應(yīng)用在變電站UPS電源的熱插拔式高頻逆變并聯(lián)技術(shù)

紀哲夫，周永光，彭岳云

（1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；2.深圳市錦祥自動化設(shè)備有限公司，廣東 深圳 518000）

逆變電源的模塊化及其優(yōu)化的并聯(lián)控制技術(shù)，是從傳統(tǒng)的集中式向模塊式發(fā)展過程的關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用將提高逆變電源系統(tǒng)的靈活性，打破UPS電源在功率等級上的局限，可以按需進行配置、擴充，既能克服集中式UPS電源的缺限，又能實現(xiàn)UPS電源冗余設(shè)計，可以顯著提高UPS電源的負載供電質(zhì)量。

本文從并聯(lián)原理、電流控制、均流控制、過載控制及其旁路等關(guān)鍵角度討論了UPS電源的熱插拔式高頻逆變并聯(lián)技術(shù)。

1 熱插拔式高頻逆變并聯(lián)UPS拓樸結(jié)構(gòu)

本文提出的熱插拔式高頻逆變并聯(lián)UPS電源在變電站的應(yīng)用，采用共用交流和共用直流電源供電的拓撲結(jié)構(gòu)組成熱插拔式高頻逆變并聯(lián)獨立UPS電源體系，以提高供電系統(tǒng)的可靠性。拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 拓撲結(jié)構(gòu)

熱插拔式高頻逆變并聯(lián)獨立UPS電源是電壓控制型逆變器和電流控制型逆變器的混合并聯(lián)系統(tǒng)，其中電壓控制逆變單元提供輸出需要的電壓，電流控制型逆變單元跟追電壓控制型逆變器的輸出電壓波形，且輸出負載需要的交流電流，所有的逆變器之間自動實現(xiàn)均流，在這種并聯(lián)控制下的逆變器并聯(lián)在一起并不會改變整個并聯(lián)系統(tǒng)的諧振頻率，從而也不會影響輸出電壓的波形質(zhì)量，諧波環(huán)流較小。

圖1中，處于并聯(lián)狀態(tài)逆變器的直流電壓始終保持一致，為避免由于各臺逆變器開關(guān)管的開關(guān)模式不一致而導(dǎo)致的直流電源短路，將濾波電抗器一分為二，即將各逆變模塊單元的濾波電抗器分解為兩個，且采取對稱接法，如圖2所示，這樣能夠避免由于各臺逆變器開關(guān)管的開關(guān)模式不一致而導(dǎo)致的直流電源短路。

圖2 對稱接法

2 熱插拔式高頻逆變并聯(lián)UPS電流控制策略

熱插拔式高頻逆變并聯(lián)UPS電源的并聯(lián)電流控制是其關(guān)鍵技術(shù)之一，將多模塊并聯(lián)在一起，要求在任意時刻處于并聯(lián)運行UPS電源的輸出電壓的幅值、相位和頻率嚴格一致，否則會在并聯(lián)模塊之間形成不經(jīng)負載的環(huán)流，最終導(dǎo)致并聯(lián)系統(tǒng)崩潰，瞬間均流。

目前熱插拔式高頻逆變并聯(lián)UPS電源的電流控制策略有集中控制、主從控制、分散控制和無互連線分散控制等。本文采用集中控制方式，存在一個集中并聯(lián)控制單元，該并聯(lián)控制單元將檢測到的市電頻率和相位作為基準（或者在無市電時自己產(chǎn)生一個頻率和相位基準），再綜合一個輸出電壓基準，向每臺逆變電源發(fā)出同步交流基準指令。各個并聯(lián)逆變器的控制單元檢測負載電流的平均值和自己的實際輸出電流，并求出電流偏差。在各并聯(lián)單元由一個同步信號控制時輸出電壓頻率和相位偏差不大，可以認為各并聯(lián)逆變器單元的電流偏差是由電壓幅值的不一致造成的。所以，將這種電流偏差作為電壓指令的補償量加到各逆變電源單元中，消除電流的不平衡。

在這種方案中，每臺并聯(lián)逆變器都含有電流環(huán)，因此可以獲得比較好的靜態(tài)和動態(tài)均流效果。

3 熱插拔式高頻逆變并聯(lián)UPS電源均流技術(shù)

熱插拔式高頻逆變并聯(lián)UPS電源系統(tǒng)通過控制各模塊的輸出功率無差達到輸出電壓無差，滿足逆變器并聯(lián)條件，各模塊間以平均功率作為功率參考值，將誤差通過PI控制器調(diào)節(jié)電壓頻率和幅值的參考值，即在原有電壓瞬時值內(nèi)環(huán)和有效值外環(huán)基礎(chǔ)上再加兩個功率控制環(huán)，系統(tǒng)自動檢測逆變器工作臺數(shù)，快速計算平均功率，當系統(tǒng)突加或突減一臺時能迅速應(yīng)對，保證系統(tǒng)繼續(xù)穩(wěn)定運行，實現(xiàn)系統(tǒng)熱插拔功能。在突卸負載時，由于負載的擾動，逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流增大，為了提高逆變電源模塊的輸出電壓波形質(zhì)量和抗負載電流擾動能力，需采用電壓電流雙閉環(huán)控制原理的瞬時均流控制技術(shù)，其控制框架如圖3所示。

圖3 控制框圖

圖3中，uref為基準正弦波，uvf為反饋電壓，Kvf為電壓反饋系數(shù)，iL為電感電流，KIF為電流反饋系數(shù)，Uo為輸出。

先將狀態(tài)切換到SMC控制，并聯(lián)系統(tǒng)轉(zhuǎn)到SMC控制后，即將進入穩(wěn)態(tài)時并聯(lián)系統(tǒng)再轉(zhuǎn)到PID控制。該聯(lián)合控制使動態(tài)響應(yīng)過程比PID短，穩(wěn)態(tài)時輸出電流環(huán)流趨于零，這樣可以快速獲得良好的動態(tài)過程，同時也可以獲得良好的穩(wěn)態(tài)精度。在逆變器并聯(lián)之前，環(huán)流實際上就是一臺逆變器的負載電流，在熱并聯(lián)的第一瞬間，由于存在初始相位差，環(huán)流增大，在SMC的控制下，很快實現(xiàn)兩臺逆變器的負載均分，表現(xiàn)為逆變器之間的環(huán)流減小很快。進入穩(wěn)態(tài)之前，并聯(lián)逆變器切換到PI控制，可以看出在PI控制下，環(huán)流幾乎為零，負載實現(xiàn)均分。在逆變器的熱并入和熱退出的動態(tài)過程中，輸出公共母線上的輸出電壓基本保持不變。

4 旁路控制策略及并聯(lián)控制切換邏輯

熱插拔式高頻逆變并聯(lián)UPS電源的模塊化和在帶電狀態(tài)進行熱插拔設(shè)計，模塊之間無連接螺栓，只有一些插頭和插座，投入運行后的所有工作過程和相關(guān)的操作，只能由插拔式高頻逆變并聯(lián)UPS電源模塊自身去高度地智能控制，要啟動、判斷已經(jīng)啟動模塊的工作狀態(tài)是在逆變還是旁路、本模塊需投入到何種供電方式等等。所以熱插拔式高頻逆變并聯(lián)UPS電源模塊的切換邏輯與處于并聯(lián)運行狀態(tài)的逆變器之間的動態(tài)均流一樣重要，它們一起有機結(jié)合完成模塊化并聯(lián)UPS電源系統(tǒng)的正常工作。本文采用基于分散邏輯實現(xiàn)熱插拔式高頻逆變并聯(lián)UPS電源并聯(lián)控制系統(tǒng)的切換邏輯，其控制邏輯如圖4所示。

圖4 控制邏輯框圖

5 過載保護綜合切換邏輯

負載太大會引起并聯(lián)UPS電源系統(tǒng)過載，對于瞬間的過載，并聯(lián)UPS電源系統(tǒng)可正常工作，但并聯(lián)UPS電源系統(tǒng)長期處于過載狀態(tài)運行時，則會對其壽命和供電質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，對于處于并聯(lián)運行狀態(tài)的電源系統(tǒng)，嚴格均分模塊的負載是不可能的，所以，在負載增大時并聯(lián)UPS電源系統(tǒng)各模塊單元并不一定同時出現(xiàn)過載。

為了避免處于并聯(lián)運行狀態(tài)的UPS電源與市電電網(wǎng)道接并聯(lián)運行，本文并聯(lián)UPS應(yīng)用方案中采用的分散旁路策略，使處于熱插拔式高頻逆變并聯(lián)UPS電源模塊在發(fā)生過載時不會被損壞，其分散旁路策略的結(jié)構(gòu)特點為：處于并聯(lián)運行狀態(tài)的熱插拔式高頻逆變并聯(lián)UPS電源模塊均有自己的旁路供電支路，旁路開關(guān)和相應(yīng)的旁路控制器集成在模塊中，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

以上旁路結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、旁路供電容量隨并聯(lián)模塊數(shù)量的增加而增大、便于擴容，由于旁路控制器分散設(shè)計到熱插拔式高頻逆變并聯(lián)UPS電源模塊中，單模塊的負載狀態(tài)只影響本模塊的狀態(tài)，可靠性較高。

6 結(jié)論

UPS電源的熱插拔式高頻逆變并聯(lián)技術(shù)，可以提高UPS電源的供電穩(wěn)定性和擴容的靈活性，并且可以組成并聯(lián)冗余系統(tǒng)，提高UPS電源的可靠性和可維護性，并聯(lián)將不斷發(fā)展，隨著并聯(lián)技術(shù)的提高和UPS系統(tǒng)各方面性能的完善，其應(yīng)用領(lǐng)域會越來越廣泛。

圖5 結(jié)構(gòu)示意圖