三相四線并聯(lián)逆變器在UPS中的應(yīng)用研究

摘要：在不間斷電源（UPS）應(yīng)用中，電壓源逆變器（VSI）并聯(lián)是一種非常常見(jiàn)的解決方案，可以有效提高系統(tǒng)的功率能力和可靠性。鑒于此，提出了針對(duì)三相四線并聯(lián)逆變器結(jié)構(gòu)的控制策略，主要解決電壓源逆變器并聯(lián)時(shí)負(fù)載電流分配難題，同時(shí)能提高系統(tǒng)快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

關(guān)鍵詞：不間斷電源；電壓源逆變器；三相四線

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

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

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(guò)并聯(lián)三相電壓源逆變器（VSI）來(lái)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(lái)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(wú)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(lái)，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(guò)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(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(shuō)，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(lái)自輸出濾波器的電感電流來(lái)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。

2" " VSI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，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(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：

L

=uVdc-vC，

C

=i-

（1）

將其轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間模型為：

i

vC= 0" " " -

-

i

vC+

0u（2）

通過(guò)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：

=

，

=

（3）

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：

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(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Vb，則基準(zhǔn)阻抗Zb為：

Zb=Vb 2/Sb（5）

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(méi)有功率環(huán)流，說(shuō)明對(duì)彼此負(fù)載供電沒(méi)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(kāi)，設(shè)定兩個(gè)逆變器在0.05 s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(guò)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(jiàn)，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(guò)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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[3] 林燎源.多逆變器并聯(lián)均流及功率靈活分配若干關(guān)鍵問(wèn)題研究[D].杭州：浙江大學(xué)，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(jiǎn)介：王毅（1994—），男，甘肅人，助理工程師，研究方向：高低壓電器產(chǎn)品檢測(cè)。

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