基于瞬時無功理論的分散式UPS并聯技術

李桂梅，蘇岱安

(湖南商學院計算機與信息工程學院，中國 長沙 410205)

為了實現大容量UPS的高可靠性，對大容量UPS提出了并聯冗余的需求[1-2]．即N+X臺UPS的輸出線直接并聯，最大負載不超過N臺UPS的容量，當一臺UPS出現故障后，該UPS可以自動退出系統，其余UPS可以承擔所有全部負載，保證了UPS系統的可靠運行，大容量UPS的并聯控制系統當前的主流是分散式并聯[3-6]．本文根據當前UPS并聯系統的發展狀況，結合瞬時功率理論，提出了一種新的分散式并聯控制方法，具有很好的穩態和動態性能．

1 瞬時功率理論

三相電路的瞬時無功功率理論首先于1983年由赤木泰文提出，是以瞬時實功率和瞬時虛功率的定義為基礎的，在本系統中，采用瞬時功率理論作為本算法設計的理論基礎．設三相電路各相電壓和電流的瞬時值分別為ea,eb,ec和ia,ib,ic，為方便分析，將其變換至αβ坐標系下，變換式如下：

(1)

(2)

(3)

綜合上面的等式可以得出

(4)

將檢測到的環流ita,itb,itc代入(4)式，就可以計算出環流引起的有功功率pt和無功功率qt，分別去控制UPS電壓給定的相位和幅值，就可以達到瞬時均流的效果．

1.1 單機逆變器的控制方法

單機逆變器控制方法是基于兩相旋轉坐標系的，坐標系的定向是輸出電壓的空間矢量，為了使算法簡單，并且具有較好的抗干擾特性，實際系統的定向是以內部三相SVPWM基波為基準矢量，根據分析，無論在穩態還是動態情況下，內部的基準矢量與輸出電壓矢量的相位差都可以忽略．

三相逆變器控制系統的設計目標是逆變器輸出電壓具有1%的穩態精度和5%的動態精度，動態恢復時間為60 ms，100%非線性負載時的THD<4%[7]．為了實現這些性能指標，一些文獻提出了很多新的控制方法，例如無差拍控制、重復控制[8]，也有采用狀態觀測器進行反饋控制的方法[9-10]，這些方法在某些確定的條件下的確可以取得很好的效果，但是都存在一個最大的問題，即存在穩定性問題及負載的適應能力較差，難以適應UPS復雜的負載狀況．實際上傳統的電壓電流雙環PID控制就可以實現上述的指標，前提是參數必須配合得當，并且采用一些特殊的手段，如負載電流前饋等，以提高系統的響應速度．PID控制的最大優點在于它的穩定性好，并具有很好的負載適應能力，非常有利于實際的產品化[11]．本系統設計了基于傳統PID控制的矢量控制方法，取得了較好的效果，圖1是本系統的逆變器控制算法的原理框圖．

圖1 逆變器控制算法的原理框圖

控制算法是在d，q坐標系下進行的，d，q坐標系的定向是以輸出電壓給定作為參考值的，將采集到的模擬信號經過A/D轉換，再經過Park變換變換至dq坐標系，穩態時各變量在dq坐標系下為直流量，采用PI調節器可以實現穩態無差控制．控制部分為傳統的雙環控制，內環為電流環(P或PI調節)，外環是電壓環(PI調節)，電壓外環的給定與電壓反饋之差經過PI調節器作為電流內環的給定，電流內環的給定和逆變橋輸出電流之差經過P調節器作為逆變橋輸出電壓的給定．三相逆變橋的開關模式采用空間矢量PWM(SVPWM)的開關方法，可以實現輸出無諧波情況下的最高直流母線電壓利用率，即輸出線電壓的峰值與直流母線電壓相等．

如圖1所示，dq軸電壓給定和電壓反饋之差經過PI調節器，再減去dq軸之間電流的解耦項作為電流內環的電流給定，電流給定與電流反饋之差減去dq軸之間的電壓解耦項作為SVPWM發生器的電壓給定．電壓外環內的解耦項實際上是電容電流預測，電流環內部的解耦項實際上是濾波電感上的壓降．在電壓環內部引入負載電流前饋的作用是抵消非線性負載的影響，降低輸出電壓的THD，將前饋項與反饋項相加，實際上就是電容電流，所以可以看出電流環實際控制的是電容電流．并且在電流調節器的輸出經旋轉—靜止變換后，加上以負載平均電流為基礎的不平衡負載補償算法，以改善逆變器對負載適應性．

控制系統中采用全數字控制，核心控制器為TI公司的DSP—TMS320F240，具有較強大的運算功能和豐富的模擬和數字接口，基本滿足了系統的要求．

1.2 基于瞬時無功理論的并聯方法

1.2.1 UPS的同步方法 并聯的前提是各UPS的輸出電壓的頻率和相位必須保持一致，相位同步需要一個鎖相環(PLL)來實現，各種UPS產品中采用了多種鎖相技術[12]，一般采用模擬控制的UPS采用模擬PLL電路，數字控制的UPS一般采用數字PLL，數字PLL一般以輸入(旁路)電壓每個周波的過零點作為基準，這種方法的缺點在于如果基準電壓發生畸變，可能導致PLL的誤差較大．本系統采用空間電壓矢量的數字鎖相算法，并且在實際系統中得到應用，實驗結果證明這是一種高精度的鎖相方法．

根據上面的分析，三相電壓可以合成為一個空間旋轉矢量，根據三相電壓的瞬時值就可以計算出旋轉矢量的模|e|和幅角φe，

(5)

(6)

輸出電壓的相角φo必須與旁路電壓的相角φb保持一致，同樣采用上面的方法計算出輸出電壓相角φo的正弦和余弦值，通過一個調節器來調節輸出電壓的相位，就可以很好地實現鎖相，原理框圖如圖2所示.

圖2 鎖相原理框圖

由于計算相角要占用很多的資源，所以采用簡化算法，可以使計算效率大幅度提高，即認為：

φb-φo≈sin(φb-φo)=sinφbcosφo-cosφbsinφo.

(7)

采用帶有限幅的P調節器就可以較好的實現鎖相跟蹤，在旁路電壓超出跟蹤范圍時，并聯系統中的一臺UPS輸出50Hz標準正弦電壓，其他UPS以它為基準，同樣采用上面的方法進行鎖相跟蹤．

由于電網的輸出可能帶有很高的諧波成分，所以要求PLL的頻率跟蹤速度必須很慢，對于一般的大容量UPS，PLL的跟蹤速度必須小于1 Hz/s．

1.2.2 UPS的并聯控制方法 并聯控制的目的是消除并聯系統的3種環流——基波環流、開關頻率環流和諧波環流．本系統通過瞬時有功和無功功率的調節來消除環流中的基波成分；通過一根開關頻率同步信號線來消除開關頻率的環流；通過合理地設計均流調節器參數，提高并聯控制穩定性的方法消除諧波環流．

對于UPS來說，輸出電壓的動態響應速度是系統的一個重要指標，為了提高系統的動態響應速度，要求輸出濾波電感越小越好，只要能夠濾除PWM電壓中的高頻紋波成分即可；而從逆變器并聯的角度出發，要求逆變器的動態響應速度不能太快，否則將引起并聯系統不穩定，尤其是逆變器的輸出濾波電感越大越好．

實際系統中采用隔離的環流檢測方法，通過隔離方法檢測輸出的平均電流，即檢測iL/n，將三相的平均電流信號變換至dq坐標系下，同時將iL/n與自身檢測到的負載電流做差，求出環流信號，同樣將環流信號變換至dq坐標系下．獲得以上數據后，就可以實現系統的均流調節，調節方法見圖3．

圖3是并聯算法的原理框圖，整個并聯系統中存在4個調節點，兩個調節點作用于電流內環，一個調節點作用于電壓外環，一個調節點作用于相位給定．

圖3 逆變器并聯的控制原理

單機逆變器實際上是一個電流調節器，在并聯系統中，將前饋信號變成iL/n，即將每臺UPS輸出的目標電流作為電流內環的給定，目標的電流的d、q分量分別作用于控制系統的d、q軸，使并聯系統具有非常好的動態性能．

圖3中的均流調節器f(s)采用比例調節器．通過上述的方法即可消除環流中的有功和基波無功成分，但由于采用分散式并聯，各臺UPS的開關頻率的差別將導致開關頻率的環流產生，本系統采用一根同步信號線，定期(大約1 s)發送一個同步信號，消除了并聯系統的開關頻率環流．

2 實驗結果

根據以上的原理，設計了單機功率為40 kW UPS系統，系統具有很好的穩定性，并且具有優良的穩態和動態均流效果，下面是兩臺UPS并聯的實驗結果，包括阻性負載、整流性負載和混合性負載的實驗結果．

2.1 并聯系統的穩態性能

空載運行往往是最惡劣的運行狀況，如果控制不當，使環流中含有有功成分，很可能會引起吸收有功的UPS直流母線電壓升高，損壞UPS內部的電池或直流電容，所以一些廠家的產品中在并聯時串聯一個電阻消耗這種情況下產生的有功環流，增加了系統的損耗．本系統無須增加任何耗能元件即可實現多機并聯，完全消除了空載環流中的有功成分，圖4是本系統的空載環流．

空載環流的有效值為0.45 A，從波形中可以看出，通過瞬時功率控制和開關頻率同步控制，已經完全消除了基波和開關頻率的紋波，只有少量諧波環流，是由系統的擾動引起的．

圖5中，兩臺UPS的輸出電流分別為29.2 A、29.4 A，總輸出電流為58.55 A，不均流度為0.34%．

圖6中，兩臺UPS的輸出電流分別為46.1 A、46.4 A，總輸出電流為92.45 A，不均流度為0.32%．

圖7中，兩臺UPS的輸出電流分別為31.98 A、32.48 A，總輸出電流為64.45 A，不均流度為0.78%．

圖6 整流性負載時的輸出電流波形 圖7 混合性負載時的輸出電流波形 (UPS—50A/格；LOAD—100A/格) (UPS—50A/格；LOAD—100A/格)

圖5、6和7都是在三相負載平衡的情況下進行的測試，從以上的波形可以看出，系統具有很好的穩態性能．

2.2 并聯系統的動態性能

對于并聯系統，動態穩定性遠遠比穩態均流精度重要，尤其在突卸負載時，容易發生動態不均流，嚴重時可能導致并聯系統崩潰．并聯系統的切換過程的動態調節特性也是衡量一個并聯系統的重要指標，為了保證切換時間為零，逆變器與旁路在切換過程中必須有小于半個周波的重疊，所以對并聯系統的同步跟蹤精度、動態恢復過程都提出了很高的要求，本系統在保證穩態均流精度的前提下，具有很好的動態響應速度，下面是各種切換過程的波形．

圖8是并聯系統突加電阻性負載時的動態過程，圖9是并聯系統突減負載時的動態響應．從以上的波形可以看出，并聯系統在動態過程中輸出沒有突變，都比較平滑地從一種狀態切換至另一種狀態，系統具有很好的動態性能．

從以上的實驗結果看出，并聯系統具有很好的均流精度，空載環流小于1 A，平衡性負載時不均流度小于1%，100%不平衡負載時的不均流度略有增加，在各種動態切換過程中都具有很好的穩定性和動態均流特性，說明本文提出的基于瞬時功率理論的均流方法是一種精度高，穩定性好的并聯控制方法．

圖8 并聯系統在突加負載時的動態響應(100A/格) 圖9 并聯系統在突減整流性負載的動態響應(100A/格)

3 結論

本文提出了一種基于瞬時無功理論的全數字化分散式并聯方法，給出了具體的實現手段和算法原理，最后給出了實驗結果，證明了這種并聯方法是一種實用的、具有很好的穩態和動態性能的并聯方法，這種方法具有較好的穩定性和負載適應性，適合產品化應用．

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