三相四线并联逆变器在UPS中的应用研究

0引言

在UPS应用中,三相四线制拓扑通常用于控制单相平衡负载和三相不平衡负载。相关学者提出通过并联三相电压源逆变器(VSI)来提高系统不间断供电的可靠性^[1]。VSI并联运行需要一个控制系统来保证并联结构的正常运转,传统的解决方案基于频率和电压降落,控制从VSI到负载之间的有功功率和无功功率流动,这种方法提供了更高的可靠性和冗余性,但它存在动态响应慢、电压调节能力不高等不足^[2—3]。

近年来,有学者提出一种分布式控制策略^[4],可同时接收所有并联单元提供的瞬时电流信息,该方法的优点具有良好的暂态响应和适当的负载分配, 包括负载电流的谐波控制。通过该方法,任何一个逆变器均可在系统运行时接入或退出,而系统其他逆变器可继续向负载提供电源。因此,采用分布式控制策略可以实现高可靠性和高冗余性。

本文重点研究了一种分布式控制策略,将其应用于三相四线并联VSI中,以确保负载电流在并联 VSI之间的合理分配,使其在保持不间断供电的同时,还能快速响应负载变化。

1 三相四线VSI并联控制结构

图1所示为三相四线VSI拓扑结构,图中E₁、E₂为直流侧电压源,E₁、E₂之和即为直流侧电压V_dc,R、L、C为滤波器电阻、电感、电容,v_A、v_B和v_C为三相电压。图2所示为n个逆变器并联运行时的控制结构,由两个回路组成,分别是电压控制回路和电流控制回路。电压控制回路是不同电压源逆变器之间的通信链路,它调节施加到负载上的电压。电流控制回路负责n个相互连接的电压源逆变器之间的电流平衡,也就是说,该回路可以实现并行控制。在这种情况下,每一个电压源逆变器输出有四根连接线路,可以采集v_A、v_B、v_C 以及i_A、i_B、i_C。线电压控制回路采用PID控制器,电流控制回路采用比例控制器。

并行控制采用来自输出滤波器的电感电流来修改同一滤波器的输入电压,从而控制每个VSI到负载的功率流动。电压控制负责控制Lc滤波器的输出电压,使其与VSI的输出电压一致。该控制策略既保证了负载电流的合理分配,又避免了逆变器在暂态和稳态运行时的环流。这种控制策略的一个优点是VSI只需要接收一个外部信号(同步参考),以便并联连接。控制策略不必在VSI之间交换关于其操作点的信息。信息流只发生在一个方向上:从通信总线到VSI。此外,并行控制不修改用于电压控制的参考电压,这一特性使VSI的输出电压在整个工作范围内与参考电压保持同步。

与其他控制策略相比,这种控制策略在实施成本上有更多优势:该控制不需要进行复杂的计算,不需要增加额外的传感器,也不需要复杂的通信系统,因此,它更容易实现,系统成本也更低,既可以采用模拟电路,也可以采用数字电路。但是,在VSI并联之前,每个VSI需要接收同步参考信号,如图2所示。

2VSI并联控制策略

图3(a)(b)所示为控制系统等效电路和具有电流反馈的并行控制结构。图中R₀为负载,v_C为电感电容电压,v_Cref为电感电容参考电压,PID[z]为比例积分微分控制器,PWM_k为脉宽调制控制器,u为逆变器输出电压,i为逆变器输出电流,K为虚拟阻抗。

考虑功率变换器的单相平均模型,n个VSI并联系统数学模型为:

将其转换为状态空间模型为:

通过拉普拉斯变换,可得并联系统在s域内的传递函数为:

采用离散时间PID控制方案对线路电压进行调节,并采用典型设计。该PID控制器对所有相位都是相等的,在设计时考虑了离散时间效应,即采样、零阶保持器、计算延迟等。其最终结果为:

在并行控制回路中,K为限制线路电流的虚拟阻抗,如图3(b)所示。这个控制回路只是n个变换器略有不同,理论上它们提供的电压是相等的,因此,需要设计一个控制回路,以确保负载电流的合理分配,并避免逆变器在瞬态和稳态运行时的环流。该控制回路设计采用标幺值(p.u.)方法,假设基准值为功率 Sb和电压v_b,则基准阻抗z_b为:

虚拟阻抗K选取为0.1 p.u.,并联回路的作用类似于电源变换器滤波电感的串联阻抗。

3仿真试验

为评估所提出的控制策略性能,进行了仿真试验,动稳态结果如图4、图5所示。

图4(a)(b)(c)为两个变流器并联时各相电流,由于这些信号具有相同的幅度和相位,因此可以实现相应的电流分配。图4(d)为直流侧电流,由于两种变流器的并行度相似,两个变流器之间没有功率环流,说明对彼此负载供电没有干扰。如果并行策略不合适,其中一个变换器会产生负直流链路电流。图4(e)显示了在两个变流器并联的情况下考虑线性平衡时的负载三相电压,仿真结果验证了所提出的控制策略是有效的,因为三相电压对称且维持了平衡。如上所述,所提出的并行分布式控制策略需要对所有变换器有一个共同的参考电压,如图4(f)所示,所有变流器都可以参考a相线电压。

图5(a)显示了阶跃负载扰动下两个逆变器线路电流,可以看到两种信号具有相同的幅值和相位。因此,并行策略保证了均衡的电流分配。图5(b)模拟了当一个逆变器正在工作时,另一个突然接通或断开,设定两个逆变器在0.05S时刻发生并联,可以看出,由于两个逆变器适当地分担了负载电流,因此实现了快速的动态响应。此外,这一结果表明,当一个转换器在隔离模式下工作时,可以通过正确的操作,迅速识别故障逆变器并接入并联的其他转换器。图5(c) 模拟了非线性负载情况下逆变器电流,这种情况在 UPS应用中很常见,仿真结果表明了并行控制策略在应对非线性负载时也具有良好的性能。

4结论

本文提出了一种三相四线并联VSI分布式控制策略,并将其应用于UPS中。该控制策略既确保了负载电流的合理分配,又避免了多个逆变器在暂态和稳态运行时的环流影响。最后通过仿真试验验证了两个电压源逆变器并行控制的可行性。

[参考文献]

[1]孔祖荫,张志,王泺涵,等.三相四桥臂逆变器的空间矢量调制研究[J].电子世界,2021(22):22—23.

[2]刘思远.配电网储能设备并联运行控制方法与控制特性[D].北京:华北电力大学(北京),2021.

[3]林燎源.多逆变器并联均流及功率灵活分配若干关键问题研究[D].杭州:浙江大学,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.

2024年第21期第22篇