一種基于虛擬環(huán)流阻抗的改進型并聯(lián)UPS控制方法

趙啟良，劉天強

（許繼電源有限公司，河南 許昌 461000）

一種基于虛擬環(huán)流阻抗的改進型并聯(lián)UPS控制方法

趙啟良，劉天強

（許繼電源有限公司，河南 許昌 461000）

針對常規(guī)虛擬環(huán)流阻抗控制方法不能有效地抑制并聯(lián)UPS低次諧波電壓，致使并聯(lián)系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題，進行了建模分析，并在虛擬環(huán)流阻抗控制策略基礎(chǔ)上加入瞬時環(huán)流反饋控制。通過對并聯(lián)UPS的環(huán)流阻抗計算，得出加入瞬時環(huán)流反饋控制的并聯(lián)UPS可以有效抑制并聯(lián)UPS低次諧波電壓，減小環(huán)流。在2臺2.5 kV·A的UPS上進行并聯(lián)實驗，驗證了新型的并機控制方法是可行的，且效果良好。

并聯(lián)；諧波抑制；環(huán)流

目前常用的并聯(lián)UPS控制方式有主從控制、下垂控制和虛擬環(huán)流阻抗［1-2］控制。這3種控制方式都是以輸出電壓有效值和輸出電流有效值為基礎(chǔ)進行功率均分的PID控制。由于虛擬環(huán)流阻抗控制在理論上可以不需要并機電感，這極大地降低了并聯(lián)UPS裝置（系統(tǒng)）的成本，并且該控制方法具有良好的輸出外特性，近年來得到了較大推廣。

本文通過對傳統(tǒng)虛擬環(huán)流阻抗控制的并聯(lián)UPS裝置的虛擬環(huán)流阻抗進行計算，并將瞬時環(huán)流反饋控制引入到并聯(lián)UPS裝置的控制中。采用瞬時環(huán)流控制直接調(diào)節(jié)輸出參考電壓幅值、相位達到控制并聯(lián)UPS裝置輸出電壓，提高并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流阻抗，抑制并聯(lián)系統(tǒng)的低次諧波環(huán)流。

1 原理模型與設(shè)計

圖1 逆變部分功率回路拓撲Fig.1 Main circuit of inverter

本文研究的并聯(lián)UPS裝置其逆變部分采用全橋、LC濾波，功率部分的電路拓撲如圖1所示。圖1中VDC為直流母線電壓，VT1～VT4為全橋逆變使用的IGBT，VD1～VD4為IGBT器件內(nèi)的體二極管，r為包含了線路的雜散參數(shù)、開關(guān)死區(qū)時間等的等效電阻，L為工頻濾波電感，C為濾波電容。濾波電容兩端的電壓即為裝置的交流輸出電壓。

1.1 未加入瞬時環(huán)流控制時的數(shù)學(xué)模型

逆變部分采用基于虛擬環(huán)流阻抗概念的傳統(tǒng)比例-積分-微分（PID）控制方法。其控制所用的參數(shù)根據(jù)文獻［3］中介紹的零極點配置法所得，可以保證系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)及動態(tài)特性。單機控制框圖見圖2。其中G（s）為瞬時電壓控制器；K為逆變器的增益；Hf（s）為系統(tǒng)的采樣環(huán)節(jié)；Uref為電壓給定信號；Uo，Io為輸出電壓、電流。

圖2 逆變部分單機控制框圖Fig.2 Control diagram of inverter

由控制框圖可以得到單機UPS裝置的閉環(huán)傳遞函數(shù)：

為了后續(xù)的書寫方便，記L（s）=Ls+r,P（s）= LCs2+rCs+1+KG（s）Hf（s）。

并聯(lián)的系統(tǒng)方程如下所示：

由于并聯(lián)UPS裝置采用數(shù)字化控制，其控制器的參數(shù)不存在離散性，并且各并聯(lián)UPS裝置間的硬件參數(shù)差異非常小，可以認為：

對式（1）求和可得并聯(lián)系統(tǒng)的外特性，即系統(tǒng)輸出電壓為

式中：Urefav為系統(tǒng)平均輸出參考電壓；Iav為系統(tǒng)中各模塊平均輸出電流。

定義第j臺模塊的輸出環(huán)流為并聯(lián)系統(tǒng)中各模塊的平均電流與模塊本身輸出電流的差，即：

第j臺模塊的環(huán)流表達式為

系統(tǒng)的環(huán)流阻抗為

根據(jù)式（2）可以看出，若n臺UPS裝置并聯(lián)，其并聯(lián)系統(tǒng)的輸出阻抗會減小，系統(tǒng)的虛擬環(huán)流阻抗為單機輸出阻抗的1/n，即傳統(tǒng)虛擬環(huán)流控制方法在并聯(lián)UPS裝置較多時，會影響并聯(lián)系統(tǒng)的輸出阻抗，減弱并聯(lián)系統(tǒng)的抗擾動性能，不易于均流。

1.2 加入瞬時環(huán)流控制時的數(shù)學(xué)模型

在傳統(tǒng)虛擬環(huán)流阻抗控制方式中加入瞬時環(huán)流反饋，即在控制環(huán)的給定處引入瞬時環(huán)流的參數(shù)狀態(tài)，其單機的控制框圖如圖3所示。其中Z（s）為瞬時環(huán)流調(diào)節(jié)器，其控制頻率與G（s）相同。

圖3 加入瞬時環(huán)流控制的控制框圖Fig.3 Control diagram with instantaneous circulating-current control

由圖3可得加入瞬時環(huán)流反饋后的單機閉環(huán)傳遞函數(shù)：

則并聯(lián)系統(tǒng)方程組如下：

對上式求和可得并聯(lián)系統(tǒng)外特性為

第j臺模塊環(huán)流的表達式：

可得環(huán)流阻抗為

比較兩種控制方式的環(huán)流阻抗，KG（s）Z（s）相比L（s）要大得多，所以系統(tǒng)加入瞬時環(huán)流反饋控制的環(huán)流阻抗顯著增大，有利于改善系統(tǒng)的均流效果，使系統(tǒng)更易于均流。根據(jù)并聯(lián)系統(tǒng)的外特性計算也可以看出瞬時環(huán)流反饋不影響并聯(lián)系統(tǒng)的輸出阻抗，即不會減弱系統(tǒng)的抗擾性能。

2 實驗驗證

根據(jù)以上計算及分析，使用逆變功率拓撲為圖1所示的2臺容量為2.5 kV·A的工頻并機UPS進行實驗驗證。使用的UPS其直流母線電壓為395 V，輸出額定電壓為220 V，輸出電壓頻率為50 Hz，輸出濾波電容為36 μF，濾波電感為800 μH，并且使用變比為1∶1、原邊漏感為300 μH的工頻變壓器。

2臺并聯(lián)UPS空載及滿載時的輸出電壓波形及電壓諧波分析如圖4～圖7所示。其中的電壓諧波分析為使用WAVE STAR軟件對示波器波形計算而得。可以看出在空載時（圖4與圖6）工作在2種控制方式下的并聯(lián)UPS的輸出電壓諧波含量差異不大，因為在空載時系統(tǒng)輸出電流為零，導(dǎo)致瞬時環(huán)流幾乎為零，使得兩種控制方式的差異不大。但是在滿載輸出時，可以看出加入了瞬時環(huán)流控制的并聯(lián)UPS其輸出電壓的20次以下諧波明顯降低，有效地抑制了并聯(lián)UPS間的低次諧波，減小了并聯(lián)系統(tǒng)的低次諧波環(huán)流，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖4 未加入瞬時環(huán)流控制的空載電壓波形及諧波Fig.4 Unload voltage and harmonic voltage waveforms without instantaneous circulating-current control

圖5 未加入瞬時環(huán)流控制的滿載電壓波形及諧波Fig.5 Full load voltage and harmonic voltage waveforms without instantaneous circulating-current control

圖6 加入瞬時環(huán)流控制的空載電壓波形及諧波Fig.6 Unload voltage and harmonic voltage waveforms with instantaneous circulating-current control

圖7 加入瞬時環(huán)流控制的滿載電壓波形及諧波Fig.7 Full load voltage and harmonic voltage waveforms with instantaneous circulating-current control

3 結(jié)論

本文使用的控制方法將瞬時環(huán)流反饋引入到逆變器PID閉環(huán)控制內(nèi)，使得并聯(lián)系統(tǒng)在不降低抗負載擾動性能的情況下，大幅增大并聯(lián)運行的UPS之間的環(huán)流阻抗，抑制了低次諧波電壓，使得并聯(lián)系統(tǒng)更加穩(wěn)定，提高了并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性。

［1］余蜜，張宇，康勇，等.基于改變環(huán)流阻抗的并聯(lián)解耦控制策略［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2008，23（10）：58-68.

［2］段善旭，劉邦銀，康勇，等.UPS并聯(lián)系統(tǒng)的SPWM再調(diào)制控制技術(shù)研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2004，24（1）：81-86.

［3］彭力.基于狀態(tài)空間理論的PWM逆變電源控制技術(shù)研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2004.

An Improved Parallel UPS Control Method Based on Virtual Circulating-impedance

ZHA0 Qiliang，LIU Tianqiang
（XJ Power Co.，Ltd.，Xuchang 461000，Henan，China）

Discussed a circulating current feedback control based on virtual circulating-impedance for traditional parallel UPS which could not effective inhibit low order harmonic voltage to lead to system instability.By modeling analysis，circulating current feedback control was increased to calculate circulating impedance of parallel UPS for the purpose of low voltage harmonic suppression and reduced circulating current.Two experimental 2.5 kV·A UPS were built and paralleled.The results of experiment verify that the improved circulating current feedback control is available and efficient.

parallel；harmonic suppression；circulating current

TM464

A

10.19457/j.1001-2095.20161011

2015-08-27

修改稿日期：2016-04-19

趙啟良（1986-），男，本科，工程師，Email：zhaoqiliangdy@126.com