三相四線并聯(lián)逆變器在UPS中的應(yīng)用研究

摘要：在不間斷電源（UPS）應(yīng)用中，電壓源逆變器（VSI）并聯(lián)是一種非常常見的解決方案，可以有效提高系統(tǒng)的功率能力和可靠性。鑒于此，提出了針對三相四線并聯(lián)逆變器結(jié)構(gòu)的控制策略，主要解決電壓源逆變器并聯(lián)時負載電流分配難題，同時能提高系統(tǒng)快速動態(tài)響應(yīng)能力。

關(guān)鍵詞：不間斷電源；電壓源逆變器；三相四線

中圖分類號：TM921.02" " 文獻標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）21-0089-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.21.022

0" " 引言

在UPS應(yīng)用中，三相四線制拓撲通常用于控制單相平衡負載和三相不平衡負載。相關(guān)學(xué)者提出通過并聯(lián)三相電壓源逆變器（VSI）來提高系統(tǒng)不間斷供電的可靠性[1]。VSI并聯(lián)運行需要一個控制系統(tǒng)來保證并聯(lián)結(jié)構(gòu)的正常運轉(zhuǎn)，傳統(tǒng)的解決方案基于頻率和電壓降落，控制從VSI到負載之間的有功功率和無功功率流動，這種方法提供了更高的可靠性和冗余性，但它存在動態(tài)響應(yīng)慢、電壓調(diào)節(jié)能力不高等不足[2-3]。

近年來，有學(xué)者提出一種分布式控制策略[4]，可同時接收所有并聯(lián)單元提供的瞬時電流信息，該方法的優(yōu)點具有良好的暫態(tài)響應(yīng)和適當(dāng)?shù)呢撦d分配，包括負載電流的諧波控制。通過該方法，任何一個逆變器均可在系統(tǒng)運行時接入或退出，而系統(tǒng)其他逆變器可繼續(xù)向負載提供電源。因此，采用分布式控制策略可以實現(xiàn)高可靠性和高冗余性。

本文重點研究了一種分布式控制策略，將其應(yīng)用于三相四線并聯(lián)VSI中，以確保負載電流在并聯(lián)VSI之間的合理分配，使其在保持不間斷供電的同時，還能快速響應(yīng)負載變化。

1" " 三相四線VSI并聯(lián)控制結(jié)構(gòu)

圖1所示為三相四線VSI拓撲結(jié)構(gòu)，圖中E1、E2為直流側(cè)電壓源，E1、E2之和即為直流側(cè)電壓Vdc，R、L、C為濾波器電阻、電感、電容，vA、vB和vC為三相電壓。圖2所示為n個逆變器并聯(lián)運行時的控制結(jié)構(gòu)，由兩個回路組成，分別是電壓控制回路和電流控制回路。電壓控制回路是不同電壓源逆變器之間的通信鏈路，它調(diào)節(jié)施加到負載上的電壓。電流控制回路負責(zé)n個相互連接的電壓源逆變器之間的電流平衡，也就是說，該回路可以實現(xiàn)并行控制。在這種情況下，每一個電壓源逆變器輸出有四根連接線路，可以采集vA、vB、vC以及iA、iB、iC。線電壓控制回路采用PID控制器，電流控制回路采用比例控制器。

并行控制采用來自輸出濾波器的電感電流來修改同一濾波器的輸入電壓，從而控制每個VSI到負載的功率流動。電壓控制負責(zé)控制LC濾波器的輸出電壓，使其與VSI的輸出電壓一致。該控制策略既保證了負載電流的合理分配，又避免了逆變器在暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)運行時的環(huán)流。這種控制策略的一個優(yōu)點是VSI只需要接收一個外部信號（同步參考），以便并聯(lián)連接?？刂撇呗圆槐卦赩SI之間交換關(guān)于其操作點的信息。信息流只發(fā)生在一個方向上：從通信總線到VSI。此外，并行控制不修改用于電壓控制的參考電壓，這一特性使VSI的輸出電壓在整個工作范圍內(nèi)與參考電壓保持同步。

與其他控制策略相比，這種控制策略在實施成本上有更多優(yōu)勢：該控制不需要進行復(fù)雜的計算，不需要增加額外的傳感器，也不需要復(fù)雜的通信系統(tǒng)，因此，它更容易實現(xiàn)，系統(tǒng)成本也更低，既可以采用模擬電路，也可以采用數(shù)字電路。但是，在VSI并聯(lián)之前，每個VSI需要接收同步參考信號，如圖2所示。

2" " VSI并聯(lián)控制策略

圖3（a）（b）所示為控制系統(tǒng)等效電路和具有電流反饋的并行控制結(jié)構(gòu)。圖中R0為負載，vC為電感電容電壓，vCref為電感電容參考電壓，PID[z]為比例積分微分控制器，PWMk為脈寬調(diào)制控制器，u為逆變器輸出電壓，i為逆變器輸出電流，K為虛擬阻抗。

考慮功率變換器的單相平均模型，n個VSI并聯(lián)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為：

L

=uVdc-vC，

C

=i-

（1）

將其轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間模型為：

i

vC= 0" " " -

-

i

vC+

0u（2）

通過拉普拉斯變換，可得并聯(lián)系統(tǒng)在s域內(nèi)的傳遞函數(shù)為：

=

，

=

（3）

采用離散時間PID控制方案對線路電壓進行調(diào)節(jié)，并采用典型設(shè)計。該PID控制器對所有相位都是相等的，在設(shè)計時考慮了離散時間效應(yīng)，即采樣、零階保持器、計算延遲等。其最終結(jié)果為：

PIDk[z]→=（4）

在并行控制回路中，K為限制線路電流的虛擬阻抗，如圖3（b）所示。這個控制回路只是n個變換器略有不同，理論上它們提供的電壓是相等的，因此，需要設(shè)計一個控制回路，以確保負載電流的合理分配，并避免逆變器在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)運行時的環(huán)流。該控制回路設(shè)計采用標(biāo)幺值（p.u.）方法，假設(shè)基準(zhǔn)值為功率Sb和電壓Vb，則基準(zhǔn)阻抗Zb為：

Zb=Vb 2/Sb（5）

虛擬阻抗K選取為0.1 p.u.，并聯(lián)回路的作用類似于電源變換器濾波電感的串聯(lián)阻抗。

3" " 仿真試驗

為評估所提出的控制策略性能，進行了仿真試驗，動穩(wěn)態(tài)結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4（a）（b）（c）為兩個變流器并聯(lián)時各相電流，由于這些信號具有相同的幅度和相位，因此可以實現(xiàn)相應(yīng)的電流分配。圖4（d）為直流側(cè)電流，由于兩種變流器的并行度相似，兩個變流器之間沒有功率環(huán)流，說明對彼此負載供電沒有干擾。如果并行策略不合適，其中一個變換器會產(chǎn)生負直流鏈路電流。圖4（e）顯示了在兩個變流器并聯(lián)的情況下考慮線性平衡時的負載三相電壓，仿真結(jié)果驗證了所提出的控制策略是有效的，因為三相電壓對稱且維持了平衡。如上所述，所提出的并行分布式控制策略需要對所有變換器有一個共同的參考電壓，如圖4（f）所示，所有變流器都可以參考a相線電壓。

圖5（a）顯示了階躍負載擾動下兩個逆變器線路電流，可以看到兩種信號具有相同的幅值和相位。因此，并行策略保證了均衡的電流分配。圖5（b）模擬了當(dāng)一個逆變器正在工作時，另一個突然接通或斷開，設(shè)定兩個逆變器在0.05 s時刻發(fā)生并聯(lián)，可以看出，由于兩個逆變器適當(dāng)?shù)胤謸?dān)了負載電流，因此實現(xiàn)了快速的動態(tài)響應(yīng)。此外，這一結(jié)果表明，當(dāng)一個轉(zhuǎn)換器在隔離模式下工作時，可以通過正確的操作，迅速識別故障逆變器并接入并聯(lián)的其他轉(zhuǎn)換器。圖5（c）模擬了非線性負載情況下逆變器電流，這種情況在UPS應(yīng)用中很常見，仿真結(jié)果表明了并行控制策略在應(yīng)對非線性負載時也具有良好的性能。

4" " 結(jié)論

本文提出了一種三相四線并聯(lián)VSI分布式控制策略，并將其應(yīng)用于UPS中。該控制策略既確保了負載電流的合理分配，又避免了多個逆變器在暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)運行時的環(huán)流影響。最后通過仿真試驗驗證了兩個電壓源逆變器并行控制的可行性。

[參考文獻]

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[3] 林燎源.多逆變器并聯(lián)均流及功率靈活分配若干關(guān)鍵問題研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2017.

[4] DE D，RAMANARAYANAN V.Decentralized Parallel Operation of Inverters Sharing Unbalanced and Nonlinear Loads[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25（12）：3015-3025.

收稿日期：2024-06-24

作者簡介：王毅（1994—），男，甘肅人，助理工程師，研究方向：高低壓電器產(chǎn)品檢測。

通信作者：裴旭東（1990—），男，甘肅人，高級工程師，研究方向：發(fā)輸變電工程及高電壓技術(shù)。