并網(wǎng)型輔助電源系統(tǒng)研究

賀庚良

摘 要：新型無互聯(lián)線并網(wǎng)型輔助電源供電穩(wěn)定性、可靠性、舒適性高。單臺SIV的容量小，設備體積小、噪聲低，系統(tǒng)冗余設計成本低。本文對并網(wǎng)型地鐵輔助電源系統(tǒng)進行了研究分析，對鎖相同步控制、下垂特性均流控制進行了理論研究。對鎖相同步和并聯(lián)輸出均流性能進行了試驗分析。最后針對并聯(lián)環(huán)流客觀存在，特別是并聯(lián)運行的各臺SIV輸出阻抗不平衡工況下的環(huán)流問題，提出進一步采用虛擬阻抗算法進行環(huán)流抑制。

關鍵詞：并網(wǎng);下垂特性;鎖相同步;均流;虛擬阻抗

0 緒論

隨著輔助供電系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、可維護性要求不斷提高，與此同時，產(chǎn)品的市場競爭力、經(jīng)濟性要求使得系統(tǒng)成本卻在進一步壓縮。

并網(wǎng)式輔助供電方式存在著全面的性能優(yōu)勢，然而其對系統(tǒng)控制的技術要求也大幅提高。其一，多臺SIV必須同步工作，需進行鎖相同步控制;其二，多臺SIV并聯(lián)工作，必須進行均流控制，否則單臺SIV易發(fā)生輸出過流故障，影響整個供電系統(tǒng)的可靠性[1]。

本文介紹的并聯(lián)方案采用無互連線并聯(lián)控制方式。無互連線控制方式借鑒同步發(fā)電機的自同步特性和電壓下垂特性，對逆變器輸出電壓的幅值和頻率采用下垂特性控制。其優(yōu)點是結構簡單，系統(tǒng)易于擴展、抗干擾能力強、并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性好、完全實現(xiàn)了模塊化設計。

1 系統(tǒng)簡介

SIV系統(tǒng)采用無互聯(lián)線并聯(lián)控制方式，借鑒同步發(fā)電機的自同步和電壓下垂特性，對逆變器輸出電壓的幅值和頻率采用下垂特性控制;系統(tǒng)逆變控制則采用成熟的電壓、電流閉環(huán)數(shù)字PI控制SPWM逆變器控制方式，控制原理如圖1所示。

電壓指令與幅值下垂控制器輸出的電壓下垂量之和再與電壓互感器PT1產(chǎn)生的輸出電壓反饋進行比較得出電壓差值，該值作為電壓控制器的偏差信號輸入。電壓控制器輸出的電流指令與電流傳感器產(chǎn)生的輸出電流值相比較得出主電路電流偏差值，經(jīng)電流控制器控制得到SPWM調(diào)制度信號mk。

頻率控制器綜合系統(tǒng)頻率給定值、鎖相器的輸出相位、頻率下垂控制器輸出的頻率下垂量，得出SPWM的頻率信號。

2 并網(wǎng)控制技術

以2臺SIV并聯(lián)為例，等效電路如圖2所示。

SIV1 輸出阻抗與連線阻抗之和為，SIV2 輸出阻抗與連線阻抗之和為， 、為等效電阻，、為等效感抗，和分別為兩臺SIV的空載輸出電壓，為各個逆變器模塊的輸出電壓與母線電壓的相角差。負載為，、為別為2臺SIV輸出電流，為交流母線電壓。

由于SIV輸出電壓幅值可直接控制，而其相位控制則是通過調(diào)節(jié)輸出頻率來實現(xiàn)的。這樣，在系統(tǒng)輸出電壓一定時，各并聯(lián)SIV就能通過檢測各自的輸出功率大小進行并聯(lián)控制。

2.1 軟件鎖相控制

在dq坐標系下：

如果鎖相角與母線電壓相位同步，則直流分量ud為額定值Um，而uq為零。因此，可以將目標值零和實際三相電壓坐標變換后的uq相減，得到誤差信號，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后得到誤差信號，再與理論角頻率2πf相加后得到實際角頻率。最后經(jīng)過一積分環(huán)節(jié)，輸出即是交流母線電壓的相位θ。整個鎖相過程構成一個反饋，通過PI調(diào)節(jié)達到鎖相目的，鎖相閉環(huán)控制系統(tǒng)結構如圖3所示。

2.2 下垂均流控制

下垂均流控制就是調(diào)節(jié)SIV的外特性傾斜率，以達到并聯(lián)的SIV均流的目的。SIV可以通過電壓幅值和頻率下垂控制來達到并聯(lián)輸出的有功和無功功率的自動均分，通過人為引入逆變電源的電壓和頻率下垂特性，來實現(xiàn)并聯(lián)SIV輸出負載電流的均分和“環(huán)流”抑制[3-4]。根據(jù)各SIV的實際的Pn和Qn，可對各單元的頻率和電壓幅值作以下調(diào)整，即：

由于存在電壓和頻率的下垂外特性，所以SIV在并聯(lián)后，負載運行時系統(tǒng)的頻率及電壓都會降低到某一個點N，在這個點上所有的電源都會在一個較空載運行點偏低的電壓和頻率工作，從而使各模塊電源對輸出功率作相應的調(diào)整以達到輸出均流和消除環(huán)流的目的。

3 試驗分析

對于并網(wǎng)型輔助逆變器系統(tǒng)，鎖相控制和并聯(lián)均流控制性能十分重要。為驗證系統(tǒng)鎖相及并聯(lián)均流功能，以兩臺160KVA容量的SIV搭建試驗臺，試驗原理如圖4所示。

2臺SIV從DC750V輸入電源取電，通過TCMS給SIV發(fā)送相關并網(wǎng)控制指令，并用上位機軟件和示波器等，記錄各種工況波形。

2臺SIV完成并網(wǎng)后，逐級增加負載，用上位機軟件記錄在每種負載組合下，SIV1和SIV2輸出相電流有效值。為探究SIV輸出阻抗對均流性能的影響，分別在不串電感和串聯(lián)0.3mH輸出電感的情況下進行試驗，試驗結果如表1和表2所示。

分析表1所示數(shù)據(jù)可知，不串輸出電感，隨著輸出功率的增大，電流差值減小，系統(tǒng)可穩(wěn)定工作，證明在下垂均流控制下，系統(tǒng)具有一定的均流能力。對比分析表1和表2數(shù)據(jù)，可知串聯(lián)0.3mH輸出電感后，輸出均流性能有一定的提升，這是因為并網(wǎng)的SIV功率差與輸出阻抗成反比，串聯(lián)輸出電感后，SIV的輸出阻抗增大，環(huán)流減小。

4 總結與展望

本文對并網(wǎng)型輔助電源系統(tǒng)的系統(tǒng)控制原理進行了研究分析，對鎖相同步控制、下垂特性均流控制算法進行了理論研究。最后搭建試驗平臺，對系統(tǒng)鎖相同步和并聯(lián)輸出均流性能進行了試驗驗證分析，試驗結果證明系統(tǒng)鎖相同步、輸出均流效果比較理想，但環(huán)流仍然無法完全消除，有待進一步改善。

結合前文并聯(lián)供電電路模型分析得出的第三個重要結論，可增加適當?shù)妮敵鲭姼衼碓龃筝敵鲎杩梗M一步實現(xiàn)輸出功率的均分，減小并聯(lián)環(huán)流。更進一步分析，也可探究采用先進的虛擬阻抗算法實現(xiàn)SIV輸出阻抗軟件配置，實現(xiàn)輸出功率的均分。

參考文獻：

[1]陳良亮，肖嵐，龔春英等.逆變器并聯(lián)系統(tǒng)直流環(huán)流產(chǎn)生原因及其檢測與抑制方法[J].中國電機工程學報，2004，24（09）：56-61.

[2]吉正華，韋芬卿，楊海英等.基于dq變換的三相軟件鎖相環(huán)設計[J].電力自動化設備，2011，31（04）：104-106.

[3]魏凱，張志學，尚敬等.高速動車組輔助變流器的并聯(lián)控制[J].大功率變流技術，2014（05）：17-23.

[4]周玉柱，茆美琴，蘇建徽等.基于功率下垂特性的逆變器無線并聯(lián)控制技術[J].電力電子技術，2007，41（04）：9-11.

[5]龔錦霞，解大，張延遲.三相數(shù)字鎖相環(huán)的原理及性能[J].電工技術學報，2009，24（10）：94-99.

[6]周國梁，石新春，付超.三相電壓畸變條件下軟件鎖相環(huán)分析與實現(xiàn)[J].電力電子技術，2007，41（07）：47-49.