逆變器無線并聯(lián)系統(tǒng)的應(yīng)用

李 洋 ，譚驚濤

（1.上海交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，上海200240；2.臺(tái)達(dá)能源（上海）有限公司，上海201209）

1 引言

隨著不間斷供電電源（UPS）對大容量和高可靠性的要求越來越高，人們更傾向于用并聯(lián)系統(tǒng)來替代傳統(tǒng)的單機(jī)系統(tǒng)[1，2]。而無線并聯(lián)系統(tǒng)有著許多的優(yōu)點(diǎn)，比如：可冗余、可擴(kuò)展、更高的可靠性等。很明顯，無線并聯(lián)系統(tǒng)的挑戰(zhàn)在于如何在并聯(lián)單元之間均分有功和無功功率[3-6]。

文獻(xiàn)[1]中，提出了一種新穎的無線并聯(lián)逆變器系統(tǒng)的控制方案，然而，對于一個(gè)實(shí)際的無線并聯(lián)系統(tǒng)，還有許多具體的環(huán)節(jié)需要設(shè)計(jì)與考慮，不但有功和無功功率需要得到很好的均分，而且輸出電壓的相位和頻率必須要很好地跟蹤電網(wǎng)電壓,否則會(huì)導(dǎo)致逆變器無法向電網(wǎng)輸出能量，反而由于電網(wǎng)向其回灌能量而損壞。根據(jù)文獻(xiàn)[1]我們知道，無線并聯(lián)的負(fù)載均分精度取決于負(fù)載電壓的有效值和頻率的計(jì)算精度。另外，負(fù)載電壓的相位也需要精確計(jì)算，所以及時(shí)和精確檢測負(fù)載電壓相位和頻率信息非常重要。本文提出了一種簡單新穎的檢測方法。

目前為止，絕大多數(shù)公開的無線并聯(lián)系統(tǒng)技術(shù)都需要在啟動(dòng)時(shí)用內(nèi)部通訊線作通訊[3，6]，所以這種并聯(lián)系統(tǒng)并非是“真正”的無線并聯(lián)系統(tǒng)。本文詳細(xì)地分析了無線并聯(lián)系統(tǒng)的起動(dòng)機(jī)理并給出了一種無需任何通訊線的起動(dòng)方案，使得無線并聯(lián)系統(tǒng)成為真正的無線并聯(lián)系統(tǒng)。

基于上面的一些考慮，本文最后給出了四個(gè)逆變器單元無線并聯(lián)的實(shí)驗(yàn)波形。這些實(shí)驗(yàn)波形也驗(yàn)證了本文提出的無線并聯(lián)方案有較好的啟動(dòng)效果和負(fù)載均流精度。

2 與電網(wǎng)同步的負(fù)載均分控制策略

基于靜態(tài)調(diào)節(jié)器，可與電網(wǎng)同步的負(fù)載均分控制策略（見圖1）。這種控制方案可以分成3個(gè)部分：內(nèi)環(huán)控制器、外環(huán)控制器以及與電網(wǎng)同步的控制器。其中，內(nèi)環(huán)控制器用來控制負(fù)載上的電壓波形；在這種負(fù)載均分控制策略中，內(nèi)環(huán)控制器又包括了瞬時(shí)電壓環(huán)(VR)和瞬時(shí)電流環(huán)(CR)，它們的作用就是產(chǎn)生準(zhǔn)確的參考信號(hào)(Vref)給逆變器去控制逆變器的輸出負(fù)載電壓。因此可以保證逆變器有較好的動(dòng)態(tài)相應(yīng)和較低的THD(total harmonic distortion)。外環(huán)控制器是用來保證系統(tǒng)有較高的電壓精度和負(fù)載均分精度。其中，有功功率控制器和無功功率控制器分別用來保證輸出無功功率和有功功率能很好地跟蹤有功功率和無功功率參考。因此，要想保證系統(tǒng)有比較高的負(fù)載均分精度，關(guān)鍵在于如何得到較高精度的有功功率和無功功率參考。

現(xiàn)在，以有功功率為例，有效值（RMS）調(diào)節(jié)器是一個(gè)靜態(tài)調(diào)節(jié)器，它的每一個(gè)輸入值都對應(yīng)著唯一一個(gè)輸出值[1]。因此，我們可以通過它的輸入量(Verr)得到一個(gè)有功功率給定Pref。這里，電壓給定Vref是在數(shù)字信號(hào)處理器DSP(Digital Signal Process)中設(shè)置好的量，而Vo則是通過實(shí)際輸出電壓值計(jì)算出來的電壓有效值RMS (root-mean-square),所以通過每個(gè)Vo將會(huì)得到相應(yīng)的Verr，換句話說，Pref的變化取決于Vo的變化。在并聯(lián)系統(tǒng)中，由于并聯(lián)的單元全部接在同一個(gè)輸出負(fù)載上，所以它們可以通過同一個(gè)負(fù)載電壓計(jì)算得到同樣的電壓有效值Vo所以，它們可以得到同樣的有功功率參考，從而使得有功功率的均分得以實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)的控制策略分析可以參考文獻(xiàn)[1]。

無功功率的均分原則和有功功率的均分原則一樣。它仍舊是并聯(lián)的逆變器單元利用靜態(tài)誤差調(diào)節(jié)器 (System Frequency regulator)通過檢測輸出負(fù)載的頻率信息得到相同的無功功率給定來實(shí)現(xiàn)的[1]。具體如何通過頻率信息得到無功功率給定可以參考文獻(xiàn)[1]。

圖1 一種和電網(wǎng)同步的無線負(fù)載均分控制策略

2.1 與電網(wǎng)同步

文獻(xiàn)[1]中，系統(tǒng)的負(fù)載電壓沒有要求和電網(wǎng)同步，所以系統(tǒng)頻率參考fsys被設(shè)定成一個(gè)固定值，比如：

為了能和電網(wǎng)電壓同步，系統(tǒng)的頻率參考必須是一個(gè)隨著電網(wǎng)電壓頻率的變化而變化的量，它的算法如下：

式中：fin和θin分別是電網(wǎng)電壓的頻率和相位；θ0是負(fù)載電壓的相位；Kp是一個(gè)比例系數(shù)且可以根據(jù)需要的動(dòng)態(tài)相應(yīng)而調(diào)整。

2.2 負(fù)載均分誤差分析

顯然，無論并聯(lián)系統(tǒng)是否與電網(wǎng)同步并不影響著有功功率的分配。但是，同步控制效果影響了無功的均分效果，系統(tǒng)的無功調(diào)節(jié)器可以用以下公式表示：

式中：λ2是衰減因子，通常，0<λ≤1；ferr（k）是第K次采樣周期中的輸入誤差值；α2和β2是系數(shù)，通常 α＞β＞0。

在穩(wěn)定狀態(tài)下無功功率參考可以定義為：

其中，kdroop2是系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)器的下垂系數(shù)。

在并聯(lián)系統(tǒng)中，假定輸出電壓很好地跟蹤電網(wǎng)電壓，則把公式 (3)代入式(1)得到以下結(jié)果:

顯然，和文獻(xiàn)[1]是有差別的。無功均分精度不僅和負(fù)載電壓頻率f0有關(guān)而且還和電網(wǎng)電壓的頻率fin、電網(wǎng)電壓相位θin和負(fù)載電壓相位θ0有關(guān)。

2.3 相位和頻率的監(jiān)測

圖1中,兩個(gè)觀察器用來得到電網(wǎng)頻率fin、相位θin和負(fù)載電壓頻率f0、相位θ0。圖2介紹了這種結(jié)合軟件和硬件的頻率及相位檢測方法。一到電網(wǎng)電壓的過零點(diǎn)，硬件線路就產(chǎn)生一個(gè)脈沖，而DSP就可以檢測到這個(gè)脈沖并在其內(nèi)部模擬出一個(gè)和電網(wǎng)電壓一樣的電壓信號(hào)Vin，我們可以用到DSP內(nèi)部的其中一個(gè)定時(shí)器來做到模擬出來的電壓信號(hào)Vin和電網(wǎng)電壓完全同步，這里Vin的頻率與圖1中的fsys一致。

圖2 電網(wǎng)電壓相位檢測方法

圖3 是這種相位檢測方法的控制框圖。其中,eT是電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)和Vin之間的誤差值。在穩(wěn)定狀態(tài)下，只要能調(diào)節(jié)eT盡量接近0，我們就可以通過一個(gè)比例積分調(diào)節(jié)器(PI)來得到相應(yīng)的電網(wǎng)電壓fin和θin。同理，負(fù)載電壓的f0和θ0也可以通過另外一個(gè)觀察器用同樣方法得到。

圖3 電網(wǎng)電壓相位觀測器

3 無線并聯(lián)系統(tǒng)啟動(dòng)過程分析

啟動(dòng)問題是另一個(gè)影響無線并聯(lián)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的問題。大多數(shù)無線并聯(lián)系統(tǒng)在啟動(dòng)的時(shí)候需要通信線，在等到啟動(dòng)結(jié)束后再去掉，實(shí)際上這種無線并聯(lián)系統(tǒng)不是“真正”的無線并聯(lián)。本文中，有功和無功參考是從負(fù)載電壓得到的，而并聯(lián)系統(tǒng)中每個(gè)單元接在同一個(gè)負(fù)載上，所以每個(gè)單元可以得到相同的有功和無功信息。

從圖4中，我們可以發(fā)現(xiàn),INV2已經(jīng)連上負(fù)載而INV1還沒有連上，此時(shí)INV2已經(jīng)可以用到負(fù)載電壓的電壓V0、頻率ω0的信息，但是INV1還用不到負(fù)載上的電壓和頻率信息。所以這時(shí)，用于系統(tǒng)內(nèi)部的負(fù)載均分控制機(jī)理只可以用在INV2上而不是INV1上。

我們知道，INV1需要滿足下面兩個(gè)條件：

(1)INV1的輸出電壓有效值和負(fù)載電壓V0基本一致。

(2)INV1的輸出頻率和相位必須和負(fù)載電壓的頻率和相位一致。

所以，在INV1接到負(fù)載之前，我們必須對它做特殊處理以至讓它在沒有接到負(fù)載前就能得到負(fù)載電壓的有效值和頻率信息。

圖4 無線并聯(lián)逆變器系統(tǒng)簡圖

3.1 用通訊線啟動(dòng)

圖5 是通過通訊線來啟動(dòng)的并聯(lián)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，這個(gè)控制架構(gòu)可以被用于上文提到的逆變器單元1(INV1)，從而可以讓它在并入系統(tǒng)前得到從INV2傳送過來的負(fù)載頻率fref和有效值Vamp信息。在啟動(dòng)過程中，只有內(nèi)環(huán)控制器是起作用的，外環(huán)控制器和同步控制器沒有起作用，而這種啟動(dòng)控制模式在INV1接上負(fù)載后立刻轉(zhuǎn)成正常的負(fù)載均分控制模式。

圖5 通過通訊線來啟動(dòng)的并聯(lián)系統(tǒng)控制框圖

顯然，這種并聯(lián)系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)需要一根通訊線，所以不算是真正的無線并聯(lián)系統(tǒng)。

3.2 不需要通訊線的啟動(dòng)

為了讓系統(tǒng)做到真正的無線并聯(lián)，本文提出了一種較為方便的控制方法。圖6中,無論并聯(lián)單元是否已經(jīng)接上負(fù)載都可以檢測到負(fù)載電壓上的信息。但是監(jiān)測到的信息是隨著繼電器開關(guān)狀態(tài)的變化而變化的。

圖6 無線并聯(lián)系統(tǒng)并聯(lián)簡圖

圖7 是本文所提出的啟動(dòng)方案的控制策略圖。在并聯(lián)單元接上負(fù)載前，它監(jiān)測到的電壓信息只有負(fù)載電壓信息，它的電壓參考值Vamp是一個(gè)固定值，所以其輸出電壓是固定值(如 230 V)。根據(jù)上面所提到的控制原理，并聯(lián)單元的輸出電壓是隨著負(fù)載的大小而變化的。但是變化范圍是我們設(shè)定的，變化范圍大則負(fù)載均分精度高但電壓隨負(fù)載變化的波動(dòng)大，所以應(yīng)該折中考慮，(如：設(shè)定滿載時(shí)輸出電壓為226 V，而空載時(shí)為234 V)因此，沒有接上負(fù)載的那個(gè)單元的輸出電壓不會(huì)和負(fù)載電壓差別太大，幾乎和負(fù)載電壓一樣。

圖7 無需通訊線來啟動(dòng)的并聯(lián)系統(tǒng)控制框圖

在啟動(dòng)過程中從Observer_1獲得到的θ0用于預(yù)測相位參考，然而，由于滯后調(diào)節(jié)器的本在特點(diǎn)，所預(yù)測的相位信息總是會(huì)滯后于負(fù)載電壓的相位，但是相位差是比較小的，而且是個(gè)固定值，所以并不影響系統(tǒng)運(yùn)行。我們可以用一個(gè)固定的相位值θc去補(bǔ)償它。所以待并聯(lián)單元(INV1)就可以做到很好地同步于負(fù)載電壓。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本文所提出的控制方案，本文給出了一個(gè)共有4個(gè)單元的無線并聯(lián)系統(tǒng)，見圖8所示。每個(gè)單元都有一個(gè)三電平PFC和三電平逆變器組成。控制器都是由數(shù)字信號(hào)處理器DSP（TMS320F2407）完成。每個(gè)單元的一些主要參數(shù)列于表1。

表1 一個(gè)并聯(lián)單元的參數(shù)

在穩(wěn)態(tài)下，負(fù)載電壓的功率和電壓關(guān)系見圖9所示。負(fù)載電壓值隨著輸出功率的變化從234 V變化到226 V。負(fù)載電壓和電網(wǎng)電壓的相位差不超過2°。

圖8 并聯(lián)系統(tǒng)中的一個(gè)單元的拓?fù)?/p>

圖9 輸出電壓和負(fù)載的關(guān)系圖

圖10 示出了兩個(gè)單元并聯(lián)時(shí)刻電感電流的響應(yīng)波形。在A點(diǎn),INV1開始接上負(fù)載，由于INV1接上負(fù)載前是空載，所以其輸出電壓略高于負(fù)載電壓，從而導(dǎo)致A點(diǎn)過后緊接著有一段微小振蕩過程，但其幅度小，時(shí)間短，不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。在B點(diǎn)，整個(gè)啟動(dòng)過程結(jié)束，系統(tǒng)開始穩(wěn)定運(yùn)行，整個(gè)過程大概持續(xù)時(shí)間4 s。

從上面分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)波形我們知道，本文提出的在無線并聯(lián)系統(tǒng)啟動(dòng)過程中無須任何通訊線的方案是可行的。

圖10 兩個(gè)并聯(lián)單元并聯(lián)啟動(dòng)時(shí)刻的電感電流

圖11 到圖13示出了負(fù)載均分的實(shí)驗(yàn)波形。其中i1,i2,i3和i4分別是四個(gè)并聯(lián)單元的逆變器電感電流。其中圖11是空載穩(wěn)態(tài)波形，圖12是線性滿載穩(wěn)態(tài)波形，圖13是非線性滿載穩(wěn)態(tài)波形。從這些波形可知，每個(gè)單元的電流幾乎相同，且頻率都很好地跟蹤50 Hz的電網(wǎng)電壓。由此可知，本文提出的無線并聯(lián)方案有相當(dāng)高的負(fù)載均分精度。

圖11 四個(gè)單元空載并聯(lián)時(shí)的電感電流波形

圖12 四個(gè)單元線性滿載并聯(lián)時(shí)的電感電流波形

圖13 四個(gè)單元非線性負(fù)載并聯(lián)時(shí)的電感電流波形

5 結(jié)論

本文分析了一些出現(xiàn)在無線并聯(lián)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中的問題，比如和電網(wǎng)電壓的鎖相、相位和頻率的預(yù)測、并聯(lián)系統(tǒng)的啟動(dòng)問題，并且提出了一個(gè)簡單有效的解決方法，建立一個(gè)由四個(gè)單元并聯(lián)的平臺(tái)來驗(yàn)證本文提出的解決方案，通過分析和實(shí)驗(yàn)波形，我們可以得出如下結(jié)論：

（1）每個(gè)并聯(lián)單元都可以很好地與電網(wǎng)電壓同步。

（2）系統(tǒng)既有較高的負(fù)載均分精度又有較高的輸出電壓精度。

（3）本文提出的啟動(dòng)方案可以使得無線并聯(lián)系統(tǒng)變成真正意義上的無線并聯(lián)。

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