有源逆变器并联运行方式分析

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0.42
0.43
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0.45
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0.5
-2 0.4 2 ic/A 0 0.41 0.42 0.43 0.44 0.45 0.46 0.47 0.48 0.49 0.5
VT2
-200 0.4
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有源逆变器并联运行方式分析
郑书路，王明彦
哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨(150001)
E-mail：zhengshulu@sina.com
摘 要： 有源逆变器是将直流电能转变为交流电能并反馈给电网的装置， 可实现电能回收利 用。本文首先对三种有源逆变模式—相位控制，相移控制，PWM 控制模式的单元电路进行 比较分析，根据其不同特性提出两种可行的有源逆变器并联运行方案，通过在 Matlab 中的 仿真研究，比较它们在网侧功率因数，电流谐波，器件开关频率，系统实现难易程度等方面 的特性。 关键词：有源逆变器；相位控制；相移控制；PWM 控制；并联
三种逆变模式各种特性比较如表 1。
表 1 三种有源逆变模式特性比较 Tab.1 Compare of three Active Inverter modes 控制方式 换流方式 电流 THD 电流相位 开关频率 控制复杂度 相位控制 电流型 电网换流 29.57% 强迫换流 30.66% 相移控制 电压型 强迫换流 9.2% 可控（难） 低 简单 PWM 控 制 强迫换流 2.21% 可控（易） 高 相对复杂
0.49
0.5
VT2
ic/A
0 -20 0.4
0.41
0.42
0.43
0.44
0.45 t/s
0.46
0.47
0.48
0.49
0.5
(a) 三相 PWM 有源逆变电路
(b) 三相输出电流
图 4 三相 PWM 有源逆变电路及其输出电流波形 Fig.4 Three-phase PWM active inverter and output currents
2. 三种有源逆变模式单元电路的比较
有源逆变器从控制方式上分，主要有三种：相位控制，相移控制以及 PWM 控制。
2.1
相位控制
相位控制主要针对晶闸管变流电路，如图 1 所示。它可以工作在整流状态，也可工作在
有源逆变状态。 所谓相位控制是指通过控制晶闸管的触发角使电路处于有源逆变状态， 并可 控制有源逆变器的直流侧电压。图 1 中有源逆变器要想工作在逆变状态，需满足如下条件： a)直流电动势极性须和晶闸管的导通方向一致，且其绝对值大于变流电路直流侧的平均电 压。b)晶闸管触发角 α > π /2，使 U d 为负值，以防止两电动势顺向串联。在 Matlab 中对此电 路进行仿真，得到输出电流如图 1 所示，可以看出 A，B，C 三相电流为正负交替方波，在 一周期内正负电流均为 120°，各相电流相错 120°。对网侧电流进行傅立叶分析可得电流 THD=29.57%。晶闸管有源逆变电路输出电流相位取决于晶闸管的触发角，由于晶闸管非自 关 断 器 件 ， 逆 变 电 路 为 电 网 换 流 ， 为 了 避 免 逆 变 失 败 或 逆 变 颠 覆 ， 要 求 最 小 逆变角
-3-
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逆变器1
VT1
VT3
VT5
Vdc
VT4 VT6 VT2
Lg1a Rg1a ig1a Lg1b Rg1b ig1b Lg1c Rg1c ig1c
iga igb igc
u ga u gb u gc
ia /A
10 0 -10 0.02 10 ib /A 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
20 15 10 ia / A , V a /2 0 / V
0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
5 0 -5 -10 -15
逆变器 N
VT1
0 -10 0.02 10
VT3
VT5
LgNa RgNa igNa
ic /A
LgNb RgNb igNb LgNb RgNc igNc
采用 PWM 并联模式即在各单元模块中均采用 PWM 控制模式，每个模块的参考电流幅 值及相位完全相同， 若采用 N 模块并联， 输出电流即为单模块电流的 N 倍。 N 模块并联 PWM 有源逆变电路如图 5(a)所示， 各模块采用 PWM 电流滞环控制， 在 Matlab 中对四模块并联情 况进行仿真，输出电流波形如图 5(b)，THD 为 3.48%，电流可以单位功率因数回馈电网。
VT4 VT6 VT2
0 -10 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 t/s 0.07 0.08 0.09 0.1
-20
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05 t/s
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
(a) PWM 控制的并联拓扑（N 模块）
（b）三相输出电流
（c）A 相电压电流波形
20 ia/A
VT1
VT3
VT5
0 -20 0.4 20
Lga
Vdc
Rga
Rgb Rgc
uga
ib/A
0.41
0.42
0.43
0.44
0.45
0.46
0.47
0.48
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0.5
Lgb Lgc
VT4
VT6
ugb
0 -20 0.4 20
ugc
0.41
0.42
0.43
0.44
0.45
0.46
0.47
0.48
VT6
Rga Rgb
u ga
Vb/V
-200 0.4 200 0
0.41
0.42
0.43
0.44
0.45
0.46
0.47
0.48
0.49
0.5
0 -2 0.4 2 ib/A 0
u gb u gc
0.41
0.42
0.43
0.44
0.45
0.46
0.47
0.48
0.49
0.5
Rgc
-200 0.4 200 Vc/V 0
ib/A
ud
V dc
0 -20 0.4 20 0.41 0.42 0.43 0.44 0.45 0.46 0.47 0.48 0.49 0.5
电 能 流 向
ic /A
0 -20 0.4 0.41 0.42 0.43 0.44 0.45 t/s 0.46 0.47 0.48 0.49 0.5
VT4
VT6
[8]
。移相的目的是使方波中的某些谐波的相位相反，而叠加的目的是使这些相位相反的谐波
整流器
相互抵消。
RF1
Id1 Id 2 Id 3
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2.3 PWM 控制
三相 PWM 逆变电路如图 4(a)所示，采用直接电流控制中的滞环电流控制模式，可任意控制 网侧电流的幅值及相位。输出电流的波形如图 4(b)所示，可见输出电流的正弦度很高，当滞环宽 度为 1%时，电流 THD=2.21%。采用滞环 PWM 控制虽然电流响应速度快，总谐波畸变小， 但 开关频率高低悬殊，可从几 KHz 到几十 KHz。
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VT4
VT6
VT2
ic/A
0 -20 0.4
0.41
0.42
0.43
0.44
0.45 t/s
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0.5
(a) 三相电流型逆变电路
(b) 三相输出ຫໍສະໝຸດ Baidu流
图 3 三相电流型有源逆变电路及输出电流波形 Fig.3 Three-phase Current-source active inverter and output currents -2-
可控（受限） 可控（易） 低 简单 低 简单
3 有源逆变电路并联运行模式的比较
在大电流情况下， 单模块逆变电路往往不能承受电流或功率要求， 所以需要多个模块并 联起来实现有源逆变。 根据对三种模式有源逆变的单元电路进行分析， 提出两种可行的并联 模式。即 PWM 并联模式及电流移相多重叠加方式。
3.1 PWM 并联模式
0.49
0.5
-2
（a）三相电压型有源逆变电路
（b）三相输出电压
（c）三相输出电流
图 2 三相电压型逆变电路及其输出电压电流波形 Fig.2 Three-phase Voltage-source active inverter and output voltages and currents
三相电压型相移控制逆变电路图如图 2(a)所示， 采用 120°导通方式， 得到输出电压电流 波形如图 2(b)、(c)所示。输出电压为方波，其相位由开关器件的控制信号决定。而输出电流 与逆变器交流侧电压，电网电压，网侧电阻，电感都有关系，不易控制其相位。电流总谐波 畸变 THD 约为 9.2%。 2.2.2 电流型有源逆变器 三相电流型方波逆变电路图如图 3(a)所示， 采用 120°导通方式， 得到输出电流波形如图 3(b)、(c)所示。可见，输出电流为正负 120°导通的方波，其相位可随意控制，所以网侧功率 因数可达 1。电流总谐波畸变 THD=31.06%。
图 5 PWM 控制并联有源逆变电路及其输出电流 Fig.5 Parallel active inverters with PWM control and the output currents
3.2 电流移相多重叠加并联模式
所谓移相多重叠加法就是将 N 个输出电压（或电流）为方波的逆变器依次移开一个相 同的相位角，然后将输出端串联（并联）叠加，并得到逼近正弦波的阶梯波输出来改善波形
器件的导通与关断， 便可控制有源逆变器输出电压及输出电流， 控制信号的相位移动直接控 制着输出电压或输出电流的相位移动。 相移控制可应用于电压型及电流型有源逆变器中， 输 出电压或输出电流为方波。 2.2.1 电压型有源逆变器
200 Va/V
VT1
VT3
VT5
0
ia/A
2
Lga
Vdc
Lgb Lgc
VT4
Ld
20 ia/A
VT1 VT3
VT5
0 -20 0.4 20
0.41
0.42
0.43
0.44
0.45
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0.49
0.5
Vdc
B
Lgb
Rgb
u gb u gc
ib/A
A
Lga
Rga
u ga
0 -20 0.4 20
C
Lgc
Rgc
0.41
0.42
0.43
0.44
0.45
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VT2
（a）三相晶闸管变流电路 (b) 三相输出电流 图 1 三相晶闸管变流电路及其输出电流波形 Fig.1 Three-phase thyristor converter and output currents
2.2
相移控制
相移控制与相位控制原理基本相同， 但它是针对可关断器件的控制方式， 通过控制开关
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β ( β = π − α )为 30°~35°[1]，这个条件很大的限制了电流的移相范围。若要使电能以单位功 率因数回馈电网，需使 β =0，这在现实中不可能达到。
VT1 VT3 VT5
L
R
ia/A
20
a b c
id
0 -20 0.4 20 0.41 0.42 0.43 0.44 0.45 0.46 0.47 0.48 0.49 0.5
1. 引言
所谓逆变就是将直流电变为交流电。 逆变分为无源逆变及有源逆变， 当交流侧直接和负 载连接时，称为无源逆变；而当交流侧接电网，即交流侧接有电源时，称为有源逆变[1]。由 于有源逆变器可将直流电能转变为交流电能反馈给电网， 从而实现电能的回收利用， 所以在 提倡创造节约型社会的今天， 有源逆变器正得到越来越多地应用。 例如用于高压直流输电系 统以及潜艇上蓄电池能量的再利用[2]。 现代社会对电力的容量和质量的需求日益增加， 而单台逆变器难以实现大功率运行， 且 功率器件的开关频率的限制使逆变器的输出特性不尽如人意， 所以研究有源逆变器的并联运 行势在必行。突出表现在对电子负载[3]及可再生能源并网系统[4]的需求上。并联结构不仅可 扩大系统容量， 降低功率器件耐压， 而且通过多重化的组合及控制策略的优化可提高等效开 关频率， 减少逆变器的输出谐波， 达到电能的单位功率因数回馈， 并可模块化实现冗余设计， 提高系统的稳定性和可维护性。 目前已有学者对无源逆变器的并联运行作了一些研究， 主要着眼在均流及输出电压同步 的问题上[5-7]，而对有源逆变器的并联运行研究较少。本文首先针对三种有源逆变模式—相 位控制，相移控制，PWM 控制模式的单元电路进行研究，分析其网侧功率因数、电流谐波 等各方面的特性。 然后选取有源逆变器两种可行的并联运行方案进行研究， 比较它们在网侧 功率因数，电流谐波，器件开关频率，系统实现难易程度等方面的特性。