基于下垂特性控制的无互联线并联UPS建模与稳定性分析.pdf
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1、第 24 卷 第 2 期中 国 电 机 工 程 学 报Vol.24 No.2 Feb.2004 2004 年 2 月Proceedings of the CSEE2004 Chin.Soc.for Elec.Eng.文章编号:0258-8013(2004)02-0033-06 中图分类号:TN86 文献标识码:A 学科分类号:4704031基于下垂特性控制的无互联线并联 UPS 建模与稳定性分析林新春,段善旭,康勇,陈坚(华中科技大学电气与电子工程学院,湖北 武汉 430074)MODELING AND STABILITY ANALYSIS FOR PARALLEL OPERATION OF
2、UPS WITHNO CONTROL INTERCONNECTION BASING ON DROOP CHARACTERISTICLIN Xin-chun,DUAN Shan-xu,KANG Yong,CHEN Jian(Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)ABSTRACT:The droop characteristic is an effective controlscheme for the parallel operation of UPS systems with nocontrol int
3、erconnection.This paper presents a small-signalmodel for two paralleled single-phase UPS systems with thedroop control scheme.Basing on the proposed small-signalmodel,we have analyzed the influence of various parameters onthe stability of paralleled systems,which gave guides for thedesign of the par
4、alleled systems parameters.The simulationand experimental results both confirm the validity of theproposed small-signal model.KEY WORDS:Small-signal model;Stability;Active power;Reactive power;UPS摘要:在 UPS 无互联线并联中,下垂特性控制是一种有效的控制方案。该文以 2 台单相 UPS 无互联线并联为研究对象,提出了基于下垂特性控制的 2 台并联逆变器系统的小信号模型。利用此模型,分析了并机系统中
5、各种参数对并联系统稳定性的影响,这些分析给设计并联系统的参数提供了较好的指导。仿真与实验结果都证实了采用小信号模型的分析的正确性。关键词:小信号模型;无互联线并联;有功功率;无功功率;UPS1 引言近几年来,通过 UPS 的并联来扩大系统的容量以及提高系统的稳定性渐渐成为一种发展趋势。目前尽管在文献中可以看到很多关于 UPS 并联方 基金项目:国家自然科学基金项目(50007004)。Project Supported by National Natural Science Foundation of China(50007004)面的资料,但是大部分并联在控制上是需要互联线的,以检测并联系统
6、中的其它模块的一些信息(比方说,电流与功率大小)1。并联系统中互联线的存在,会限制并联 UPS 之间的距离,同时也可能引入噪声,因此其应用有一定的局限性。本文利用下垂特性2来实现 UPS 的无互联线并联。在此方案中,每台 UPS 仅需要检测那些可以就近检测的量,比方说,本机输出的有功功率与无功功率,从而去掉了并联 UPS 之间控制上的互联线,大大提高了系统的性能,真正实现了模块化。并联系统中首先要保证的就是系统的稳定性。但是由于 UPS 并机系统非常复杂,影响系统稳定性的参数很多。比方说,下垂特性的系数 KP与 KV、功率检测的等效滤波器时间常数1(2)、并机电抗 XL和线路电阻 rL等等都对
7、整个系统的稳定性有比较大的影响,因此迫切需要从理论上对此加以分析,以提供正确的系统与参数设计。文3提出了一种确定下垂参数 KP与 KV的方法,但是,在这种分析方法中有太多的参数,分析起来极其复杂,很不方便于设计。本文提出了一种新的用小信号分析建立的模型。此模型简单而且易于理解,可以为设计者提供较好的系统与参数设计,以满足系统稳定性的要求。为了验证此模型的正确性,进行了仿真分析与实验研究,结果表明此模型是完全正确的,它可以给设计并机系统的参数提供正确的指导。2 模型的建立2 台单相 UPS 的并联等效电路如图 1 所示,万方数据34中 国 电 机 工 程 学 报第 24 卷利用瞬时功率理论4,由
8、此图可以计算出 UPS1与UPS2的瞬时功率如下E11jXLI1I2rLVrLRjXLE22jX图 1 两台并联 UPS 的等效电路图Fig.1 Equivalent circuit of two paralleled UPS22221122222212212222122122(2/)(2)/)/()(2/)(2)/)2()/(22()/)cos()/()(2/)(2)/)2LLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLPEr RrXr RrRXXRR rXrRXXRE r X XXRE Er RrXrXXX RR rXrRXXRE E=+2221222/(2)/2sin()/()(2/)(2)/
9、LLLLLLLLLXRrXrXXXR rXrRXXR+22222222222222212222221122(2/)(2)/)/()(2/)(2)/2()/22()/cos()/()(2/)(/)2(LLLLLLLLLLLLLLLLLLLLPEr RrXr RrRXXRR rXrRXXRE r X XXRE Er RrXr X XXRR rXrRX RE E XRrX=+222222122)/(2)sin()/()(2/)(2)/LLLLLLLLrX XXX RR rXrRXXR+221122222221222212221222(2/)(2)/)/()(2/)(2)/(/2 )/()(2/)(2
10、)/)2 (/2/2)/cos()LLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLQE XRrRrRXXRR rXrRXXRE X XrXXXRR rXrRXXRE E r XRXXrX XXR=+22222212222122/()(2/)(2)/22()/sin()/()(2/)(2)/LLLLLLLLLLLLR rXrRXXRE ERrrXr X XXRR rXrRXXR+2222222222(2/)(2)/)/()(2/)LLLLLLLQEXRrRrRXXRR rXrR=+2222222222122222212221221(2)/(2)/()(2/)(2)/2(/22)/cos()/()(2
11、/)(2)/22()/sin()LLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLXXREXrXXXRR rXrRXXRE E r XRXXrXXXRR rXrRXXRE ERrrXr X XXR+2222/()(2/)(2)/LLLLR rXrRXXR+式中 11E 与22E分别为UPS1与UPS2的输出电压;1I&和2I&为对应的输出电流;LXj与Lr分别为线路电抗与电阻;V&为负载电压;R为负载电阻;X为负载电抗;1P与2P为UPS1与UPS2的输出有功功率;1Q与2Q为UPS1与UPS2的输出无功功率。利用小信号分析方法,在系统的稳态工作点(e1、e2、eE1、eE2)处给系统一个很小的扰
12、动,可以得到以下的小信号模型+=+=+=+=241424142231323131221222122211121111dcEbEaQdcEbEaQdcEbEaPdcEbEaP (1)式中221122212222122222122(2/)(2)/2 2(22)/2 (22)/cos()/2(2)/(2)sin()/;eLLLeLLLLLLeLLLLLLeeeLLLLLLeeaE RrrRXXRMTERrrXr Xr X XRMTERrrXr Xr X XRMTERXr XX XXXrXRMT=+22211212122122(22)/cos()/2(2)/(2)sin()/;eLLLLLLeeeLL
13、LLLLeebERrrXr Xr X XRMTE XRrrXX XXXRXMT=+2211221212222122(2 )/(2)cos()/2(22)/sin()/;eeLLLLLLeeeeLLLLLLeecE E XRrrXX XXXRXMTE ERrrXr Xr X XRMT=+11;dc=+=)2/()2(2/)cos(/)2 2(222222122222LLLLLLeeeLLLLLLeRXXXXXXrrRXEMTRXXrXrXrRrEa万方数据第 2 期林新春等:基于下垂特性控制的无互联线并联 UPS 建模与稳定性分析35 12sin()/;eeMT22222222221121222
14、122(2/)(2)/2(22)/2(22)/cos()/2 (2)/(2)sin()/;eLLLLLLLLLeLLLLLLeeeLLLLLLeebE RrrRXXRRrrXr Xr X XRMTERrrXr Xr X XRMTE XRrrXX XXXRXMT=+222122122221212 2(2 )/(2)cos()/2(22)/sin()/;eeLLLLLLeeeeLLLLLLeecE E XRrrXX XXXRXMTE ERrrXr Xr X XRMT=+22;dc=2312222222212222212222(2/)(2)/)(2)/()/2(2)/(2)cos()/2(22)/s
15、in()/;eLLLLLLLLeLLLLLLeeeLLLLLLeeaE XRrRrRXXRrXX XXXRXMTE XRrrXX XXXRXMTERrrXr Xr X XRMT=+2231212222112 2(2 )/(2)cos()/2(22)/sin()/;eLLLLLLeeeLLLLLLeebE XRrrXX XXXRXMTERrrXr Xr X XRMT=+2223121222122122(2 2)/cos()/2(2 )/(2)sin()/;eeLLLLLLeeeeLLLLLLeecE ERrrXr Xr X XRMTE EXRrrXX XXXRXMT=+33;dc=2242212
16、2222122(2 )/(2)cos()/2(22)/sin()/;eLLLLLLeeeLLLLLLeeaE XRrrXX XXXRXMTERrrXr Xr X XRMT=+2422222212222121221222(2/)(2)/)/2(2)/()/2 (2)/(2)cos()/2 (22)/sin(eLLLLeLLLLLeLLLLLLeeeLLLLLLbE XRrRrRXXRMTE XrXX XXXRXMTE XRrrXX XXXRXMTERrrXr Xr X XR=+2)/;eeMT2224121222212122(2 2)/cos()/2(2)/(2)sin()/;eeLLLLLLe
17、eeeLLLLLLeecE ERrrXr Xr X XRMTE EXRrrXX XXXRXMT=+44;dc=)2()2)(2222RXXRrXrRMTLLLL+=。考虑到在一般的下垂特性控制中,都是采用检 测 的 有 功 功 率MESP1)(2MESP与 无 功 功 率MESQ1)(2MESQ分别作为频率与幅值的下垂控制量,如式(2)与(3)所示=MESVMESPQKEEPKww101101 (2)=MESVMESPQKwEPKww202202 (3)式中 1w和2w分别为UPS1和UPS2的输出频率;MESP1与MESP2为检测的有功功率;MESQ1和MESQ2为检测的无功功率。通常一般的
18、检测电路中都含有一定的滤波电路,为了方便起见,以1个一阶低通滤波器来代替,如式(4)和(5)所示+=+=)1/()1/(122111SPPSPPMESMES (4)+=+=)1/()1/(222211SQQSQQMESMES (5)式中 1和2为低通滤波器的时间常数。对式(2)和(3)进行小信号模型分析,可得1111222111122222/(1)/(1)/(1)/(1)PMESPPMESPVMESVVMESVwKPKPSwKPKPSEKQKQSEKQKQS=+=+=+=+(6)由于)()(11SSSw=以及)()(22SSSw=,同时考虑到式(1),可将式(6)变为式(7)+=+=+=+=)
19、(1)(1)(1)(12414241422231323132122122212122111211111ccEbEaSKEccEbEaSKEccEbEaSKSccEbEaSKSVVPP(7)万方数据36中 国 电 机 工 程 学 报第 24 卷若定义:=21.22.11654321EEXXXXXXX,那么有AXX=(8)其中矩阵A满足+=24242424232323231212112121111111111001001000100001000010bKaKcKcKbKaKcKcKbKaKcKcKbKaKcKcKVVVVVVVVPPPPPPPPA 3 利用小信号模型确定系统的参数(1)下垂参数KP
20、(KV)改变时系统的稳定情况式(8)描述了2台逆变器在下垂特性控制下构成的无互联线并联系统在稳态工作点(1e、2e、E1e、E2e)附近的小信号模型。由现代控制理论可知,矩阵 A 的特征值在S平面的分布情况可以说明系统在此稳态工作点附近的稳定情况。下面我们对此进行分析。设稳态工作点为V1411=eE,V1402=eE,rad03490.01=e,=e2rad01745.0,rad/s3141=ew,rad/s3142=ew。分别考虑在负载电抗=75.3X和0=X两种条件下,当下垂参数PK(VK)、功率检测的等效滤波器时间常数1(2)、并机电抗LX和线路电阻Lr分别变化时,系统的稳定情况分析如下
21、:设=5R,=75.3X,=42.0LX,=21.0Lr,s02.021=,而VPKK=且在0.0001到0.1的范围内变化,得到矩阵 A 的特征值变化情况如图2(a)所示。由图可见,2个共轭复根对系统稳定性的影响起着主要作用,因此下面所有的分析都仅考虑共轭复根对系统稳定性的影响。由图2(a)还可知,随着VPKK=的增大,特征根的实部越来越大,说明系统的稳定性在降低,即VPKK=越大,系统稳定性越弱。8004000-400-800-3000 -2000 -1000 0(a)Kp=Kv由小到大变化时系统的特征根变化情况ImagReal40200-20-40-1400 -1000 -6000 0(
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- 关 键 词:
- 基于 下垂 特性 控制 无互联线 并联 UPS 建模 稳定性 分析
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