基于環(huán)流阻抗的瞬時均流控制關鍵技術

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0 引言

均流技術應用于并聯(lián)型的電力電子電源應用中，尤其是充電并聯(lián)電源模塊、逆變并聯(lián)電源模塊等，特別是在變電站、自動化控制系統(tǒng)技術領域使用的小型功率并聯(lián)模塊式UPS不間斷電源系統(tǒng)，尤其涉及基于環(huán)流阻抗的瞬時均流控制技術應用，隨著電力系統(tǒng)自動化控制技術水平的不斷提高，自動化和智能化的普遍應用，對于UPS電源系統(tǒng)的現(xiàn)場智能化、在線維護化需求越來越高，并聯(lián)模塊式的UPS對于故障報警、可靠投切、方式操作等方面越來越具備智能化、簡單化、便捷化的技術特征，在并聯(lián)模塊式的不間斷電源系統(tǒng)中的均流控制不可或缺的重要環(huán)節(jié)，本專利提出的環(huán)流阻抗的瞬時均流控制技術的應用，以達到對實現(xiàn)變電站、自動化控制系統(tǒng)技術領域的并聯(lián)模塊式的中小型功率UPS不間斷電源系統(tǒng)中多機并聯(lián)的有效、可靠的均流智能自動策略控制的目的。

1 并聯(lián)同步的SPWM調(diào)制方式

同步的SPWM調(diào)制是在信號頻率變化時，使用載波比N保持不變，具備有以下優(yōu)點。

1)可以保證輸出波形的對稱性，不會發(fā)生異步調(diào)制中的相位連續(xù)漂移和相位誤差累積現(xiàn)象，可以較好抑制有功環(huán)流分量。

2)在輸出波形的只有正弦波的奇次諧波存在，不會出現(xiàn)偶次諧波問題。

如圖1所示，在同步控制電路中，是將一個參考正弦波(調(diào)制信號)加載于三角波(載波)后，得到一個脈沖寬度變化的SPWM波，將其高低邏輯電平經(jīng)分頻、放大后去驅動逆變器的主開關元件。

圖1 并聯(lián)同步的SPWM調(diào)制電路圖

這樣，可使逆變器輸出與已調(diào)制波相似的SPWM電壓波形，即以正弦波作為逆變器輸出的期望波形，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波，并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波，當調(diào)制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關器件的通斷時刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。

2 瞬時均流控制原理

均流的控制基于相量的調(diào)節(jié)，為了解決電壓外特性與均流控制特性之間矛盾，采用基于環(huán)流阻抗的瞬時均流控制策略，如圖2所示。環(huán)流阻抗的瞬時均流控制技術包括瞬時波形控制器單元、變換器單元、瞬時電壓反饋控制單元、均流控制單元，其中均流控制單元包括調(diào)節(jié)器、環(huán)流阻抗陣列、電流分解單元。

圖2 基于環(huán)流阻抗的瞬時均流控制策略圖

電源模塊輸入電壓信號經(jīng)與瞬時波形控制器單元后送給變換器單元進行電量高頻變換，變換后的交流電量通過瞬時電壓反饋控制單元進行輸出的電壓信號進行采集和反饋控制，形成內(nèi)部閉環(huán)電壓控制，輸出負載電流通過分流器采集到的電流信號經(jīng)均流控制單元中經(jīng)電流電流分解單元分解后，反饋給均流控制單元中的環(huán)流阻抗陣列，再經(jīng)調(diào)節(jié)器進行微調(diào)后反饋給瞬時波形控制器單元進行電壓和電流的變換控制處理，實現(xiàn)了并聯(lián)系統(tǒng)中的各模塊均分負載電流，其環(huán)流阻坑的數(shù)學模型如下：

Δ[Urav(s)-Uref(s)]=ZHj(s)ΔIhj(s)ZHj(s)=Co(s)

式中：Urav(s)并聯(lián)系統(tǒng)參考電壓量

Uref(s)為模塊給定電壓量

ΔIhj(s)為環(huán)流增量

Co(s)為參考變換器的參數(shù)，Ls+R

從式中可以看到，參考電壓偏差及死區(qū)等效電壓與模塊環(huán)流的阻抗關系都為Co(s)，環(huán)流阻抗為濾波電感與等效電阻R串聯(lián)阻抗，其濾波電感越大，環(huán)流越小，但在實際應用中，各模塊的濾波參數(shù)存在差異，具備不一致性，當輸出電流的頻率小于LC濾波器的諧振頻率時，高階項可忽略。

當采用了電壓瞬時值反饋控制后可得到并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流阻坑的數(shù)學模型如下：

Δ[Urav(s)-Uref(s)]=ZHj(s)ΔIhj(s)ZHj(s)=Co(s)/G(s)

式中：G(s)為瞬時波形控制器參數(shù)

從式中可以看到，并聯(lián)系統(tǒng)中其電壓瞬時值反饋控制大大減小了并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流阻抗，在無均流阻抗時，環(huán)流阻抗主要取決于輸出電壓瞬時反饋控制環(huán)的控制參數(shù)，即可被環(huán)流阻抗控制器進行合理設置參數(shù)，以獲取期望的一流阻抗特性，當環(huán)流阻抗配置到足夠大時，并聯(lián)電源系統(tǒng)就可實現(xiàn)瞬時均流控制。

3 平均電流檢測原理

在并聯(lián)系統(tǒng)中的各模塊電源通過內(nèi)阻較小的電流檢測器件檢測本機的輸出電流，經(jīng)過均分電阻后發(fā)送到并聯(lián)母線上，如圖3所示。

圖3 平衡電流檢測原理圖

各模塊的檢測電流信號與其他模塊相應的信號一點進行匯合，當電流檢測元件的內(nèi)阻足夠小時，匯集點電壓為連接各模塊檢測元件檢測電壓的平均值，圖3中開關可以對信號進行投入和退出，以實現(xiàn)模塊正常時投入，異常時退出，不影響其他逆變電源對平均負載的影響。

4 結語

本文從并聯(lián)同步的SPWM調(diào)制方式、環(huán)流阻抗的瞬時均流、平均電流檢測原理三個方面出發(fā)，表述了并聯(lián)電源系統(tǒng)中的的關鍵技術方法原理，為并聯(lián)電源系統(tǒng)設計提供了參考思路。