無線并機INV討論

1、1 UPS無線并機Inverter控制器研究 SANTAK R&D 肖永利肖永利 程麗敏程麗敏 2003-8-28 2 目的：目的： 實現(xiàn)兩臺或多臺實現(xiàn)兩臺或多臺UPS無線并機無線并機 內(nèi)容：內(nèi)容： 1.UPS并機所要解決的主要問題并機所要解決的主要問題 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.實驗結果實驗結果 5.結論結論 3 1 UPS并機所要解決的主要問題： 1.1幅值相同，相位或頻率不同幅值相同，相位或頻率不同 1.3逆變輸出有直流量誤差逆變輸出有直流量誤差 如右圖如右圖3 3所示所示: : 1.21.2頻率相位相同，幅值不同頻率相位相同

2、，幅值不同 圖圖 1 圖圖 2 2 圖圖 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穩(wěn)定性分析 2.3幅值和頻率的跟蹤 2.4UPS并聯(lián)系統(tǒng)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 圖4 兩臺UPS并機模型 ) 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 當UPS內(nèi)阻呈阻性時，由式(1),(2)可知 即: 根據(jù)下降法原理，并機UPS輸出電壓頻率與幅值的基本調節(jié)規(guī)律為： )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穩(wěn)定性分析 以兩臺內(nèi)阻呈阻性的UPS逆變器并聯(lián)為例。 以下分析電壓調節(jié)： 兩式相減可得

4、： 由上式UPS并機后電壓調整控制的穩(wěn)定性可用圖5的近似 模型來作分析。 )9( 1_11odroopVnoref PKVV )10( 2_22odroopVnoref PKVV )11( _ VPKV droopVout droopV K _ )(zP )(zV PV K _ 0 )(zVout - 圖5 8 由于在擾動信號作用下系統(tǒng)的理想輸出應為零，故該單位反 饋系統(tǒng)響應擾動的輸出誤差信號為: 系統(tǒng)在階躍擾動 作用下的穩(wěn)態(tài)誤差為： 減小或消除穩(wěn)態(tài)誤差的方法有： (1)增大系統(tǒng)擾動作用點之前的前向通道增益，。 (2)在擾動作用點之前增加前向通道積分環(huán)節(jié)。 )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由圖6可知： 由式(14)可知： 同理， droopV K _ )(zP )(zV PV K _ 0 1 _ z z K IV )(zVout - 圖6 )14( )()()( 1 _ K n IVdroopVout nPKVKPKKV )15( )()() 1( 1 _ k n oiIVoidroopVnoirefi nPKkPKVkV )16( )()() 1( 1 _ k n oiIfoi

6、droopfnoirefi nQKkQKfkf 10 考慮到程序實現(xiàn)以及 和 對模式切換和跟蹤等問題的 影響，上面的關系式也可表示成如下的等價形式： 式(17)和(18)保證無線并機UPS抑制環(huán)流(circulating current)， 實現(xiàn)負載電流平均分配（load current sharing）的基本關系式。 需要特別指出的是，增加積分環(huán)節(jié)后，雖然并機系統(tǒng)仍是恒 穩(wěn)定的，但是降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，只是如果參數(shù)選取不當， 有可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而惡化系統(tǒng)的動態(tài)性能。 noi f noi V )17)()()() 1( _ kPKkPKkVkV oidroopVoiIVrefirefi

7、)18)()()() 1( _ kQKkQKkfkf oidroopfoiIfrefirefi 11 2.3幅值和頻率的跟蹤 n幅值跟蹤： n頻率跟蹤： 頻率的跟蹤與電壓調整類似，這里如果UPS是市電模式，那么在頻率 跟蹤的同時，還要與市電鎖相，鎖相的原理采用了一般的市電頻率鎖 相計算方法，先求出當前輸出電壓與市電的相位差，然后在下降法調 節(jié)頻率的基礎上，加上該調節(jié)量，這樣整個并機控制量既能保證電流 平均分配的并機要求，又可兼顧鎖市電的目的。 )19)()()(kVkVkE outtrackVi )20)()1()()() 1( _ kEKkEkEKkVkV VitrackiVIViVitra

8、ckiVPrefirefi 12 2.4 UPS無線并機控制模型 . , 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 圖圖 7 7 13 3.逆變輸出直流量控制策略 n3.1并機中直流量的影響 n3.2直流量的控制策略 n3.3

9、穩(wěn)定性分析 n3.4實驗結果 14 3.1并機中直流量的影響 n并聯(lián)模型如圖8所示： n當兩臺機器逆變輸出沒有幅值差和相位差，只有直流量不同的時, 如圖3所示： 圖8 15 多次實驗表明，存在這樣誤差的兩臺機器并聯(lián)時會出現(xiàn)其中一臺機 器的+BUS上沖，另一臺機器的-BUS上沖。下面以DC1DC2 為例說 明： 正半周時： (1)當Q1、Q4導通時，能量主要沿圖示粗線條流動，即是說C11向 C22反方向充電，結果是會使它們電壓降低。如圖9所示： C1 C11 L1 C12 Q1 D1 Q2D2 V1 C2 C21 L2 C22 Q3D3 Q4D4 V2 圖9 16 (2)當Q4關斷的時候，由于電

10、感里流過的電流不能突變，電流會通過 D3向C21充電，結果使得+BUS升高。如圖10所示 ： C1 C11 L1 C12 Q1 D1 Q2D2 V1 C2 C21 L2 C22 Q3D3 Q4D4 V2 圖10 17 負半周時 : nQ1、Q4導通時，能量主要沿圖示粗線條流動，即是說C11向 C22反方向充電，結果是會使它們電壓降低。情況同圖9。 n當Q1關斷時，電感中流過的電流不能突變，電流會通過D2向 C12充電，結果使得-BUS升高。如圖11所示。 C1 C11 L1 C12 Q1 D1 Q2D2 V1 C2 C21 L2 C22 Q3D3 Q4D4 V2 圖 11 18 3.2直流量控

11、制策略 n為了消除逆變電壓中的直流分量，在控制模型中，加入對直流 量的PI調節(jié)?？刂颇Ｐ腿鐖D12所示： 圖12 19 3.3穩(wěn)定性分析 n在逆變器的線性分析中，可以將其等效為增益為1的比例 放大器Kv_5，下面分析一下直流分量的增加PI調節(jié)后控制 系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 如圖13所示： 圖13 20 3.4仿真波形及實驗結果 a).未加DC PI調節(jié),如圖14所示: 圖14 b).加入DC PI調節(jié),如圖15所示： 圖15 21 n控制算法在Array 4k 3c1的機種上得到驗證。如表1所示。 表1控制算法改進前后直流量變化情況 額定功率（Rating power capacity） 4kVA 額定

12、電壓（Rating voltage） 220V 額定頻率（Rating frequency）50hz 加入DC PI調節(jié)器前空載（DC voltage） 380mV 加入DC PI調節(jié)器后空載（DC voltage） 20mV 22 4實驗結果 n無線并機實驗采用的機型是ARRAY 4K,該機型的主要技術參數(shù) 如表2所示。 n穩(wěn)態(tài)：表3、表4分別是電池模式、市電模式三臺機器并機測 試的穩(wěn)態(tài)實驗數(shù)據(jù)。實驗波形見 附錄: n瞬態(tài)： R載滿載(8.4K)瞬投，第一個周期輸出電壓下降率約 8.5%，100ms內(nèi)可恢復額定電壓的95%，RCD滿載 (11.9KVA)，可在80ms內(nèi)恢復額定電壓的90%。

13、 表2 機種規(guī)格 額定功率（Rating power capacity） 4kVA 開關頻率（Switching frequency） 19.2khz BUS電壓（BUS voltage） 380V 輸入輸出電壓（Input and output voltage） 220V/220V 23 n表3 Battery Mode無線并機實驗數(shù)據(jù) n表4 Line Mode無線并機實驗數(shù)據(jù) 功率值電壓值(V) 1#電流RMS(A) 2#電流RMS(A) 3#電流RMS(A) 空載 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 功率值電壓值(V) 1#電流RMS(A) 2#電流RMS(A) 3#電流RMS(A) 空載 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結論 n介紹了一種UPS并機系統(tǒng)控制算法，這種算法不需要在各個單 元之間連接控制信號線?？刂扑惴ㄔ贏rray 4k機種上得以實現(xiàn)， 無論在線性的非線性的負載條件下，都表現(xiàn)出了很好的負載均 流效果及快速的動態(tài)響應。 n總結如下： n1.無線并機的性能： na).分析了每臺機器在輸出電壓存在幅值和相位差的情況下的有 功功率和無功功率的特性。詳細闡述了控制算法的基本原理。 nb).控制算法良好性能在三臺Array 4k機器上得以實現(xiàn)。 nC).穩(wěn)態(tài)情況下，均流誤差在5%以內(nèi)。 25 n2.有線與無線的優(yōu)缺點: n2.1有線并機的優(yōu)點與缺點： n優(yōu)點： na.控制比較簡單 nb.瞬態(tài)性能比較好 n缺點： na.控制信號比較多，可靠度比較差 n2.2無線并機的優(yōu)缺點： n優(yōu)點 na.無控制信號，可靠度高 nb.穩(wěn)態(tài)性能比較好 nC.并機之間不受空間的限制 n