基于UPS逆变器并联控制技术的研究 - 全文

　　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。

　　2.2 主从控制

　　人们为了解决集中控制下由于控制中心唯一造成的系统可靠性较差问题，开始将控制单元做到每台逆变电源中，运行时选择一台主控逆变电源负责完成并联控制功能，其他逆变电源做从机，这就是主从控制基本思想。传统主从控制主要分为三类：单主机模式、轮流主机模式和最大电流主机模式。并联系统工作时首先起动的逆变电源为主机，行使控制功能，其他逆变电源则为从机，依照主机给出的同步基准信号工作。这种方式克服了集中控制下控制单元出现故障逆变电源就不能运行的缺陷，只要仍有逆变电源正常工作，就可切换主机并继续运行。图3给出了主从控制原理框图。

　　模块将向网络状态信号线发出信号，标志此时系统内已有主机，同时闭合开关K，将本模块计算得到的控制信号通过公共同步基准信号线传递给其余从模块；对于其余从模块而言，启动时检测到网络状态线BL=1，说明此时系统有主机，则开始接收主模块传递的控制信号对本模块进行控制。

　　这样，主模块以电压源逆变器运行，而从模块以电流源逆变器运行。主从控制较集中控制的可靠性有所提高，当主模块失效时，系统中任意一个从模块将会取代主模块的角色为整个系统提供输出电流参考信号，以避免整个系统的失效。然而从主模块故障，到从模块切换为主模块过程中系统可能因失去同步而出现大规模失效，同时各模块的控制逻辑判断电路复杂，故可靠性不高。

　　2.3 分散逻辑控制

　　从集中控制发展到主从控制，都未能解决系统在任意时刻需要一个控制单元而造成的稳定性和可靠性差的问题。人们设计出一种不依赖于集中控制单元或某个主模块的控制策略，实现独立检测、控制本模块工作状态并合理分配模块间的输出功率、抑制环流的方法，称为“独立并联控制技术”。如图4所示为分散逻辑控制原理框图。

　　如图4所示，单个逆变模块通过信号总线接收其余各模块输出信息，计算后得到输出电流平均值I/n作为本模块的参考输出电流，模块实际输出电流与参考输出电流之差ΔI经过电流环后得到输出电压参考幅值U*，输出电压参考频率f*则通过锁相环对交流母线电压锁相后得到，最后合成输出电压参考Uref，实现模块间的均流控制。

　　分散逻辑控制综合系统中各逆变器输出信号，计算并得出控制信号，这种方式可实现真正的N+1并联运行，当一个模块故障退出时，并不影响其他模块的并联运行。相对于集中控制和主从控制，分散逻辑控制去掉了集中控制单元，更容易实现扩容和冗余，可靠性也得到提高，但是作为有互联线控制策略的一种，各逆变模块之间仍存在控制互联线，使得整个系统会变得复杂，可靠性低。

　　3.无互联线逆变器并联控制

　　综上所述，可以看出随着有互联线控制策略的发展，逆变器并联系统的可靠性和冗余性有了很大提高，但正是模块间互联线的存在，系统不仅可靠性和灵活性仍然受到很大制约，且干扰严重，无法适应现代电源从传统集中式供电到分布式供电的转变，因此人们开始探索一种取消模块间互联线的控制方式，即无互连线并联控制。

　　3.1 无互联线并联控制基本思路

　　在有的文献当中，无互联线控制技术又被称作独立控制和下垂控制，其核心思想来源于大型交流发电机实际工作中输出电压频率随着输出功率增加而下降这一现象。无互联线控制下模块检测自身输出电压和电流，通过计算得到本模块控制信号并进行控制，实现均流。其理论依据为：如式（7）、（8）推导，通过利用逆变器输出有功与输出电压频率、输出无功与输出电压幅值之间存在下垂关系，通过控制输出电压的幅值与频率，调节模块输出有功无功。

　　如图5所示为无互联线控制原理框图，使用无互联线控制每个模块仅采集本模块输出量信息，经过一定算法的计算后就可以形成控制信号，不再需要收集其余逆变模块状态信息，真正实现了模块间的电气隔离，整个系统的可靠性和灵活性得到了很大提高，无互联线控制的优点有：系统中模块完全独立，易实现冗余系统，提高了系统的可靠度；系统易实现安装和扩容；系统抗外界干扰能力加强。但是，无互联线控制也存在控制方式复杂，难于实现高速数字化等不足。

　　3.2 基于电力线通信的无互联线逆变器并联控制

　　电力线通信并联基本思想和分散逻辑控制相同，只不过是通过扩频芯片将逆变器模块的信息叠加到交流母线上进行传播，当信号传输到其余逆变模块时，再通过信号解调芯片将信号分离出来供各逆变器模块所共享。相对于有连线控制的并联系统，电力线通信控制的并联系统确实可以提高系统的稳定性，而且可以获得较好的均流效果，但是由于采用了信号调制和解调芯片，一方面增加了成本，另一方面由于在输出交流母线上叠加了高频信号，不仅降低了输出电压波形的质量，而且控制系统易受到电磁信号的干扰，因此系统的电磁兼容性较差。

　　4.结论

　　随着供电模式的改变和用户对电能质量要求的提高，UPS模块化已成为UPS的发展方向，而UPS逆变器并联控制技术也成为实现UPS模块化的核心技术，纵向比较有互联线控制和无互联线控制可知道，有互联线控制相对比较成熟，但是受到互联线的制约，发展前景极为有限；相反由于模块间无互联线，模块真正意义上实现了电气隔离，无互联线控制必将成为未来UPS逆变器并联控制技术的发展方向。