SPWM逆变电源的自动主从并联控制技术

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5 自动主从并联控制方案的实现
根据以上分析 , 本文提出了一种高性能的数模 混合型逆变电源自动主从并联控制方案, 其控制框 图 如 图 4 所 示。 它 以 高 速 数 字 信 号 处 理 器 TMS320F240 为核心 , 使用外扩 12 位 A D 检测输出 的电压、 电流、 以及有功功率总线 P BUS 、 无功功率总 线 Q BUS , 并基于瞬时无功功率理论 , 计算出逆变电
U1 - U2 1 1 I = + I 2 0 2j X 2 0
( 9)
I 1- I 2 U1- U2 = 为两台逆变电源间的环 2 2j X
千分之一的幅值误差引起的的无功环流为 : I HQ
可见 , 千分之一的相位误差引起的有功环流为 额定负载电流的 31 4% , 千分之一的幅值误差引起 的有功环流为额定负载电流的 5% 。因此要实现负 载电流的均分 , 必须提高逆变电源频率及幅值的控 制精度, 尤其是频率的控制精度。 为了减小电压波形畸变引起的谐波环流, 各台 逆变电源的输出波形应接近标准正弦 , 即输出电压 的谐波总含量 THD 尽可能小。
( 西安交通大学电气工程学院 , 陕西 西安 710049) 摘要 : 本文提出了一种可用于分布式发电系统或大容量 UPS 系统的逆变电源并联控制技术 自
动主从并联控制技术 。这种控制技术以并联的逆变电源输出功率的特性为基础 , 并采用自动主从 控制策略来实现逆变电源的同步并联运行 。实验装置以 DSP 为核心, 并以带电容电流反馈的高性 能 SPWM 逆变电源为基础, 采用自动主从并联控制技术实现了逆变电源的并联运行。 实验结果表 明, 逆变电源之间的均流效果很好 。 关键词: 自动主从控制 ; 分布式发电系统 ; SPWM 逆变器; 并联 ; 环流
18 P1 P2 Pn = = ∀= S1 S2 Sn Q1 Q2 Qn = = ∀= S1 S2 Sn
电工电能新技术 特性。
第 22 卷
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逆变电源并联系统中的环流是由于各逆变电源 模块的输出特性之间的差异所形成的。为了简化分 析, 假设图 2 中两台并联供电的逆变电源的容量相 同, 并且它们的输出电压 U1 、 U2 为标准正弦, 线路 阻抗 X 1 、 X 2 相等且为纯电感, 则可以得出: U1 - U 2 1 1 I1 = IH+ 2 I0 = 2j X + 2 I 0 I 2 = - IH + 式中 I H = 流 。 据此可以得出 : 逆变器的输出电流包含负载电 流和环流 ; 当 U1 、 U 2 同相不同幅值时, 产生无功环 流; 当 U1 、 U 2 同幅值不同相时 , 产生有功环流 , 且相 位超前者环流分量为正有功分量 , 反之为负有功分 量; 当 U 1 、 U2 幅值相位均不同时, 环流分量中既有 有功部分 , 又有无功部分 ; 当 U 1 、 U2 的波形畸变时, 会产生谐波环流。 假设线路感抗 X 为额定负载的百分之一, 则千 分之一的相位误差引起的有功环流为 : IH P sin0. 36 Ue 2 X 0. 001 U e 2 X sin0. 36 U e = 0. 314I e 2 # 0. 01 Z e 0. 001 Ue = 0. 05I e 2 # 0. 01 Z e
1
( 1) ( 2)
+ j sin jX 1
1
) - U0
由式 ( 1) 、 ( 2) 得出 : P1 = Q1 = U1 U0 sin X1
1 2
U1 U0 cos 1 - U0 X1
( 3)
作者简介 : 姜桂宾 ( 1975 ) , 男 , 山东 籍 , 博士 , 主攻高性能开关电源、 逆变电源及其并联技术 ; 王兆安 ( 1945 ) , 男 , 山西 籍 , 教授 , 博导 , 主攻电力电子技术、 谐波与无功补偿、 工业自动化控制技 术等。
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4
并联系统的环流特性分析
只有并联的各逆变电源均分负载电流而不产生
第 3期
姜桂宾, 等 : SPWM 逆变电源的自动主从并联控制技术 和无功功率 Q 进行近似解耦控制
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17 。本文所采用
的逆变电源自动主从并联运行控制策略正是基于这 种系统的功率特性来进行控制的。逆变电源在并联 运行时, 各电源模块可根据自身的容量和输出的有 功调节量
图 1 SPWM 逆变电源并联工作系统示意图 Fig. 1 Two inverters in parallel with a common load
收稿日期 : 2003 03 27 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 50107009)
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2 逆变电源自动主从并联控制原理
SPWM 逆变电源并联工作系统如图 1 所示 , 电 源系统包括并联的各逆变电源模块以及接在交流总 线上的负载。为了便于分析, 以下不妨以两台逆变 电源模块向同一负载供电为例进行分析, 其等效电 路如图 2 所 示, 其中 X 为线 路阻 抗 ( 忽略 线路 电 阻) 。 逆变器 1 输出的复功率和输出电流为: S 1 = P 1 + jQ1 = U0I 1 I1= U1 ( cos
X1
k 1 U0 式中 : k P1 = X 为有功功率系数 ; 1 k Q1 = Q0= U0 cos X1 U0 X1 P1 Q1 P2 Q2 于相位角 k P1 ! k Q1 ! k P2 ! k Q2 !
图 3 逆 变电源自动主从并联运行系统图 Fig . 3 Frequency droop and amplitude droop scheme of inverters
系统图如图 3 所示。
由于 一般逆变器的 输出电压 U 1 与 系统电压 U0 之间的相位差很小 , 即 sin k 1 U0 则由式( 3) 得出: P1 Q1 = k 1 U0 X1 ( k 1 cos
2 2 1 1 1
, 如果令 U1 =
= k P1
1
1 2
- 1) U0
( 4) k Q1 U1 - Q0
中图分类号 : TM464 文献标识码 : A 文章编号 : 1003 3076( 2003) 03 0016 05
1
引言
逆变电 源广泛 应用 于 UPS 等 供电 设备 , 多台
形控制方案, 为实现高性能 SPWM 逆变电源自动主 从并联控制奠定了基础
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。各台逆变电源之间的
并联控制方式以 DSP 为核心 , 采用瞬时无功功率理 论及自动主从控制技术。本文阐述了自动主从并联 控制的原理及其优缺点, 并分析了并联系统环流的 产生及其特性 , 然后制定了自动主从并联控制方案, 最后给出了实验结果。
2 1
为无功功率系数 ;
由式 ( 4) 得出逆变电源 1 输出功率的调节特性为 :
1
U1
( 5)
同理得出逆变电源 2 的输出功率调节特性为:
2
U2
( 6)
在图 3 中, 输出有功功率大的逆变电源模块自 动成为有功主模块 , 并驱动 P BUS ; 其余各模块 则为 有功从模块, 并通过补偿其输出电压的频率 , 来使得 输出电压的相位向前移动, 输出的有功功率也逐渐 增加 , 最终, 并联运行的各逆变电源模块输出的有功 功率趋于相等。在有功的均衡调节过程中, 同时也 实现了各台逆变电源的频率、 相位的同步控制。同 理, 可以实现无功功率的均分。 在系统中如果并联的逆变电源的容量不等, 则 要按照逆变电源的容量将其输出的有功功率及无功 功率进行标么化处理 , 从而使得各逆变电源能够按 其容量来负担负载的有功功率及无功功率, 即容量 大的逆变电源输出较多的功率, 容量小的逆变电源 输出较少的功率。标么化关系式为:
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3
自动主从并联控制系统的优缺点
逆变电源的自动主从并联运行控制过程中 , 存
在有功主模块和无功主模块。系统的频率由有功主 模块的给定基准频率决定 , 系统的电压幅值由无功 主模块的输出电压 ( 给定基准电压 ) 决定, 因此系统 的频率及电压幅值是稳定的 , 系统的频率精度及幅 值精度可以做得很高。同时 , 由于功率均分环为外 环, 可以克服包含在环内的逆变电源等所有环节的 波动, 从而各逆变电源输出的有功功率的一致性及 无功功率的一致性都很好 , 逆变电源间的均流效果 很好。 自动主从控制系统的并联控制不检测负载的电 流, 因此负载可以是分布的。并联运行的各台逆变 电源可以按照其容量来分担负载的有功功率、 无功 功率 , 并且不受线路阻抗的影响。 虽然系统中存在 有功功率总线 P BUS 和无功功 率总线 Q BUS , 在一定程度上降低了系 统的可靠性 , 增加了系统的成本, 但与集中控制、 传统的主从控制 相比 , 这两条总线传递的信号基本为直流信号 , 信号 线的通频带宽不需要太高 , 如果适当地增加一些滤 波环节 , 消除干扰 , 则这两条总线 可以较长距离铺 设。而在集中控制、 主从控制中, 逆变电源模块之间 的电流指令信号线, 在线性负载的情况下传输的是 一个基波频率的交流信号 , 在非线性负载的情况下 , 此指令信号线传输的是一个包含高频谐波的基波信 号, 因此电流指令信号线不易长距离铺设, 否则信号 衰减、 信号相位滞后以及干扰等严重, 不适于在大容 量 UPS 系统中和分布式发电系统中应用。 自动主从控制是一个冗余的系统, 每台逆变电 源模块在物理结构上的地位是等同的, 任何一台逆 变电源 ( 包括主模块 ) 故障时 , 只要其能够快速退出 系统就不影响整个系统的正常运行, 系统的可靠性 很高。
SPWM 逆变电源的并联运行可以扩大系统的容量 , 还可以组成并联冗余系统以提高系统的可靠性及可 维护性
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, 同时可以通过逆变电源的并联运行将分
布式洁 净能源组成分 布式发电系统。然而, SPWM [ 2] 逆变电源的并联运行相对的困难 , 因为所有并联 运行的 SPWM 逆变电源必须同步运行, 否则, 各逆变 电源之间将存在很大的环流 , 过大的环流会使逆变 器的负担加重, 发散的环流将使系统崩溃, 导致供电 中断。 SPWM 逆变电源的并联运行控制方式一般分为 集中控制、 主从控制和无互联信号线独立控制等几 种方案 。由于集中控制及主从控制本身的缺点 , 它们并不是理想的并联冗余控制方案, 它们不可能 用于分布式发电系统中; 无互联信号线线独立控制 技术可以取消各模块间的均流控制线, 是目前最理 想的并联控制策略, 但实现起来较为困难, 并且它在 分布式发电系统中应用还有一些需要解决的问题。 本文提出了逆 变电源的自动 主从并联控制策 略, 并建立了数模混合型逆变电源并联系统: 数字自 动主从均流外环控制高性能模拟逆变电源。高性能 SPWM 逆变电源采用带电容电流反馈的瞬时电压波
第 22 卷 第 3 期 2003 年 7 月
电工电能新技术 Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy
Vol. 22, No. 3 July 2003
SPWM 逆变电源的自动主从并联控制技术
姜桂宾, 裴云庆, 王 峰, 杨 旭, 王兆安
P、 无功调节量
Q , 然后对其频率给定
f r、 电压幅值给定 Ur 进行相应的调节来实现负载电 流的均分和环流的抑制。 根据以上分析及直流开关电源中自动主从控制 方式的原理, 制定出了 SPWM 逆变电源自动主从控 制方案, 它类似于直流电源的自动主从控制技术 ,
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图 2 两台逆变电源并联系统 的等效电路 Fig. 2 Dynamic model of system
由此可知各逆变电源输出的有功功率主要取决 , 相位差超前者发出有功功率 , 反之吸收 有功功率; 并联逆变电源输出的无功功率则主要取 决于输出的电压幅值 U, 幅值高者 发出无功功率 , 反之吸收无功功率。逆变电源相位角 的调节是 通过微调频率 f 来实现的 , 要调节各逆变电源输出 的有功功率, 只需对输出电压的频率作相应的调整。 因此, 可以通过改变逆变器的输出电压的频率来控 制输出的有功功率; 通过改变逆变器的输出电压幅 值来控制输出的无功功率 , 从而把逆变电源的频率 ( 相位 ) 与幅值两个要素可以通过输出的有功功率 P