趙啟良，劉天強(qiáng)

（許繼電源有限公司，河南 許昌 461000）

一種基于虛擬環(huán)流阻抗的改進(jìn)型并聯(lián)UPS控制方法

趙啟良，劉天強(qiáng)

（許繼電源有限公司，河南 許昌 461000）

針對常規(guī)虛擬環(huán)流阻抗控制方法不能有效地抑制并聯(lián)UPS低次諧波電壓，致使并聯(lián)系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題，進(jìn)行了建模分析，并在虛擬環(huán)流阻抗控制策略基礎(chǔ)上加入瞬時(shí)環(huán)流反饋控制。通過對并聯(lián)UPS的環(huán)流阻抗計(jì)算，得出加入瞬時(shí)環(huán)流反饋控制的并聯(lián)UPS可以有效抑制并聯(lián)UPS低次諧波電壓，減小環(huán)流。在2臺(tái)2.5 kV·A的UPS上進(jìn)行并聯(lián)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了新型的并機(jī)控制方法是可行的，且效果良好。

并聯(lián)；諧波抑制；環(huán)流

目前常用的并聯(lián)UPS控制方式有主從控制、下垂控制和虛擬環(huán)流阻抗［1-2］控制。這3種控制方式都是以輸出電壓有效值和輸出電流有效值為基礎(chǔ)進(jìn)行功率均分的PID控制。由于虛擬環(huán)流阻抗控制在理論上可以不需要并機(jī)電感，這極大地降低了并聯(lián)UPS裝置（系統(tǒng)）的成本，并且該控制方法具有良好的輸出外特性，近年來得到了較大推廣。

本文通過對傳統(tǒng)虛擬環(huán)流阻抗控制的并聯(lián)UPS裝置的虛擬環(huán)流阻抗進(jìn)行計(jì)算，并將瞬時(shí)環(huán)流反饋控制引入到并聯(lián)UPS裝置的控制中。采用瞬時(shí)環(huán)流控制直接調(diào)節(jié)輸出參考電壓幅值、相位達(dá)到控制并聯(lián)UPS裝置輸出電壓，提高并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流阻抗，抑制并聯(lián)系統(tǒng)的低次諧波環(huán)流。

1 原理模型與設(shè)計(jì)

圖1 逆變部分功率回路拓?fù)銯ig.1 Main circuit of inverter

本文研究的并聯(lián)UPS裝置其逆變部分采用全橋、LC濾波，功率部分的電路拓?fù)淙鐖D1所示。圖1中VDC為直流母線電壓，VT1～VT4為全橋逆變使用的IGBT，VD1～VD4為IGBT器件內(nèi)的體二極管，r為包含了線路的雜散參數(shù)、開關(guān)死區(qū)時(shí)間等的等效電阻，L為工頻濾波電感，C為濾波電容。濾波電容兩端的電壓即為裝置的交流輸出電壓。

1.1 未加入瞬時(shí)環(huán)流控制時(shí)的數(shù)學(xué)模型

逆變部分采用基于虛擬環(huán)流阻抗概念的傳統(tǒng)比例-積分-微分（PID）控制方法。其控制所用的參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)［3］中介紹的零極點(diǎn)配置法所得，可以保證系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)特性。單機(jī)控制框圖見圖2。其中G（s）為瞬時(shí)電壓控制器；K為逆變器的增益；Hf（s）為系統(tǒng)的采樣環(huán)節(jié)；Uref為電壓給定信號(hào)；Uo，Io為輸出電壓、電流。

圖2 逆變部分單機(jī)控制框圖Fig.2 Control diagram of inverter

由控制框圖可以得到單機(jī)UPS裝置的閉環(huán)傳遞函數(shù)：

為了后續(xù)的書寫方便，記L（s）=Ls+r,P（s）= LCs2+rCs+1+KG（s）Hf（s）。

并聯(lián)的系統(tǒng)方程如下所示：

由于并聯(lián)UPS裝置采用數(shù)字化控制，其控制器的參數(shù)不存在離散性，并且各并聯(lián)UPS裝置間的硬件參數(shù)差異非常小，可以認(rèn)為：

對式（1）求和可得并聯(lián)系統(tǒng)的外特性，即系統(tǒng)輸出電壓為

式中：Urefav為系統(tǒng)平均輸出參考電壓；Iav為系統(tǒng)中各模塊平均輸出電流。

定義第j臺(tái)模塊的輸出環(huán)流為并聯(lián)系統(tǒng)中各模塊的平均電流與模塊本身輸出電流的差，即：

第j臺(tái)模塊的環(huán)流表達(dá)式為

系統(tǒng)的環(huán)流阻抗為

根據(jù)式（2）可以看出，若n臺(tái)UPS裝置并聯(lián)，其并聯(lián)系統(tǒng)的輸出阻抗會(huì)減小，系統(tǒng)的虛擬環(huán)流阻抗為單機(jī)輸出阻抗的1/n，即傳統(tǒng)虛擬環(huán)流控制方法在并聯(lián)UPS裝置較多時(shí)，會(huì)影響并聯(lián)系統(tǒng)的輸出阻抗，減弱并聯(lián)系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性能，不易于均流。

1.2 加入瞬時(shí)環(huán)流控制時(shí)的數(shù)學(xué)模型

在傳統(tǒng)虛擬環(huán)流阻抗控制方式中加入瞬時(shí)環(huán)流反饋，即在控制環(huán)的給定處引入瞬時(shí)環(huán)流的參數(shù)狀態(tài)，其單機(jī)的控制框圖如圖3所示。其中Z（s）為瞬時(shí)環(huán)流調(diào)節(jié)器，其控制頻率與G（s）相同。

圖3 加入瞬時(shí)環(huán)流控制的控制框圖Fig.3 Control diagram with instantaneous circulating-current control

由圖3可得加入瞬時(shí)環(huán)流反饋后的單機(jī)閉環(huán)傳遞函數(shù)：

則并聯(lián)系統(tǒng)方程組如下：

對上式求和可得并聯(lián)系統(tǒng)外特性為

第j臺(tái)模塊環(huán)流的表達(dá)式：

可得環(huán)流阻抗為

比較兩種控制方式的環(huán)流阻抗，KG（s）Z（s）相比L（s）要大得多，所以系統(tǒng)加入瞬時(shí)環(huán)流反饋控制的環(huán)流阻抗顯著增大，有利于改善系統(tǒng)的均流效果，使系統(tǒng)更易于均流。根據(jù)并聯(lián)系統(tǒng)的外特性計(jì)算也可以看出瞬時(shí)環(huán)流反饋不影響并聯(lián)系統(tǒng)的輸出阻抗，即不會(huì)減弱系統(tǒng)的抗擾性能。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上計(jì)算及分析，使用逆變功率拓?fù)錇閳D1所示的2臺(tái)容量為2.5 kV·A的工頻并機(jī)UPS進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。使用的UPS其直流母線電壓為395 V，輸出額定電壓為220 V，輸出電壓頻率為50 Hz，輸出濾波電容為36 μF，濾波電感為800 μH，并且使用變比為1∶1、原邊漏感為300 μH的工頻變壓器。

2臺(tái)并聯(lián)UPS空載及滿載時(shí)的輸出電壓波形及電壓諧波分析如圖4～圖7所示。其中的電壓諧波分析為使用WAVE STAR軟件對示波器波形計(jì)算而得?？梢钥闯鲈诳蛰d時(shí)（圖4與圖6）工作在2種控制方式下的并聯(lián)UPS的輸出電壓諧波含量差異不大，因?yàn)樵诳蛰d時(shí)系統(tǒng)輸出電流為零，導(dǎo)致瞬時(shí)環(huán)流幾乎為零，使得兩種控制方式的差異不大。但是在滿載輸出時(shí)，可以看出加入了瞬時(shí)環(huán)流控制的并聯(lián)UPS其輸出電壓的20次以下諧波明顯降低，有效地抑制了并聯(lián)UPS間的低次諧波，減小了并聯(lián)系統(tǒng)的低次諧波環(huán)流，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖4 未加入瞬時(shí)環(huán)流控制的空載電壓波形及諧波Fig.4 Unload voltage and harmonic voltage waveforms without instantaneous circulating-current control

圖5 未加入瞬時(shí)環(huán)流控制的滿載電壓波形及諧波Fig.5 Full load voltage and harmonic voltage waveforms without instantaneous circulating-current control

圖6 加入瞬時(shí)環(huán)流控制的空載電壓波形及諧波Fig.6 Unload voltage and harmonic voltage waveforms with instantaneous circulating-current control

圖7 加入瞬時(shí)環(huán)流控制的滿載電壓波形及諧波Fig.7 Full load voltage and harmonic voltage waveforms with instantaneous circulating-current control

3 結(jié)論

本文使用的控制方法將瞬時(shí)環(huán)流反饋引入到逆變器PID閉環(huán)控制內(nèi)，使得并聯(lián)系統(tǒng)在不降低抗負(fù)載擾動(dòng)性能的情況下，大幅增大并聯(lián)運(yùn)行的UPS之間的環(huán)流阻抗，抑制了低次諧波電壓，使得并聯(lián)系統(tǒng)更加穩(wěn)定，提高了并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性。

［1］余蜜，張宇，康勇，等.基于改變環(huán)流阻抗的并聯(lián)解耦控制策略［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，23（10）：58-68.

［2］段善旭，劉邦銀，康勇，等.UPS并聯(lián)系統(tǒng)的SPWM再調(diào)制控制技術(shù)研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24（1）：81-86.

［3］彭力.基于狀態(tài)空間理論的PWM逆變電源控制技術(shù)研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2004.

An Improved Parallel UPS Control Method Based on Virtual Circulating-impedance

ZHA0 Qiliang，LIU Tianqiang
（XJ Power Co.，Ltd.，Xuchang 461000，Henan，China）

Discussed a circulating current feedback control based on virtual circulating-impedance for traditional parallel UPS which could not effective inhibit low order harmonic voltage to lead to system instability.By modeling analysis，circulating current feedback control was increased to calculate circulating impedance of parallel UPS for the purpose of low voltage harmonic suppression and reduced circulating current.Two experimental 2.5 kV·A UPS were built and paralleled.The results of experiment verify that the improved circulating current feedback control is available and efficient.

parallel；harmonic suppression；circulating current

TM464

A

10.19457/j.1001-2095.20161011

2015-08-27

修改稿日期：2016-04-19

趙啟良（1986-），男，本科，工程師，Email：zhaoqiliangdy@126.com