基于UPS逆變器并聯(lián)控制技術(shù)的研究

不間斷電源UPS(Uninterrupted PowerSupply)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(wèn)題，并開(kāi)始為重要負(fù)載提供電能保障。隨著用電負(fù)載對(duì)供電容量、可靠性方面越來(lái)越高的要求，傳統(tǒng)UPS暴露出了諸如擴(kuò)容難、維修性差不足。為解決這些問(wèn)題并進(jìn)一步滿足用戶對(duì)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(kuò)展性、可靠性和維修性方面較傳統(tǒng)UPS有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，成為未來(lái)UPS發(fā)展的一個(gè)重要方向。實(shí)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(gè)模塊同步輸出，即同幅、同頻、同相，否則在逆變器間將會(huì)產(chǎn)生很大的環(huán)流，對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)造成不良影響甚至崩潰。

近年來(lái)隨著數(shù)字信號(hào)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(shí)現(xiàn)逆變器并聯(lián)均流控制的方法很多，就模塊間有無(wú)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(wú)互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制兩大類(lèi)。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(lái)，是一種主動(dòng)負(fù)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(shí)刻都依靠于一個(gè)控制單元;分散邏輯控制是獨(dú)立控制方式，可實(shí)現(xiàn)模塊自我控制。盡管使用這些控制技術(shù)已經(jīng)相對(duì)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(cuò)的效果，但是模塊間不可或缺的信號(hào)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(kuò)展性。無(wú)互聯(lián)線逆變器控制的主要思想來(lái)源于下垂特性理論。針對(duì)逆變器輸出的有功功率及無(wú)功功率，通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的幅值及頻率，實(shí)現(xiàn)逆變模塊間均流控制，相比有互聯(lián)線控制，由于無(wú)互聯(lián)線控制中逆變模塊之間沒(méi)有互聯(lián)線，每個(gè)模塊只需檢測(cè)本模塊輸出信息，通過(guò)解耦計(jì)算就可直接得到控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)自身的控制，所以基于下垂法的無(wú)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U(xiǎn)PS中每個(gè)逆變模塊的輸出電流應(yīng)相等以實(shí)現(xiàn)輸出功率的均分，然而實(shí)際制作中每個(gè)逆變器模塊的參數(shù)無(wú)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(wú)法在任意時(shí)刻精確相等，導(dǎo)致各逆變模塊間輸出功率均分和電流無(wú)法精確均分，這將引起逆變器模塊間的環(huán)流，對(duì)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?yàn)楫?dāng)模塊間出現(xiàn)環(huán)流時(shí)，有的模塊將吸收有功功率，從而運(yùn)行在整流模式，這將導(dǎo)致直流側(cè)電壓上升，并對(duì)直流側(cè)電容造成損壞。

因此對(duì)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(tái)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(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(yùn)行時(shí)，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(guò)簡(jiǎn)化后的有功功率和無(wú)功功率為：

由此可知，在實(shí)際系統(tǒng)中由于每臺(tái)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(wú)功不均，形成環(huán)流。然而可以通過(guò)對(duì)輸出電壓的幅值和相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)有功無(wú)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(wú)互聯(lián)線而言，可分為兩大類(lèi)，即有互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制和無(wú)互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制。下面將對(duì)這兩類(lèi)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(gè)控制中心，對(duì)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(bǔ)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(cè)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(guò)每個(gè)逆變模塊中的鎖相環(huán)PLL(PhaseLockLoop)進(jìn)行鎖相，使得每個(gè)逆變器輸出電壓頻率一致;然后檢測(cè)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(bǔ)償量，計(jì)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(shí)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(duì)單且易于實(shí)現(xiàn)，但是由于系統(tǒng)共用一個(gè)集中控制中心，一方面使得并聯(lián)系統(tǒng)難以實(shí)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(gè)系統(tǒng)就會(huì)癱瘓，無(wú)法運(yùn)用到大型分布式系統(tǒng)之中。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(wèn)題，開(kāi)始將控制單元做到每臺(tái)逆變電源中，運(yùn)行時(shí)選擇一臺(tái)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(jī)，這就是主從控制基本思想。傳統(tǒng)主從控制主要分為三類(lèi)：?jiǎn)沃鳈C(jī)模式、輪流主機(jī)模式和最大電流主機(jī)模式。并聯(lián)系統(tǒng)工作時(shí)首先起動(dòng)的逆變電源為主機(jī)，行使控制功能，其他逆變電源則為從機(jī)，依照主機(jī)給出的同步基準(zhǔn)信號(hào)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(yùn)行的缺陷，只要仍有逆變電源正常工作，就可切換主機(jī)并繼續(xù)運(yùn)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(hào)線發(fā)出信號(hào)，標(biāo)志此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)已有主機(jī)，同時(shí)閉合開(kāi)關(guān)K,將本模塊計(jì)算得到的控制信號(hào)通過(guò)公共同步基準(zhǔn)信號(hào)線傳遞給其余從模塊;對(duì)于其余從模塊而言，啟動(dòng)時(shí)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)線BL=1,說(shuō)明此時(shí)系統(tǒng)有主機(jī)，則開(kāi)始接收主模塊傳遞的控制信號(hào)對(duì)本模塊進(jìn)行控制。

這樣，主模塊以電壓源逆變器運(yùn)行，而從模塊以電流源逆變器運(yùn)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(shí)，系統(tǒng)中任意一個(gè)從模塊將會(huì)取代主模塊的角色為整個(gè)系統(tǒng)提供輸出電流參考信號(hào)，以避免整個(gè)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(guò)程中系統(tǒng)可能因失去同步而出現(xiàn)大規(guī)模失效，同時(shí)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(shí)刻需要一個(gè)控制單元而造成的穩(wěn)定性和可靠性差的問(wèn)題。人們?cè)O(shè)計(jì)出一種不依賴于集中控制單元或某個(gè)主模塊的控制策略，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立檢測(cè)、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(dú)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(gè)逆變模塊通過(guò)信號(hào)總線接收其余各模塊輸出信息，計(jì)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(shí)際輸出電流與參考輸出電流之差ΔI經(jīng)過(guò)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(guò)鎖相環(huán)對(duì)交流母線電壓鎖相后得到，最后合成輸出電壓參考Uref,實(shí)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(hào)，計(jì)算并得出控制信號(hào)，這種方式可實(shí)現(xiàn)真正的N+1并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)一個(gè)模塊故障退出時(shí)，并不影響其他模塊的并聯(lián)運(yùn)行。相對(duì)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(shí)現(xiàn)擴(kuò)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(gè)系統(tǒng)會(huì)變得復(fù)雜，可靠性低。

3.無(wú)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(wú)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(kāi)始探索一種取消模塊間互聯(lián)線的控制方式，即無(wú)互連線并聯(lián)控制。

3.1 無(wú)互聯(lián)線并聯(lián)控制基本思路

在有的文獻(xiàn)當(dāng)中，無(wú)互聯(lián)線控制技術(shù)又被稱作獨(dú)立控制和下垂控制，其核心思想來(lái)源于大型交流發(fā)電機(jī)實(shí)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(wú)互聯(lián)線控制下模塊檢測(cè)自身輸出電壓和電流，通過(guò)計(jì)算得到本模塊控制信號(hào)并進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)均流。其理論依據(jù)為：如式(7)、(8)推導(dǎo)，通過(guò)利用逆變器輸出有功與輸出電壓頻率、輸出無(wú)功與輸出電壓幅值之間存在下垂關(guān)系，通過(guò)控制輸出電壓的幅值與頻率，調(diào)節(jié)模塊輸出有功無(wú)功。

如圖5所示為無(wú)互聯(lián)線控制原理框圖，使用無(wú)互聯(lián)線控制每個(gè)模塊僅采集本模塊輸出量信息，經(jīng)過(guò)一定算法的計(jì)算后