0引言

在UPS應(yīng)用中,三相四線制拓?fù)渫ǔＳ糜诳刂茊蜗嗥胶庳?fù)載和三相不平衡負(fù)載。相關(guān)學(xué)者提出通過并聯(lián)三相電壓源逆變器(VSI)來提高系統(tǒng)不間斷供電的可靠性^[1]。VSI并聯(lián)運(yùn)行需要一個(gè)控制系統(tǒng)來保證并聯(lián)結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)轉(zhuǎn),傳統(tǒng)的解決方案基于頻率和電壓降落,控制從VSI到負(fù)載之間的有功功率和無功功率流動(dòng),這種方法提供了更高的可靠性和冗余性,但它存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、電壓調(diào)節(jié)能力不高等不足^[2—3]。

近年來,有學(xué)者提出一種分布式控制策略^[4],可同時(shí)接收所有并聯(lián)單元提供的瞬時(shí)電流信息,該方法的優(yōu)點(diǎn)具有良好的暫態(tài)響應(yīng)和適當(dāng)?shù)呢?fù)載分配, 包括負(fù)載電流的諧波控制。通過該方法,任何一個(gè)逆變器均可在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)接入或退出,而系統(tǒng)其他逆變器可繼續(xù)向負(fù)載提供電源。因此,采用分布式控制策略可以實(shí)現(xiàn)高可靠性和高冗余性。

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

1 三相四線VSI并聯(lián)控制結(jié)構(gòu)

圖1所示為三相四線VSI拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),圖中E₁、E₂為直流側(cè)電壓源,E₁、E₂之和即為直流側(cè)電壓V_dc,R、L、C為濾波器電阻、電感、電容,v_A、v_B和v_C為三相電壓。圖2所示為n個(gè)逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的控制結(jié)構(gòu),由兩個(gè)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(diào)節(jié)施加到負(fù)載上的電壓。電流控制回路負(fù)責(zé)n個(gè)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(shí)現(xiàn)并行控制。在這種情況下,每一個(gè)電壓源逆變器輸出有四根連接線路,可以采集v_A、v_B、v_C 以及i_A、i_B、i_C。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(gè)VSI到負(fù)載的功率流動(dòng)。電壓控制負(fù)責(zé)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(fù)載電流的合理分配,又避免了逆變器在暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的環(huán)流。這種控制策略的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是VSI只需要接收一個(gè)外部信號(hào)(同步參考),以便并聯(lián)連接。控制策略不必在VSI之間交換關(guān)于其操作點(diǎn)的信息。信息流只發(fā)生在一個(gè)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(gè)工作范圍內(nèi)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(shí)施成本上有更多優(yōu)勢(shì):該控制不需要進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算,不需要增加額外的傳感器,也不需要復(fù)雜的通信系統(tǒng),因此,它更容易實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)成本也更低,既可以采用模擬電路,也可以采用數(shù)字電路。但是,在VSI并聯(lián)之前,每個(gè)VSI需要接收同步參考信號(hào),如圖2所示。

2VSI并聯(lián)控制策略

圖3(a)(b)所示為控制系統(tǒng)等效電路和具有電流反饋的并行控制結(jié)構(gòu)。圖中R₀為負(fù)載,v_C為電感電容電壓,v_Cref為電感電容參考電壓,PID[z]為比例積分微分控制器,PWM_k為脈寬調(diào)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(gè)VSI并聯(lián)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為:

將其轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間模型為:

通過拉普拉斯變換,可得并聯(lián)系統(tǒng)在s域內(nèi)的傳遞函數(shù)為:

采用離散時(shí)間PID控制方案對(duì)線路電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),并采用典型設(shè)計(jì)。該P(yáng)ID控制器對(duì)所有相位都是相等的,在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了離散時(shí)間效應(yīng),即采樣、零階保持器、計(jì)算延遲等。其最終結(jié)果為:

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(gè)控制回路只是n個(gè)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(shè)計(jì)一個(gè)控制回路,以確保負(fù)載電流的合理分配,并避免逆變器在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的環(huán)流。該控制回路設(shè)計(jì)采用標(biāo)幺值(p.u.)方法,假設(shè)基準(zhǔn)值為功率 Sb和電壓v_b,則基準(zhǔn)阻抗z_b為:

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

3仿真試驗(yàn)

為評(píng)估所提出的控制策略性能,進(jìn)行了仿真試驗(yàn),動(dòng)穩(wěn)態(tài)結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4(a)(b)(c)為兩個(gè)變流器并聯(lián)時(shí)各相電流,由于這些信號(hào)具有相同的幅度和相位,因此可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的電流分配。圖4(d)為直流側(cè)電流,由于兩種變流器的并行度相似,兩個(gè)變流器之間沒有功率環(huán)流,說明對(duì)彼此負(fù)載供電沒有干擾。如果并行策略不合適,其中一個(gè)變換器會(huì)產(chǎn)生負(fù)直流鏈路電流。圖4(e)顯示了在兩個(gè)變流器并聯(lián)的情況下考慮線性平衡時(shí)的負(fù)載三相電壓,仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出的控制策略是有效的,因?yàn)槿嚯妷簩?duì)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(duì)所有變換器有一個(gè)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(fù)載擾動(dòng)下兩個(gè)逆變器線路電流,可以看到兩種信號(hào)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(dāng)一個(gè)逆變器正在工作時(shí),另一個(gè)突然接通或斷開,設(shè)定兩個(gè)逆變器在0.05S時(shí)刻發(fā)生并聯(lián),可以看出,由于兩個(gè)逆變器適當(dāng)?shù)胤謸?dān)了負(fù)載電流,因此實(shí)現(xiàn)了快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。此外,這一結(jié)果表明,當(dāng)一個(gè)轉(zhuǎn)換器在隔離模式下工作時(shí),可以通過正確的操作,迅速識(shí)別故障逆變器并接入并聯(lián)的其他轉(zhuǎn)換器。圖5(c) 模擬了非線性負(fù)載情況下逆變器電流,這種情況在 UPS應(yīng)用中很常見,仿真結(jié)果表明了并行控制策略在應(yīng)對(duì)非線性負(fù)載時(shí)也具有良好的性能。

4結(jié)論

本文提出了一種三相四線并聯(lián)VSI分布式控制策略,并將其應(yīng)用于UPS中。該控制策略既確保了負(fù)載電流的合理分配,又避免了多個(gè)逆變器在暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的環(huán)流影響。最后通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了兩個(gè)電壓源逆變器并行控制的可行性。

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2024年第21期第22篇