UPS并聯(lián)系統(tǒng)逆變器并聯(lián)均流控制技術(shù)

李江偉 鐘志東 楊 鵬 趙祖鑫 李宇燁 黃翰民

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司南寧供電局 南寧 530000）

引言

隨著計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)，信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，越來越多的重要數(shù)據(jù)、圖像和文字要由計(jì)算機(jī)來處理和儲(chǔ)存。為關(guān)鍵設(shè)備提供持續(xù)、穩(wěn)定的交流電就顯得尤為重要。而UPS電源是能夠提供可靠、持續(xù)、高質(zhì)量和不間斷電能供應(yīng)的電力電子裝置，它主要是由整流器、逆變器，蓄電池組成。如圖1所示，當(dāng)電網(wǎng)正常時(shí)，一方面可以通過整流器對UPS系統(tǒng)的蓄電池進(jìn)行充電，另一方面可以直接對用電設(shè)備供電。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)問題時(shí)，由蓄電池經(jīng)過逆變器輸出交流電對用電設(shè)備供電。在實(shí)際應(yīng)用中通常把根據(jù)電路結(jié)構(gòu)不同把UPS分為三種類型分別為互動(dòng)式[1]、在線式[2]、后備式[3]。

圖1 UPS原理圖

傳統(tǒng)的用電設(shè)備使用單臺(tái)UPS系統(tǒng)已經(jīng)足以滿足其用電需求，但是近年來隨著科技的不斷發(fā)展各種大型用電設(shè)備的推廣應(yīng)用，因此對UPS電源的容量需求越來越大。所以單臺(tái)UPS系統(tǒng)難以滿足日益增長的現(xiàn)實(shí)需求，研究人員提出利用并聯(lián)多臺(tái)UPS系統(tǒng)來提高UPS系統(tǒng)的容量，但是同時(shí)在并聯(lián)UPS系統(tǒng)中由于各個(gè)并聯(lián)逆變器間極易出現(xiàn)環(huán)流，而環(huán)流的過大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)并聯(lián)失敗，這就造成了系統(tǒng)的穩(wěn)定性不夠高。所以研究可以實(shí)現(xiàn)對各個(gè)并聯(lián)UPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)逆變器并聯(lián)均流具有了重要意義。

目前，用于實(shí)現(xiàn)逆變器均流控制的方案大致可以分為兩類：有互聯(lián)線和無互聯(lián)線。前者主要包括集中控制、主從控制、分散邏輯控制。其中集中控制方案是指參考電流與每個(gè)模塊的電流進(jìn)行做差，得到電流偏差再被送至電流環(huán)進(jìn)行處理。通過各個(gè)逆變模塊的電壓環(huán)按照給定的電流偏差信號對系統(tǒng)的輸出電壓進(jìn)行控制。而主從控制方案是系統(tǒng)由一臺(tái)主逆變器和多臺(tái)從逆變器構(gòu)成，主逆變器具有完整的控制結(jié)構(gòu)，每個(gè)主逆變器都擁有電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)兩個(gè)完整的控制環(huán)路，從逆變器只具有電流環(huán)，而且母線電壓完全由主逆變器決定，主機(jī)控制輸出電壓并分別通過電流總線向各臺(tái)從機(jī)發(fā)送電流環(huán)基準(zhǔn)信號，各臺(tái)從機(jī)跟蹤該電流基準(zhǔn)。所以，該控制策略可以等效為1個(gè)電壓源和多個(gè)電流源并聯(lián)，主機(jī)控制輸出電壓，從機(jī)跟隨輸出相同電流。分散邏輯控制方案中逆變器沒有主從之分，常分為平均電流控制和平均功率控制。每個(gè)逆變器將自己的輸出電流信息送至總線，從總線得到其他逆變器的輸出電流信息，通過計(jì)算平均電流與自身輸出電流的偏差，根據(jù)電流偏差中的有功分量和無功分量，調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值和頻率，實(shí)現(xiàn)均流控制[4-7]。

有互聯(lián)線控制方法的主要特點(diǎn)就是為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)并聯(lián)逆變器均流控制，需要對各臺(tái)逆變器之間設(shè)置一條互聯(lián)線以實(shí)現(xiàn)各臺(tái)逆變器間的通信，而這條互聯(lián)線在實(shí)際運(yùn)用中導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性和靈活性受到很大制約，而且極易受到外界的干擾，這就使得在實(shí)際運(yùn)用中有很大的缺陷。而無互聯(lián)線控制方案目前主要是指下垂控制策略，這種控制方案在實(shí)際中不需要在各個(gè)逆變器間設(shè)計(jì)互聯(lián)線，各臺(tái)逆變器可以獨(dú)立的運(yùn)行，任何一個(gè)逆變器的連接或者斷開都不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作[8-14]。

本文主要提出使用無互聯(lián)線控制方案較常用的下垂控制方案實(shí)現(xiàn)并聯(lián)逆變器的均流控制，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行有互聯(lián)線與無互聯(lián)線控制方案在運(yùn)行條件、運(yùn)行可靠性、均流效果方面的比較研究。

1 單臺(tái)UPS控制策略

UPS電源質(zhì)量在實(shí)際運(yùn)用中具有十分重要的作用，主要體現(xiàn)在逆變器輸出的電能質(zhì)量、響應(yīng)時(shí)間、續(xù)航能力、效率等等，其中當(dāng)逆變器的負(fù)載中非線性負(fù)載的數(shù)量的增加會(huì)引起諧波分量造成輸出電壓畸變。因此，采用電壓電流雙閉環(huán)控制方案可以對此有很好的抑制作用，電壓外環(huán)可以跟隨系統(tǒng)提前輸入的給定電壓信號。這樣就可以在確保輸出電壓波形的穩(wěn)定，并且在此之間可以產(chǎn)生給定電流，只后在電流環(huán)的確保下可以以較快的反應(yīng)速度跟隨給定的電流，如此就將系統(tǒng)的響應(yīng)速度在一定程度上得到提升也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這種控制方法的原理圖如圖2所示。

圖2 雙閉環(huán)控制方案原理圖

2 環(huán)流分析

采用雙閉環(huán)控制的單臺(tái)UPS具有良好的輸出波形，所以在后面的并聯(lián)UPS系統(tǒng)中均采用雙閉環(huán)控制策略[15]。以兩臺(tái)單相UPS逆變器為例來分析環(huán)流的產(chǎn)生原因，如圖3所示。圖3中U1∠φ1、U2∠φ2，分別為兩臺(tái)逆變器的輸出電壓，U0∠0°為公共連接點(diǎn)電壓，和為輸出電流，Z1∠θ1和Z2∠θ2為各個(gè)逆變器線路等阻抗的和。

由上兩式可以得到

圖3 兩臺(tái)UPS并聯(lián)等效圖

若令線路阻抗Z1∠θ1=Z2∠θ2遠(yuǎn)小于ZL，由于線路阻抗小，所以即使兩個(gè)逆變器電壓差距是比較小，最終造成的環(huán)流都較大，所以在實(shí)現(xiàn)并聯(lián)控制必須使兩臺(tái)逆變器電壓的相位頻率幅值等一致。同理，如果兩臺(tái)逆變器的輸出電壓完全一致，但是如果兩邊的線阻抗不同同樣會(huì)造成環(huán)流。

3 無互聯(lián)線控制

3.1 P、Q的計(jì)算

UPS逆變器能夠輸出周期性的電壓和電流，由一般可知：

將直流量和諧波量全部忽略就可以得到只含基波分量:

由上公式可知再進(jìn)行仿真的時(shí)候必須加入正弦表和余弦表。同樣如上述方法，對其采用離散法可以得到：

得到電壓和電流：

其中U，I為系統(tǒng)輸出的峰值，?u和?i輸出電壓電流的相位角。

所以可以計(jì)算出有功功率和無功功率

由上就可以設(shè)計(jì)計(jì)算模塊對無功功率和有功功率進(jìn)行計(jì)算測量。

3.2 下垂系數(shù)計(jì)算

由圖3可計(jì)算得：

這樣就可以根據(jù)各個(gè)逆變器的空載電壓、輸出電流得到各個(gè)逆變器的有功功率P，無功功率Q等如下面所示，設(shè)E0為逆變器的空載電壓，Z為逆變器的等效阻抗。

計(jì)算的目的是得出電壓與功率之間的關(guān)系，設(shè)U為輸出電壓幅值，輸出線抗阻性成分較小可以忽略不計(jì)且各個(gè)逆變器之間的差距非常小，這時(shí)可以得出θ=90°，sinφ=φ。

對上式進(jìn)行化簡可以得到:

這時(shí)同時(shí)對兩邊微分：

由上式可知由于?無限小所以UΔ?遠(yuǎn)大于ΔU?，得到，同樣的。

所以由上式可以推出：

其中f為頻率，f0為空載輸出電壓頻率，U為電壓，E0為空載輸出電壓幅值。k1為頻率下垂系數(shù)，k2為電壓下垂系數(shù)。由上式就可以推出無線互聯(lián)的控制方法，即一臺(tái)逆變器的有功功率過大就通過頻率下垂系數(shù)調(diào)節(jié)使得頻率降低，無功功率大的通過電壓下垂系數(shù)調(diào)節(jié)降低電壓，這樣就能實(shí)現(xiàn)有功功率的平均分配再讓各個(gè)并聯(lián)逆變器參數(shù)相同可以實(shí)現(xiàn)均流。圖4給出了下垂控制流程圖。

4 仿真

4.1 單臺(tái)UPS控制的仿真結(jié)果

在對單臺(tái)UPS仿真時(shí)候必須找出瞬時(shí)電壓環(huán)PI控制參數(shù)Kpv，Kiv與電流環(huán)比例系數(shù)Kpi，Kii，因?yàn)檫@些參數(shù)會(huì)影響并聯(lián)UPS系統(tǒng)的均流特性，經(jīng)過仿真及其實(shí)驗(yàn)調(diào)試可以得出Kpv=1.05，Kiv=0.008，Kpi=0.408 7，Kii=0.006。表1給出了單臺(tái)UPS仿真參數(shù)。

圖4 下垂控制流程圖

表1 單臺(tái)UPS仿真參數(shù)值

圖5和圖6為單臺(tái)UPS電壓和電流的仿真波形。從圖中可以看出在采用電壓電流雙閉環(huán)控制方案的UPS逆變器具有良好的電壓和電流波形。

4.2 下垂控制的仿真結(jié)果

設(shè)計(jì)1：表2給出了下垂控制是1仿真參數(shù)。

圖7～圖9給出了下垂控制的仿真結(jié)果。從圖中看出兩臺(tái)逆變器輸出線抗值相同時(shí)下垂控制的兩臺(tái)逆變器能夠穩(wěn)定的運(yùn)行，而且由環(huán)流波形可以看出環(huán)流波形的幅值最大不超過1A，可以看出下垂控制具有良好的環(huán)流抑制效果。

設(shè)計(jì)2:將逆變器1的線抗的電感值改變?yōu)?.1 mH，其他不變重新仿真。仿真結(jié)果如圖10-圖12所示。由圖中可以看出當(dāng)輸出線抗的電感值不同時(shí)會(huì)對使用下垂控制的并聯(lián)逆變器產(chǎn)生影響，從環(huán)流可以看出環(huán)流的幅值增大到1.5 A左右，但依然在可控的范圍內(nèi)。

圖5 單臺(tái)UPS電壓波形

圖6 單臺(tái)UPS電流波形

表2 下垂控制設(shè)計(jì)1仿真參數(shù)

圖7 輸出電流波形

圖8 功率波形

圖9 環(huán)流波形

圖10 輸出電流波形

圖11 功率波形

設(shè)計(jì)3：將逆變器1的線抗的電阻值改變?yōu)?.35 ?，其他值不變重新仿真。仿真結(jié)果如圖13-圖15所示。由圖中可以看出，在輸出線抗的電阻值不同時(shí)下垂控制并不能調(diào)節(jié)使兩臺(tái)逆變變器的功率一致所以得出的兩臺(tái)逆變器間的環(huán)流幅值增大到7 A左右。

4.3 比較分析

表3給出了有互聯(lián)線中較常用的主從控制仿真參數(shù)。圖16-圖17給出了下垂控制的仿真結(jié)果。

由圖16和圖17可以看出當(dāng)兩臺(tái)逆變器的輸出線抗大小相同時(shí)主從控制可以實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)逆變器的并聯(lián)，且由環(huán)流波形可以看出環(huán)流幅值在10 A左右，但是相對于下垂控制，環(huán)流一直效果較差。

圖12 環(huán)流波形

圖13 輸出電流波形

圖14 功率波形

圖15 環(huán)流波形

設(shè)計(jì)2：將逆變器1的電感值改變到50 uH其他不變進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖18和圖19所示。由圖中可以看出當(dāng)兩臺(tái)逆變器輸出線抗電感大小不同時(shí)，主從控制的輸出電流、環(huán)流波形都沒有明顯改變。

表3 主從控制設(shè)計(jì)1仿真參數(shù)值

圖16 輸出電流波形

圖17 環(huán)流波形

圖18 輸出電流波形

圖19 環(huán)流波形

圖20 輸出電流波形

圖21 環(huán)流波形

設(shè)計(jì)3：將逆變器1的電阻值改變到0.000 2 ?其他不變進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖20和圖21所示。由圖中可看出當(dāng)兩臺(tái)逆變器輸出線抗的電阻值不同時(shí)電路的環(huán)流由所增大，其數(shù)值基本與設(shè)計(jì)1相同。

5 結(jié)論

本文討論了兩類控制并聯(lián)UPS系統(tǒng)并聯(lián)逆變器均流的方法，分別為有互聯(lián)線控制和無互聯(lián)線控制。并且在兩類控制中分別主從控制、下垂控制進(jìn)行仿真模擬，討論其均流效果方面的優(yōu)劣勢。仿真結(jié)果表明下垂控制有較好的均流效果另外，通過仿真看出各個(gè)逆變器輸出線抗不一致對均流效果的影響較大。主從控制結(jié)構(gòu)簡單且各個(gè)逆變器的輸出線抗大小對均流效果影響較小，但是由于主從控制的主要控制來自于主逆變器，若主逆變器發(fā)生故障則整個(gè)系統(tǒng)無法正常工作即可靠性較低。