UPS逆變器并聯(lián)控制技術(shù)綜述

龍江濤，路嘉鑫，錢希森，張穎超，趙爭鳴

(1.重慶通信學(xué)院，重慶 400035；2.清華大學(xué) 電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100084)

引言

不間斷電源UPS(Uninterrupted Power Supply)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、可靠性低等問題，并開始為重要負(fù)載提供電能保障。隨著用電負(fù)載對供電容量、可靠性方面越來越高的要求，傳統(tǒng)UPS暴露出了諸如擴容難、維修性差不足。為解決這些問題并進(jìn)一步滿足用戶對電能的質(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，在擴展性、可靠性和維修性方面較傳統(tǒng)UPS有了長足的進(jìn)步[1]，成為未來UPS發(fā)展的一個重要方向。實現(xiàn)模塊化的關(guān)鍵是逆變模塊之間的并聯(lián)均流控制，要求各個模塊同步輸出，即同幅、同頻、同相，否則在逆變器間將會產(chǎn)生很大的環(huán)流，對并聯(lián)系統(tǒng)造成不良影響甚至崩潰[2]。

近年來隨著數(shù)字信號處理器的廣泛應(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。實現(xiàn)逆變器并聯(lián)均流控制的方法很多，就模塊間有無控制連線而言，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，是一種主動負(fù)載均分技術(shù)[3]，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刻都依靠于一個控制單元；分散邏輯控制是獨立控制方式，可實現(xiàn)模塊自我控制。盡管使用這些控制技術(shù)已經(jīng)相對成熟，并且在輸出電壓調(diào)節(jié)和模塊均流方面都取得了不錯的效果，但是模塊間不可或缺的信號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)的可靠性和擴展性。

無互聯(lián)線逆變器控制的主要思想來源于下垂特性理論。針對逆變器輸出的有功功率及無功功率，通過調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的幅值及頻率，實現(xiàn)逆變模塊間均流控制，相比有互聯(lián)線控制，由于無互聯(lián)線控制中逆變模塊之間沒有互聯(lián)線，每個模塊只需檢測本模塊輸出信息，通過解耦計算就可直接得到控制信號實現(xiàn)對自身的控制，所以基于下垂法的無互聯(lián)線控制具有很高的可靠性和靈活性[4]。

1 環(huán)流分析

理想UPS中每個逆變模塊的輸出電流應(yīng)相等以實現(xiàn)輸出功率的均分，然而實際制作中每個逆變器模塊的參數(shù)無法完全一致，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法在任意時刻精確相等，導(dǎo)致各逆變模塊間輸出功率均分和電流無法精確均分，這將引起逆變器模塊間的環(huán)流，對設(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)，因為當(dāng)模塊間出現(xiàn)環(huán)流時，有的模塊將吸收有功功率，從而運行在整流模式，這將導(dǎo)致直流側(cè)電壓上升，并對直流側(cè)電容造成損壞[5]。

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

圖1 兩臺逆變器并聯(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的輸出電壓；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)運行時，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)過簡化后的有功功率和無功功率為：

對式(4)兩邊同時微分可得：

由于 φ<

同理可得：

由此可知，在實際系統(tǒng)中由于每臺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功不均，形成環(huán)流。然而可以通過對輸出電壓的幅值和相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對有功無功的控制。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)控制和無互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制。下面將對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控制中心，對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償量以消除電流的不平衡[6]。

如圖2所示，并聯(lián)控制單元首先檢測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*，通過每個逆變模塊中的鎖相環(huán)PLL(Phase Lock Loop)進(jìn)行鎖相，使得每個逆變器輸出電壓頻率一致；然后檢測負(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作為輸出電壓補償量，計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，其原理相對簡單且易于實現(xiàn)，但是由于系統(tǒng)共用一個集中控制中心，一方面使得并聯(lián)系統(tǒng)難以實現(xiàn)真正的模塊化，另一方面如果該控制單元出現(xiàn)故障，則整個系統(tǒng)就會癱瘓，無法運用到大型分布式系統(tǒng)之中[7]。

2.2 主從控制

人們?yōu)榱私鉀Q集中控制下由于控制中心唯一造成的系統(tǒng)可靠性較差問題，開始將控制單元做到每臺逆變電源中，運行時選擇一臺主控逆變電源，負(fù)責(zé)完成并聯(lián)控制功能，其他逆變電源做從機，這就是主從控制基本思想。傳統(tǒng)主從控制主要分為三類：單主機模式、輪流主機模式和最大電流主機模式[8]。并聯(lián)系統(tǒng)工作時首先起動的逆變電源為主機，行使控制功能，其他逆變電源則為從機，依照主機給出的同步基準(zhǔn)信號工作。這種方式克服了集中控制下控制單元出現(xiàn)故障逆變電源就不能運行的缺陷，只要仍有逆變電源正常工作，就可切換主機并繼續(xù)運行。圖3給出了主從控制原理框圖。

圖2 集中控制原理框圖

圖3 主從控制原理框圖

主從控制系統(tǒng)中增加了并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的傳輸信號線BL、反映模塊狀態(tài)的主從標(biāo)志MI以及可控開關(guān)K，若一個模塊被選為主模塊，則該模塊將向網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信號線發(fā)出信號，標(biāo)志此時系統(tǒng)內(nèi)已有主機，同時閉合開關(guān)K，將本模塊計算得到的控制信號通過公共同步基準(zhǔn)信號線傳遞給其余從模塊；對于其余從模塊而言，啟動時檢測到網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)線BL=1，說明此時系統(tǒng)有主機，則開始接收主模塊傳遞的控制信號對本模塊進(jìn)行控制。

這樣，主模塊以電壓源逆變器運行，而從模塊以電流源逆變器運行。主從控制較集中控制的可靠性有所提高，當(dāng)主模塊失效時，系統(tǒng)中任意一個從模塊將會取代主模塊的角色為整個系統(tǒng)提供輸出電流參考信號，以避免整個系統(tǒng)的失效。然而從主模塊故障，到從模塊切換為主模塊過程中系統(tǒng)可能因失去同步而出現(xiàn)大規(guī)模失效，同時各模塊的控制邏輯判斷電路復(fù)雜，故可靠性不高。

2.3 分散邏輯控制

從集中控制發(fā)展到主從控制，都未能解決系統(tǒng)在任意時刻需要一個控制單元而造成的穩(wěn)定性和可靠性差的問題。人們設(shè)計出一種不依賴于集中控制單元或某個主模塊的控制策略，實現(xiàn)獨立檢測、控制本模塊工作狀態(tài)并合理分配模塊間的輸出功率、抑制環(huán)流的方法，稱為“獨立并聯(lián)控制技術(shù)”[9]。如圖4所示為分散邏輯控制原理框圖。

圖4 分散邏輯控制原理框圖

如圖4所示，單個逆變模塊通過信號總線接收其余各模塊輸出信息，計算后得到輸出電流平均值I/n作為本模塊的參考輸出電流，模塊實際輸出電流與參考輸出電流之差ΔI經(jīng)過電流環(huán)后得到輸出電壓參考幅值U*，輸出電壓參考頻率f*則通過鎖相環(huán)對交流母線電壓鎖相后得到，最后合成輸出電壓參考Uref，實現(xiàn)模塊間的均流控制。

分散邏輯控制綜合系統(tǒng)中各逆變器輸出信號，計算并得出控制信號，這種方式可實現(xiàn)真正的N+1并聯(lián)運行，當(dāng)一個模塊故障退出時，并不影響其他模塊的并聯(lián)運行[10]。相對于集中控制和主從控制，分散邏輯控制去掉了集中控制單元，更容易實現(xiàn)擴容和冗余，可靠性也得到提高，但是作為有互聯(lián)線控制策略的一種，各逆變模塊之間仍存在控制互聯(lián)線，使得整個系統(tǒng)會變得復(fù)雜，可靠性低。

3 無互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制

綜上所述，可以看出隨著有互聯(lián)線控制策略的發(fā)展，逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性和冗余性有了很大提高，但正是模塊間互聯(lián)線的存在，系統(tǒng)不僅可靠性和靈活性仍然受到很大制約，且干擾嚴(yán)重，無法適應(yīng)現(xiàn)代電源從傳統(tǒng)集中式供電到分布式供電的轉(zhuǎn)變，因此人們開始探索一種取消模塊間互聯(lián)線的控制方式，即文獻(xiàn)[11]、[12]提出的無互連線并聯(lián)控制。

3.1 無互聯(lián)線并聯(lián)控制基本思路

在有的文獻(xiàn)當(dāng)中，無互聯(lián)線控制技術(shù)又被稱作獨立控制和下垂控制，其核心思想來源于大型交流發(fā)電機實際工作中輸出電壓頻率隨著輸出功率增加而下降這一現(xiàn)象。無互聯(lián)線控制下模塊檢測自身輸出電壓和電流，通過計算得到本模塊控制信號并進(jìn)行控制，實現(xiàn)均流。其理論依據(jù)為：如式(7)、(8)推導(dǎo)，通過利用逆變器輸出有功與輸出電壓頻率、輸出無功與輸出電壓幅值之間存在下垂關(guān)系，通過控制輸出電壓的幅值與頻率，調(diào)節(jié)模塊輸出有功無功。

圖5 無互聯(lián)線控制原理框圖

如圖5所示為無互聯(lián)線控制原理框圖，使用無互聯(lián)線控制每個模塊僅采集本模塊輸出量信息，經(jīng)過一定算法的計算后就可以形成控制信號，不再需要收集其余逆變模塊狀態(tài)信息，真正實現(xiàn)了模塊間的電氣隔離[13]，整個系統(tǒng)的可靠性和靈活性得到了很大提高，無互聯(lián)線控制的優(yōu)點有：系統(tǒng)中模塊完全獨立，易實現(xiàn)冗余系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠度；系統(tǒng)易實現(xiàn)安裝和擴容；系統(tǒng)抗外界干擾能力加強。但是，無互聯(lián)線控制也存在控制方式復(fù)雜，難于實現(xiàn)高速數(shù)字化等不足。

3.2 功率下垂特性并聯(lián)控制

從式(7)、(8)中，總結(jié)出如下結(jié)論：有功功率P隨著相位角φi的增加而增加，無功功率Q隨著電壓幅值差(E-V)的增加而增加。因此，根據(jù)負(fù)反饋調(diào)節(jié)理論，可以通過減小相位角φi和幅值差(E-V)以抑制輸出有功P和無功Q增加，這就是功率下垂特性法的基本思想，基本控制方程為：

式中：f*、V*分別為逆變器模塊空載時電壓基準(zhǔn)給定的頻率和幅值；kp、kq分別為頻率和幅值下垂系數(shù)，圖6為對應(yīng)式(9)的下垂特性控制曲線。

根據(jù)下垂控制方程(9)，以有功調(diào)節(jié)為例：假設(shè)t0=0時刻，P1＜P2，則根據(jù)輸出有功和相位關(guān)系可知此時φ1＜φ2，根據(jù)控制方程f=f*-mP，可知下一時刻系統(tǒng)輸出電壓頻率f1＞f2，這樣經(jīng)過一個或多個周期調(diào)整，實現(xiàn)φ1=φ2，最終實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出有功平衡；同理可以推出無功功率的均分過程[14]。

使用控制方程(9)，并聯(lián)逆變器將會自動調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值和頻率，實現(xiàn)功率均分。圖7為基于下垂特性的無互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制原理圖。

圖7 基于下垂特性的無互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制原理圖

下垂特性法作為逆變器無互聯(lián)線并聯(lián)控制的基本方法，解決了傳統(tǒng)控制由于模塊間存在互聯(lián)線而導(dǎo)致的系統(tǒng)可靠性低、靈活性差等缺陷。但下垂特性法也有其缺陷，最主要的就是有功功率均分精度和頻率誤差之間的不可調(diào)和性，如圖8所示，為空載頻率相同但頻率下垂系數(shù)不同的兩臺逆變器下垂特性：

圖8 空載頻率相同但頻率下垂系數(shù)不同的兩臺逆變器下垂特性

逆變器下垂系數(shù)m1＞m2，如圖分析可知，當(dāng)兩臺逆變器最終穩(wěn)定并聯(lián)運行時，假設(shè)兩臺逆變器輸出頻率都等于f0，由于下垂系數(shù)的不同導(dǎo)致兩臺逆變器輸出有功存在誤差ΔP，為了讓ΔP減小，可增加m1和m2；但過大增加m1和m2會導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定時輸出頻率f0相對于空載頻率下降過多，可能出現(xiàn)不滿足系統(tǒng)要求的情況。

針對傳統(tǒng)下垂特性法的不足，人們相繼提出了一些改進(jìn)方法，如文獻(xiàn)[15]、[16]所介紹，主要有虛擬阻抗法、諧波注入法等，這些方法都是在下垂特性法的基礎(chǔ)之上提出的，用于解決下垂特性法的不足，提高系統(tǒng)動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。

3.3 基于電力線通信的無互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制

電力線通信并聯(lián)基本思想和分散邏輯控制相同，只不過是通過擴頻芯片將逆變器模塊的信息疊加到交流母線上進(jìn)行傳播，當(dāng)信號傳輸?shù)狡溆嗄孀兡K時，再通過信號解調(diào)芯片將信號分離出來供各逆變器模塊所共享。相對于有連線控制的并聯(lián)系統(tǒng)，電力線通信控制的并聯(lián)系統(tǒng)確實可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且可以獲得較好的均流效果，但是由于采用了信號調(diào)制和解調(diào)芯片，一方面增加了成本，另一方面由于在輸出交流母線上疊加了高頻信號，不僅降低了輸出電壓波形的質(zhì)量，而且控制系統(tǒng)易受到電磁信號的干擾，因此系統(tǒng)的電磁兼容性較差[17]。

4 UPS逆變器并聯(lián)控制技術(shù)優(yōu)缺點比較

集中控制是最早出現(xiàn)的UPS逆變器并聯(lián)控制技術(shù)，其控制思路簡單明了，即設(shè)計一個總控制器對各逆變模塊進(jìn)行集中管理和控制，但由于使用唯一的集中控制模塊，一旦集中控制模塊失效，則整個系統(tǒng)就會崩潰，因此該控制技術(shù)的可靠性較低[18]；為解決集中控制可靠性低的問題，人們提出了主從控制，不再通過唯一的控制模塊進(jìn)行控制，而是隨機或指定將控制權(quán)交給系統(tǒng)中的某個模塊，主從控制相對集中控制提高了系統(tǒng)的可靠性，不足之處在于當(dāng)一個主模塊失效，選取并切換至下一個主模塊之前，系統(tǒng)將處于失控狀態(tài)，可能出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰[19]；針對主從控制在主模塊切換過程中系統(tǒng)可能崩潰，人們提出將逆變控制器分別做到每個逆變模塊之中，即分散邏輯控制，這樣每個逆變模塊實時采集系統(tǒng)中其余運行逆變模塊的輸出信息，計算后得到本模塊控制信號并進(jìn)行控制，實現(xiàn)模塊均流控制，目前市場上大多數(shù)模塊化UPS產(chǎn)品所使用的都是該技術(shù)，這也是最成熟、應(yīng)用最廣泛的逆變器并聯(lián)控制技術(shù)，但是由于逆變模塊間仍然存在互聯(lián)線，因此還是未能解決系統(tǒng)可靠性低、可擴容性差以及無法靈活架構(gòu)的缺陷[20]；逆變器無互聯(lián)線并聯(lián)控制是一種新興技術(shù)，也是現(xiàn)在逆變器并聯(lián)控制領(lǐng)域的研究熱點，其思路主要是根據(jù)下垂特性實現(xiàn)逆變模塊獨立自治，取消模塊間互聯(lián)線，使系統(tǒng)的可靠性和擴容性大幅提升，但該技術(shù)目前仍處于研究階段，實際應(yīng)用的產(chǎn)品很少，而且隨著研究的深入，出現(xiàn)了虛擬阻抗法、諧波注入法等控制方法以提高逆變均流效果，雖然該技術(shù)目前仍不成熟，但可以預(yù)見這將是未來逆變器并聯(lián)技術(shù)的發(fā)展方向。

5 結(jié)論

本文介紹了幾種逆變器并聯(lián)的主要方法，隨著供電模式的改變和用戶對電能質(zhì)量要求的提高，UPS模塊化已成為UPS的發(fā)展方向，而UPS逆變器并聯(lián)控制技術(shù)也成為實現(xiàn)UPS模塊化的核心技術(shù)，縱向比較有互聯(lián)線控制和無互聯(lián)線控制可知道，有互聯(lián)線控制相對比較成熟，但是受到互聯(lián)線的制約，發(fā)展前景極為有限；相反由于模塊間無互聯(lián)線，模塊真正意義上實現(xiàn)了電氣隔離，無互聯(lián)線控制必將成為未來UPS逆變器并聯(lián)控制技術(shù)的發(fā)展方向。

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