UPS无互联线并联中基于解耦控制的下垂特性控制方案.doc

UPSUPS 无互联线并联中基于解耦控制的无互联线并联中基于解耦控制的 下垂特性控制方案下垂特性控制方案 林新春 段善旭 康勇 陈坚林新春 段善旭 康勇 陈坚 华中科技大学电子与电气工程学院 湖北 华中科技大学电子与电气工程学院 湖北 武汉武汉 430074430074 摘摘 要要 在 UPS 无互联线并联中 传统下垂特性控制是一种有效的控制方 案 但是它在动态调节过程中容易引起正反馈效应 该文通过对传统下垂特性 局限性的仔细分析 提出了一种基于解耦控制的新下垂特性控制方案 此控制 方案可以克服传统下垂特性的弱点 也不会影响稳态时的功率均分 同时还具 有对参数变化较强的抗干扰能力 仿真与实验结果都证实了该方案不仅可以获 得很好的动态调节特性 而且可以提高并机系统的稳定性 关键词关键词 下垂特性 解耦控制 无互联线 UPS 1 1 引言引言 UPS 常常用来给一些重要的负载如计算机 卫星系统以及生命支持系统等 供电 以提高系统的可靠性 为了进一步提高供电系统的可靠性 扩大供电系 统的容量 将多个 UPS 并联起来使用是非常有吸引力的方案 1 因为 UPS 的并 联系统更加易于维护 更加便于扩容 而且可以实现系统的冗余 目前一般的 UPS 并联都需要控制上的互联线 以便在两机之间进行一些信 息的交换 这些信息一般包括输出电流 有功功率以及无功功率等 2 3 虽然有 互联线可以简化并联的控制 但是与此同时 它也给 UPS 的并联系统带来了很 多缺陷 这些缺陷主要体现在控制互联线上干扰的引入 并联 UPS 之间的位置 限制等 当然 也有一些学者在从事 UPS 的无互联线并联方面的研究 其中绝大多 数都是基于有功调频 无功调压这种传统的下垂特性控制方案来实现多台 UPS 之间的并联 4 5 虽然这种传统的下垂特性控制方案可以实现多台 UPS 之间的 无互联线并联 但是在调压与调频的过程中 很容易导致调节的正反馈 引起 系统的振荡 甚至会导致系统的不稳定 本文正是针对传统的下垂特性控制在 UPS 无互联线并联中存在以上缺陷而 提出的一种新型调节控制策略 此控制方案中 不是直接用有功调频 无功调 压来实现多台 UPS 的并联 而是分别采用新的下垂控制量去调节输出电压频率 与幅值 仿真和实验的结果都证明了采用这种新型的下垂特性控制后 UPS 并 联系统可以获得更好的调节特性 可以有效地避免整个系统的振荡 同时系统 的稳定性也得到了较大的提高 2 2 基于传统下垂特性控制的基于传统下垂特性控制的UPS无互联线并联的局限性无互联线并联的局限性 2 12 1 瞬时有功功率与无功功率的计算瞬时有功功率与无功功率的计算 利用瞬时功率理论 6 可以计算出 2 台并联 UPS 的输出瞬时有功与无功 图 1 为其简化的等效电路图 如下 阻 P1与 P2为 UPS1与 UPS2的输出有功功率 Q1与 Q2为 UPS1与 UPS2的输出无功 功率 2 22 2 传统下垂特性的局限性传统下垂特性的局限性 传统的 UPS1和 UPS2下垂控制特性分别为 下面以有功调频为例来分析此方案的局限 由调节特性可知 如果 UPS1和 UPS2的输出有功满足 P1 P2 则在传统下垂特性的作用下 最终会使得频率 f1 f2 而 f1 f2将会导致相角 1P2 那么就认为这 是由于 1 2而引起的 因而去调节频率 以期望最终获得 P1 P2 但是 从 以上 2 台 UPS 并联系统的输出有功与无功表达式可以看出 P1 P2 Q1以及 Q2都 与 1 2 E1和 E2有关 因此 在某些条件下若 P1 P2 未必一定就有 1P2时有 1 2的条件下 满 足 P P1 P2 0 时 1 2 E1和 E2的取值范围 令 E2 140V R 5 rL 0 3 X 0 314 2 0 若 E1 80V 由 P P1 P2 0 可以求 出正反馈时 1的取值范围为 1 2 或 E1 E2 的条件下 未必就有 P1 P2 或 Q1 Q2 由此我们可以 作以下假设 即若能够保证在 1 2 或 E1 E2 时 可以找到新的下垂控制 量 不妨设新的频率下垂量为 P1T P2T 新的幅值下垂量为 Q1T Q2T 且满足 P1T P2T 或 Q1T Q2T 同时还要求 P1T P2T和 Q1T Q2T能够由可以检测的量 比方说有功功率与无功功率等 来表示 P1T P2T和 Q1T Q2T的选取必须满 足稳态时的有功与无功均分 这 3 个条件是确定 P1T P2T和 Q1T Q2T的基本原则 据此 我们来推导 P1T P2T和 Q1T Q2T的表达式 若 R 5 rL 0 3 X 0 314 可以求得 K11 3 34 K12 3 38 K21 2 99 K22 3 33 以上的分析实际上是一种解耦控制方法 因为它是通过消除频率下垂量与电 压及电压下垂量与相位的耦合来实现调节的正确无误 解耦参数只与R rL和 X有关 而与E1 E2 q1和q2无关 而且对并联中的任何 1 台 UPS 而言 其解 耦参数是一致的 因此它适用于 UPS 的无互联线并联 3 23 2 解耦控制不会改变稳态时的有功与无功功率均分解耦控制不会改变稳态时的有功与无功功率均分 多台 UPS 并联运行时必须要保证在并联 UPS 之间均分有功功率与无功功率 因此 新的下垂特性仍然必须保证有功与无功功率均分 采用了解耦控制后 新的调频与调压控制分别为 假设两机稳态时的频率下垂量和幅值下垂量分别相等 实际上两机幅值下垂 量是存在一定差异的 即满足 P1T P2T Q1T Q2T 而 而矩阵 K 显然是非奇异的 所以采用新的下垂特 性是不会影响稳态时的有功与 无功均分的 3 33 3 解耦控制对参数变化的适应性解耦控制对参数变化的适应性 以上分析是在负载固定 R 5 rL和 X 也固定 rL 0 3 X 0 314 时的情况 但实际中负载随时会改变 而 rL和 X 也会随着运行发热而变化 因 此 有必要分析一下负载R rL和 X 分别在变化但解耦参数不变时的解耦控制效 果 设解耦参数 K11 K12 K21和 K22中含有参数 R rL和 X 而都用参数 Rd rLd 和 Xd来代替 其中 Rd rLd和 Xd是预先设定的参数且保持不变 而 R rL和 X 则表示实际电路的参数 它们是在变化的 对于未解耦和解耦两种情况而言 可以假定 其中 M11 M12 M21 M22 N11 N12 N21 N21都是与整个系统有关的参数 可以 用以下 2 个变量 M 和 N 来表示解耦控制对参数变化的适应性 若能证明 M 1 且 N 1 那么可以说明解耦后的性能远远优于未解耦时的性能 同时也可以说明解耦对参数变化的适应性 设解耦参数中 Rd 5 rLd 0 3 Xd 0 314 并保持不变 而实际电路中 负载 R 在 2 到 100 的范围内变化 rL和 X 则由于运行发热而在 0 2 到 0 4 的范围内变化 由此可以得 M 与 N 随负载 R rL和 X 变化的曲线分别如图 2 所示 由图可见 M 与 N 的值都远小于 1 因此当参数R rL和 X 在一个较大 的范围内变化时 解耦控制比不解耦的性能要优越得多 而且从另一个角度说 明了解耦控制对参数变化有较强的适应能力 4 4 仿真结果分析仿真结果分析 假定初始条件为 Rd R 5 rL 0 3 X 0 314 E2 140V E1 80V 1 2 2 0 传统下垂特性与新型下垂特性控制时的仿真结果分别如图 3 和图 4 所示 此结果与理论推导完全一致 分析如下 1 由仿真结果可见 没有解耦时可以实现 P1 P2 而解耦时却只能实现 P1T P2T 而不能实现 P1 P2 这是因为利用下垂特性作为控制手段时 用 P1和 P2 或 P1T和 P2T 调频在稳态时是可以实现 P1 P2 或 P1T P2T 而用 Q1和 Q2 或 Q1T和 Q2T 调压在稳态时是不能达到 Q1 Q2 或 Q1T Q2T 的 所以有解耦 控制时稳态有 P1T P2T且 Q1T Q2T 从而由 P1T P2T Q1T Q2T与 P1 P2 Q1 Q2 的关系 可以得到 P1 P2 且 Q1 Q2 由此可以看出解耦后并不能改善系统 的 稳态特性 甚至有变差的可能 但是解耦可以提高系统的稳定性能与动态响应 性能 2 仿真中KV取值较大 幅值下降得较厉害 未解耦时稳态的相差约为 0 97 如图 3 所示 若考虑此时 E1 105 14V 和 E2 106 74V 用理论推导可 得稳态时的相差约为 0 88 可见 仿真与理论基本吻合 而采用解耦控制 后稳态相差为 0 3 仿真初始状态为 2 0 E2 140V E1 80V 若取 1 2 则有 P1 P2 处在未解耦时的正反馈范围内 1 36 755 未解耦时 控制系统 认为 P1 P2是由于 1 2的条 件下进行热并机 其并机瞬间的电流 环流 有功功率与无功功率波形如图 5 所示 由图可见 不解耦时的系统有一定的振荡 稳定性有降低的趋势 而解耦 后基本消除了系统的振荡 当然 解耦后由于下垂参数不是最优 两机之间的 有功功率存在一定的差异 由此可见 实验结果与理论和仿真分析一致 6 6 结论结论 本文针对基于传统下垂特性控制的 UPS 无互联线并机过程中存在的问题 提出了一种新型下垂特性控制算法 文中在仔细分析传统下垂特性的局限性之 后 给出了新型下垂特性的推导过程 同时对其实用性也进行了较为详尽的分 析 仿真与实验结果都证实了理论分析的正确性 同时也说明了新的下垂特性 可以有效地抑制系统的振荡和显著地提高系统的稳定性 参考文献参考文献 1 Chen Y K Wu Y E Wu T F et al CWDC strategy for paralleled multi inverter systems achieving a weighted output current distribution A IEEE APEC C 2002 1018 1023 2 Wu T F Chen Y K Huang Y H 3C strategy for inverters in parallel operation achieving an equal current distribution J IEEE Transactions on Industrial Electronics 2000 47 2 273 281 3 Lin Xinchun Chen Xikun Kang Yong et al Parallel three phase UPS inverters with a new control technique A IEEE PESC C 2002 905 908 4 Anil Tuladhar Hua Jin Tom Unger et al Control of parallel inverters in distributed AC power systems with consideration of line impedance effect J IEEE Transactions on Industrial Applications 2000 36 1 131 138 5 Kim J W Choi H S Cho B H A novel droop method for converter parallel operation J