三相四線并聯逆變器在UPS中的應用研究

摘要：在不間斷電源（UPS）應用中，電壓源逆變器（VSI）并聯是一種非常常見的解決方案，可以有效提高系統的功率能力和可靠性。鑒于此，提出了針對三相四線并聯逆變器結構的控制策略，主要解決電壓源逆變器并聯時負載電流分配難題，同時能提高系統快速動態響應能力。

關鍵詞：不間斷電源；電壓源逆變器；三相四線

中圖分類號：TM921.02" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）21-0089-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.21.022

0" " 引言

在UPS應用中，三相四線制拓撲通常用于控制單相平衡負載和三相不平衡負載。相關學者提出通過并聯三相電壓源逆變器（VSI）來提高系統不間斷供電的可靠性[1]。VSI并聯運行需要一個控制系統來保證并聯結構的正常運轉，傳統的解決方案基于頻率和電壓降落，控制從VSI到負載之間的有功功率和無功功率流動，這種方法提供了更高的可靠性和冗余性，但它存在動態響應慢、電壓調節能力不高等不足[2-3]。

近年來，有學者提出一種分布式控制策略[4]，可同時接收所有并聯單元提供的瞬時電流信息，該方法的優點具有良好的暫態響應和適當的負載分配，包括負載電流的諧波控制。通過該方法，任何一個逆變器均可在系統運行時接入或退出，而系統其他逆變器可繼續向負載提供電源。因此，采用分布式控制策略可以實現高可靠性和高冗余性。

本文重點研究了一種分布式控制策略，將其應用于三相四線并聯VSI中，以確保負載電流在并聯VSI之間的合理分配，使其在保持不間斷供電的同時，還能快速響應負載變化。

1" " 三相四線VSI并聯控制結構

圖1所示為三相四線VSI拓撲結構，圖中E1、E2為直流側電壓源，E1、E2之和即為直流側電壓Vdc，R、L、C為濾波器電阻、電感、電容，vA、vB和vC為三相電壓。圖2所示為n個逆變器并聯運行時的控制結構，由兩個回路組成，分別是電壓控制回路和電流控制回路。電壓控制回路是不同電壓源逆變器之間的通信鏈路，它調節施加到負載上的電壓。電流控制回路負責n個相互連接的電壓源逆變器之間的電流平衡，也就是說，該回路可以實現并行控制。在這種情況下，每一個電壓源逆變器輸出有四根連接線路，可以采集vA、vB、vC以及iA、iB、iC。線電壓控制回路采用PID控制器，電流控制回路采用比例控制器。

并行控制采用來自輸出濾波器的電感電流來修改同一濾波器的輸入電壓，從而控制每個VSI到負載的功率流動。電壓控制負責控制LC濾波器的輸出電壓，使其與VSI的輸出電壓一致。該控制策略既保證了負載電流的合理分配，又避免了逆變器在暫態和穩態運行時的環流。這種控制策略的一個優點是VSI只需要接收一個外部信號（同步參考），以便并聯連接。控制策略不必在VSI之間交換關于其操作點的信息。信息流只發生在一個方向上：從通信總線到VSI。此外，并行控制不修改用于電壓控制的參考電壓，這一特性使VSI的輸出電壓在整個工作范圍內與參考電壓保持同步。

與其他控制策略相比，這種控制策略在實施成本上有更多優勢：該控制不需要進行復雜的計算，不需要增加額外的傳感器，也不需要復雜的通信系統，因此，它更容易實現，系統成本也更低，既可以采用模擬電路，也可以采用數字電路。但是，在VSI并聯之前，每個VSI需要接收同步參考信號，如圖2所示。

2" " VSI并聯控制策略

圖3（a）（b）所示為控制系統等效電路和具有電流反饋的并行控制結構。圖中R0為負載，vC為電感電容電壓，vCref為電感電容參考電壓，PID[z]為比例積分微分控制器，PWMk為脈寬調制控制器，u為逆變器輸出電壓，i為逆變器輸出電流，K為虛擬阻抗。

考慮功率變換器的單相平均模型，n個VSI并聯系統數學模型為：

L

=uVdc-vC，

C

=i-

（1）

將其轉換為狀態空間模型為：

i

vC= 0" " " -

-

i

vC+

0u（2）

通過拉普拉斯變換，可得并聯系統在s域內的傳遞函數為：

=

，

=

（3）

采用離散時間PID控制方案對線路電壓進行調節，并采用典型設計。該PID控制器對所有相位都是相等的，在設計時考慮了離散時間效應，即采樣、零階保持器、計算延遲等。其最終結果為：

PIDk[z]→=（4）

在并行控制回路中，K為限制線路電流的虛擬阻抗，如圖3（b）所示。這個控制回路只是n個變換器略有不同，理論上它們提供的電壓是相等的，因此，需要設計一個控制回路，以確保負載電流的合理分配，并避免逆變器在瞬態和穩態運行時的環流。該控制回路設計采用標幺值（p.u.）方法，假設基準值為功率Sb和電壓Vb，則基準阻抗Zb為：

Zb=Vb 2/Sb（5）

虛擬阻抗K選取為0.1 p.u.，并聯回路的作用類似于電源變換器濾波電感的串聯阻抗。

3" " 仿真試驗

為評估所提出的控制策略性能，進行了仿真試驗，動穩態結果如圖4、圖5所示。

圖4（a）（b）（c）為兩個變流器并聯時各相電流，由于這些信號具有相同的幅度和相位，因此可以實現相應的電流分配。圖4（d）為直流側電流，由于兩種變流器的并行度相似，兩個變流器之間沒有功率環流，說明對彼此負載供電沒有干擾。如果并行策略不合適，其中一個變換器會產生負直流鏈路電流。圖4（e）顯示了在兩個變流器并聯的情況下考慮線性平衡時的負載三相電壓，仿真結果驗證了所提出的控制策略是有效的，因為三相電壓對稱且維持了平衡。如上所述，所提出的并行分布式控制策略需要對所有變換器有一個共同的參考電壓，如圖4（f）所示，所有變流器都可以參考a相線電壓。

圖5（a）顯示了階躍負載擾動下兩個逆變器線路電流，可以看到兩種信號具有相同的幅值和相位。因此，并行策略保證了均衡的電流分配。圖5（b）模擬了當一個逆變器正在工作時，另一個突然接通或斷開，設定兩個逆變器在0.05 s時刻發生并聯，可以看出，由于兩個逆變器適當地分擔了負載電流，因此實現了快速的動態響應。此外，這一結果表明，當一個轉換器在隔離模式下工作時，可以通過正確的操作，迅速識別故障逆變器并接入并聯的其他轉換器。圖5（c）模擬了非線性負載情況下逆變器電流，這種情況在UPS應用中很常見，仿真結果表明了并行控制策略在應對非線性負載時也具有良好的性能。

4" " 結論

本文提出了一種三相四線并聯VSI分布式控制策略，并將其應用于UPS中。該控制策略既確保了負載電流的合理分配，又避免了多個逆變器在暫態和穩態運行時的環流影響。最后通過仿真試驗驗證了兩個電壓源逆變器并行控制的可行性。

[參考文獻]

[1] 孔祖蔭，張志，王濼涵，等.三相四橋臂逆變器的空間矢量調制研究[J].電子世界，2021（22）：22-23.

[2] 劉思遠.配電網儲能設備并聯運行控制方法與控制特性[D].北京：華北電力大學（北京），2021.

[3] 林燎源.多逆變器并聯均流及功率靈活分配若干關鍵問題研究[D].杭州：浙江大學，2017.

[4] DE D，RAMANARAYANAN V.Decentralized Parallel Operation of Inverters Sharing Unbalanced and Nonlinear Loads[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25（12）：3015-3025.

收稿日期：2024-06-24

作者簡介：王毅（1994—），男，甘肅人，助理工程師，研究方向：高低壓電器產品檢測。

通信作者：裴旭東（1990—），男，甘肅人，高級工程師，研究方向：發輸變電工程及高電壓技術。