基于UPS逆變器并聯(lián)控制技術(shù)的研究

0 引言

不間斷電源UPS(Uninterrupted PowerSupply)出現(xiàn)于上世紀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，并開始為重要負載提供電能保障。隨著用電負載對供電容量、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有了長足的進步，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。

近年來隨著數(shù)字信號處理器的廣泛應(yīng)用，極大地推進了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，是一種主動負載均分技術(shù)，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。

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。

因此對逆變器間環(huán)流進行分析十分重要，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：

設(shè)E1∠φ1、E2∠φ2分別為逆變器1和逆變器2的出電壓;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，負載為R,且負載電壓為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，近似認為X1=X2=X.

得到經(jīng)過簡化后的有功功率和無功功率為：

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。

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。

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，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(PhaseLockLoop)進行鎖相，使得每個逆變器輸出電壓頻率一致;然后檢測負載電流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。[!--empirenews.page--]

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責完成并聯(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。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。

模塊將向網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信號線發(fā)出信號，標志此時系統(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)”.如圖4所示為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，當一個模塊故障退出時，并不影響其他模塊的并聯(lián)運行。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

在有的文獻當中，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。

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，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 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行傳播，當信號傳輸?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。

4.結(jié)論

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。