井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)無差拍環(huán)流抑制方法

王玲，　吳濤，　李志忠

(1.國網陜西省電力公司 培訓中心， 陜西 西安　710054;2.國家電網公司 電網接地工程技術實驗室， 陜西 西安　710054)

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井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)無差拍環(huán)流抑制方法

王玲1，吳濤1，李志忠2

(1.國網陜西省電力公司 培訓中心， 陜西 西安710054;2.國家電網公司 電網接地工程技術實驗室， 陜西 西安710054)

為了提升煤礦井下UPS供電系統(tǒng)的可靠性，提出了井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)無差拍環(huán)流抑制方法。首先，建立了UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)拓撲結構的等效離散數(shù)學模型，并重點分析了UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)中存在的零序環(huán)流問題；然后，引入非線性無差拍控制器對零序電流進行平抑處理；最后，通過2×35 kW UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)實驗樣機對該方法進行驗證與分析。實驗結果表明，該方法可有效抑制井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)的零序環(huán)流，且僅需2～5 ms即可實現(xiàn)UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)的冗余性恢復。

礦井UPS并聯(lián)供電； 不間斷電源； 環(huán)流抑制； 無差拍控制

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1032.016.html

0　引言

煤礦井下UPS供電系統(tǒng)是煤礦發(fā)生安全事故后確保相關安全監(jiān)控和生命保障裝置運行的重要設備，是遇險的井下工作人員的重要生存依仗。UPS供電系統(tǒng)的自身可靠性、可恢復性對整個備用供電系統(tǒng)尤為重要[1-4]。目前，UPS供電系統(tǒng)多采取N組逆變單元并聯(lián)式結構，具有冗余性、可擴展性、高可靠性及易維護等優(yōu)點[5-6]。然而，各UPS逆變單元因其工作狀態(tài)不同步或系統(tǒng)單元參數(shù)不同，UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)在低頻段存在極低阻抗的環(huán)流通路，將造成系統(tǒng)出現(xiàn)不均流現(xiàn)象，甚至造成UPS逆變單元中功率器件過流損壞[7-10]。

針對煤礦井下惡劣環(huán)境對UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)可靠性、自恢復性提出的特殊要求，本文提出了一種井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)無差拍環(huán)流抑制方法。首先，建立UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)拓撲結構的等效離散數(shù)學模型，并對UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)中存在的高頻、零序環(huán)流問題進行重點分析；為滿足井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)單元故障下的快速自恢復特性，引入非線性無差拍控制器對零序電流進行前饋補償；最后，基于2×35 kW UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)實驗樣機對該方法進行驗證與分析。實驗結果表明，該方法可充分發(fā)揮井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)的冗余特性，僅需2～5 ms即可實現(xiàn)井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)的在線自恢復。

1　UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)建模

煤礦井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)多采用“一用一備”的雙機組并聯(lián)式結構，雙模塊UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1　雙模塊UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)結構

雙模塊UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)采用共直流母線供電方式，將每個逆變模塊等效為一個電壓源和內阻抗串聯(lián)電路，假設各個并聯(lián)模塊的輸出阻抗相同，則可建立UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)平均輸出電壓方程：

(1)

式中：uavg為并聯(lián)逆變模塊的平均輸出電壓；uabc1，uabc2為并聯(lián)逆變模塊的輸出端口電壓。

同時，可定義UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)等效環(huán)流表達式為

(2)

式中：iz為UPS逆變模塊對應的零序環(huán)流；Z1、Z2為并聯(lián)逆變模塊內阻抗。

為了簡化三相UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)模型，將模型的坐標系由三相靜止坐標系變換到兩相同步旋轉坐標系。由于UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)存在零序電壓分量，同時零序電路的低阻抗特性將使UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)中出現(xiàn)零序環(huán)流，為此，在常規(guī)的二維坐標中須引入附加的z軸分量，即

(3)

式中：X為系統(tǒng)狀態(tài)變量；T為坐標變換矩陣。

根據(jù)式(1)—式(3)，可重寫共直流母線UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)在同步旋轉dqz坐標系下的數(shù)學模型：

(4)

(5)

(6)

式中：idqz1，idqz2分別為UPS模塊1、模塊2的dqz坐標分量；ω為UPS模塊輸出電壓角頻率；edq為負載反電動勢dq軸分量；Δdz為UPS模塊的零軸電壓占空比；udc為直流母線電壓；ddq1,ddq2分別為UPS模塊1、模塊2的dp軸占空比；L1，L2分別為UPS模塊1、模塊2的輸出電感。

圖2給出了UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)電流dqz軸分解示意，UPS模塊內電流在dqz坐標系下已出現(xiàn)嚴重畸變，呈不規(guī)則曲線，但電流在dq坐標系下仍為標準電流圓，電流幅值|idq|為額定負載1 pu。反觀此時dz坐標系下的電流分量，其z軸電流分量幅值也同樣達到1 pu，即UPS單模塊電流幅值達到1.414 pu，將造成UPS保護單元誤動作，甚至會造成主電路功率單元過流、過熱損壞。

圖2　UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)電流dqz軸分解示意

2　無差拍環(huán)流抑制方法

根據(jù)前文分析可知，對于煤礦井下雙模塊UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)，當其出現(xiàn)不一致的低頻零序電壓誤差時，由于此時環(huán)流路徑為低阻抗回路，即使零序電壓很小，也會在UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)雙模塊之間產生極大的環(huán)流。為此，引入非線性無差拍控制器對零序電流iz分量進行平抑處理。

根據(jù)式(6)可知，產生UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)零序環(huán)流的關鍵在于其不一致的零序分量。為此，需從SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空間矢量脈寬調制)七段式導通機理出發(fā)進行分析，如圖3所示。對于采用SVPWM方式的控制系統(tǒng)，其3個上橋臂導通的時間分別為daTs、dbTs、dcTs(Ts為系統(tǒng)控制周期)，為了保證UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)可靠運行，需要保持空間合成矢量占空比不變，因而d1、d2不能發(fā)生改變。但通過調節(jié)零矢量(000)和(111)的作用時間d0，能夠改變UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)的零序分量，即

(7)

式中：dz為零序電壓占空比；da，db，dc為abc三相電壓占空比；d1，d2，d0分別為SVPWM主、次、零矢量占空比；y為七段式調制零矢量修正量。

圖3　SVPWM調制方式下的七段式導通時間

因此，可求得UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)零序電壓誤差值為

(8)

式中：dz1，dz2分別為UPS模塊1和模塊2的零序電壓占空比；d11，d21分別為UPS模塊1和模塊2的主電壓占空比；d12，d22分別為UPS模塊1和模塊2的次電壓占空比；d01，d02分別為UPS模塊1和模塊2的零序電壓占空比。

在此基礎上，可直接建立同步旋轉dqz坐標系下的零序電流iz的微分方程：

(9)

考慮到實際UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)逆變單元的開關特性，根據(jù)等效前項差分原理對式(9)進行離散化建模，得

(10)

式中iz1(k)、iz1(k+1)分別為第k、第k+1時刻的UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)零序電流分量。

至此，可求得k時刻精確抑制UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)零序環(huán)流的零電壓矢量修正量為

(11)

式中iz1_ref(k)為零序電流分量期望值。

3　實驗驗證

為了驗證所提無差拍控制環(huán)流抑制方法的可行性和有效性，搭建了2×35 kW UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)實驗樣機。

井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能測試結果如圖5所示。圖5(a)中,uinv為UPS模塊輸出電壓，uout為LC正弦濾波器后端輸出電壓。由圖5(a)可知，LC濾波單元有效消除了UPS逆變單元中的高頻諧波分量，UPS模塊輸出電壓滿足幅值穩(wěn)定、正弦度高的電能指標。圖5(b)中,ia為UPS模塊A相輸出電流，iz為雙UPS模塊之間的零序環(huán)流。UPS模塊工作在滿載狀態(tài)，電流幅值達到54 A,零序環(huán)流iz的最大幅值僅為5 A，占UPS模塊額定值的9.26%，雙UPS機組均流特性良好。圖5(c)為UPS模塊輸出電壓uout頻譜分析結果，其中電壓總畸變率為4.2%，且3、5、7次低頻諧波分量低，滿足IEEE-754對UPS電源提出的指標要求。

圖4　基于無差拍控制的井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)整體控制結構

(a) UPS模塊輸出電壓

(b) UPS模塊A相輸出電流及UPS模塊之間的零序環(huán)流

(c) UPS模塊輸出電壓頻譜分析結果

井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)動態(tài)投切測試結果如圖6所示。圖6(a)中，在25 ms時，UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)由1號、2號雙機協(xié)同供電切換至1號單機供電方式，此時，1號單機單獨向負載通風機供電，起到冗余備用保護功能，承擔負載通風機全部電流，三相電流幅值|iabc|也在該時刻階躍為2倍。圖6(b)給出了動態(tài)切換過程中UPS模塊內部A相輸出電流ia和UPS模塊之間零序環(huán)流iz的解耦過程，可以看出滿載切換過程耗時僅為3 ms，且零序環(huán)流iz并未出現(xiàn)瞬時突增、突減問題，可見無差拍控制的井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)動態(tài)性能優(yōu)異；圖6(c)為不同負載、不同功率因數(shù)特性下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)自恢復時間統(tǒng)計結果，當功率因數(shù)cosφ=0.2時，出現(xiàn)響應時間峰值，即便如此，該值也僅為5 ms，滿足礦山設備動態(tài)備用供電響應時間要求。

(a) 單、雙機動態(tài)切換過程

(b) UPS模塊A相輸出電流及UPS模塊之間

(c) UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)自恢復時間統(tǒng)計結果

4　結語

為了滿足煤礦井下惡劣環(huán)境對UPS供電系統(tǒng)可靠性、自恢復性的特殊要求，提出了一種井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)無差拍環(huán)流抑制方法，并基于2×35 kW UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)實驗樣機對該方法進行了驗證與分析。實驗結果表明，該方法具備優(yōu)異的零序環(huán)流抑制效果，且僅需2～5 ms即可實現(xiàn)井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)的在線自恢復。

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Dead-beat circulating current suppression method of underground UPS paralleling power supply system

WANG Ling1,WU Tao1,LI Zhizhong2

(1.Training Center, State Grid Shannxi Elecctric Power Company, Xi'an 710054, China;2.Power Grounding Engineering Laboratory, State Grid Corporation, Xi'an 710054, China)

In order to improve reliability of underground UPS power supply system, a dead-beat circulating current suppression method of underground UPS paralleling power supply system was put forward. Firstly, an equivalent discrete mathematical model of UPS paralleling power supply system topology was established, and zero sequence circulating current in paralleling power supply system was emphatically analyzed. Then, nonlinear dead-beat controller was introduced to control and process zero sequence current. Finally, verification and analysis of the method were done by prototype of 2×35 kW UPS paralleling power supply system. The experimental results show that the method can effectively inhibit zero sequence current of underground UPS paralleling power supply system， and realize redundancy restoration of UPS paralleling power system in 2-5 ms.

mine UPS paralleling power supply； UPS； circulating current suppression； dead-beat control

1671-251X(2016)06-0070-05

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.06.017

2016-01-12；

2016-04-22；責任編輯：張強。

國家自然科學基金面上項目(E070303)。

王玲(1983-)，女，山西大同人，講師，碩士，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護及自控技術，E-mail:sxdw_wl@126.com。

TD611

A網絡出版時間：2016-06-01 10:32

王玲，吳濤，李志忠.井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)無差拍環(huán)流抑制方法[J].工礦自動化，2016,42(6)：70-74.