雙變流器補(bǔ)償式UPS控制研究
1 引 言
現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，如何為電力用戶提供安全可靠的“綠色”電源是目前電源研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。隨著工業(yè)的發(fā)展，電力用戶對(duì)電能質(zhì)量提出了更高的要求，UPS作為一種不間斷供電設(shè)備，是改善電能質(zhì)量的重要措施之一，也是關(guān)鍵設(shè)備得以正常運(yùn)行的重要保證。為適應(yīng)發(fā)展的要求，近年來(lái)其也在不斷地進(jìn)行完善和改進(jìn)。先后出現(xiàn)了后備式、在線式、三端口在線互動(dòng)式及雙變流器串并聯(lián)補(bǔ)償式等幾種結(jié)構(gòu)類型的UPS。其中由Kamran和Silva提出的雙變流器串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS，既可以補(bǔ)償非線性負(fù)載中的無(wú)功電流及諧波電流，同時(shí)還可以補(bǔ)償電源電壓的諧波及基波偏差，較傳統(tǒng)雙變換在線式UPS而言，輸入功率因數(shù)高，輸出能力強(qiáng)，具有綜合的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)能力，是一種值得推廣應(yīng)用的新型UPS。目前國(guó)外UPS廠家只有美國(guó)APC公司擁有此項(xiàng)專利技術(shù)，在市場(chǎng)上已經(jīng)推出Silcon DP300E系列大功率UPS；國(guó)內(nèi)則剛剛處在研究的初始階段，還有許多研究工作需要進(jìn)行。
本文介紹了雙變流器串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS的工作原理，在此基礎(chǔ)上討論了此類UPS基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下PI加重復(fù)控制的系統(tǒng)控制方案，實(shí)現(xiàn)了雙變流器串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS的全部控制功能。
2 系統(tǒng)工作原理
圖1示出雙變流器串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS的工作原理圖。圖中變流器Ⅰ和Ⅱ都是雙向AC←→DCSPWM變流器，其直流側(cè)接蓄電池Eb(其內(nèi)阻等效為理想的恒定電阻Rb)和電容C。變流器I經(jīng)電感L1和變壓器T輸出電壓Δv串接在電源電壓vs和負(fù)載電壓vL之間，稱之為串聯(lián)補(bǔ)償變流器。其輸出的補(bǔ)償電壓由兩部分組成：
Δvh為諧波補(bǔ)償電壓，它與交流電源中的諧波電壓vsh大小相等，但方向相反；Δvl為基波電壓補(bǔ)償量，補(bǔ)償電源電壓基波Δvsl與負(fù)載電壓額定值vR的偏差。所以變流器I提供的補(bǔ)償電壓Δv既抵消vs中的諧波vsh，又補(bǔ)償基波電壓vsl,使負(fù)載電壓vL成為與電源基波電壓vsl同相的正弦波額定電壓vR。
變流器Ⅱ經(jīng)L2、C2濾波后并接在負(fù)載兩端，稱之為并聯(lián)補(bǔ)償變流器。若負(fù)載為非線性負(fù)載，則負(fù)載電流iL由基波有功電流iLP、基波無(wú)功電流iLQ和諧波電流iLh3部分組成。對(duì)變流器Ⅱ進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，可使它輸出至負(fù)載的電壓為正弦波額定電壓vR，并向負(fù)載輸出電流i3=iLQ+iLh+(iLP-is)。其中iLQ、iLh補(bǔ)償負(fù)載無(wú)功和諧波電流，使電源僅向負(fù)載輸出基波有功電流is，而負(fù)載的有功電流iLP則由交流電源(is)和變流器Ⅱ(i2d)共同提供。
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由上述分析可知，在非線性負(fù)載、電源電壓高于或低于額定值vR且含有諧波電壓時(shí)，這種UPS通過(guò)串、并聯(lián)補(bǔ)償變流器的共同作用，可使負(fù)載電壓vL補(bǔ)償?shù)脚c電源電壓同相的額定正弦電壓vR，避免了網(wǎng)側(cè)諧波電壓對(duì)負(fù)載的影響；同時(shí)電源僅輸入基波有功電流is，功率因數(shù)近乎為1，克服了傳統(tǒng)雙變換在線式UPS因輸入整流部分所帶來(lái)的輸入功率因數(shù)較低的缺點(diǎn)。通常電源基波電壓偏離額定值小于±15%，因此變流器Ⅰ僅補(bǔ)償Δv ≤±15%的額定電壓，其容量?jī)H為系統(tǒng)容量的20%左右。正常時(shí),市電與雙變流器共同對(duì)負(fù)載供電，兩變流器的最大功率強(qiáng)度只有負(fù)載功率的20%，相對(duì)始終在100%負(fù)載功率下工作的傳統(tǒng)雙變換在線式UPS而言，不僅整機(jī)效率高，功率器件損耗小，壽命長(zhǎng)，可靠性高，而且有足夠的功率裕量去應(yīng)付特殊的負(fù)載(沖擊負(fù)載、瞬間過(guò)載等)，因此輸出能力得到很大的增強(qiáng)，相同容量的造價(jià)也降低了。一旦市電停電，變流器Ⅱ從蓄電池獲取電能繼續(xù)不間斷的對(duì)負(fù)載供電；當(dāng)電網(wǎng)正常后，重新恢復(fù)市電與雙變流器共同對(duì)負(fù)載供電，在正確的控制策略作用下，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓無(wú)間隙、無(wú)突變。
3 系統(tǒng)的控制
對(duì)于圖1所示的雙變流器串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS應(yīng)使得市電輸入電流is是與電源基波電壓vsl同相的正弦有功電流，電源供電的功率因數(shù)為1；同時(shí)負(fù)載電壓vL為基波正弦電壓，且vL=vR(額定值)并與vsl同相。為實(shí)現(xiàn)此控制目標(biāo)，采用圖2所示的基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的控制系統(tǒng)。
3.1、電網(wǎng)輸入電流的控制
控制串聯(lián)變流器VSC作為基波正弦電流源運(yùn)行，使其橋端輸出電流il為純正弦波，則串聯(lián)變流器就可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)串聯(lián)變壓器向電網(wǎng)串聯(lián)注入基波正弦電流is且is與isl同相，使交流電源電流中無(wú)諧波電流，無(wú)無(wú)功電流，供電功率因數(shù)為1，其控制框圖如圖2所示。
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由于串聯(lián)變流器受控為基波正弦電流源，因此，可以采用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的高頻PWM整流器直接電流控制方案。圖3為雙變流器串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)，由圖3可得串聯(lián)變流器輸入電流滿足下式 (忽略電感電阻)：
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式中，i1d，i1q為變流器橋端輸出電流i1(a，b，c)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d、q軸分量，同理Vcd，Vcq為變流器電網(wǎng)輸入電壓Vc(a，b，c)的d、q分量，V1d，V1q則為控制量(即變流器橋端輸出電壓)?？梢姶?lián)變流器橋端輸出d、q軸電流除受控制量V1d，V1q的影響外，還受解耦電壓ωL1i1q，ωL1i1d和串聯(lián)變流器輸入電網(wǎng)電壓Vcd，Vcq的擾動(dòng)影響。因此，在控制系統(tǒng)中引入解耦電壓反饋和輸入電網(wǎng)電壓前饋，以消除它們對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)影響。
根據(jù)式(1)、式(2)可以構(gòu)成如圖2所示的電網(wǎng)輸入電流控制系統(tǒng)。檢測(cè)三相ABC系統(tǒng)的負(fù)載電壓VL(a，b，c)、負(fù)載電流iL(a，b，c)和電源電壓Vs(a，b，c)，作為電源電流指令生成模塊的輸入。經(jīng)三相靜止到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換(ABC／dq)和低通濾波器LPF后得到與基波交流分量對(duì)應(yīng)的直流分量VLd，VLq，Ilq,Isd,Vsd,Vsq。
忽略電池充電功率和系統(tǒng)中電感、電容、開關(guān)器件的功率損耗，由系統(tǒng)功率平衡可知：
則有:
式中：Psdc為交流電源輸入功率；PLdc為負(fù)載有功功率；V s1為輸入電源電壓的基波幅值，
若考慮系統(tǒng)中的功率損耗，則需在I* s1中附加一增量ΔIs，其由直流母線電壓調(diào)節(jié)器Gd(s)產(chǎn)生。指令電流I* s1反映了負(fù)載所需有功功率的大小，此值除以串聯(lián)變壓器變比Ns后作為串聯(lián)變流器VSC的d軸電流控制指令。由于不希望電網(wǎng)電流中包含無(wú)功分量，因此q軸電流控制指令I(lǐng)* 1q=0。電流調(diào)節(jié)器Gc(s)的輸出結(jié)合解耦電壓反饋和電網(wǎng)電壓前饋合成控制量V1d,V1q經(jīng)兩相同步旋轉(zhuǎn)到三相靜止坐標(biāo)變換(dq／ABC)后生成三相調(diào)制電壓V1a,V1b,V1c。分別與三角載波Vtr進(jìn)行比較，以獲得串聯(lián)變流器的PWM開關(guān)控制信號(hào)，使電源電流is跟蹤i*s，則可實(shí)現(xiàn)作為正弦電流源的串聯(lián)變流器對(duì)電源電流的控制功能。
區(qū)別于高頻PWM整流器，由于串聯(lián)變流器的輸入電網(wǎng)電壓考慮了較大的諧波成分，因此框圖中的電流調(diào)節(jié)器Gc(s)采用PID控制器。加入微分作用從而允許系統(tǒng)具有較高的開環(huán)增益，以提高系統(tǒng)的相應(yīng)帶寬和相角裕度，從而增進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
3.2、輸出電壓的控制
控制并聯(lián)變流器VSI作為基波正弦電壓源運(yùn)行，輸出與Vs1同相的額定值正弦波電壓VR，則可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓的要求。其控制框圖如圖2所示，采用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓電流雙環(huán)控制方案。令并聯(lián)變流器VSI經(jīng)并聯(lián)變壓器TP后的輸出電壓、輸出電流為V2(a，b，c)，i：。。，i2(a，b，c)，負(fù)載電壓為VL(a，b，c)，輸出補(bǔ)償電流為i3(a，b，c)，則由圖3可得到三相靜止ABC系統(tǒng)電壓、電流平衡方程式為:
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利用三相靜止到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換關(guān)系，可得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系電壓、電流方程式:
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由式(6)、式(7)、式(8)、式(9)可以構(gòu)成如圖2所示的并聯(lián)變流器電壓電流雙環(huán)控制系統(tǒng)。其中電壓外環(huán)指令V* Ld=VR,V* Lq=0，而內(nèi)環(huán)電流指令i* 2d，i* 2q取自電壓調(diào)節(jié)器Gv(s)輸出、補(bǔ)償電流前饋及電容電流交叉解耦電流之和，經(jīng)電流調(diào)節(jié)Gi(s)作用后，結(jié)合負(fù)載電壓前饋及電感電壓交叉解耦電壓輸出并聯(lián)變流器控制量V2d和V2q?？刂屏縑2d、V2q經(jīng)(dq／ABC)變換后生成三相調(diào)制電壓V2a,V2b,V2c，分別與三角載波Vtr進(jìn)行比較，以獲得并聯(lián)變流器的PWM開關(guān)控制信號(hào)，使負(fù)載電壓VL跟蹤V* Ld，則可實(shí)現(xiàn)作為正弦電壓源的并聯(lián)變流器對(duì)輸出電壓的控制功能。
根據(jù)以上控制策略，由于串聯(lián)變流器受控為基波正弦電流源，電源電流is為與電源基波電壓同相的正弦有功電流，從而使得非線性負(fù)載中的無(wú)功和諧波電流經(jīng)并聯(lián)變流器得到補(bǔ)償。同時(shí),并聯(lián)變流器受控為基波正弦電壓源，使負(fù)載輸入電壓VL為與電源基波電壓Vs1，同相的正弦波額定電壓VR，從而使得電源電壓中的諧波與基波偏差經(jīng)串聯(lián)變流器得到補(bǔ)償(或隔離)。
3.3、重復(fù)控制的加入
眾所周知，重復(fù)控制理論是根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程控制的實(shí)際需要而提出來(lái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論。由于重復(fù)控制將上一個(gè)基波周期前的誤差用于當(dāng)前控制量的合成，對(duì)周期性擾動(dòng)具有良好的抑制能力，逐周期減小了誤差，使得逆變器的輸出電壓逐周期地得到修正，穩(wěn)態(tài)時(shí)具有很好的波形質(zhì)量。所以我們?cè)诓⒙?lián)變流器的控制中采用了電壓電流PI雙環(huán)加上重復(fù)控制來(lái)控制并聯(lián)變流器輸出電壓的波形質(zhì)量。控制策略框圖如圖4示。
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這樣，系統(tǒng)在加入重復(fù)控制器下動(dòng)態(tài)響應(yīng)會(huì)比原來(lái)直接用雙環(huán)PI控制慢一點(diǎn)，但是對(duì)整個(gè)UPS輸出電壓的波形質(zhì)量有了大大的改善。因此我們?cè)诓扇〖尤胫貜?fù)控制后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。結(jié)果證明重復(fù)控制對(duì)UPS輸出電壓波形確實(shí)有大大的改善，特別是對(duì)非線性負(fù)載，效果更明顯。
4 系統(tǒng)特性仿真結(jié)果
基于上述控制方案，在MATLAB SIMULINK環(huán)境下建立了系統(tǒng)的數(shù)字化仿真模型，并對(duì)其工作特性進(jìn)行了仿真。圖1中交流電源電壓Vs的基波Vs1在其額定值VR(線電壓380 V／相電壓220 V)的±15%范圍變化。Vs中的5次諧波電壓V5，7次諧波電壓V7各為基波電壓值的5%。負(fù)載為三相相控橋整流裝置，R=9.86Ω，L=50mH，相控角α=30o，直流負(fù)載功率20kW。直流端蓄電池Eb=440V，直流電容C=3300μF。串聯(lián)變壓器變比Ns=2，并聯(lián)變壓器變比Np=3?。濾波電感L1=7mH，L2=0.3mH，濾波電容C2=70μF。系統(tǒng)采樣頻率為10 kHz，三角載波頻率(開關(guān)頻率)為10 kHz。
仿真結(jié)果證實(shí)：所提出的控制方案可以較好地實(shí)現(xiàn)雙變流器串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS的功能。非線性負(fù)載對(duì)負(fù)載電流iL的波形畸變及輸出電壓波形畸變的影響是明顯的。非線性負(fù)載越重，則影響也越突出，帶濾波電容的不控整流負(fù)載情況最為嚴(yán)重。
5 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)比較并聯(lián)變流器在不同控制策略下輸出電壓的控制效果，顯然非線性負(fù)載下，單電壓環(huán)控制對(duì)于輸出電壓波形的控制能力是有限的；若電壓環(huán)結(jié)合重復(fù)控制，利用重復(fù)控制對(duì)周期性干擾的周期性調(diào)節(jié)能力，可以有效的改善輸出電壓波形，其控制效果基本上和電壓電流雙環(huán)控制相當(dāng)；而當(dāng)系統(tǒng)采用電壓電流雙環(huán)再加上重復(fù)控制時(shí)，則輸出電壓的控制效果最好。