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UPS逆变电源的并联控制技术综述
2006年4月24日 14:19  来源:中国制造业信息化门户
    多模块UPS能较灵活地实现对电源系统容量的扩展,为了增加整个电源系统的可靠性,它可以组成冗余并联系统。 文中对目前采用的UPS并联连接控制方式和均流控制技术进行综述。逆变器并联的全数字化控制方案是交流电源领域的发展趋势。 

    1. 前言

    不间断电源(UPS)越来越广泛地应用于一些重要的设备上,用它为这些设备提供恒定的电压和频率,例如电脑系统,通讯系统和医院的一些仪器。如果要扩展系统容量,可以使用大容量UPS或用小容量UPS并联这两种方法实现。前一种方法由于初期投资大,安装困难(比如大小,重量和系统可靠性)等原因而变得不太实际。相比之下用后一种方法来扩展系统容量并使之具有冗余性是比较容易实现的。

    常见的冗余式供电方式有由二台或多台UPS电源逆变器模块经系统控制柜并联后再向外供电的主从供电体系,以及将并机功能直接设计在各个UPS电源单元模块中的分散逻辑供电方案。不管采用那种方式,在正常工作时每个UPS电源模块都要平均分配负载电流。在运行中,如果遇到其中一台UPS电源模块出故障时,并联系统自动将有故障的UPS电源模块同负载脱机。此时,全部负载由剩下的UPS电源模块按照比例平均分担。通过这种方式,UPS电源可以保证一直向用户提供无幅度大小扰动和无供电时间中断的高质量电源。显然,采用这样的供电系统,大大增强了UPS电源供电系统的可靠性。

    要实现UPS并联我们要完成以下两个任务:(1) 各个UPS输出电压的幅值、频率和相位要相同;(2)在输出电压同步的情况下,总的负载电流要在各个UPS间均衡分配,达到负载均分的目的。

    2. UPS的并联控制方式

    UPS的并联按照其连接方式一般分为集中控制,主从控制,分散逻辑控制,3C(Circular Chain Control)连接控制和无互连线控制方式。

    (1)集中控制

    集中控制又可以分为直接集中控制和间接集中控制。直接集中控制方式中并联单元检测市电的频率和相位,向每个UPS发出同步脉冲,无市电时可由晶振产生同步脉冲通过各个UPS单元的锁相环控制来保证各单元输出电压同步。并联单元还要检测负载的总电流,然后除以并联单元数作为各个单元的电流参考并与本单元电流比较求出偏差并控制使其最小。不过由于存在检测误差,所以实际输出电压相位仍然可能存在误差。为消除这一缺陷,我们可以采用间接集中控制方式。这种方式是用电流误差ΔI和输出电压VO计算出ΔP和ΔQ,其中ΔP作为相位补偿量,ΔQ作为电压幅值补偿量,可进一步提高并联运行时均流的精度。

    但是由于系统仍采用一个集中的控制单元,如果该控制单元出现故障时整个UPS并联系统就会瘫痪,存在单点故障,不能真正达到高可靠性和真正冗余的目的,所以目前的并联系统较少采用这种方式。

    (2)主从控制

    主从控制方式是将并联控制单元做到每个模块上,通过工作方式选择开关来选择一台UPS做主机,其他单元作为从机。各个电源单元检测网络状态信号线并由其内部主从标志来控制开关K的闭合与否。当系统中的一台出现故障时其余单元仍可以工作,当主机出现问题时可通过切换来使得另外一台UPS作为主机使系统继续正常运行。通常做主机的一台UPS处于电压控制模式,而其他的UPS处于电流控制模式。

    这种方式虽然可靠性有所增加但在其同步信号仍为公共集中同步信号,切换过程中失去同步信号可能使模块失效,并且切换控制电路的复杂性也可能影响系统的正常运行,从而影响整个系统的性能指标,所以主从式并联控制系统并不是较理想的并联冗余系统。

    (3)分散逻辑控制并联

    分散逻辑控制是将控制权分散,在逆变电源并联运行时,各个电源模块检测出自身的有功和无功功率,通过均流母线传送到其他并联模块中,与此同时电源模块本身也接收来自其他模块的有功无功信号进行综合判断确定本模块的有功无功基准,从而确定各个模块的电压和同步信号(频率和相位)的参考值。

    分散逻辑控制技术即为一种独立并联控制方式,它采用了在各逆变电源中把每个电源模块中的电流及频率信号进行综合,得出各自频率及电压的补偿信号的控制策略。这种方式可实现真正的冗余并联,有一个模块故障退出时,并不影响其他模块的并联运行。它以可靠性高、危险性分散、功能扩展容易等良好的特性已在众多领域中得到了广泛的应用,并且成为计算机控制系统发展的主要方向之一,是一种比较完善的分布式智能控制技术。但当多个模块并联时互连线数目较多,信息量大,实现较复杂。

    (4)3C(Circular Chain Control)连接

    3C型并联的思想是减少互连线的数目和信号的传递,以减少对其他模块的依赖程度。它是将第一台逆变器的输出电流反馈信号加到第二台逆变器的控制回路中,第二台的输出电流反馈信号加到第三台,依次连接。最后一台的输出电流反馈信号返回到第一台逆变器的控制回路,使并联系统在信号上形成一个环形结构,在功率输出方面形成并联关系。

    3C型方案在控制回路中引入其他模块信号,加强了模块之间的影响,使得常规方案难以控制,因此一般采用H∞理论设计控制器以解决稳定性问题。文献中每个逆变器都由PI控制来得到快速的动态响应,用鲁棒控制来得到多个模块逆变器的鲁棒性,以减少逆变器间的的相互影响。与前面的方案相比,3C型并联方案仅引入一个模块的电流信号,无需模拟信号平均电路,也无需知道并联模块数。但是控制器复杂,设计难度大,多采用数字控制系统来实现,成本较高,而且采用H∞方法设计控制器,控制器阶数过高,实现较困难。
 
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