利用虚拟阻抗研究UPS模块并联运行的瞬时电流控制策略外文翻译资料

利用虚拟阻抗研究UPS模块并联运行的瞬时电流控制策略

摘要

通过调节逆变器输出电流的每个开关周期，瞬时均流控制策略通常采用并联的模块化不间断电源（UPSs）。在本文中，通常用于下垂法的虚拟阻抗，首先是在瞬时均流控制策略实现良好的负载均流性能中提出。瞬时循环电流并联系统模型的发展和循环阻抗的推导可以明确探究不均衡负载电流的内在本质。通过在循环阻抗中加入虚拟阻抗，有助于找到合适的控制策略并实现良好的均流。并联电感，例如，耦合电感，通常是添加在每个逆变器的输出以减少模块间的循环电流，因此，增加并联电感甚至可以消除循环电流并有助于降低逆变器的重量，体积及成本。同时，该系统的输出电压调节性能，例如，振幅和波形的质量，不受引入的虚拟阻抗的影响。提供指定的虚拟阻抗和其执行是简单但相当有效。实验结果也验证了该方法的可行性。

关键词：均流，并联，不间断电源，虚拟阻抗

1. 引言：

近年来，不间断电源 (Ups) 被广泛应用向临界负载提供连续、 可靠的电力。随着不断增加的电力和可靠性需求，几个 UPS 模块通常以并联方式连接。这些模块往往有类似特点和电源额定值，这也有助于研究N X 冗余操作和模块化 [1] [2] 的系统特征。由于电压源的性质，正确的均流方法对于UPS 模块为常见的负载供电是很重要的，而且在许多文献中也提出了各种解决方案。

传统的均流解决方案是频率和电压下降方法[2] - [7]，UPS单元之间的无线控制具有显着的特点。基本思想来自于功率潮流控制理论，其中实际功率流和重新流动功率流分别主要受输出电压的相位角和幅度的影响。当在UPS并联运行中应用时，这种分析是准确的，提供了逆变器输出阻抗是高电感性的。相反，P-V和Q-omega;下降而不是P-omega;和Q-V将用于高阻抗阻抗[8]。下垂方法的性能对输出阻抗特别敏感。并联电抗器可以改变输出阻抗，抑制瞬态过程中循环电流的影响。然而，由于它们的体积和成本大，在当今的大多数UPS中被去除。通过适当的控制策略，并联电感器可以被虚拟阻抗替代。虚拟阻抗在[8]中提出修改输出阻抗，有助于良好的功率分配精度。在[9]和[10]中，功率共享性能进一步通过自适应虚拟阻抗改善，不管线路阻抗是不平衡，线性或非线性负载。

没有并联电抗器，基于相量的传统均流控制策略难以抑制瞬时循环电流。 一方面，在瞬态过程中循环电流中存在大的谐波。 另一方面，由于瞬时输出电压波形控制，逆变器的输出阻抗很小，不再是感性的。 [11]和[12]的作者分析了指令电压和瞬态电流之间的关系，表明均流和输出电压波形控制之间的冲突。 在[12]中，提出了循环阻抗的概念来描述这种冲突。

为了有效解决循环电流的影响，获得高精度的均流控制，应采用瞬态均流技术。 逆变器的动力学模型可以等价于戴维南电路[5]，[8]。 从而，可以采用调节戴维宁等效电压源和等效输出阻抗来实现瞬时电流均流。

在[13]中，电流偏差被引入瞬时电压调节环路以获得电流均流。 瞬时平均均流方法的稳定性在[14]中得到了全面的分析。 此外，将循环电流引入瞬时电压调节器中，也将均方根电压控制回路结合到控制系统中以保持输出电压幅度[15]。 考虑线路阻抗影响，提出了自适应增益调度用于控制器，以改善电流和功率分配[16]。 在[17]和[18]中，循环电流基电压校正被添加到参考，以确保负载电流的高阶谐波的共享。

逆变器输出阻抗的修改是另一种用于调节瞬时环流的双向方式。 通常使用基于虚拟阻抗的方法。 例如，[5]，[6]，[8] - [10]和[19] - [21]中的作者通过负载电流或滤波电感电流的反馈实现了虚拟阻抗。 由于具有良好的稳定性和易于实施的特点，它比其他方法更具吸引力。

虽然虚拟阻抗已经成功应用在下垂法中，通过修改逆变器输出阻抗来提高电流均流性能，这些类型的虚拟阻抗的功能类似于并联阻抗[5]，[ 6]，[8] - [10]，[19] - [21]。 因此，并联系统输出特性不可避免地受到虚拟阻抗上的电压降的影响。 此外，这个概念很少被报道用于均流方法。 大多数均流策略集中于修改输出电压幅度和相位以实现均流。 本文首先介绍了瞬时均流控制策略中的虚拟阻抗，以实现UPS模块的高性能并联运行。

通过开发并联系统的瞬态环流模型，得到虚拟阻抗，以更好地了解和识别负载电流不等分的固有本质。与传统的虚拟阻抗法不同，本文提出的虚拟阻抗位于循环电流的反馈环路中。虽然它也可以被认为是一个循环电流调节器，如[14] - [17]，很难分析和设计控制器。本文中虚拟阻抗方法有三个主要优点：

1）输出电压质量仅由电压闭环控制本身确定，并且不受虚拟阻抗的影响，即对于并联系统，负载电流不会流过虚拟阻抗。因此，这种虚拟阻抗不会引起由于大负载电流引起的附加电压降，并且不会引起由于非线性负载或循环电流中的谐波引起的附加电压失真。

2）容易进行虚拟阻抗的指定，以保证并联系统的稳定性和均流精度。

3）LC参数不匹配引起的循环电流可以忽略。

因此，可以获得良好的负载均流性能。本文详细提供虚拟阻抗的导出和指定及用实验结果来验证所提出的方法的可行性。

II单一的逆变器输出阻抗分析

A.采用闭环控制的输出阻抗的变化

图2电压闭环反馈控制逆变器的原理框图。

图1单桥逆变器

图1是典型的单桥逆变器，其中C，L和r分别是滤波电容器，滤波电感器和电感器的电阻。 逆变器可以简化为具有增益Kb的线性放大器。 功率开关的死区和电压跌落引起逆变器电压UP W M的偏置，并且这种效应可以被建模为电压Ue（s）[11]。

通常采用闭环反馈控制来提高输出性能。图2是瞬时电压反馈控制回路，其中Hf（s）是恒定的，G（s）是控制器。

因此，逆变器的闭环输出电压可以得到如下：

并且 P_{o p} (s) = LC s² rC s 1 and Z_L (s) = Ls r.

闭环控制变频器的输出电压可以表示如下：

其中Uth c l（s）和Zth c l（s）分别是带闭环控制的逆变器戴维南等效电路的开路电压和输出阻抗，可以推导如下：

图3戴维南等效电路的逆变器

图4逆变器并联系统

通过适当的设计（例如，极点零位置[22]，[23]），（5）中所示的传统PID控制器可以确保良好的输出电压波形和足够的控制稳定性。 虽然双回路控制结构展现出完美的电压调节能力，但由于其简单性，PID通常应用于UPS。 此外，逆变器输出电压的PID控制可以被认为是双环路控制策略的一种特殊情况[23]：

从（1），在开环的逆变器的输出电压可以得到：

图3显示了开环和闭环控制下逆变器的戴维宁等效电路。 Uth o p（s）和Zth o p（s）分别是开环控制下戴维南等效电路的开路电压和输出阻抗。 Zth o p（s）可以从（6）获得：

电压控制器G（s）的增益通常较高，以便获得高质量的输出电压波形，特别是对于非线性负载。 参照（4）和（7），| Zth c l（s）| 小于| Zth o p（s）| 由于| Po p（s）| | Pc l（s）|。 这意味着在闭环控制下逆变器输出阻抗将大大降低。

B.输出阻抗变化的实际考虑

从前面提到的分析可以看出，由非线性负载引起的输出阻抗上的谐波电压降在闭环控制下明显减小，从而有助于良好的输出电压波形。 然而，较低的输出阻抗将有增加瞬态过程期间的大循环电流。 实际上，在逆变器的输出端插入一个附加电抗器（并联电抗器），以增加总输出阻抗，从而实现更好的均流性能，如下所示：

附加的电抗器不仅会增加成本和重量，而且会导致额外的输出电压降。 特别是，它将在非线性负载下放大输出电压失真。 如今，它们在现代UPS中几乎被淘汰。 为了重新应变瞬态环流的影响，下面的工作致力于研究虚拟阻抗的方法并解决由虚拟阻抗引起的伴随的输出电压降和失真问题。

III 循环电流模型和分析

在图4所示的并联系统中，取第j个逆变器模块的输出电流为Io j（s），Io（s）为负载电流。 第j个模块的环流IH j（s）可以定义如下[1]，[12]：

其中Ia v（s）是定义为的平均负载电流

取第j个模块的参考电压和偏置电压为Ure f j（s）和U

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[140814]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word