SPWM逆变电源的无互联信号线并联控制技术

SPWM 逆变电源的并联运行相对的困难[2]
万方数据
第 12 期
姜桂宾等
SPWM 逆变电源的无互联信号线并联控制技术
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Baidu Nhomakorabea
合型逆变电源无互联信号线并联的控制方案 并给 出了实验结果
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逆变电源无线并联的原理
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 以下以 2 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
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中
国
电 机
工 程
学 报
第 23 卷
示意图 通过输出电压的频率 幅值的下垂法控制 实现了 SPWM 逆变电源的无互联信号线并联运 行 但这种控制方式却牺牲了输出电压频率 幅值 的稳定性指标
可见 0.1%的相位误差引起的有功环流为额 定负载电流的 31.4% 0.1%的幅值误差引起的有功 环流为额定负载电流的 5% 因此要实现有功电流 及无功电流的均分 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波 即输出 电压的谐波总含量 THD 尽可能小 采用下垂法实现无线并联时还应使得各台逆 变电源的空载频率 f0 空载电压幅值 U0 一致 时 尽可能提高检测及控制精度 同
第 23 卷 第 12 期 2003 年 12 月 文章编号 0258-8013 2003 12-0094-05
中 国 电 机 工 程 学 报 Proceedings of the CSEE 中图分类号 TM464 文献标识码 A
Vol.23 No.12 Dec. 2003 ©2003 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号 470·4031
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 ϕ 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 2 个要素可以通过输出的有功功率 P 和无功功率 Q 进 行非严格的近似解耦控制[6,7] 本文所采用的逆变电 源无互联信号线并联运行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 无功 功率 对其输出的电压频率 电压幅值进行相应的 衰减调节来实现负载电流的均分和环流的抑制 根 据以上分析 SPWM 逆变电源输出电压频率 幅值 可以按以下特性进行衰减调节控制 即外特性下垂法 调节控制 来实现负载电流的均分和环流的抑制 ∆f f i = f 0 − max Pi = f 0 − mi Pi Pei ∆U max Ui = U 0 − Qi = U 0 − ki Qi Qei 式中 f 0 为空载频率 ∆fmax 为系统允许最大频率 变化 Pei 为逆变电源的额定有功功率 mi 为频率 衰减系数 U0 为空载电压幅值 ∆Umax 为系统允 许最大电压幅值变化 Qei 为逆变电源的额定无功 功率 ki 为电压幅值衰减系数 图 3 为 2 台逆变电源的频率和幅值下垂特性
2 k1U 0 为有功功率系数 X1
kQ1 =
U 0 cos ϕ1 X1
为无功功率系数
U2 Q0 = 0 X1
0
P2 P1 (a)
P
0
Q2 Q1 (b)
Q
同理得出逆变电源 2 的输出功率为
图 3 两台逆变电源的频率和幅值下垂特性 Fig.3 Frequency-droop and amplitude-droop control scheme of inverters
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 分散逻辑控制和无互联线 独立控制 4 种方案[2] 在前 3 种控制方式中 各逆 变电源之间存在较多的控制用互联信号线 且大容 量的逆变电源并联时互连线的距离较远 干扰严 重 尤其在分散式发电系统中 各逆变电源之间的 距离在几百米甚至几公里以上 使得信号的传输变 得复杂且降低了系统的可靠性 因此 这些控制方 式不适合应用在分散式发电系统中 目前 可并联 使用的 UPS 逆变电源系统基本为前 3 种控制方式 国外只有几家公司生产无信号线并联控制的 UPS 系统 本文提出了一种高性能数模混合型逆变电源 无线并联控制方案 数字均流外环控制高性能模拟 逆变电源 逆变电源为高性能 SPWM 逆变电源 其控制方式为采用 PI 调节器的带电容电流反馈的 瞬时电压波形控制 [3~5] 它具有工作稳定 动态响 应快 非线性负载适应能力强等特点 为实现高性 能 SPWM 逆变电源无互联信号线并联奠定了基 础 各台逆变电源之间的并联控制方式以 DSP 为 核心 采用外特性下垂法 即采用输出电压的幅值 及频率下垂法来实现逆变电源的无互联信号线并联 运行 本文阐述了无互联信号线并联的原理 并分 析了并联系统环流的产生及其特性 提出了数模混
U f f0 m1 m2 U0 k1 k2
UDC + _
逆变器 2
图 1 SPWM 逆变电源无线并联工作系统图 Fig.1 Two inverters in wireless-parallel with a common load
I1 UAC1 U1 ∠ ϕ 1 X1 I0 X2 I2
~
负 载
U0 ∠ 0
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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
生环流 并联系统才能够正常 高效的工作 为了 消除逆变器之间的环流 必须分析环流产生的原因 及其特性 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 2 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 X1 X2 相等且为纯电感 L 则 U1 − U0 I1 = jωL U2 − U0 I2 = jωL I 0 = I1 + I 2 定义 2 台逆变电源之间的环流为[2] I −I U − U2 IH = 1 2 = 1 2 2 jω L 可以得出 1 U − U2 1 I1 = I H + I 0 = 1 + I0 2 2 jωL 2 1 U − U 1 2 I2 = − IH + I0 = − 1 + I0 2 2 jωL 2 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 U2 同相不同幅值时 产生无 功环流 当 U1 U2 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 U1 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 U1 U2 的波形畸变时 会产生谐波环流 假设线路感抗 L 为额定负载的 1% 则 0.1% 的相位误差引起的有功环流为 sin( 0.36U e ) sin( 0.36U e ) I HP ≈ ≈ = 0.314 I e 2ωL 2 × 0.01Z e 0.1%的幅值误差引起的的无功环流为 0.001U e 0.001U e I HQ ≈ ≈ = 0.05 I e 2ω L 2 × 0.01Z e
SPWM 逆变电源的无互联信号线并联控制技术
姜桂宾 裴云庆 杨 旭 王兆安
710049 西安交通大学电气工程学院 陕西 西安
PARALLEL OPERATION OF SINUSOID WAVE INVERTERS WITHOUT CONTROL INTERCONNECTIONS
JIANG Gui-bin, PEI Yun-qing, YANG Xu, WANG Zhao-an Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China
UDC + _ 逆变器 1 线路 阻抗 X1 线路 阻抗 X2 交流 总线 负 载
2 k 2U 0 ϕ 2 = k P 2ϕ 2 P2 ≈ X2 2 Q = (k 2 cos ϕ 2 − 1)U 0 ≈ k U − Q 0 2 Q2 2 X2 由此可以得出各逆变电源输出的有功功率主 要取决于相位角 ϕ 相位差超前者发出有功功率
~
UAC2 U2 ∠ϕ 2
图 2 两台逆变电源并联系统的等效电路 Fig.2 The dynamic model of the system
逆变器 1 供给负载的复功率为 S1 = P 1 + jQ1 = U 0 I 1 逆变器 1 的输出电流为 U (cosϕ 1 + j sin ϕ1 ) − U 0 I1 = 1 jX 1 U 1U 0 P sin ϕ1 1 = X1 得出 2 Q = U 1U 0 cosϕ 1 − U 0 1 X1 由于一般逆变器的输出电压 U1 与系统电压 U 0 之间的相位差很小 则 sin ϕ1 ≈ ϕ1 如果令 U1 = k1U 0 则 2 k1U 0 P ϕ1 =k P1ϕ1 ≈ 1 X1 2 Q = ( k1 cosϕ1 − 1)U 0 ≈ k U − Q 1 Q1 1 0 X1 式中 k P1 =
ABSTRACT: This paper presents a new control scheme which allows wireless-paralleled inverters to share linear or nonlinear load. It can be used in large scale UPS systems and distributed power systems. This control scheme is based on DSP to measure output power of high performance inverter modules, and it based on frequency-droop and amplitude-droop scheme to control the output voltage. The high performance inverter modules have inner filter capacitor current loops; and the output voltage can maintain high-quality sine-wave. An experiment system was built to verify this control scheme, and the results indicate the inverters in parallel connection realize load current sharing. KEY WORDS: SPWM inverter; Wireless parallel oporation; Load sharing 摘要 该文提出了一种可适用于分布式发电系统或大容量 UPS 系统的高性能数模混合型逆变电源无线并联控制方 案 这种控制技术以 DSP 为核心 通过检测逆变电源自身 的输出功率来对高性能模拟 SPWM 逆变电源的电压幅值及 频率进行下垂控制 从而实现了逆变电源的并联同步运行 实验结果表明 逆变电源均分负载电流的效果很好 逆变 电源之间的环流很小 关键词 正弦脉宽调制逆变器 无线并联 均流
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引言
逆变电源广泛应用于 UPS 等供电设备 多台 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[1] 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
基金项目 国家自然科学基金项目 50107009 Project Supported by National Natural Science Foundation of China 50107009