基于瞬時(shí)無功理論的分散式UPS并聯(lián)技術(shù)

李桂梅，蘇岱安

(湖南商學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，中國 長沙 410205)

為了實(shí)現(xiàn)大容量UPS的高可靠性，對大容量UPS提出了并聯(lián)冗余的需求[1-2]．即N+X臺UPS的輸出線直接并聯(lián)，最大負(fù)載不超過N臺UPS的容量，當(dāng)一臺UPS出現(xiàn)故障后，該UPS可以自動(dòng)退出系統(tǒng)，其余UPS可以承擔(dān)所有全部負(fù)載，保證了UPS系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，大容量UPS的并聯(lián)控制系統(tǒng)當(dāng)前的主流是分散式并聯(lián)[3-6]．本文根據(jù)當(dāng)前UPS并聯(lián)系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r，結(jié)合瞬時(shí)功率理論，提出了一種新的分散式并聯(lián)控制方法，具有很好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能．

1 瞬時(shí)功率理論

三相電路的瞬時(shí)無功功率理論首先于1983年由赤木泰文提出，是以瞬時(shí)實(shí)功率和瞬時(shí)虛功率的定義為基礎(chǔ)的，在本系統(tǒng)中，采用瞬時(shí)功率理論作為本算法設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)．設(shè)三相電路各相電壓和電流的瞬時(shí)值分別為ea,eb,ec和ia,ib,ic，為方便分析，將其變換至αβ坐標(biāo)系下，變換式如下：

(1)

(2)

(3)

綜合上面的等式可以得出

(4)

將檢測到的環(huán)流ita,itb,itc代入(4)式，就可以計(jì)算出環(huán)流引起的有功功率pt和無功功率qt，分別去控制UPS電壓給定的相位和幅值，就可以達(dá)到瞬時(shí)均流的效果．

1.1 單機(jī)逆變器的控制方法

單機(jī)逆變器控制方法是基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的，坐標(biāo)系的定向是輸出電壓的空間矢量，為了使算法簡單，并且具有較好的抗干擾特性，實(shí)際系統(tǒng)的定向是以內(nèi)部三相SVPWM基波為基準(zhǔn)矢量，根據(jù)分析，無論在穩(wěn)態(tài)還是動(dòng)態(tài)情況下，內(nèi)部的基準(zhǔn)矢量與輸出電壓矢量的相位差都可以忽略．

三相逆變器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是逆變器輸出電壓具有1%的穩(wěn)態(tài)精度和5%的動(dòng)態(tài)精度，動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間為60 ms，100%非線性負(fù)載時(shí)的THD<4%[7]．為了實(shí)現(xiàn)這些性能指標(biāo)，一些文獻(xiàn)提出了很多新的控制方法，例如無差拍控制、重復(fù)控制[8]，也有采用狀態(tài)觀測器進(jìn)行反饋控制的方法[9-10]，這些方法在某些確定的條件下的確可以取得很好的效果，但是都存在一個(gè)最大的問題，即存在穩(wěn)定性問題及負(fù)載的適應(yīng)能力較差，難以適應(yīng)UPS復(fù)雜的負(fù)載狀況．實(shí)際上傳統(tǒng)的電壓電流雙環(huán)PID控制就可以實(shí)現(xiàn)上述的指標(biāo)，前提是參數(shù)必須配合得當(dāng)，并且采用一些特殊的手段，如負(fù)載電流前饋等，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度．PID控制的最大優(yōu)點(diǎn)在于它的穩(wěn)定性好，并具有很好的負(fù)載適應(yīng)能力，非常有利于實(shí)際的產(chǎn)品化[11]．本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于傳統(tǒng)PID控制的矢量控制方法，取得了較好的效果，圖1是本系統(tǒng)的逆變器控制算法的原理框圖．

圖1 逆變器控制算法的原理框圖

控制算法是在d，q坐標(biāo)系下進(jìn)行的，d，q坐標(biāo)系的定向是以輸出電壓給定作為參考值的，將采集到的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過Park變換變換至dq坐標(biāo)系，穩(wěn)態(tài)時(shí)各變量在dq坐標(biāo)系下為直流量，采用PI調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無差控制．控制部分為傳統(tǒng)的雙環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)(P或PI調(diào)節(jié))，外環(huán)是電壓環(huán)(PI調(diào)節(jié))，電壓外環(huán)的給定與電壓反饋之差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器作為電流內(nèi)環(huán)的給定，電流內(nèi)環(huán)的給定和逆變橋輸出電流之差經(jīng)過P調(diào)節(jié)器作為逆變橋輸出電壓的給定．三相逆變橋的開關(guān)模式采用空間矢量PWM(SVPWM)的開關(guān)方法，可以實(shí)現(xiàn)輸出無諧波情況下的最高直流母線電壓利用率，即輸出線電壓的峰值與直流母線電壓相等．

如圖1所示，dq軸電壓給定和電壓反饋之差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，再減去dq軸之間電流的解耦項(xiàng)作為電流內(nèi)環(huán)的電流給定，電流給定與電流反饋之差減去dq軸之間的電壓解耦項(xiàng)作為SVPWM發(fā)生器的電壓給定．電壓外環(huán)內(nèi)的解耦項(xiàng)實(shí)際上是電容電流預(yù)測，電流環(huán)內(nèi)部的解耦項(xiàng)實(shí)際上是濾波電感上的壓降．在電壓環(huán)內(nèi)部引入負(fù)載電流前饋的作用是抵消非線性負(fù)載的影響，降低輸出電壓的THD，將前饋項(xiàng)與反饋項(xiàng)相加，實(shí)際上就是電容電流，所以可以看出電流環(huán)實(shí)際控制的是電容電流．并且在電流調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)旋轉(zhuǎn)—靜止變換后，加上以負(fù)載平均電流為基礎(chǔ)的不平衡負(fù)載補(bǔ)償算法，以改善逆變器對負(fù)載適應(yīng)性．

控制系統(tǒng)中采用全數(shù)字控制，核心控制器為TI公司的DSP—TMS320F240，具有較強(qiáng)大的運(yùn)算功能和豐富的模擬和數(shù)字接口，基本滿足了系統(tǒng)的要求．

1.2 基于瞬時(shí)無功理論的并聯(lián)方法

1.2.1 UPS的同步方法 并聯(lián)的前提是各UPS的輸出電壓的頻率和相位必須保持一致，相位同步需要一個(gè)鎖相環(huán)(PLL)來實(shí)現(xiàn)，各種UPS產(chǎn)品中采用了多種鎖相技術(shù)[12]，一般采用模擬控制的UPS采用模擬PLL電路，數(shù)字控制的UPS一般采用數(shù)字PLL，數(shù)字PLL一般以輸入(旁路)電壓每個(gè)周波的過零點(diǎn)作為基準(zhǔn)，這種方法的缺點(diǎn)在于如果基準(zhǔn)電壓發(fā)生畸變，可能導(dǎo)致PLL的誤差較大．本系統(tǒng)采用空間電壓矢量的數(shù)字鎖相算法，并且在實(shí)際系統(tǒng)中得到應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這是一種高精度的鎖相方法．

根據(jù)上面的分析，三相電壓可以合成為一個(gè)空間旋轉(zhuǎn)矢量，根據(jù)三相電壓的瞬時(shí)值就可以計(jì)算出旋轉(zhuǎn)矢量的模|e|和幅角φe，

(5)

(6)

輸出電壓的相角φo必須與旁路電壓的相角φb保持一致，同樣采用上面的方法計(jì)算出輸出電壓相角φo的正弦和余弦值，通過一個(gè)調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)輸出電壓的相位，就可以很好地實(shí)現(xiàn)鎖相，原理框圖如圖2所示.

圖2 鎖相原理框圖

由于計(jì)算相角要占用很多的資源，所以采用簡化算法，可以使計(jì)算效率大幅度提高，即認(rèn)為：

φb-φo≈sin(φb-φo)=sinφbcosφo-cosφbsinφo.

(7)

采用帶有限幅的P調(diào)節(jié)器就可以較好的實(shí)現(xiàn)鎖相跟蹤，在旁路電壓超出跟蹤范圍時(shí)，并聯(lián)系統(tǒng)中的一臺UPS輸出50Hz標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓，其他UPS以它為基準(zhǔn)，同樣采用上面的方法進(jìn)行鎖相跟蹤．

由于電網(wǎng)的輸出可能帶有很高的諧波成分，所以要求PLL的頻率跟蹤速度必須很慢，對于一般的大容量UPS，PLL的跟蹤速度必須小于1 Hz/s．

1.2.2 UPS的并聯(lián)控制方法 并聯(lián)控制的目的是消除并聯(lián)系統(tǒng)的3種環(huán)流——基波環(huán)流、開關(guān)頻率環(huán)流和諧波環(huán)流．本系統(tǒng)通過瞬時(shí)有功和無功功率的調(diào)節(jié)來消除環(huán)流中的基波成分；通過一根開關(guān)頻率同步信號線來消除開關(guān)頻率的環(huán)流；通過合理地設(shè)計(jì)均流調(diào)節(jié)器參數(shù)，提高并聯(lián)控制穩(wěn)定性的方法消除諧波環(huán)流．

對于UPS來說，輸出電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度是系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)，為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，要求輸出濾波電感越小越好，只要能夠?yàn)V除PWM電壓中的高頻紋波成分即可；而從逆變器并聯(lián)的角度出發(fā)，要求逆變器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度不能太快，否則將引起并聯(lián)系統(tǒng)不穩(wěn)定，尤其是逆變器的輸出濾波電感越大越好．

實(shí)際系統(tǒng)中采用隔離的環(huán)流檢測方法，通過隔離方法檢測輸出的平均電流，即檢測iL/n，將三相的平均電流信號變換至dq坐標(biāo)系下，同時(shí)將iL/n與自身檢測到的負(fù)載電流做差，求出環(huán)流信號，同樣將環(huán)流信號變換至dq坐標(biāo)系下．獲得以上數(shù)據(jù)后，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的均流調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方法見圖3．

圖3是并聯(lián)算法的原理框圖，整個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)中存在4個(gè)調(diào)節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)調(diào)節(jié)點(diǎn)作用于電流內(nèi)環(huán)，一個(gè)調(diào)節(jié)點(diǎn)作用于電壓外環(huán)，一個(gè)調(diào)節(jié)點(diǎn)作用于相位給定．

圖3 逆變器并聯(lián)的控制原理

單機(jī)逆變器實(shí)際上是一個(gè)電流調(diào)節(jié)器，在并聯(lián)系統(tǒng)中，將前饋信號變成iL/n，即將每臺UPS輸出的目標(biāo)電流作為電流內(nèi)環(huán)的給定，目標(biāo)的電流的d、q分量分別作用于控制系統(tǒng)的d、q軸，使并聯(lián)系統(tǒng)具有非常好的動(dòng)態(tài)性能．

圖3中的均流調(diào)節(jié)器f(s)采用比例調(diào)節(jié)器．通過上述的方法即可消除環(huán)流中的有功和基波無功成分，但由于采用分散式并聯(lián)，各臺UPS的開關(guān)頻率的差別將導(dǎo)致開關(guān)頻率的環(huán)流產(chǎn)生，本系統(tǒng)采用一根同步信號線，定期(大約1 s)發(fā)送一個(gè)同步信號，消除了并聯(lián)系統(tǒng)的開關(guān)頻率環(huán)流．

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上的原理，設(shè)計(jì)了單機(jī)功率為40 kW UPS系統(tǒng)，系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性，并且具有優(yōu)良的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)均流效果，下面是兩臺UPS并聯(lián)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，包括阻性負(fù)載、整流性負(fù)載和混合性負(fù)載的實(shí)驗(yàn)結(jié)果．

2.1 并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能

空載運(yùn)行往往是最惡劣的運(yùn)行狀況，如果控制不當(dāng)，使環(huán)流中含有有功成分，很可能會(huì)引起吸收有功的UPS直流母線電壓升高，損壞UPS內(nèi)部的電池或直流電容，所以一些廠家的產(chǎn)品中在并聯(lián)時(shí)串聯(lián)一個(gè)電阻消耗這種情況下產(chǎn)生的有功環(huán)流，增加了系統(tǒng)的損耗．本系統(tǒng)無須增加任何耗能元件即可實(shí)現(xiàn)多機(jī)并聯(lián)，完全消除了空載環(huán)流中的有功成分，圖4是本系統(tǒng)的空載環(huán)流．

空載環(huán)流的有效值為0.45 A，從波形中可以看出，通過瞬時(shí)功率控制和開關(guān)頻率同步控制，已經(jīng)完全消除了基波和開關(guān)頻率的紋波，只有少量諧波環(huán)流，是由系統(tǒng)的擾動(dòng)引起的．

圖5中，兩臺UPS的輸出電流分別為29.2 A、29.4 A，總輸出電流為58.55 A，不均流度為0.34%．

圖6中，兩臺UPS的輸出電流分別為46.1 A、46.4 A，總輸出電流為92.45 A，不均流度為0.32%．

圖7中，兩臺UPS的輸出電流分別為31.98 A、32.48 A，總輸出電流為64.45 A，不均流度為0.78%．

圖6 整流性負(fù)載時(shí)的輸出電流波形 圖7 混合性負(fù)載時(shí)的輸出電流波形 (UPS—50A/格；LOAD—100A/格) (UPS—50A/格；LOAD—100A/格)

圖5、6和7都是在三相負(fù)載平衡的情況下進(jìn)行的測試，從以上的波形可以看出，系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)態(tài)性能．

2.2 并聯(lián)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能

對于并聯(lián)系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)比穩(wěn)態(tài)均流精度重要，尤其在突卸負(fù)載時(shí)，容易發(fā)生動(dòng)態(tài)不均流，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致并聯(lián)系統(tǒng)崩潰．并聯(lián)系統(tǒng)的切換過程的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性也是衡量一個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)的重要指標(biāo)，為了保證切換時(shí)間為零，逆變器與旁路在切換過程中必須有小于半個(gè)周波的重疊，所以對并聯(lián)系統(tǒng)的同步跟蹤精度、動(dòng)態(tài)恢復(fù)過程都提出了很高的要求，本系統(tǒng)在保證穩(wěn)態(tài)均流精度的前提下，具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，下面是各種切換過程的波形．

圖8是并聯(lián)系統(tǒng)突加電阻性負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)過程，圖9是并聯(lián)系統(tǒng)突減負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)．從以上的波形可以看出，并聯(lián)系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過程中輸出沒有突變，都比較平滑地從一種狀態(tài)切換至另一種狀態(tài)，系統(tǒng)具有很好的動(dòng)態(tài)性能．

從以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，并聯(lián)系統(tǒng)具有很好的均流精度，空載環(huán)流小于1 A，平衡性負(fù)載時(shí)不均流度小于1%，100%不平衡負(fù)載時(shí)的不均流度略有增加，在各種動(dòng)態(tài)切換過程中都具有很好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)均流特性，說明本文提出的基于瞬時(shí)功率理論的均流方法是一種精度高，穩(wěn)定性好的并聯(lián)控制方法．

圖8 并聯(lián)系統(tǒng)在突加負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)(100A/格) 圖9 并聯(lián)系統(tǒng)在突減整流性負(fù)載的動(dòng)態(tài)響應(yīng)(100A/格)

3 結(jié)論

本文提出了一種基于瞬時(shí)無功理論的全數(shù)字化分散式并聯(lián)方法，給出了具體的實(shí)現(xiàn)手段和算法原理，最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明了這種并聯(lián)方法是一種實(shí)用的、具有很好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的并聯(lián)方法，這種方法具有較好的穩(wěn)定性和負(fù)載適應(yīng)性，適合產(chǎn)品化應(yīng)用．

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