逆变器并联系统开关环流的研究

摘要：多逆变器构成的微电网在孤岛运行时，逆变器并联系统中会存在环流问题。对现有环流问题进行扩展分析，提出开关环流的概念，并基于开关器件级的电路模型，研究电路参数与开关环流之间的关系，提出能够较好抑制开关环流的电路参数的设计原则。通过仿真和实验明确了所提出的开关环流概念的理论和实际意义，并验证了对其分析以及抑制的电路参数设计方法的有效性和可行性。
关键词：微电网；逆变器并联；开关环流；纹波

1 引言
微电网将各种类型的分布式能源通过多逆变器并联系统连接在一起。当微电网运行于孤岛模式时，其系统电压由各并联逆变器共同支撑，而逆变器并联系统由于存在环流问题，会影响微电网的可靠运行。目前，环流的分析和抑制是微电网逆变器并联系统的重要研究内容。
文献从逆变器并联系统稳定性角度着手，建立了小信号模型，并基于稳定性及动态性能分析，得出了控制参数对系统性能的影响关系。文献提出环流阻抗的概念，并在此基础上提出了环流阻抗调节器用以改变并联系统的环流阻抗，取得较好的效果。文献对基于电压电流双环控制的逆变器并联系统中的环流特性进行了建模和分析。建立基于等效输出阻抗和求解微分方程的环流特性分析方法，并给出了逆变器输出有、无功环流与输出电压幅值和相位之间的定量关系。文献对三相逆变器并联系统中的零序环流进行了模型和分析研究。文献提出逆变器并联系统中统一调制概念，但与之相关的各因素间如何相互影响及如何进行抑制等问题，还未更深入探讨。
这里在基于文献的研究成果上，对逆变器并联系统中环流概念进行了扩展，提出了开关环流的概念，同时基于开关器件级模型对开关环流问题进行了详尽分析。通过分析并联系统中各电路参数与开关环流之间的相互关系，提出了能较好抑制开关环流的电路参数的设计原则。最后通过仿真和实验证明了所提出的开关环流概念的理论和实际意义，并验证了电路参数设计方法的有效性和可行性。

2 开关环流的概念
图1示出由两台单相半桥逆变器构成的并联系统，为单个负载供电的等效电路图。理想情况下，两逆变器模块电路参数完全相同，任一时刻同一桥臂中有且仅有一个开关管导通，忽略开关管开通和关断过程，并联系统共有4种工作状态，并且在两逆变器开关状态不同时，系统会产生开关环流。下面给出开关环流的定义。逆变器并联系统中的环流共由三部分组成：①直流环流：由于逆变器各模块输出电压的直流偏置不同而产生的环流；②工频环流：由于各模块输出电压工频分量(幅值、相位)的差异而产生的环流；③开关环流：由于各模块对应桥臂上非线性开关的开关状态不同步而产生的以开关频率为变化频率的环流。

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3 开关环流分析及仿真与实验结果对比
为研究系统参数对开关环流的影响，按图2分别构建了仿真模型和硬件实验系统。

两逆变器模块共用同一套输入直流源，采有相同的开关器件、驱动电路以及输出LC滤波电路，并通过DSP对两逆变器模块给出完全相同的
给定输出电压，同时为模块2的载波发生器增加了一移相环节。由于负载对环流影响不大，因此图中用灰线表示。系统参数为：输入直流电压Uab=400 V，开环调制比m=0．8，滤波电感Lm=1 000μH，滤波电感等效串联电阻rL=0．45 Ω，滤波电容值C=9．6μF，滤波电容等效串联电阻rC=0．03 Ω，连接线电感Lx=13．7μH，连接线电阻rx=63 mΩ，负载电阻RL=58 Ω。图3，4为输出电流中开关环流的仿真和实验波形。其中，rx=38 mΩ，Lx=1．22μH，△φ=36°。可见，逆变器输出电流中除了工频交流分量外，明显存在开关频率次的类似开关纹波的成分，即开关环流。

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图5为不同电路参数情况下，输出电流中开关环流的仿真和实验结果对比图。

对于开关环流与系统参数之间的相互关系，下面按具体参数给予详细分析。
3．1 开关环流与载波相位差的关系
开关环流的大小与逆变器并联系统一个开关周期内处于开关不同步状态的时间段的长短有关。图5a为Lx取值不同情况下，两逆变器模块的载波相位差△φ与开关环流的对应关系。可见，开关环流的最大峰峰值Ih与△φ成正向相关的关系，△φ越大，Ih越大。为了抑制开关环流，应尽可能对逆变器模块载波进行同步控制。
3．2 开关环流与谐振回路参数的关系
通过对图1中并联系统电路的分析可发现，将逆变器模块的输出电容与Lx构成了一个LCC串联谐振回路。根据电路原理可知，当电路中存在与谐振频率相同的源时，电路中的电压电流将会存在较大的振荡。Lx和输出电容构成的串联谐振频率与开关频率之间的关系势必会影响开关环流的大小。
图5b为△φ=180°时Lx的变化对开关环流的影响。由图可知，在Lx=13．7μH，即谐振频率近似等于开关频率时，Ih最大；谐振频率离开关频率越远，Ih越小。为抑制开关环流，应使逆变器的输出电容与Lx的谐振频率尽可能远离开关频率。图5c为△φ=180°、不同L情况下谐振回路的总电阻R与开关环流关系的仿真结果。可见，统一的趋势是R越小，Ih越大。但在不同Lx时，开关环流随R变化的情况相差较大，这是因为谐振频率与开关频率的关系会影响到R在回路阻抗中的比例。为抑制开关环流，应使逆变器并联系统谐振回路的阻抗取值尽可能大，同时需要兼顾损耗和效率问题。
3．3 开关环流与滤波电感的关系
图5d为△φ=7．2°，Lx=13．7μH时Lm与开关环流的关系。可见，Lm越小，开关环流越大。Lm既会影响电感电流，也会影响开关环流的大小。图5e为△φ=180°时，开关环流与rL关系的仿真结果。可见，在不同Lm情况下，rL对开关环流的影响很小，分析时可将其忽略。

4 结论
从器件级的电路模型入手，对逆变器并联系统的环流进行了详细分析，在现有环流概念的基础上提出了开关环流的概念。通过仿真和实验明确了开关环流概念的理论和实际意义，并讨论了不同系统参数对开关环流的影响。由理论分析、仿真和实验结果可得：①在一定工作条件下，因为载波不同步而产生的开关环流幅值会非常大，严重影响微电网系统的安全运行：②在其他参数不变的情况下，开关环流随逆变器载波相位差的增加而增大。为了抑制开关环流，应尽可能对逆变器模块的载波进行同步控制；③逆变器并联系统输出谐振回路的谐振频率越接近开关频率，开关环流就越明显。为了抑制开关环流，该谐振频率应尽可能远离开关频率；④谐振回路的电阻会影响开关环流的大小，且回路电阻越大，开关环流越小。为了抑制开关环流，可以适当增加谐振回路的电阻，但需要折中考虑系统效率；⑤滤波电感值越大，开关环流越小。要抑制开关环流，可适当增大滤波电感，但要兼顾LC滤波电路的带宽。同时滤波电感的等效串联电阻对开关环流几乎没有影响，设计中可忽略。