三相逆變器并聯(lián)--下垂控制

背景

三相UPS一般情況下為大設(shè)備供電，提高電源輸出功率最有效的辦法就是將兩臺(tái)設(shè)備或者多臺(tái)設(shè)備并聯(lián)。多個(gè)設(shè)備的并聯(lián)就會(huì)帶來(lái)另一個(gè)問(wèn)題，如何將功率平均的分配在并聯(lián)的電源上。如果是通過(guò)互連線連接各個(gè)系統(tǒng)的話(huà)，會(huì)受到比較多的干擾，一旦互連線出現(xiàn)故障，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的故障。

下垂技術(shù)是通過(guò)電壓和頻率的下垂特性對(duì)逆變器的輸出的無(wú)功功率和有功功率進(jìn)行控制。實(shí)現(xiàn)方法就是通過(guò)檢測(cè)測(cè)量輸出電容電壓、電感電流計(jì)算出來(lái)功率，獲取參考值。具體框圖如下

其中L、C分別為逆變器的濾波電感和濾波電容，逆變器的輸出電壓為Uoa、Uob、Uoc，輸出電流為Ioa、Iob、Ioc。下垂控制方法如下，由電壓、電流傳感器和調(diào)理電路組成的測(cè)量單元對(duì)逆變器輸出的電壓電流進(jìn)行同步采樣，由下垂控制中的功率計(jì)算單元計(jì)算出逆變器輸出的有功功率和無(wú)功功率的平均值，通過(guò) P-f和Q-V的下垂特性方程計(jì)算出電壓和頻率指令，參考電壓環(huán)節(jié)將電壓和頻率指令合成在dq軸上的電壓給定送入電壓電流 閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，雙閉環(huán)控制環(huán)節(jié)經(jīng) PI 調(diào)節(jié)獲得SVPWM所需要的參量。

逆變器下垂控制原理

可以將兩臺(tái)逆變器等效成如下的模型

兩臺(tái)逆變器輸出阻抗與連線上的阻抗之和分別為Z1和Z2，其中Z1=R1+jX1=RZ1∠θ1，Z2=R2+jX2=RZ2∠θ2；E1和E2分別為兩臺(tái)設(shè)備空載電壓幅值以其為參考則j1、j2分別為兩臺(tái)設(shè)備輸出電壓的相角。根據(jù)以上電路可以得出設(shè)備n的輸出的電流如下圖所示

輸出功率如下圖所示

Pn和Qn分別代表設(shè)備的輸出功率，聯(lián)立以上兩個(gè)式子，可以得到下式

在實(shí)際電路中，線路阻抗可能不是純感性，但是感性應(yīng)該是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于阻性，所以當(dāng)作純感性對(duì)待。當(dāng)Z1和Z2為純感性時(shí)，θ1=θ2=90°，可以將上式簡(jiǎn)化為如下公式

考慮到情況，ZL是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Z1和Z2的，所以j1、j2都比較小，可以得到以下公式

對(duì)兩邊同時(shí)微分可得以下公式

不難發(fā)現(xiàn)，逆變器輸出的有功功率與輸出空載電壓的相角有關(guān)系，而無(wú)功功率的輸出與輸出空載電壓的幅值有關(guān)系。假設(shè)逆變器空載時(shí)輸出的電壓和角頻率分別為E0和ω0，則有以下關(guān)系式

其中的kp、kq表示下垂系數(shù)。由上式可以得出，當(dāng)某一設(shè)備輸出有功功率過(guò)高時(shí)，可以通過(guò)降低自身頻率來(lái)降低輸出的有功功率。當(dāng)某一設(shè)備的輸出的無(wú)功功率過(guò)高時(shí)，可以通過(guò)講點(diǎn)輸出電壓幅值來(lái)降低輸出的無(wú)功功率。下垂特性曲線如下圖所示

Matlab function實(shí)現(xiàn)

vsd_ref1 = 110*sqrt(2) -(presentQinst-0)*1e-5; %presentQinst無(wú)功功率目標(biāo)值
vsq_ref1 = 0;
wref1 = 2*pi*50 - (presentPinst - 4400)*2e-5; %presentPinst有功功率目標(biāo)值

if(vsd_ref>130*sqrt(2))       %限幅
    vsd_ref = 130*sqrt(2);
elseif(vsd_ref<90*sqrt(2))
    vsd_ref = 90*sqrt(2);
end

if(wref1>50.5*2*pi)
    wref1 = 50.5*2*pi;
elseif(wref1<49.5*2*pi)
    wref1 = 49.5*2*pi;
end

ph = ph2 + Ts*wref1;    %角頻率積分得到角度
ph = rem(ph,2*pi);

注意事項(xiàng)

可以通過(guò)以下的公式來(lái)得到下垂因數(shù)的具體值，一般是在e-5的數(shù)量級(jí)。

Pmax 為系統(tǒng)在允許的最小頻率 fmin下輸出的最大功率， Qmax 為系統(tǒng)在電壓幅 值降低到最小允許值時(shí)的最大無(wú)功功率。 2.一般要求輸出電壓的變化值在5%內(nèi)，頻率的變化值在1%以?xún)?nèi)。

3.在計(jì)算功率的時(shí)候，由于瞬時(shí)功率中含有高頻部分，所以要進(jìn)行低通濾波，控制效果會(huì)比較好。

審核編輯：湯梓紅