三相四線并聯(lián)逆變器在UPS中的應(yīng)用研究

0引言

在UPS應(yīng)用中,三相四線制拓?fù)渫ǔＳ糜诳刂茊蜗嗥胶庳?fù)載和三相不平衡負(fù)載。相關(guān)學(xué)者提出通過(guò)并聯(lián)三相電壓源逆變器(VSI)來(lái)提高系統(tǒng)不間斷供電的可靠性^[1]。VSI并聯(lián)運(yùn)行需要一個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)保證并聯(lián)結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)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(fù)載之間的有功功率和無(wú)功功率流動(dòng),這種方法提供了更高的可靠性和冗余性,但它存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、電壓調(diào)節(jié)能力不高等不足^[2—3]。

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

本文重點(diǎn)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(fù)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(shí),還能快速響應(yīng)負(fù)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?fù)浣Y(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V_dc,R、L、C為濾波器電阻、電感、電容,v_A、v_B和v_C為三相電壓。圖2所示為n個(gè)逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的控制結(jié)構(gòu),由兩個(gè)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(fù)載上的電壓。電流控制回路負(fù)責(zé)n個(gè)相互連接的電壓源逆變器之間的電流平衡,也就是說(shuō),該回路可以實(shí)現(xiàn)并行控制。在這種情況下,每一個(gè)電壓源逆變器輸出有四根連接線路,可以采集v_A、v_B、v_C 以及i_A、i_B、i_C。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(lái)自輸出濾波器的電感電流來(lái)修改同一濾波器的輸入電壓,從而控制每個(gè)VSI到負(fù)載的功率流動(dòng)。電壓控制負(fù)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(fù)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(yùn)行時(shí)的環(huán)流。這種控制策略的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是VSI只需要接收一個(gè)外部信號(hào)(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(diǎn)的信息。信息流只發(fā)生在一個(gè)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(gè)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(shí)施成本上有更多優(yōu)勢(shì):該控制不需要進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)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(shí)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(gè)VSI需要接收同步參考信號(hào),如圖2所示。

2VSI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(fù)載,v_C為電感電容電壓,v_Cref為電感電容參考電壓,PID[z]為比例積分微分控制器,PWM_k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(gè)VSI并聯(lián)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為:

將其轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間模型為:

通過(guò)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:

采用離散時(shí)間PID控制方案對(duì)線路電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),并采用典型設(shè)計(jì)。該P(yáng)ID控制器對(duì)所有相位都是相等的,在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了離散時(shí)間效應(yīng),即采樣、零階保持器、計(jì)算延遲等。其最終結(jié)果為:

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(gè)控制回路只是n個(gè)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(jì)一個(gè)控制回路,以確保負(fù)載電流的合理分配,并避免逆變器在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的環(huán)流。該控制回路設(shè)計(jì)采用標(biāo)幺值(p.u.)方法,假設(shè)基準(zhǔn)值為功率 Sb和電壓v_b,則基準(zhǔn)阻抗z_b為:

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(yàn)

為評(píng)估所提出的控制策略性能,進(jìn)行了仿真試驗(yàn),動(dòng)穩(wěn)態(tài)結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4(a)(b)(c)為兩個(gè)變流器并聯(lián)時(shí)各相電流,由于這些信號(hào)具有相同的幅度和相位,因此可以實(shí)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(gè)變流器之間沒(méi)有功率環(huán)流,說(shuō)明對(duì)彼此負(fù)載供電沒(méi)有干擾。如果并行策略不合適,其中一個(gè)變換器會(huì)產(chǎn)生負(fù)直流鏈路電流。圖4(e)顯示了在兩個(gè)變流器并聯(lián)的情況下考慮線性平衡時(shí)的負(fù)載三相電壓,仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出的控制策略是有效的,因?yàn)槿嚯妷簩?duì)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(duì)所有變換器有一個(gè)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(fù)載擾動(dòng)下兩個(gè)逆變器線路電流,可以看到兩種信號(hào)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(gè)逆變器正在工作時(shí),另一個(gè)突然接通或斷開(kāi),設(shè)定兩個(gè)逆變器在0.05S時(shí)刻發(fā)生并聯(lián),可以看出,由于兩個(gè)逆變器適當(dāng)?shù)胤謸?dān)了負(fù)載電流,因此實(shí)現(xiàn)了快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。此外,這一結(jié)果表明,當(dāng)一個(gè)轉(zhuǎn)換器在隔離模式下工作時(shí),可以通過(guò)正確的操作,迅速識(shí)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(fù)載情況下逆變器電流,這種情況在 UPS應(yīng)用中很常見(jiàn),仿真結(jié)果表明了并行控制策略在應(yīng)對(duì)非線性負(fù)載時(shí)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(fù)載電流的合理分配,又避免了多個(gè)逆變器在暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的環(huán)流影響。最后通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了兩個(gè)電壓源逆變器并行控制的可行性。

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2024年第21期第22篇