基于UPS逆變器并聯(lián)控制技術(shù)的研究

　　0 引言

　　不間斷電源UPS（Uninterrupted PowerSupply）出現(xiàn)于上世紀(jì)80年代，它解決了傳統(tǒng)市電直接供電模式下電能質(zhì)量差、可靠性低等問(wèn)題，并開始為重要負(fù)載提供電能保障。隨著用電負(fù)載對(duì)供電容量、可靠性方面越來(lái)越高的要求，傳統(tǒng)UPS暴露出了諸如擴(kuò)容難、維修性差不足。為解決這些問(wèn)題并進(jìn)一步滿足用戶對(duì)電能的質(zhì)量和可靠性要求，基于高頻鏈的模塊化UPS技術(shù)正被廣泛關(guān)注和研究。模塊化UPS采用N+X冗余供電，在擴(kuò)展性、可靠性和維修性方面較傳統(tǒng)UPS有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，成為未來(lái)UPS發(fā)展的一個(gè)重要方向。實(shí)現(xiàn)模塊化的關(guān)鍵是逆變模塊之間的并聯(lián)均流控制，要求各個(gè)模塊同步輸出，即同幅、同頻、同相，否則在逆變器間將會(huì)產(chǎn)生很大的環(huán)流，對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)造成不良影響甚至崩潰。

　　近年來(lái)隨著數(shù)字信號(hào)處理器的廣泛應(yīng)用，極大地推進(jìn)了UPS逆變模塊并聯(lián)均流控制技術(shù)的發(fā)展。實(shí)現(xiàn)逆變器并聯(lián)均流控制的方法很多，就模塊間有無(wú)控制連線而言，逆變器并聯(lián)控制技術(shù)可分為有互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制和無(wú)互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制兩大類。有互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制的主要思想是從傳統(tǒng)直流電源的并聯(lián)技術(shù)而來(lái)，是一種主動(dòng)負(fù)載均分技術(shù)，使用較多的主要有集中控制、主從控制、分散邏輯控制。其中集中控制和主從控制在任意時(shí)刻都依靠于一個(gè)控制單元；分散邏輯控制是獨(dú)立控制方式，可實(shí)現(xiàn)模塊自我控制。盡管使用這些控制技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，并且在輸出電壓調(diào)節(jié)和模塊均流方面都取得了不錯(cuò)的效果，但是模塊間不可或缺的信號(hào)連線卻始終制約著有互聯(lián)線逆變器控制技術(shù)的發(fā)展，并極大地降低了系統(tǒng)的可靠性和擴(kuò)展性。無(wú)互聯(lián)線逆變器控制的主要思想來(lái)源于下垂特性理論。針對(duì)逆變器輸出的有功功率及無(wú)功功率，通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的幅值及頻率，實(shí)現(xiàn)逆變模塊間均流控制，相比有互聯(lián)線控制，由于無(wú)互聯(lián)線控制中逆變模塊之間沒(méi)有互聯(lián)線，每個(gè)模塊只需檢測(cè)本模塊輸出信息，通過(guò)解耦計(jì)算就可直接得到控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)自身的控制，所以基于下垂法的無(wú)互聯(lián)線控制具有很高的可靠性和靈活性。

　　1.環(huán)流分析

　　理想U(xiǎn)PS中每個(gè)逆變模塊的輸出電流應(yīng)相等以實(shí)現(xiàn)輸出功率的均分，然而實(shí)際制作中每個(gè)逆變器模塊的參數(shù)無(wú)法完全一致，加之線路阻抗的不同，使得各逆變模塊輸出電壓的幅值和相位無(wú)法在任意時(shí)刻精確相等，導(dǎo)致各逆變模塊間輸出功率均分和電流無(wú)法精確均分，這將引起逆變器模塊間的環(huán)流，對(duì)設(shè)備造成極大傷害，尤其是在系統(tǒng)空載或者輕載的情況之下甚至損壞系統(tǒng)，因?yàn)楫?dāng)模塊間出現(xiàn)環(huán)流時(shí)，有的模塊將吸收有功功率，從而運(yùn)行在整流模式，這將導(dǎo)致直流側(cè)電壓上升，并對(duì)直流側(cè)電容造成損壞。

　　因此對(duì)逆變器間環(huán)流進(jìn)行分析十分重要，為此我們建立如圖1所示的兩臺(tái)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)等效模型：

　　設(shè)E1∠φ1、E2∠φ2分別為逆變器1和逆變器2的出電壓；r1+jX1和r2+jX2分別為逆變器1和2的輸出阻抗和導(dǎo)線阻抗之和，負(fù)載為R，且負(fù)載電壓為V《00，i1和i2分別為逆變器1和逆變器2的輸出電流，i0為負(fù)載電流。

　　根據(jù)歐姆定律可以得到：

　　將式（1）、（2）帶入式（3）中，并假設(shè)在并聯(lián)系統(tǒng)中輸出阻抗和線路阻抗中的阻性成份r1=r2≈0;系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，逆變器間的輸出電壓相位差別很小，使得sinφi=φi，cosφi=1;逆變器模塊組成部分參數(shù)差異不大，近似認(rèn)為X1=X2=X.

　　得到經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后的有功功率和無(wú)功功率為：

　　由此可知，在實(shí)際系統(tǒng)中由于每臺(tái)逆變器模塊的輸出阻抗不同，導(dǎo)致逆變器模塊間輸出電壓產(chǎn)生幅值差和相位差，使得各逆變器輸出有功無(wú)功不均，形成環(huán)流。然而可以通過(guò)對(duì)輸出電壓的幅值和相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)有功無(wú)功的控制。為了避免環(huán)流的產(chǎn)生，人們提出了許多控制策略，但就并聯(lián)UPS模塊間有無(wú)互聯(lián)線而言，可分為兩大類，即有互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制和無(wú)互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制。下面將對(duì)這兩類控制方式依次介紹。

　　2.有互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制

　　2.1 集中控制

　　集中控制思想為建立一個(gè)控制中心，對(duì)各模塊輸出電壓電流信息統(tǒng)一收集并處理，且所有逆變模塊的控制指令由控制模塊統(tǒng)一下達(dá)。

　　其原理框圖如圖2所示，假設(shè)各單元中電流差是由電壓幅值不一致造成的，直接把電流差作為電壓指令的補(bǔ)償量以消除電流的不平衡。

　　如圖2所示，并聯(lián)控制單元首先檢測(cè)交流母線電壓的頻率和相位，以此為基準(zhǔn)，得到輸出電壓參考頻率f*，通過(guò)每個(gè)逆變模塊中的鎖相環(huán)PLL（PhaseLockLoop）進(jìn)行鎖相，使得每個(gè)逆變器輸出電壓頻率一致；然后檢測(cè)負(fù)載電流iL，iL除以并聯(lián)模塊數(shù)N后得到參考電流iref，用本模塊輸出電流i減去參考電流iref后得到的Δi作為輸出電壓補(bǔ)償量，計(jì)算得到輸出電壓參考值V*;最后用V*與f*合成參考電壓Vref，實(shí)現(xiàn)輸出功率和電流的均分。

　　集中控制是最早出現(xiàn)的控制方法，其原理相對(duì)單且易于實(shí)現(xiàn)，但是由于系統(tǒng)共用一個(gè)集中控制中心，一方面使得并聯(lián)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)真正的模塊化，另一方面如果該控制單元出現(xiàn)故障，則整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)癱瘓，無(wú)法運(yùn)用到大型分布式系統(tǒng)之中。