應用在變電站UPS電源的熱插拔式高頻逆變并聯技術

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備有限公司，廣東 深圳 518000）

逆變電源的模塊化及其優化的并聯控制技術，是從傳統的集中式向模塊式發展過程的關鍵技術，該技術的應用將提高逆變電源系統的靈活性，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UPS電源冗余設計，可以顯著提高UPS電源的負載供電質量。

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

1 熱插拔式高頻逆變并聯UPS拓樸結構

本文提出的熱插拔式高頻逆變并聯UPS電源在變電站的應用，采用共用交流和共用直流電源供電的拓撲結構組成熱插拔式高頻逆變并聯獨立UPS電源體系，以提高供電系統的可靠性。拓撲結構如圖1所示。

圖1 拓撲結構

熱插拔式高頻逆變并聯獨立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系統，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均流，在這種并聯控制下的逆變器并聯在一起并不會改變整個并聯系統的諧振頻率，從而也不會影響輸出電壓的波形質量，諧波環流較小。

圖1中，處于并聯狀態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管的開關模式不一致而導致的直流電源短路，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管的開關模式不一致而導致的直流電源短路。

圖2 對稱接法

2 熱插拔式高頻逆變并聯UPS電流控制策略

熱插拔式高頻逆變并聯UPS電源的并聯電流控制是其關鍵技術之一，將多模塊并聯在一起，要求在任意時刻處于并聯運行UPS電源的輸出電壓的幅值、相位和頻率嚴格一致，否則會在并聯模塊之間形成不經負載的環流，最終導致并聯系統崩潰，瞬間均流。

目前熱插拔式高頻逆變并聯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，存在一個集中并聯控制單元，該并聯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，向每臺逆變電源發出同步交流基準指令。各個并聯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，每臺并聯逆變器都含有電流環，因此可以獲得比較好的靜態和動態均流效果。

3 熱插拔式高頻逆變并聯UPS電源均流技術

熱插拔式高頻逆變并聯UPS電源系統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控制器調節電壓頻率和幅值的參考值，即在原有電壓瞬時值內環和有效值外環基礎上再加兩個功率控制環，系統自動檢測逆變器工作臺數，快速計算平均功率，當系統突加或突減一臺時能迅速應對，保證系統繼續穩定運行，實現系統熱插拔功能。在突卸負載時，由于負載的擾動，逆變器并聯系統的環流增大，為了提高逆變電源模塊的輸出電壓波形質量和抗負載電流擾動能力，需采用電壓電流雙閉環控制原理的瞬時均流控制技術，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，iL為電感電流，KIF為電流反饋系數，Uo為輸出。

先將狀態切換到SMC控制，并聯系統轉到SMC控制后，即將進入穩態時并聯系統再轉到PID控制。該聯合控制使動態響應過程比PID短，穩態時輸出電流環流趨于零，這樣可以快速獲得良好的動態過程，同時也可以獲得良好的穩態精度。在逆變器并聯之前，環流實際上就是一臺逆變器的負載電流，在熱并聯的第一瞬間，由于存在初始相位差，環流增大，在SMC的控制下，很快實現兩臺逆變器的負載均分，表現為逆變器之間的環流減小很快。進入穩態之前，并聯逆變器切換到PI控制，可以看出在PI控制下，環流幾乎為零，負載實現均分。在逆變器的熱并入和熱退出的動態過程中，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控制切換邏輯

熱插拔式高頻逆變并聯UPS電源的模塊化和在帶電狀態進行熱插拔設計，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的操作，只能由插拔式高頻逆變并聯UPS電源模塊自身去高度地智能控制，要啟動、判斷已經啟動模塊的工作狀態是在逆變還是旁路、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UPS電源模塊的切換邏輯與處于并聯運行狀態的逆變器之間的動態均流一樣重要，它們一起有機結合完成模塊化并聯UPS電源系統的正常工作。本文采用基于分散邏輯實現熱插拔式高頻逆變并聯UPS電源并聯控制系統的切換邏輯，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UPS電源系統過載，對于瞬間的過載，并聯UPS電源系統可正常工作，但并聯UPS電源系統長期處于過載狀態運行時，則會對其壽命和供電質量產生不利影響，對于處于并聯運行狀態的電源系統，嚴格均分模塊的負載是不可能的，所以，在負載增大時并聯UPS電源系統各模塊單元并不一定同時出現過載。

為了避免處于并聯運行狀態的UPS電源與市電電網道接并聯運行，本文并聯UPS應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UPS電源模塊在發生過載時不會被損壞，其分散旁路策略的結構特點為：處于并聯運行狀態的熱插拔式高頻逆變并聯UPS電源模塊均有自己的旁路供電支路，旁路開關和相應的旁路控制器集成在模塊中，其結構如圖5所示。

以上旁路結構結構簡單、旁路供電容量隨并聯模塊數量的增加而增大、便于擴容，由于旁路控制器分散設計到熱插拔式高頻逆變并聯UPS電源模塊中，單模塊的負載狀態只影響本模塊的狀態，可靠性較高。

6 結論

UPS電源的熱插拔式高頻逆變并聯技術，可以提高UPS電源的供電穩定性和擴容的靈活性，并且可以組成并聯冗余系統，提高UPS電源的可靠性和可維護性，并聯將不斷發展，隨著并聯技術的提高和UPS系統各方面性能的完善，其應用領域會越來越廣泛。

圖5 結構示意圖