基于UPS逆变器并联控制技术的研究

　　0 引言

　　不间断电源UPS（Uninterrupted PowerSupply）出现于上世纪80年代，它解决了传统市电直接供电模式下电能质量差、可靠性低等问题，并开始为重要负载提供电能保障。随着用电负载对供电容量、可靠性方面越来越高的要求，传统UPS暴露出了诸如扩容难、维修性差不足。为解决这些问题并进一步满足用户对电能的质量和可靠性要求，基于高频链的模块化UPS技术正被广泛关注和研究。模块化UPS采用N+X冗余供电，在扩展性、可靠性和维修性方面较传统UPS有了长足的进步，成为未来UPS发展的一个重要方向。实现模块化的关键是逆变模块之间的并联均流控制，要求各个模块同步输出，即同幅、同频、同相，否则在逆变器间将会产生很大的环流，对并联系统造成不良影响甚至崩溃。

　　近年来随着数字信号处理器的广泛应用，极大地推进了UPS逆变模块并联均流控制技术的发展。实现逆变器并联均流控制的方法很多，就模块间有无控制连线而言，逆变器并联控制技术可分为有互联线逆变器并联控制和无互联线逆变器并联控制两大类。有互联线逆变器并联控制的主要思想是从传统直流电源的并联技术而来，是一种主动负载均分技术，使用较多的主要有集中控制、主从控制、分散逻辑控制。其中集中控制和主从控制在任意时刻都依靠于一个控制单元；分散逻辑控制是独立控制方式，可实现模块自我控制。尽管使用这些控制技术已经相对成熟，并且在输出电压调节和模块均流方面都取得了不错的效果，但是模块间不可或缺的信号连线却始终制约着有互联线逆变器控制技术的发展，并极大地降低了系统的可靠性和扩展性。无互联线逆变器控制的主要思想来源于下垂特性理论。针对逆变器输出的有功功率及无功功率，通过调节逆变器输出电压的幅值及频率，实现逆变模块间均流控制，相比有互联线控制，由于无互联线控制中逆变模块之间没有互联线，每个模块只需检测本模块输出信息，通过解耦计算就可直接得到控制信号实现对自身的控制，所以基于下垂法的无互联线控制具有很高的可靠性和灵活性。

　　1.环流分析

　　理想UPS中每个逆变模块的输出电流应相等以实现输出功率的均分，然而实际制作中每个逆变器模块的参数无法完全一致，加之线路阻抗的不同，使得各逆变模块输出电压的幅值和相位无法在任意时刻精确相等，导致各逆变模块间输出功率均分和电流无法精确均分，这将引起逆变器模块间的环流，对设备造成极大伤害，尤其是在系统空载或者轻载的情况之下甚至损坏系统，因为当模块间出现环流时，有的模块将吸收有功功率，从而运行在整流模式，这将导致直流侧电压上升，并对直流侧电容造成损坏。

　　因此对逆变器间环流进行分析十分重要，为此我们建立如图1所示的两台逆变器并联系统等效模型：

　　设E1∠φ1、E2∠φ2分别为逆变器1和逆变器2的出电压；r1+jX1和r2+jX2分别为逆变器1和2的输出阻抗和导线阻抗之和，负载为R，且负载电压为V《00，i1和i2分别为逆变器1和逆变器2的输出电流，i0为负载电流。

　　根据欧姆定律可以得到：

　　将式（1）、（2）带入式（3）中，并假设在并联系统中输出阻抗和线路阻抗中的阻性成份r1=r2≈0;系统并联运行时，逆变器间的输出电压相位差别很小，使得sinφi=φi，cosφi=1;逆变器模块组成部分参数差异不大，近似认为X1=X2=X.

　　得到经过简化后的有功功率和无功功率为：

　　由此可知，在实际系统中由于每台逆变器模块的输出阻抗不同，导致逆变器模块间输出电压产生幅值差和相位差，使得各逆变器输出有功无功不均，形成环流。然而可以通过对输出电压的幅值和相位进行调节，实现对有功无功的控制。为了避免环流的产生，人们提出了许多控制策略，但就并联UPS模块间有无互联线而言，可分为两大类，即有互联线逆变器并联控制和无互联线逆变器并联控制。下面将对这两类控制方式依次介绍。

　　2.有互联线逆变器并联控制

　　2.1 集中控制

　　集中控制思想为建立一个控制中心，对各模块输出电压电流信息统一收集并处理，且所有逆变模块的控制指令由控制模块统一下达。

　　其原理框图如图2所示，假设各单元中电流差是由电压幅值不一致造成的，直接把电流差作为电压指令的补偿量以消除电流的不平衡。

　　如图2所示，并联控制单元首先检测交流母线电压的频率和相位，以此为基准，得到输出电压参考频率f*，通过每个逆变模块中的锁相环PLL（PhaseLockLoop）进行锁相，使得每个逆变器输出电压频率一致；然后检测负载电流iL，iL除以并联模块数N后得到参考电流iref，用本模块输出电流i减去参考电流iref后得到的Δi作为输出电压补偿量，计算得到输出电压参考值V*;最后用V*与f*合成参考电压Vref，实现输出功率和电流的均分。

　　集中控制是最早出现的控制方法，其原理相对单且易于实现，但是由于系统共用一个集中控制中心，一方面使得并联系统难以实现真正的模块化，另一方面如果该控制单元出现故障，则整个系统就会瘫痪，无法运用到大型分布式系统之中。