail： hezhongyi 通信作者：邢岩（1964） ，女，教授，博士生导师，研究方向为功率电子变换技术。电话：025-84890393-601
8、，E-mail： xingyan 1102 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 流尽可能小。分布式并联控制方法通过模块间的信号互连线交流信息，真正实现了系统的冗余，但互 连线增加了系统的复杂性13。无连线并联控制方法因其硬件简单的特点而备受推崇和关注46。但常 规的无连线方法基于外特性下垂原理，模块间很难交流信息，因此热插拔性能、在非线性负载下或动 态过程中的均流性能不够理想。 电力线通信（PLC）技术的研究已有数年的历史，它借助于调制解调技术，通过低压电力线载波 以串行方式传送数据，目前在电力系统等领域已有较多应用7-8。采用PLC方式在并联模块之间交换 信息，功率输出线和信号通信线
9、合二为一，自然消除了通信线的硬件故障瓶颈。9-10将PLC技术应 用于逆变器并联系统，实现了各模块的并联运行，验证了该技术的可行性。 研究表明，基于基准同步先行的并联控制策略，各并联模块间首先交换电压基准信号的相位信 息、并直接据此分别调节各自的基准信号、达到相互同频同相，在此基础上再做均流调节，对于改善 动态、特别是热插拔过程的均流性能有重要意义3，11。本文在各并联逆变器电压基准信号预先同步调 节的基础上，提出了一种基于PLC/CAN通信的逆变器并联运行输出均流控制方法，各逆变器分别计 算本模块输出的有功功率和无功功率，经PLC/CAN通信得到各逆变器之间的输出有功功率差和无功 功率差，利
10、用功率差异信息调节各自电压基准信号的相位和幅度，研究了传统的全补偿有功无功调节 法不能实现功率完全均分的原因，给出了实现功率均分的累加算法，实现了负载功率的均分。 1 电压基准信号的预同步调节 逆变器并联运行均分负载的条件是各模块输出电压的频率、相位、幅度分别对应相同，实现方法是 控制各电压基准信号的相位和幅度分别对应相同。电压型逆变器在输出功率之前，通常有一个缓启动过 程，输出电压从零开始逐渐升高至额定值。所谓电压基准信号的预同步调节，是指在逆变器的整个运行 过程中控制其电压基准信号与并联系统中其他逆变器的电压基准信号保持同频同相。本文研究的基准正 弦信号的预同步调节方法借助PLC通信和同步
11、算法实现，并联系统各逆变器之间没有信号互连线。 逆变器并联系统中，为了便于捕获正弦信号的相位，采用的方法是控制与各电压基准信号urj同频 同相的方波同步信号sj保持同步。各模块均根据同样的相位基准信号得到各自方波同步信号 sj 的相位 大小后，即可得到各sj信号之间的相位关系。 在双机并联系统中，图 1（a） 、 （b）所示分别为 s1超前、滞后 s2时的相位关系。图中，用相位变 量1、2控制 s1、s2的相位，其取值范围为 0N1。对于模块 1，2通过 PLC 得到；对于模块 2， 1通过 PLC 得到。 () 1:0 N 1: 2N () 2:0 N 2: 2N 1 s 2 s 1: 2N
12、() 1:0 N () 2:0 N () 1:0 N () 2:0 N 1: 2N 2: 2N 1 s 2 s () 1:0 N () 2:0 N 2: 2N （a）s1超前 s2 （b）s1滞后 s2 图 1 s1与 s2的相位关系判断图 Fig.1 Phase relationship between s1 and s2 本系统中，采用数字信号处理器（DSP）控制 PLC 芯片的收发数据和同步控制。DSP 采用定 时器 T1 的连续增计数方式产生方波同步信号 sj，每个计数周期相位变量自加一，其取值范围为 0N1，则 2 /, ()/, 1, 2 kkokkkoo PU UX QU UUX
13、 k= （1） 式中 T1PR 定时器T1的周期寄存器的数值； 电力电子与电力传动 1103 fCPU DSP的CPU频率。 程序中判断各sj信号已同步的依据是它们的相位变量的大小差异在11 以内，从而同步调节 能够达到的精度为(2360/N)/360(200/N)%。 2 输出均流控制 逆变器并联系统输出均流控制在电压基准信号预先同步调节的基础上进行。为了提高并联系统的 抗扰性，各逆变器之间最好没有诸如公共电压基准信号、公共电流基准信号等信号母线。可以在各逆 变器中分别计算本模块输出的有功功率和无功功率，采用PLC通信或CAN通信方式在各模块之间传 递输出功率信息，各模块分别计算出本机输出功
14、率与平均负载功率的差异，利用功率差异信息调节各 自电压基准信号的相位和幅度，实现输出均流。作为一种典型的通信方式，本文研究了基于CAN通 信和功率差调节的均流方法。 2.1 均流控制原理 逆变器双机并联系统等效电路如图 2 所示，图中，U11、U22分别为两模块空载输出电压， r1 + jX1、r2 + jX2分别为两模块的输出阻抗、线路阻抗及输出扼流电感感抗之和，ZL为并联系统总负 载，Uo0为并联系统输出电压。经过电压基准信号的预同步调节，图 2 中 1、2接近0，可认为 sinkk，cosk1，k1，2。 1 r 2 r 1 jX 2 jX L Z 0 o U o I? 1o I? 2o
15、 I? 11 U 22 U 图 2 逆变器双机并联系统等效电路 Fig.2 Equivalent output circuit of inverter parallel system 假定r1r2 0、X1X2X，两模块输出功率如式（1）所示 2 /, ()/, 1, 2 kkokkkoo PU UX QU UUX k= （1） 模块1算得的功率差为 P1Uo(U11U22)/X，Q1Uo(U1U2)/X。 只要调节各逆变器输出电压幅值相等，就能获得Q1Q2；只要调节各逆变器输出电压相位相等， 就能获得P1P2。 2.2 功率调节算法 根据式（1）以及传统的频率、幅度下垂调节方法，可以得到利用功率差调节基准频率、幅度的全 补偿调节法，如式（2）所示 0 0 , 1, 2 rkrkPk rkrkQk ffkP k UUkQ = = = （2） 式中，frk0、Urk0 第 k 台逆变器电压基准的初始频率、初始幅值； rk f、 rk U 经过有功无功调节后的基准频率、幅值；kP、kQ分别为 Pk、Qk的调节系数。 假定基于PLC的同步调节
