多逆变器并联系统中功率分配技术研究

在新能源发电、数据中心供电等需要大功率输出的应用场景中，单个逆变器往往难以满足需求，因此需要采用多逆变器并联运行的方式。然而，多逆变器并联系统面临着均流控制、环流抑制和功率分配等关键技术难题。本文将从理论分析、控制策略和实现方法等方面，深入探讨这些问题的解决方案。

一、多逆变器并联系统的基本问题

1.1 均流控制的重要性

均流控制是指确保并联的每个逆变器输出电流与其额定容量成比例，避免某些逆变器过载而其他逆变器轻载的情况。不均流会导致系统效率降低、设备寿命缩短，甚至引发故障。

1.2 环流产生的原因

环流是指在并联逆变器之间循环流动的电流，它不流向负载，而是消耗在逆变器内部。环流的主要来源包括：

逆变器输出电压的幅值和相位差异

输出阻抗的不对称性

开关器件动作的时序差异

滤波电感参数的离散性

1.3 功率分配的需求

在多逆变器并联系统中，需要根据负载需求动态调整各逆变器的输出功率。合理的功率分配可以提高系统效率、优化设备利用率，并增强系统的可靠性。

二、均流控制技术

2.1 主从控制法

主从控制法是最早应用的均流控制方法之一。该方法指定一个逆变器作为主逆变器，其他逆变器作为从逆变器。主逆变器负责设定输出电压的幅值和频率，从逆变器则通过电流反馈控制其输出电流与主逆变器保持一致。

2.1.1 工作原理

主逆变器采用电压控制模式，从逆变器采用电流控制模式。通过检测各逆变器的输出电流，从逆变器调整其PWM信号，使输出电流与主逆变器的参考电流一致。

2.1.2 优缺点

优点：结构简单，易于实现。

缺点：主逆变器故障会导致系统崩溃;通信延迟会影响控制精度。

2.2 平均电流控制法

平均电流控制法通过检测所有并联逆变器的平均输出电流，并以此作为各逆变器的参考电流。每个逆变器独立控制其输出电流与平均电流一致。

2.2.1 实现方式

需要额外的通信线路来传输各逆变器的电流信息，计算平均电流。然后，各逆变器根据平均电流调整其PWM信号。

2.2.2 优缺点

优点：无需主逆变器，系统可靠性高。

缺点：需要额外的通信硬件，成本较高;通信延迟会影响控制精度。

2.3 下垂控制法

下垂控制法模拟同步发电机的特性，通过调整逆变器的输出电压幅值和频率来实现均流。输出电流较大的逆变器会自动降低其输出电压，从而减少其输出电流。

2.3.1 控制策略

输出电压幅值随输出电流增加而降低，输出电压频率也随输出电流变化而变化。这种特性使得逆变器之间能够自动平衡负载。

2.3.2 优缺点

优点：无需通信线路，结构简单，可靠性高。

缺点：输出电压和频率会有一定波动，精度较低。

三、环流抑制技术

3.1 环流产生机理分析

环流主要由逆变器输出电压的差异引起，这些差异包括幅值差异、相位差异和谐波差异。通过分析环流产生机理，可以有针对性地设计环流抑制策略。

3.2 主动阻尼法

主动阻尼法通过引入额外的控制环节来抑制环流。具体方法包括：

在电流环中引入环流反馈

设计专门的环流抑制控制器

采用前馈补偿技术

3.2.1 实现方式

通过检测逆变器之间的环流，将其作为反馈信号引入到电流控制环中。控制器根据环流信号调整PWM信号，从而抑制环流。

3.2.2 优缺点

优点：环流抑制效果好，响应速度快。

缺点：需要额外的传感器和控制器，成本较高。

3.3 被动阻尼法

被动阻尼法通过硬件设计来抑制环流，具体方法包括：

在输出端串联小电感

采用特殊的滤波电路设计

优化逆变器布局以减少寄生参数

3.3.1 实现方式

通过在逆变器输出端串联小电感，可以增加环流路径的阻抗，从而抑制环流。这种方法不需要额外的控制电路，成本较低。

3.3.2 优缺点

优点：成本低，可靠性高。

缺点：环流抑制效果有限，可能会影响系统效率。

四、功率分配技术

4.1 基于下垂控制的功率分配

下垂控制不仅可以实现均流，还可以用于功率分配。通过调整下垂系数，可以控制各逆变器的功率输出比例。

4.1.1 实现方式

根据各逆变器的容量和性能，设定不同的下垂系数。容量较大的逆变器可以设定较小的下垂系数，从而输出更多的功率。

4.1.2 优缺点

优点：无需通信线路，结构简单。

缺点：功率分配精度较低，难以实现精确的比例控制。

4.2 基于通信的功率分配

通过通信网络，中央控制器可以获取各逆变器的状态信息，并计算最优的功率分配方案。

4.2.1 实现方式

中央控制器根据各逆变器的容量、效率和当前状态，计算最优的功率分配比例，并通过通信网络将指令发送给各逆变器。

4.2.2 优缺点

优点：功率分配精度高，可以实现动态调整。

缺点：需要额外的通信硬件，成本较高;通信延迟会影响控制精度。

4.3 混合功率分配策略

结合下垂控制和通信控制的优点，可以采用混合功率分配策略。基本功率分配通过下垂控制实现，精细调整通过通信控制完成。

4.3.1 实现方式

设定一个基本的功率分配比例通过下垂控制实现，然后通过通信网络进行微调，以满足更精确的功率分配需求。

4.3.2 优缺点

优点：结合了两种方法的优点，功率分配精度高且成本适中。

缺点：系统复杂度增加，需要精心设计控制策略。

五、结论与展望

5.1 结论

多逆变器并联系统中的均流控制、环流抑制和功率分配是相互关联的关键技术。不同的应用场景需要选择不同的控制策略，在成本、精度和可靠性之间取得平衡。

5.2 展望

随着电力电子技术和控制理论的不断发展，多逆变器并联系统的控制技术将更加智能化、数字化和网络化。未来可能出现基于人工智能的自适应控制策略，能够根据系统状态自动调整控制参数，实现最优的均流、环流抑制和功率分配效果。同时，宽禁带半导体器件的应用将进一步提高逆变器的性能，为多逆变器并联系统提供更好的硬件基础。