模块化UPS并联的新型数字均流控制技术

模块化 UPS 并联的新型数字均流控制技术 单鸿涛1 ,2 , 康 　勇1 , 段善旭1 , 张 　宇1 , 余 　蜜1 , 刘永桥3 , 陈国英1 (1. 华中科技大学电气与电子学院 , 武汉 430074 ;2. 湖北汽车工业学院电气工程系 , 十堰 442002 ; 3. 深圳艾默生网络能源有限公司 , 深圳 518057) 摘　要 : 为实现并联 U PS 系统中负载电流的均分和环流的抑制 ,阐述了一种应用于模块化 U PS 并联系统的数字 化控制均流技术。给出了并联系统的结构 ;通过并联系统环流、功率调节特性、并联系统数字功率检测技术 , 得到一种新型的功率检测方法 ;检测和分析并联系统的瞬时平均电流和各个 U PS 模块输出电流 ,再反馈调节分别 控制输出电压幅值和相位以实现其均流控制。实验证明该环流抑制控制策略可获得良好的并联均流特性 ,简 洁、实用。 关键词 : U PS ; 并联 ; 环流 ; 数字控制 ; 功率检测 ; 均流控制 中图分类号 : TP273 ; TM464 文献标志码 : A 文章编号 : 100326520 (2008) 0220289204 基金资助项目 : 国家自然科学基金 (50237020) 。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50237020) . Novel Digital Parallel Current Sharing Control Technique of Modularized UPS SHAN Hong2tao1 , 2 , KAN G Yong1 , DUAN Shan2xu1 , ZHAN G Yu1 , YU Mi1 , L IU Yong2qiao3 , CH EN Guo2ying1 (1. College of Elect rical and Elect ronics Engineering , Huazhong U niversity of Science and Technology , Wuhan 430074 , China ; 2. Depart ment of Elect rical Engineering , Huibei Automobile Indust rial Instit ute , Shiyan 442002 , China ; 3. Emerson Network Power Co . , L td. , Shenzhen 518057 , China) Abstract : In order to share the load and rest rain circumfluence , a digital current sharing control technique for modu2 larized U PS parallel operation is investigated in detail , and the st ructure of parallel system is presented. The modu2 larized U PS parallel operation uses the dist ributed2logical2control , where each parallel operating inverter is at equal position in the parallel system. So it has better reliability. Based on the analysis of circumfluence of paralleled sys2 tem , characteristics of the power regulation and a novel digital power detection technique are deduced. With measur2 ing and analyzing the instantaneous average current of all modules and the output current of each U PS module in the parallel system , both of current component s are used to feedback control and regulate the amplitude and the phase of the output voltage with DSP controller. In this way , the control of current sharing in the modularized U PS paralle2 ling system is realized. The proposed current sharing control technique and the good characteristic of rest raining cir2 cumfluence were verified by the experimental result s. The control st rategy has advantages of simple , high practicali2 ty. Key words : U PS ; parallel ; circumfluence ; digital control ; power detection ; current sharing control 0 　引 　言 采用多个中小容量的 U PS ( Uninterrupted Power Supply)构成并联冗余供电系统[1 ] ,可同时获 得容量和可靠性的提高。模块化 U PS 的并联运行 一般应满足的要求有 : 处于并联系统中各 U PS 电 源能实现自动均分负载电流 ;某 1 台 U PS 带电并入 或带电退出并联系统时 ,不能影响其他 U PS 的正常 工作 ,且任 1 台出现故障的高频模块化 U PS 可自动 退出并联系统 ;在输入电压或负载电流的允许变化 范围内 ,处于并联系统中各 U PS 电源的输出电压应 具有良好的稳定性和很好的瞬态均流特性。通常还 要求故障 U PS 模块可在线退出 ,修复后可在线并入 系统 ,不影响系统连续可靠运行。 逆变电源并联主要有 4 种控制方案 :集中控制、 主从控制、分散逻辑控制和无互联线独立控制[227 ] 。 集中控制和主从控制依赖于某个集中控制单元或某 个主模块 ,可靠性不高 ;无互联线控制的优点是并联 系统中的连线较少 ,有较好的前景 ,但还处于研究阶 段 ;分散逻辑控制是独立并联控制方式 ,可控制各模 块在并联系统中的状态和功率合理分配。目前应用 较多的是分散逻辑控制。 多个模块 U PS 并联工作采用均流技术[ 2 ,3 ] ,各 模块共同分担负载电流 ,一旦其中某个模块失效 ,其 它模块再平均分担负载电流。本文较详细地阐述了 一种基于简化的功率检测新型数字均流控制技术。 ·982·　　 第 34 卷 第 2 期 2008 年　　2 月 高 　电 　压 　技 　术 High Voltage Engineering Vol . 34 No. 2 Feb. 　2008 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 1 　系统结构 图 1 为模块化 U PS 并联系统结构图 ,该系统模 块之间通过并机通信总线相连交换信息。通信总线 有同步总线、瞬时平均电流检测总线等。各模块的 输出直接连接供给负载。 每个模块均检测各自的输出电流 io ,然后送到 并机总线上计算所有模块电流 io 的瞬时平均值 io , 瞬时平均值 io由检测硬件电路实现 io = ( ∑ n j = 1 i j ) / n 实时检测 ,输出的均流和稳压控制都在各模块内部 完成。每台 U PS 中相对独立的控制系统要综合所 有 U PS 单元有功功率和无功功率 ,相应地得出各自 输出电压相位和幅值的调节 ,抑制各 U PS 单元间的 环流。 2 　模块化 UPS 并联的新型均流控制技术 2. 1 　基于功率计算的均流控制 抑制环流是并联系统正常运行的一个关键因 素。只有并联的各逆变电源均分负载电流而不产生 环流 ,并联系统才能够正常、高效的工作。 2 台逆变电源并联工作的等效电路如图 2 所 示 ,U0 为系统电压 , U1 、U2 为并联电源各自的输出 电压 ; I1 、I2 为两逆变器输出电流 ; R1 、R2 表征逆变 电源的阻尼电阻 ,等效于死区损耗、开关管损耗及线 路损耗的总和 ; L 1 、L 2 为两逆变器的滤波电感 , Z为 滤波电容和两电源公共负载的等效阻抗[5 ,6 ] 。假设 两逆变器 R1 = R2 = R ,ωL 1 =ωL 2 = X ,定义环流 : IH = ( I1 - I2 ) / 2。 考虑到逆变电源等效于死区损耗、开关管损耗 及线路损耗的阻尼电阻 R 远小于逆变器的滤波电 感 ,故通常假设 R = 0 ,则 IH = (U1 - U2 ) / 2j X。 并联逆变器 1 的输出电流 I1 [7 ,8 ]为 : I1 = (U1 (cosφ1 + jsinφ1 ) - U0 ) / j X1 = (U1 sinφ1 - j (U1 cosφ1 - U0 ) ) / X1 。 (1) 并联电源并联运行的目的在于各电源模块均分 负载 ,实现电源系统的扩容 ,其实质是各电源输出功 率平衡 ,以避免某些模块承担负载过多 ,超出单机容 量出现故障。逆变电源输出电压差ΔU 导致环流 IH , 环流的存在使各逆变电源的输出功率不平衡[9 ,10 ] 。 并联逆变器 1 输出功率 S1 为 : S1 = P1 +j Q1 = U1 I1 = U0 (U1 sinφ1 +j (U1 cosφ1 - U0 ) ) / X1 , (2) 由此得逆变器 1 输出的有、无功功率分别为 : P1 = (U1 U0 / X1 ) sinφ1 Q1 = (U1 U0 cosφ1 - U20 ) / X1 。 (3) 图 1 　模块化 UPS并联系统的结构图 Fig. 1 　Structure of modularized parallel UPS system 图 2 　2 台逆变器并联时的简化模型 Fig. 2 　Simplif ied model of two paralleled inverters 　　逆变器输出电压 U1 与系统电压 U0 之间的相 位差一般很小 ,所以 sinφ1 ≈φ1 , 得到逆变电源的输 出功率调节特性为 : ΔPj = (U1 U0 / X1 )Δφj ΔQ j = (U1 U0ΔU i / X1 ) cosφ1 。 (4) 　　由此得到并联均流的控制措施 :各逆变模块根 据自身的容量和输出的有功、无功功率 Pj , Q j 与综 合后的系统平均功率 P 和 Q 进行比较 ,即可得到本 模块在系统中的有功分量差ΔPj 和无功分量差 ΔQj ,然后对其相位φj 、电压幅值给定 U j 进行相应 的调节来实现负载电流的均分和环流的抑制 ,控制 原理见图 3 [5 ,11 ,12 ] 。 2. 2 　基于简化功率检测的新型均流控制 设逆变电源输出电压和电流的有效值分别为 U 和 I ,初相角分别为φu 和φi ,忽略直流分量和谐波 成分 ,则它们的表达式分别为 : u = 2U sin (ωt +φu) = 　　 2U sinφucosωt + 2Ucosφu sinωt i = 2 Isin (ωt +φi ) = 　　 2 Isinφi cosωt + 2 Icosφi sinωt 　。 (5) ·092· Feb. 2008 High 　Voltage 　Engineering Vol . 34 No . 2 　 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 令 Uα = 2U sinφu ,Uβ = 2Uco sφu , Iα = 2 Isinφi , Iβ = 2Ucosφi , 则逆变电源输出有、无功功率[5 ]为 : P = U Icosφ = U Icos (φu - φi ) = (UβIβ + UαIα) / 2 Q = U I sinφ = U I sin (φu - φi ) = (UβIβ - UαIα) / 2 。 (6) 目前美国 TI 公司的 TMS320 系列 DSP 已成为 中大功率电力电子应用场合的主流控制芯片[13 ,14 ] 。 采用基于 DSP 的数字控制技术 ,通过将 u , i 进行傅 立叶分解 ,得到数字化后的计算框图 P、Q 如图 4 , 其中 N 为一个正弦周期采样次数 ,由图可见 ,功率 计算比较繁琐。 为快速准确地检测出逆变器的有功、无功功率 , 进一步分析式 (6)时 ,一般作逆变器的波形控制中可 保证φu 很小 ,又常采用输出电压的均值反馈 ,故输 出电压的幅值变化也不大 ,由此可得推导 : Uα = 2U sinφu = 1π∫ 2π 0 uco sωtd (ωt) ≈ 0 , Uβ = 2Ucosφu = 1π∫ 2π 0 usinωtd (ωt) ≈ 2U = K , P = U Icosφ≈ UβIβ/ 2 = KIβ/ 2 Q = U I sinφ≈ - UβIα/ 2 = - KIα/ 2 。 (7) 　　由此可得 ,通过检测瞬时电流 I , 从中分解计算 Iα、Iβ而不用计算 P、Q ,可简单快捷地实现基于功 率调节的均流控制。 图 5 为单模块 U PS 控制系统的结构框图[15 ,16 ] 。 图中 ,内环是瞬时值电压反馈控制环 ,实现对输出电 压的波形控制 ;外环是输出电压的平均值反馈环 ,在 此基础上 ,通过检测输出电流 Io和所有模块输出电 流的平均值 Io ,并将这两个电流通过 A/ D 采样后进 行分解 ,分别得到 Iα , Iβ。由瞬时电流平均值分量 Ioα、本机电流的分量 Ioα去补偿逆变器输出电压的相 位 ;由瞬时电流平均值的分量 Ioβ、本机电流的分量 Ioβ去补偿逆变器输出电压的幅值 ,从而抑制并联逆 变器之间流动的环流。 3 　实验结果 在 2 台功率容量为 3 kVA 模块化 U PS 实验样 机中应用了上述控制思想 , 该系统并联控制采用 TI 公司生产的数字信号处理器 TMS320F2812 作 为主控芯片 ,完成逆变器的电压瞬时值、均值反馈 , 锁相控制等。每台 U PS 电源的主要参数 :输入电压 三相 AC 330～430 V , (50 ±4) Hz ,容量 3 kVA ;开 关频率 20 k Hz ;输出电压单相 AC 220 V/ 50 Hz ;直 流母线电压 ±540 V。图 6、7、8 分别给出了 2 台 U PS 并联空载、带线性满载波形、带非线性满载波 形。其中电流波形采用电流霍尔测量 ,20 V 对应于 6 A。图中横坐标为 10 ms/ 格 ; CH1 为输出电压 图 3 　基于功率调节的均流的框图 Fig. 3 　Block diagram of the current sharing control based on power regulation 图 4 　P , Q的计算框图 Fig. 4 　Diagram of calculating P , Q 图 5 　单模块 UPS的系统控制图 Fig. 5 　Control system of each module UPS 图 6 　2 台模块化 UPS并联空载输出波形 Fig. 6 　Waveform of two modular UPS in parallel operations with no loads Uo ,纵坐标 100 V/ 格 ; CH3 、CH4 、CH2 为两机输出 电流 I1 、I2 、两机输出电流差 I1 - I2 ,纵坐标为 20 V/ 格。两机输出电流差是环流的 2 倍 ,可见 ,采用 ·192·　 2008 年 2 月 高 　电 　压 　技 　术 第 34 卷第 2 期 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 7 　2 台 UPS并联输出波形(线性负载 12 A) Fig. 7 　Waveform of two inverters in parallel operations with full linear load ( 12 A ) 图 8 　2 台 UPS并联输出波形(整流性负载 12 A) Fig. 8 　Waveform of two inverters in parallel operation with full nonlinear load( 12 A) 这种新型的数字均流控制策略的 2 台 U PS 并联系 统在空载、带线性负载、带线性负载情况下 ,各模块 U PS 间负载电流的均流性效果较好 ,环流较小。 4 　结 　语 通过在 2 台输出功率为 3 kVA 的模块化 U PS 并联系统上进行实验研究表明 ,采用模块化 U PS 并 联的新型数学均流控制技术 ,可获得良好的并联均 流特性 ,环流抑制效果较好 ,控制方案简洁、实用。 参 考 文 献 [ 1 ] Xikun Chen , Kang Yong , Jian Chen , et al . Parallel operation system of high f requency modularized U PS based on dist ributed logic cont rol [ C] . IEMDC’2005. San Antonio , USA , 2005. [ 2 ] Byun Y B , Koo T G , Joe K Y , et al . Parallel operation of t hree2 phase U PS inverters by wireless load sharing cont rol [ C] . IEEE IN TEL EC’2000. Phoenix , USA , 2000. [ 3 ] 张占松. 开关电源的原理与设计 [ M]. 北京 :电子工业出版社 , 2002. ZHAN G Zhan2song. Principle and design of single2end flyback switching power[ M ] . 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High Voltage Engineering , 2006 , 32 (11) : 3012304. 单鸿涛 Ph. D. SHAN Hong2tao 单鸿涛 　1971 —,女 ,博士生 ,研究方向为数学化功率电源。电话 : ( 027)63845716 ; E2mail : shanht @tom. com康　勇 　1965 —,男 ,教授 ,博导 ,研究方向为电力电子变换器和控制技术。 收稿日期　2007204218 　　　　编辑　卫李静 ·292· Feb. 2008 High 　Voltage 　Engineering Vol . 34 No . 2 　 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net