王玲，　吳濤，　李志忠

(1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司 培訓(xùn)中心， 陜西 西安　710054;2.國(guó)家電網(wǎng)公司 電網(wǎng)接地工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安　710054)

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井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)無(wú)差拍環(huán)流抑制方法

王玲1，吳濤1，李志忠2

(1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司 培訓(xùn)中心， 陜西 西安710054;2.國(guó)家電網(wǎng)公司 電網(wǎng)接地工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安710054)

為了提升煤礦井下UPS供電系統(tǒng)的可靠性，提出了井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)無(wú)差拍環(huán)流抑制方法。首先，建立了UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的等效離散數(shù)學(xué)模型，并重點(diǎn)分析了UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)中存在的零序環(huán)流問(wèn)題；然后，引入非線性無(wú)差拍控制器對(duì)零序電流進(jìn)行平抑處理；最后，通過(guò)2×35 kW UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證與分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可有效抑制井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)的零序環(huán)流，且僅需2～5 ms即可實(shí)現(xiàn)UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)的冗余性恢復(fù)。

礦井UPS并聯(lián)供電； 不間斷電源； 環(huán)流抑制； 無(wú)差拍控制

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1032.016.html

0　引言

煤礦井下UPS供電系統(tǒng)是煤礦發(fā)生安全事故后確保相關(guān)安全監(jiān)控和生命保障裝置運(yùn)行的重要設(shè)備，是遇險(xiǎn)的井下工作人員的重要生存依仗。UPS供電系統(tǒng)的自身可靠性、可恢復(fù)性對(duì)整個(gè)備用供電系統(tǒng)尤為重要[1-4]。目前，UPS供電系統(tǒng)多采取N組逆變單元并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，具有冗余性、可擴(kuò)展性、高可靠性及易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。然而，各UPS逆變單元因其工作狀態(tài)不同步或系統(tǒng)單元參數(shù)不同，UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)在低頻段存在極低阻抗的環(huán)流通路，將造成系統(tǒng)出現(xiàn)不均流現(xiàn)象，甚至造成UPS逆變單元中功率器件過(guò)流損壞[7-10]。

針對(duì)煤礦井下惡劣環(huán)境對(duì)UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)可靠性、自恢復(fù)性提出的特殊要求，本文提出了一種井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)無(wú)差拍環(huán)流抑制方法。首先，建立UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的等效離散數(shù)學(xué)模型，并對(duì)UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)中存在的高頻、零序環(huán)流問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)分析；為滿(mǎn)足井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)單元故障下的快速自恢復(fù)特性，引入非線性無(wú)差拍控制器對(duì)零序電流進(jìn)行前饋補(bǔ)償；最后，基于2×35 kW UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證與分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可充分發(fā)揮井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)的冗余特性，僅需2～5 ms即可實(shí)現(xiàn)井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)的在線自恢復(fù)。

1　UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)建模

煤礦井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)多采用“一用一備”的雙機(jī)組并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，雙模塊UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　雙模塊UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙模塊UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)采用共直流母線供電方式，將每個(gè)逆變模塊等效為一個(gè)電壓源和內(nèi)阻抗串聯(lián)電路，假設(shè)各個(gè)并聯(lián)模塊的輸出阻抗相同，則可建立UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)平均輸出電壓方程：

(1)

式中：uavg為并聯(lián)逆變模塊的平均輸出電壓；uabc1，uabc2為并聯(lián)逆變模塊的輸出端口電壓。

同時(shí)，可定義UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)等效環(huán)流表達(dá)式為

(2)

式中：iz為UPS逆變模塊對(duì)應(yīng)的零序環(huán)流；Z1、Z2為并聯(lián)逆變模塊內(nèi)阻抗。

為了簡(jiǎn)化三相UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)模型，將模型的坐標(biāo)系由三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。由于UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)存在零序電壓分量，同時(shí)零序電路的低阻抗特性將使UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)中出現(xiàn)零序環(huán)流，為此，在常規(guī)的二維坐標(biāo)中須引入附加的z軸分量，即

(3)

式中：X為系統(tǒng)狀態(tài)變量；T為坐標(biāo)變換矩陣。

根據(jù)式(1)—式(3)，可重寫(xiě)共直流母線UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)在同步旋轉(zhuǎn)dqz坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：

(4)

(5)

(6)

式中：idqz1，idqz2分別為UPS模塊1、模塊2的dqz坐標(biāo)分量；ω為UPS模塊輸出電壓角頻率；edq為負(fù)載反電動(dòng)勢(shì)dq軸分量；Δdz為UPS模塊的零軸電壓占空比；udc為直流母線電壓；ddq1,ddq2分別為UPS模塊1、模塊2的dp軸占空比；L1，L2分別為UPS模塊1、模塊2的輸出電感。

圖2給出了UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)電流dqz軸分解示意，UPS模塊內(nèi)電流在dqz坐標(biāo)系下已出現(xiàn)嚴(yán)重畸變，呈不規(guī)則曲線，但電流在dq坐標(biāo)系下仍為標(biāo)準(zhǔn)電流圓，電流幅值|idq|為額定負(fù)載1 pu。反觀此時(shí)dz坐標(biāo)系下的電流分量，其z軸電流分量幅值也同樣達(dá)到1 pu，即UPS單模塊電流幅值達(dá)到1.414 pu，將造成UPS保護(hù)單元誤動(dòng)作，甚至?xí)斐芍麟娐饭β蕟卧^(guò)流、過(guò)熱損壞。

圖2　UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)電流dqz軸分解示意

2　無(wú)差拍環(huán)流抑制方法

根據(jù)前文分析可知，對(duì)于煤礦井下雙模塊UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)，當(dāng)其出現(xiàn)不一致的低頻零序電壓誤差時(shí)，由于此時(shí)環(huán)流路徑為低阻抗回路，即使零序電壓很小，也會(huì)在UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)雙模塊之間產(chǎn)生極大的環(huán)流。為此，引入非線性無(wú)差拍控制器對(duì)零序電流iz分量進(jìn)行平抑處理。

根據(jù)式(6)可知，產(chǎn)生UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)零序環(huán)流的關(guān)鍵在于其不一致的零序分量。為此，需從SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空間矢量脈寬調(diào)制)七段式導(dǎo)通機(jī)理出發(fā)進(jìn)行分析，如圖3所示。對(duì)于采用SVPWM方式的控制系統(tǒng)，其3個(gè)上橋臂導(dǎo)通的時(shí)間分別為daTs、dbTs、dcTs(Ts為系統(tǒng)控制周期)，為了保證UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)可靠運(yùn)行，需要保持空間合成矢量占空比不變，因而d1、d2不能發(fā)生改變。但通過(guò)調(diào)節(jié)零矢量(000)和(111)的作用時(shí)間d0，能夠改變UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)的零序分量，即

(7)

式中：dz為零序電壓占空比；da，db，dc為abc三相電壓占空比；d1，d2，d0分別為SVPWM主、次、零矢量占空比；y為七段式調(diào)制零矢量修正量。

圖3　SVPWM調(diào)制方式下的七段式導(dǎo)通時(shí)間

因此，可求得UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)零序電壓誤差值為

(8)

式中：dz1，dz2分別為UPS模塊1和模塊2的零序電壓占空比；d11，d21分別為UPS模塊1和模塊2的主電壓占空比；d12，d22分別為UPS模塊1和模塊2的次電壓占空比；d01，d02分別為UPS模塊1和模塊2的零序電壓占空比。

在此基礎(chǔ)上，可直接建立同步旋轉(zhuǎn)dqz坐標(biāo)系下的零序電流iz的微分方程：

(9)

考慮到實(shí)際UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)逆變單元的開(kāi)關(guān)特性，根據(jù)等效前項(xiàng)差分原理對(duì)式(9)進(jìn)行離散化建模，得

(10)

式中iz1(k)、iz1(k+1)分別為第k、第k+1時(shí)刻的UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)零序電流分量。

至此，可求得k時(shí)刻精確抑制UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)零序環(huán)流的零電壓矢量修正量為

(11)

式中iz1_ref(k)為零序電流分量期望值。

3　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提無(wú)差拍控制環(huán)流抑制方法的可行性和有效性，搭建了2×35 kW UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。

井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能測(cè)試結(jié)果如圖5所示。圖5(a)中,uinv為UPS模塊輸出電壓，uout為L(zhǎng)C正弦濾波器后端輸出電壓。由圖5(a)可知，LC濾波單元有效消除了UPS逆變單元中的高頻諧波分量，UPS模塊輸出電壓滿(mǎn)足幅值穩(wěn)定、正弦度高的電能指標(biāo)。圖5(b)中,ia為UPS模塊A相輸出電流，iz為雙UPS模塊之間的零序環(huán)流。UPS模塊工作在滿(mǎn)載狀態(tài)，電流幅值達(dá)到54 A,零序環(huán)流iz的最大幅值僅為5 A，占UPS模塊額定值的9.26%，雙UPS機(jī)組均流特性良好。圖5(c)為UPS模塊輸出電壓uout頻譜分析結(jié)果，其中電壓總畸變率為4.2%，且3、5、7次低頻諧波分量低，滿(mǎn)足IEEE-754對(duì)UPS電源提出的指標(biāo)要求。

圖4　基于無(wú)差拍控制的井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)整體控制結(jié)構(gòu)

(a) UPS模塊輸出電壓

(b) UPS模塊A相輸出電流及UPS模塊之間的零序環(huán)流

(c) UPS模塊輸出電壓頻譜分析結(jié)果

井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)投切測(cè)試結(jié)果如圖6所示。圖6(a)中，在25 ms時(shí)，UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)由1號(hào)、2號(hào)雙機(jī)協(xié)同供電切換至1號(hào)單機(jī)供電方式，此時(shí)，1號(hào)單機(jī)單獨(dú)向負(fù)載通風(fēng)機(jī)供電，起到冗余備用保護(hù)功能，承擔(dān)負(fù)載通風(fēng)機(jī)全部電流，三相電流幅值|iabc|也在該時(shí)刻階躍為2倍。圖6(b)給出了動(dòng)態(tài)切換過(guò)程中UPS模塊內(nèi)部A相輸出電流ia和UPS模塊之間零序環(huán)流iz的解耦過(guò)程，可以看出滿(mǎn)載切換過(guò)程耗時(shí)僅為3 ms，且零序環(huán)流iz并未出現(xiàn)瞬時(shí)突增、突減問(wèn)題，可見(jiàn)無(wú)差拍控制的井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能優(yōu)異；圖6(c)為不同負(fù)載、不同功率因數(shù)特性下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)自恢復(fù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果，當(dāng)功率因數(shù)cosφ=0.2時(shí)，出現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間峰值，即便如此，該值也僅為5 ms，滿(mǎn)足礦山設(shè)備動(dòng)態(tài)備用供電響應(yīng)時(shí)間要求。

(a) 單、雙機(jī)動(dòng)態(tài)切換過(guò)程

(b) UPS模塊A相輸出電流及UPS模塊之間

(c) UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)自恢復(fù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4　結(jié)語(yǔ)

為了滿(mǎn)足煤礦井下惡劣環(huán)境對(duì)UPS供電系統(tǒng)可靠性、自恢復(fù)性的特殊要求，提出了一種井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)無(wú)差拍環(huán)流抑制方法，并基于2×35 kW UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證與分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具備優(yōu)異的零序環(huán)流抑制效果，且僅需2～5 ms即可實(shí)現(xiàn)井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)的在線自恢復(fù)。

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Dead-beat circulating current suppression method of underground UPS paralleling power supply system

WANG Ling1,WU Tao1,LI Zhizhong2

(1.Training Center, State Grid Shannxi Elecctric Power Company, Xi'an 710054, China;2.Power Grounding Engineering Laboratory, State Grid Corporation, Xi'an 710054, China)

In order to improve reliability of underground UPS power supply system, a dead-beat circulating current suppression method of underground UPS paralleling power supply system was put forward. Firstly, an equivalent discrete mathematical model of UPS paralleling power supply system topology was established, and zero sequence circulating current in paralleling power supply system was emphatically analyzed. Then, nonlinear dead-beat controller was introduced to control and process zero sequence current. Finally, verification and analysis of the method were done by prototype of 2×35 kW UPS paralleling power supply system. The experimental results show that the method can effectively inhibit zero sequence current of underground UPS paralleling power supply system， and realize redundancy restoration of UPS paralleling power system in 2-5 ms.

mine UPS paralleling power supply； UPS； circulating current suppression； dead-beat control

1671-251X(2016)06-0070-05

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.06.017

2016-01-12；

2016-04-22；責(zé)任編輯：張強(qiáng)。

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(E070303)。

王玲(1983-)，女，山西大同人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)及自控技術(shù)，E-mail:sxdw_wl@126.com。

TD611

A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-06-01 10:32

王玲，吳濤，李志忠.井下UPS并聯(lián)供電系統(tǒng)無(wú)差拍環(huán)流抑制方法[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(6)：70-74.