李桂梅，蘇岱安

(湖南商學院計算機與信息工程學院，中國 長沙 410205)

為了實現(xiàn)大容量UPS的高可靠性，對大容量UPS提出了并聯(lián)冗余的需求[1-2]．即N+X臺UPS的輸出線直接并聯(lián)，最大負載不超過N臺UPS的容量，當一臺UPS出現(xiàn)故障后，該UPS可以自動退出系統(tǒng)，其余UPS可以承擔所有全部負載，保證了UPS系統(tǒng)的可靠運行，大容量UPS的并聯(lián)控制系統(tǒng)當前的主流是分散式并聯(lián)[3-6]．本文根據(jù)當前UPS并聯(lián)系統(tǒng)的發(fā)展狀況，結合瞬時功率理論，提出了一種新的分散式并聯(lián)控制方法，具有很好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能．

1 瞬時功率理論

三相電路的瞬時無功功率理論首先于1983年由赤木泰文提出，是以瞬時實功率和瞬時虛功率的定義為基礎的，在本系統(tǒng)中，采用瞬時功率理論作為本算法設計的理論基礎．設三相電路各相電壓和電流的瞬時值分別為ea,eb,ec和ia,ib,ic，為方便分析，將其變換至αβ坐標系下，變換式如下：

(1)

(2)

(3)

綜合上面的等式可以得出

(4)

將檢測到的環(huán)流ita,itb,itc代入(4)式，就可以計算出環(huán)流引起的有功功率pt和無功功率qt，分別去控制UPS電壓給定的相位和幅值，就可以達到瞬時均流的效果．

1.1 單機逆變器的控制方法

單機逆變器控制方法是基于兩相旋轉坐標系的，坐標系的定向是輸出電壓的空間矢量，為了使算法簡單，并且具有較好的抗干擾特性，實際系統(tǒng)的定向是以內(nèi)部三相SVPWM基波為基準矢量，根據(jù)分析，無論在穩(wěn)態(tài)還是動態(tài)情況下，內(nèi)部的基準矢量與輸出電壓矢量的相位差都可以忽略．

三相逆變器控制系統(tǒng)的設計目標是逆變器輸出電壓具有1%的穩(wěn)態(tài)精度和5%的動態(tài)精度，動態(tài)恢復時間為60 ms，100%非線性負載時的THD<4%[7]．為了實現(xiàn)這些性能指標，一些文獻提出了很多新的控制方法，例如無差拍控制、重復控制[8]，也有采用狀態(tài)觀測器進行反饋控制的方法[9-10]，這些方法在某些確定的條件下的確可以取得很好的效果，但是都存在一個最大的問題，即存在穩(wěn)定性問題及負載的適應能力較差，難以適應UPS復雜的負載狀況．實際上傳統(tǒng)的電壓電流雙環(huán)PID控制就可以實現(xiàn)上述的指標，前提是參數(shù)必須配合得當，并且采用一些特殊的手段，如負載電流前饋等，以提高系統(tǒng)的響應速度．PID控制的最大優(yōu)點在于它的穩(wěn)定性好，并具有很好的負載適應能力，非常有利于實際的產(chǎn)品化[11]．本系統(tǒng)設計了基于傳統(tǒng)PID控制的矢量控制方法，取得了較好的效果，圖1是本系統(tǒng)的逆變器控制算法的原理框圖．

圖1 逆變器控制算法的原理框圖

控制算法是在d，q坐標系下進行的，d，q坐標系的定向是以輸出電壓給定作為參考值的，將采集到的模擬信號經(jīng)過A/D轉換，再經(jīng)過Park變換變換至dq坐標系，穩(wěn)態(tài)時各變量在dq坐標系下為直流量，采用PI調節(jié)器可以實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無差控制．控制部分為傳統(tǒng)的雙環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)(P或PI調節(jié))，外環(huán)是電壓環(huán)(PI調節(jié))，電壓外環(huán)的給定與電壓反饋之差經(jīng)過PI調節(jié)器作為電流內(nèi)環(huán)的給定，電流內(nèi)環(huán)的給定和逆變橋輸出電流之差經(jīng)過P調節(jié)器作為逆變橋輸出電壓的給定．三相逆變橋的開關模式采用空間矢量PWM(SVPWM)的開關方法，可以實現(xiàn)輸出無諧波情況下的最高直流母線電壓利用率，即輸出線電壓的峰值與直流母線電壓相等．

如圖1所示，dq軸電壓給定和電壓反饋之差經(jīng)過PI調節(jié)器，再減去dq軸之間電流的解耦項作為電流內(nèi)環(huán)的電流給定，電流給定與電流反饋之差減去dq軸之間的電壓解耦項作為SVPWM發(fā)生器的電壓給定．電壓外環(huán)內(nèi)的解耦項實際上是電容電流預測，電流環(huán)內(nèi)部的解耦項實際上是濾波電感上的壓降．在電壓環(huán)內(nèi)部引入負載電流前饋的作用是抵消非線性負載的影響，降低輸出電壓的THD，將前饋項與反饋項相加，實際上就是電容電流，所以可以看出電流環(huán)實際控制的是電容電流．并且在電流調節(jié)器的輸出經(jīng)旋轉—靜止變換后，加上以負載平均電流為基礎的不平衡負載補償算法，以改善逆變器對負載適應性．

控制系統(tǒng)中采用全數(shù)字控制，核心控制器為TI公司的DSP—TMS320F240，具有較強大的運算功能和豐富的模擬和數(shù)字接口，基本滿足了系統(tǒng)的要求．

1.2 基于瞬時無功理論的并聯(lián)方法

1.2.1 UPS的同步方法 并聯(lián)的前提是各UPS的輸出電壓的頻率和相位必須保持一致，相位同步需要一個鎖相環(huán)(PLL)來實現(xiàn)，各種UPS產(chǎn)品中采用了多種鎖相技術[12]，一般采用模擬控制的UPS采用模擬PLL電路，數(shù)字控制的UPS一般采用數(shù)字PLL，數(shù)字PLL一般以輸入(旁路)電壓每個周波的過零點作為基準，這種方法的缺點在于如果基準電壓發(fā)生畸變，可能導致PLL的誤差較大．本系統(tǒng)采用空間電壓矢量的數(shù)字鎖相算法，并且在實際系統(tǒng)中得到應用，實驗結果證明這是一種高精度的鎖相方法．

根據(jù)上面的分析，三相電壓可以合成為一個空間旋轉矢量，根據(jù)三相電壓的瞬時值就可以計算出旋轉矢量的模|e|和幅角φe，

(5)

(6)

輸出電壓的相角φo必須與旁路電壓的相角φb保持一致，同樣采用上面的方法計算出輸出電壓相角φo的正弦和余弦值，通過一個調節(jié)器來調節(jié)輸出電壓的相位，就可以很好地實現(xiàn)鎖相，原理框圖如圖2所示.

圖2 鎖相原理框圖

由于計算相角要占用很多的資源，所以采用簡化算法，可以使計算效率大幅度提高，即認為：

φb-φo≈sin(φb-φo)=sinφbcosφo-cosφbsinφo.

(7)

采用帶有限幅的P調節(jié)器就可以較好的實現(xiàn)鎖相跟蹤，在旁路電壓超出跟蹤范圍時，并聯(lián)系統(tǒng)中的一臺UPS輸出50Hz標準正弦電壓，其他UPS以它為基準，同樣采用上面的方法進行鎖相跟蹤．

由于電網(wǎng)的輸出可能帶有很高的諧波成分，所以要求PLL的頻率跟蹤速度必須很慢，對于一般的大容量UPS，PLL的跟蹤速度必須小于1 Hz/s．

1.2.2 UPS的并聯(lián)控制方法 并聯(lián)控制的目的是消除并聯(lián)系統(tǒng)的3種環(huán)流——基波環(huán)流、開關頻率環(huán)流和諧波環(huán)流．本系統(tǒng)通過瞬時有功和無功功率的調節(jié)來消除環(huán)流中的基波成分；通過一根開關頻率同步信號線來消除開關頻率的環(huán)流；通過合理地設計均流調節(jié)器參數(shù)，提高并聯(lián)控制穩(wěn)定性的方法消除諧波環(huán)流．

對于UPS來說，輸出電壓的動態(tài)響應速度是系統(tǒng)的一個重要指標，為了提高系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，要求輸出濾波電感越小越好，只要能夠濾除PWM電壓中的高頻紋波成分即可；而從逆變器并聯(lián)的角度出發(fā)，要求逆變器的動態(tài)響應速度不能太快，否則將引起并聯(lián)系統(tǒng)不穩(wěn)定，尤其是逆變器的輸出濾波電感越大越好．

實際系統(tǒng)中采用隔離的環(huán)流檢測方法，通過隔離方法檢測輸出的平均電流，即檢測iL/n，將三相的平均電流信號變換至dq坐標系下，同時將iL/n與自身檢測到的負載電流做差，求出環(huán)流信號，同樣將環(huán)流信號變換至dq坐標系下．獲得以上數(shù)據(jù)后，就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的均流調節(jié)，調節(jié)方法見圖3．

圖3是并聯(lián)算法的原理框圖，整個并聯(lián)系統(tǒng)中存在4個調節(jié)點，兩個調節(jié)點作用于電流內(nèi)環(huán)，一個調節(jié)點作用于電壓外環(huán)，一個調節(jié)點作用于相位給定．

圖3 逆變器并聯(lián)的控制原理

單機逆變器實際上是一個電流調節(jié)器，在并聯(lián)系統(tǒng)中，將前饋信號變成iL/n，即將每臺UPS輸出的目標電流作為電流內(nèi)環(huán)的給定，目標的電流的d、q分量分別作用于控制系統(tǒng)的d、q軸，使并聯(lián)系統(tǒng)具有非常好的動態(tài)性能．

圖3中的均流調節(jié)器f(s)采用比例調節(jié)器．通過上述的方法即可消除環(huán)流中的有功和基波無功成分，但由于采用分散式并聯(lián)，各臺UPS的開關頻率的差別將導致開關頻率的環(huán)流產(chǎn)生，本系統(tǒng)采用一根同步信號線，定期(大約1 s)發(fā)送一個同步信號，消除了并聯(lián)系統(tǒng)的開關頻率環(huán)流．

2 實驗結果

根據(jù)以上的原理，設計了單機功率為40 kW UPS系統(tǒng)，系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性，并且具有優(yōu)良的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)均流效果，下面是兩臺UPS并聯(lián)的實驗結果，包括阻性負載、整流性負載和混合性負載的實驗結果．

2.1 并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能

空載運行往往是最惡劣的運行狀況，如果控制不當，使環(huán)流中含有有功成分，很可能會引起吸收有功的UPS直流母線電壓升高，損壞UPS內(nèi)部的電池或直流電容，所以一些廠家的產(chǎn)品中在并聯(lián)時串聯(lián)一個電阻消耗這種情況下產(chǎn)生的有功環(huán)流，增加了系統(tǒng)的損耗．本系統(tǒng)無須增加任何耗能元件即可實現(xiàn)多機并聯(lián)，完全消除了空載環(huán)流中的有功成分，圖4是本系統(tǒng)的空載環(huán)流．

空載環(huán)流的有效值為0.45 A，從波形中可以看出，通過瞬時功率控制和開關頻率同步控制，已經(jīng)完全消除了基波和開關頻率的紋波，只有少量諧波環(huán)流，是由系統(tǒng)的擾動引起的．

圖5中，兩臺UPS的輸出電流分別為29.2 A、29.4 A，總輸出電流為58.55 A，不均流度為0.34%．

圖6中，兩臺UPS的輸出電流分別為46.1 A、46.4 A，總輸出電流為92.45 A，不均流度為0.32%．

圖7中，兩臺UPS的輸出電流分別為31.98 A、32.48 A，總輸出電流為64.45 A，不均流度為0.78%．

圖6 整流性負載時的輸出電流波形 圖7 混合性負載時的輸出電流波形 (UPS—50A/格；LOAD—100A/格) (UPS—50A/格；LOAD—100A/格)

圖5、6和7都是在三相負載平衡的情況下進行的測試，從以上的波形可以看出，系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)態(tài)性能．

2.2 并聯(lián)系統(tǒng)的動態(tài)性能

對于并聯(lián)系統(tǒng)，動態(tài)穩(wěn)定性遠遠比穩(wěn)態(tài)均流精度重要，尤其在突卸負載時，容易發(fā)生動態(tài)不均流，嚴重時可能導致并聯(lián)系統(tǒng)崩潰．并聯(lián)系統(tǒng)的切換過程的動態(tài)調節(jié)特性也是衡量一個并聯(lián)系統(tǒng)的重要指標，為了保證切換時間為零，逆變器與旁路在切換過程中必須有小于半個周波的重疊，所以對并聯(lián)系統(tǒng)的同步跟蹤精度、動態(tài)恢復過程都提出了很高的要求，本系統(tǒng)在保證穩(wěn)態(tài)均流精度的前提下，具有很好的動態(tài)響應速度，下面是各種切換過程的波形．

圖8是并聯(lián)系統(tǒng)突加電阻性負載時的動態(tài)過程，圖9是并聯(lián)系統(tǒng)突減負載時的動態(tài)響應．從以上的波形可以看出，并聯(lián)系統(tǒng)在動態(tài)過程中輸出沒有突變，都比較平滑地從一種狀態(tài)切換至另一種狀態(tài)，系統(tǒng)具有很好的動態(tài)性能．

從以上的實驗結果看出，并聯(lián)系統(tǒng)具有很好的均流精度，空載環(huán)流小于1 A，平衡性負載時不均流度小于1%，100%不平衡負載時的不均流度略有增加，在各種動態(tài)切換過程中都具有很好的穩(wěn)定性和動態(tài)均流特性，說明本文提出的基于瞬時功率理論的均流方法是一種精度高，穩(wěn)定性好的并聯(lián)控制方法．

圖8 并聯(lián)系統(tǒng)在突加負載時的動態(tài)響應(100A/格) 圖9 并聯(lián)系統(tǒng)在突減整流性負載的動態(tài)響應(100A/格)

3 結論

本文提出了一種基于瞬時無功理論的全數(shù)字化分散式并聯(lián)方法，給出了具體的實現(xiàn)手段和算法原理，最后給出了實驗結果，證明了這種并聯(lián)方法是一種實用的、具有很好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能的并聯(lián)方法，這種方法具有較好的穩(wěn)定性和負載適應性，適合產(chǎn)品化應用．

參考文獻：

[1] 段樹成.UPS并聯(lián)冗余技術的應用案例[J]. 自動化應用, 2011(3):3-6.

[2] 胡治中,鄧麗芳.UPS的冗余連接及應用維護[J]. 江西電力, 2009,33(4):39-41.

[3] 單鴻濤,康 勇, 段善旭,等.新型模塊化UPS并聯(lián)數(shù)字均流控制技術研究[J]. 電氣傳動, 2008,38(5):39-42.

[4] 馬運東,王 爽,王 芳,等.應用功率加權表決的逆變器并聯(lián)同步控制[J]. 電工技術學報, 2011,26(3):110-115.

[5] 張 強,姚緒梁,張敬南. 大功率直流電源并聯(lián)運行的均流控制[J]. 電力電子技術, 2011,45(3):73-75.

[6] 周星亮,梁 量,何國輝,等.基于環(huán)流功率理論的單相UPS并聯(lián)均流控制設計[J]. 電源學報, 2011,42(2):1-6.

[7] 全亞斌.UPS電源系統(tǒng)的可用性設計[J]. 電源世界, 2011,42(2):55-58.

[8] 段善旭.模塊化逆變電源全數(shù)字化并聯(lián)控制技術研究[D].武漢：華中理工大學, 1999.

[9] 王寶忠,趙 靜, 孫建濤.基于模糊自適應PI雙閉環(huán)的UPS控制仿真研究[J]. 科學技術與工程, 2011,11(30):7370-7374.

[10] DUAN S X, LIU B Y. Parallel operation technique of inverters in UPS based on distributed logic control [J]. Power Elect, 2004,38(2):56-58.

[11] JOSEP M G, HANG L J, JAVIER U. Control of distributed uninterruptible power supply systems[J].IEEE Trans Indus Elect, 2008,55(8):2845-2859.

[12] 蘇先進.基于TMS320C240控制器實現(xiàn)大功率并聯(lián)UPS的鎖相控制技術[J]. 電源世界, 2008,39(9):31-33.