1.2 逆变电源并联及均流控制技术综述

1.2.1 逆变电源模块并联运行的特点

随着科学技术的快速发展，使用特种电源供电的装备日益增多，其中逆变电源为这些装备提供了特种动力，对于改善供电质量、提高供电效率、防止供电污染和提高供电的可靠性等方面都有十分重要的意义。而当今对供电系统的要求趋势，一个是高可靠性，另一个是大功率化，这两者都与逆变电源的并联（逆变电源之间或与公共电网之间）运行控制密切相关。

逆变电源的并联运行主要有以下三个好处：

① 可以用来灵活地扩大逆变电源系统的容量。

② 可以组成并联冗余系统以提高运行的可靠性。

③ 具有极高的系统可维修性能，在单逆变器出现故障时，可以很方便地进行热插拔更换或维修。

因而，这样的并联运行系统在各种应用领域（如不间断电源，火车、轮船的辅助电源，太阳能电池系统等）得到了广泛的推广和应用。

但逆变器并联系统的运行控制和设计仍具有相当大的难度，其主要影响因素是：

① 逆变器的过载能力一般仅为150%～200%，因而在极短的时间内，若单逆变器模块的输出电流超过这个极限值，也会使逆变器无法正常工作或出现设备损坏。

② 由于逆变器极低的输出阻抗和快速响应特性，其输出电流变化极其迅速。

③ 对于希望用并联来实现冗余运行的系统，并联控制及均流电路也必须是冗余结构，否则就无法达到并联冗余的效果。

因此，在进行逆变电源并联系统的设计时应进行特殊的考虑。

1.2.2 逆变电源并联运行基本原理

要实现逆变电源的并联运行，其关键就在于各逆变器应共同负担负载电流，即要实现均流控制。以下不妨以两台逆变电源并联运行为例进行分析。两台逆变电源并联运行时的等效电路图如图1.30所示（为使分析简明清晰，这里不考虑滤波器的线路阻抗）。其中，U1、U2代表两个逆变电源输出PWM波形的基波电压；L1、C1、L2、C2分别代表两个逆变电源的输出滤波器；Z为公共负载。

根据图1.30可列出以下电路基本方程：

当C1=C2=C,L1=L2=L时，式（1.1）可简化为

由此可推出

由式（1.1）～式（1.3）可解得

由式（1.4）可看出，iL1、iL2由两部分电流组成，一部分为负载电流分量，另一部分为环流分量。负载电流分量总是平衡的（在输出滤波器相同时），但环流分量的存在使各逆变器输出的总电流不相同。

当U1、U2同相时，电压高的环流分量是容性，电压低的环流分量是感性。

当U1、U2幅值相等时，相位超前的环流分量为正有功分量（输出有功），相位滞后的环流分量为负有功分量（吸收有功）。

当U1、U2既不同相幅值也不相等时，环流分量中既有无功部分，又有有功部分。

综上分析，对逆变电源来说，要实现并联运行要重点解决以下问题：

① 要想使并联运行的逆变电源输出有功相等，所有逆变电源的输出电压频率及相位要严格同步。即使频率相同，微小的相位差也会使并联运行的逆变电源输出有功严重不平衡，典型情况下1°的相位差可引起50%的功率差异。当输出功率较小或相差稍大时，某些逆变电源甚至可能运行于整流状态（吸收输出端的电功率）。

② 并联运行的各台逆变电源输出电压、频率及相位严格同步后，若输出电压幅值不相同，则输出电流中会含有无功的环流分量，使每台逆变电源的输出电流增加，轻则增加运行损耗，严重时会使逆变电源的过载或过电流保护电路动作，使逆变电源不能正常工作。

③ 交流逆变电源因输出电压和电流为正弦量，要想通过快速的电压/电流检测及控制来实现各逆变电源均流就不像直流电源那么容易。

1.2.3 逆变电源并联运行的应用领域

随着地球上人口的增长和人们对生活质量无休止的追求，人类对能源的需求越来越多，严酷的现实已经在逼迫我们去开拓新的可再生能源，同时减少对环境的破坏，走可持续发展道路。一定意义上讲，风能和太阳能是取之不尽、用之不竭、无环境污染的新能源之一。其他如地热、海洋潮汐等能源，甚至微型燃气轮机和各种工程用的燃料电池也是很优秀的新能源。将这些能源变换成适合可用电能的核心设备就是逆变器。风力发电机或太阳电池分别将风能和太阳能转换成电能，采用一套变换和存储装置将能量存储起来，再由逆变器变换为所需要的电源形式。为了有效地利用这些能源，通常将分散在各处的逆变器有机连接起来形成一个网络，形成一种分布式供电系统，其实质就是逆变器的并联运行。每一个新能源发电站可能为一个家庭或一个工厂所有。将分散在各处的逆变器连接起来并联运行的突出优势是位于电力网络上的每一个用户既可以将自己用不完的电能送到电网上去，也可以在自己发电能力不足时从电网上取用电能，实现电网上用户能源的共享。

分布式供电主要分为两种，一种是独立的分布供电（Stand-alone），它主要应用在公用电网难以覆盖的地区，应用较少；另一种是电网交互式分布供电（Utility-interactive），这种系统目前得到了较为广泛的应用。独立的分布供电系统是区域性质的，它不与公共电网连接，自成体系，而交互式分布供电系统中的每一台发电机（或逆变器）均连接至公共电网上，如图1.31和图1.32所示。图中的G表示一个独立的发电系统（或一台并网逆变器）。

在上述分布式供电系统中，无论是独立的分布供电系统还是交互式分布供电系统，都离不开多台逆变器所构成的并联系统。传统能源储备的日益枯竭和人们对新能源的迫切需求将推动分布式供电系统的快速发展，必将对逆变器的并联控制技术及工程实践提出越来越高的要求，同时也为逆变器并联控制技术的应用提供越来越广阔的空间。