无线并机INV讨论

1、1 UPS无线并机Inverter控制器研究 SANTAK R&D 肖永利肖永利 程丽敏程丽敏 2003-8-28 2 目的：目的： 实现两台或多台实现两台或多台UPS无线并机无线并机 内容：内容： 1.UPS并机所要解决的主要问题并机所要解决的主要问题 2.Droop method的控制原理的控制原理 3.直流量控制策略直流量控制策略 4.实验结果实验结果 5.结论结论 3 1 UPS并机所要解决的主要问题： 1.1幅值相同，相位或频率不同幅值相同，相位或频率不同 1.3逆变输出有直流量误差逆变输出有直流量误差 如右图如右图3 3所示所示: : 1.21.2频率相位相同，幅值不同频率相位相同

2、，幅值不同 图图 1 图图 2 2 图图 3 3 4 2.基于基于P、Q的的Droop method 控制原理控制原理 2.1Droop method 的控制原理 2.2稳定性分析 2.3幅值和频率的跟踪 2.4UPS并联系统的控制模型 5 2.1Droop method 的控制原理 Z1Z2 Load 1 1 V2 2 V 0 0 V I1 I2 IL UPS1UPS2 图4 两台UPS并机模型 ) 1 ( sincos )(1 1 * 1 10 1 * 2 0 1 10 * 1 01 0 1 * 0 Z vv j Z vvv Z vv vivjQPS ) 2 ( 2sin2cos )(2

3、2 * 20 2 * 2 020 * 2 02 0 2 * 0 Z vv j Z vvv Z vv vivjQPS 6 当UPS内阻呈阻性时，由式(1),(2)可知 即: 根据下降法原理，并机UPS输出电压频率与幅值的基本调节规律为： )3( cos 2 00 i ii oi Z vvv P )4( sin 0 i ii oi Z vv Q )6)( )5( _ _ QK PKV Qf PV )8( )7( _0 _0 oidroopfinrefi oidroopVinrefi QKff PKVV 7 2.2稳定性分析 以两台内阻呈阻性的UPS逆变器并联为例。 以下分析电压调节： 两式相减可得

4、： 由上式UPS并机后电压调整控制的稳定性可用图5的近似 模型来作分析。 )9( 1_11odroopVnoref PKVV )10( 2_22odroopVnoref PKVV )11( _ VPKV droopVout droopV K _ )(zP )(zV PV K _ 0 )(zVout - 图5 8 由于在扰动信号作用下系统的理想输出应为零，故该单位反 馈系统响应扰动的输出误差信号为: 系统在阶跃扰动 作用下的稳态误差为： 减小或消除稳态误差的方法有： (1)增大系统扰动作用点之前的前向通道增益，。 (2)在扰动作用点之前增加前向通道积分环节。 )12)( 1 )()( _ _ z

5、V KK K zPzE PVdroopV PV n 1 )( 0 z z VzV )13( 1 )()1 (lim)( 0 _ _ 1 1 V KK K zEze PVdroopV PV n z 9 n由图6可知： 由式(14)可知： 同理， droopV K _ )(zP )(zV PV K _ 0 1 _ z z K IV )(zVout - 图6 )14( )()()( 1 _ K n IVdroopVout nPKVKPKKV )15( )()() 1( 1 _ k n oiIVoidroopVnoirefi nPKkPKVkV )16( )()() 1( 1 _ k n oiIfoi

6、droopfnoirefi nQKkQKfkf 10 考虑到程序实现以及 和 对模式切换和跟踪等问题的 影响，上面的关系式也可表示成如下的等价形式： 式(17)和(18)保证无线并机UPS抑制环流(circulating current)， 实现负载电流平均分配（load current sharing）的基本关系式。 需要特别指出的是，增加积分环节后，虽然并机系统仍是恒 稳定的，但是降低了系统的稳定性，只是如果参数选取不当， 有可能造成系统不稳定，从而恶化系统的动态性能。 noi f noi V )17)()()() 1( _ kPKkPKkVkV oidroopVoiIVrefirefi

7、)18)()()() 1( _ kQKkQKkfkf oidroopfoiIfrefirefi 11 2.3幅值和频率的跟踪 n幅值跟踪： n频率跟踪： 频率的跟踪与电压调整类似，这里如果UPS是市电模式，那么在频率 跟踪的同时，还要与市电锁相，锁相的原理采用了一般的市电频率锁 相计算方法，先求出当前输出电压与市电的相位差，然后在下降法调 节频率的基础上，加上该调节量，这样整个并机控制量既能保证电流 平均分配的并机要求，又可兼顾锁市电的目的。 )19)()()(kVkVkE outtrackVi )20)()1()()() 1( _ kEKkEkEKkVkV VitrackiVIViVitra

8、ckiVPrefirefi 12 2.4 UPS无线并机控制模型 . , C a l PP . , C a l QQ PK PK d roo pV IV _ _ QK QK d ro o pV IV _ _ P I P L L P W M - + L O A D U P S 1 U P S 2 L d c A C /D CIN V E R T E RZ lin e + + )sin (t a m p V sin o ut V ref V ref f L in e vo lta g e 图图 7 7 13 3.逆变输出直流量控制策略 n3.1并机中直流量的影响 n3.2直流量的控制策略 n3.3

9、稳定性分析 n3.4实验结果 14 3.1并机中直流量的影响 n并联模型如图8所示： n当两台机器逆变输出没有幅值差和相位差，只有直流量不同的时, 如图3所示： 图8 15 多次实验表明，存在这样误差的两台机器并联时会出现其中一台机 器的+BUS上冲，另一台机器的-BUS上冲。下面以DC1DC2 为例说 明： 正半周时： (1)当Q1、Q4导通时，能量主要沿图示粗线条流动，即是说C11向 C22反方向充电，结果是会使它们电压降低。如图9所示： C1 C11 L1 C12 Q1 D1 Q2D2 V1 C2 C21 L2 C22 Q3D3 Q4D4 V2 图9 16 (2)当Q4关断的时候，由于电

10、感里流过的电流不能突变，电流会通过 D3向C21充电，结果使得+BUS升高。如图10所示 ： C1 C11 L1 C12 Q1 D1 Q2D2 V1 C2 C21 L2 C22 Q3D3 Q4D4 V2 图10 17 负半周时 : nQ1、Q4导通时，能量主要沿图示粗线条流动，即是说C11向 C22反方向充电，结果是会使它们电压降低。情况同图9。 n当Q1关断时，电感中流过的电流不能突变，电流会通过D2向 C12充电，结果使得-BUS升高。如图11所示。 C1 C11 L1 C12 Q1 D1 Q2D2 V1 C2 C21 L2 C22 Q3D3 Q4D4 V2 图 11 18 3.2直流量控

11、制策略 n为了消除逆变电压中的直流分量，在控制模型中，加入对直流 量的PI调节。控制模型如图12所示： 图12 19 3.3稳定性分析 n在逆变器的线性分析中，可以将其等效为增益为1的比例 放大器Kv_5，下面分析一下直流分量的增加PI调节后控制 系统的稳定性。 如图13所示： 图13 20 3.4仿真波形及实验结果 a).未加DC PI调节,如图14所示: 图14 b).加入DC PI调节,如图15所示： 图15 21 n控制算法在Array 4k 3c1的机种上得到验证。如表1所示。 表1控制算法改进前后直流量变化情况 额定功率（Rating power capacity） 4kVA 额定

12、电压（Rating voltage） 220V 额定频率（Rating frequency）50hz 加入DC PI调节器前空载（DC voltage） 380mV 加入DC PI调节器后空载（DC voltage） 20mV 22 4实验结果 n无线并机实验采用的机型是ARRAY 4K,该机型的主要技术参数 如表2所示。 n稳态：表3、表4分别是电池模式、市电模式三台机器并机测 试的稳态实验数据。实验波形见 附录: n瞬态： R载满载(8.4K)瞬投，第一个周期输出电压下降率约 8.5%，100ms内可恢复额定电压的95%，RCD满载 (11.9KVA)，可在80ms内恢复额定电压的90%。

13、 表2 机种规格 额定功率（Rating power capacity） 4kVA 开关频率（Switching frequency） 19.2khz BUS电压（BUS voltage） 380V 输入输出电压（Input and output voltage） 220V/220V 23 n表3 Battery Mode无线并机实验数据 n表4 Line Mode无线并机实验数据 功率值电压值(V) 1#电流RMS(A) 2#电流RMS(A) 3#电流RMS(A) 空载 0 220 0.07 0.3 0.3 R 8.4KW 218.2 12.5 12.8 13.4 RCD 11.7KVA 2

14、17.6 18.4 18.7 18.3 功率值电压值(V) 1#电流RMS(A) 2#电流RMS(A) 3#电流RMS(A) 空载 0 220 0.07 0.3 0.3 R 8.4KW 218.2 12.5 12.8 13.4 RCD 11.7KVA 217.6 18.4 18.7 18.3 24 5结论 n介绍了一种UPS并机系统控制算法，这种算法不需要在各个单 元之间连接控制信号线。控制算法在Array 4k机种上得以实现， 无论在线性的非线性的负载条件下，都表现出了很好的负载均 流效果及快速的动态响应。 n总结如下： n1.无线并机的性能： na).分析了每台机器在输出电压存在幅值和相位差的情况下的有 功功率和无功功率的特性。详细阐述了控制算法的基本原理。 nb).控制算法良好性能在三台Array 4k机器上得以实现。 nC).稳态情况下，均流误差在5%以内。 25 n2.有线与无线的优缺点: n2.1有线并机的优点与缺点： n优点： na.控制比较简单 nb.瞬态性能比较好 n缺点： na.控制信号比较多，可靠度比较差 n2.2无线并机的优缺点： n优点 na.无控制信号，可靠度高 nb.稳态性能比较好 nC.并机之间不受空间的限制 n