Controlador Inalámbrico para Inversores Paralelos en Sistemas SAI Distribuidos Online
Josep Guerrero', Luis ·Garcia de Vicufia', José Matas'*, Jaume Miret" y Miguel Castilla"
. Departamento de Ingeniería de Sistemas de Información y Automática Industrial. Universidad Política de Cataluña
C. Conde de Ugur, 187.08036 - Barcelona. España. Correo electrónico: josep.m.guerrero@upc.es Departamento de Ingeniería Eléctrica. Universidad Politécnica de Cataluña
AV. victor balguer s/n 08800 I-Vilanova I la Geltrh. España
Este artículo propone un nuevo tipo de controlador paralelo
Inversor SAI online sin líneas de control
Presenta la interconexión. La tecnología de control inalámbrico
se basa en el conocido método droop, que consiste
en introducir en el inversor los esquemas P-oan y Q-V para
distribuir correctamente la carga de potencia. El método de caída
se ha utilizado ampliamente en aplicaciones de reparto de carga entre
diferentes inversores en paralelo. Sin embargo, este enfoque
tiene varias desventajas que limitan su aplicación, como
la compensación entre la regulación del voltaje de salida y el intercambio de energía
precisión, transitorios lentos. respuesta y desviaciones de frecuencia y fase
. Este último inconveniente dificulta el abordaje porque en este caso cada módulo debe estar en fase con la fuente de alimentación común de CA. Para superar estas
limitaciones, proponemos un nuevo esquema de control que proporciona
estrictamente hablando, un sistema UPS paralelo con respuesta transitoria adecuada
Sincronización de frecuencia y fase con Alimentación de CA y
excelente uso compartido de energía. Los resultados de simulación y experimentales
confirman la eficacia del método propuesto.
1. Introducción
El funcionamiento en paralelo de fuentes de alimentación ininterrumpidas distribuidas
La fuente de alimentación (UPS) es una solución de energía adecuada
Críticas y cargas sensibles donde se requiere alta confiabilidad y alta disponibilidad de energía.
En los últimos años, muchos controles
han propuesto soluciones de inversores en paralelo,
que se derivan de la solución en paralelo de convertidores dc-dc
[I] , como el control amo-esclavo [2] o el control democrático [3]. Por el contrario, recientemente han surgido nuevos esquemas de control, como el control de estructura de cadena [4] o el control distribuido [5]. Sin embargo, todos estos esquemas requieren
interconexiones entre los módulos de control y por lo tanto
la confiabilidad del sistema se reduce ya que pueden ser una fuente de ruido
y Funcionamiento defectuoso. Además, estas líneas de comunicación
limitan la ubicación física de los módulos [6].
En este sentido, se han propuesto varias técnicas de control
sin interconexión de control, como es el método droop.
En este enfoque, el bucle de control logra un buen reparto de energía
La frecuencia del voltaje de salida se ajusta estrictamente
y la amplitud para
Compensar el desequilibrio de potencia activa y reactiva[7].
Este concepto proviene de la teoría de sistemas eléctricos, donde
la frecuencia de los generadores disminuye
y es atraída por las líneas de servicios públicos a medida que aumenta [8].
0-7803-7906-3/03/$17.00 02003 IEEE. 1637
Sin embargo, este método de control tiene un equilibrio inherente
entre la regulación de voltaje y el uso compartido de energía. Además,
este método presenta una respuesta dinámica lenta, ya que requiere
un filtro de paso bajo para calcular el valor promedio de la potencia activa y reactiva.
Por tanto, la estabilidad y dinámica
Todo el sistema casi no se ve afectado por estas características
Por los valores de estos filtros y coeficientes de atenuación,
es afectado por los límites máximos de desviación permitida
Amplitud y frecuencia del voltaje de salida.
Además, cuando aumenta la potencia activa, la característica de caída de tensión
hace que la frecuencia se desvíe del valor nominal
y por tanto a fase variable
Diferencia entre tensión de alimentación y salida del inversor.
Cuando un interruptor de derivación debe
conectar la línea de servicio público directamente al bus crítico, no
su diferencia de fase. En [9] se propusieron dos posibilidades
Para lograr la sincronización de fases de líneas paralelas
sistemas UPS. La primera es ubicar un
módulo específico cerca del interruptor de bypass, el cual debe estar sincronizado
para soportar el voltaje de salida de la fuente de alimentación durante la sobrecarga
antes de que sea encendido. La segunda posibilidad es esperar
el momento en que la coincidencia de fases crea una conexión
bypass.
Sin embargo, los dos pliegues mencionados no se pueden aplicar a
sistemas UPS en línea paralelos, ya que el tiempo máximo de transferencia
debe ser inferior al 1 % de la línea. ciclo, y todos los módulos
siempre deben estar sincronizados con la fuente de alimentación
actualmente. Por lo tanto, el módulo debe estar preparado para transferir energía directamente desde la red eléctrica al bus crítico en las siguientes situaciones
Indica sobrecarga o falla.
En nuestros trabajos anteriores [11][12], propusimos diferentes
esquemas de control para superar el
método de caída convencional. Sin embargo, estos controladores por sí solos no son adecuados para su aplicación en sistemas UPS en línea paralelos. Este artículo propone un novedoso esquema de control inalámbrico
Se recomienda conectar diferentes módulos UPS en línea en paralelo
Requisitos de rendimiento y restricción. El controlador
proporciona: 1) respuesta transitoria adecuada; 2) precisión de reparto de energía; 3) operación de frecuencia estable y 4) buena fase
coincidencia entre ellos; voltaje de salida y línea de servicios públicos.
Por lo tanto, este nuevo enfoque es particularmente adecuado para paralelo
con verdadera redundancia, alta confiabilidad y
disponibilidad de energía. Los resultados experimentales y de simulación se presentan a continuación
y confirman la eficacia de este esquema de control.
Figura 1. Circuito equivalente de 10 a bus
t"
Figura 2. Función P-odraop.
11. Velocidad del método de caída tradicional
La Figura 1 muestra el circuito equivalente de la conexión del inversor
conectado al bus común a través de la impedancia de acoplamiento cuando esta
impedancia es
La carga direccional se puede expresar como
EVcosQ - V2 Q=
donde Xis es la reactancia de salida del inversor. ; q es la fase
El ángulo entre el voltaje de salida del inversor y
El voltaje del bus común e y V son la amplitud
El voltaje de salida; de la tensión del inversor y del bus,
respectivamente.
De la ecuación anterior se puede deducir que
la potencia P depende principalmente del ángulo de potencia Q,
. p>
Y la potencia reactiva Q depende principalmente de la amplitud del voltaje de salida
Por lo tanto, la mayoría de los inversores paralelos de control inalámbrico
utilizan el método de caída tradicional,
<. p >Esto introduce la siguiente caída en la amplitud Ey la frecuencia de la tensión de salida del inversor U
u = w -mP (3)
E = E ' - n Q, (4)
W* y E' son la frecuencia y amplitud del voltaje de salida
respectivamente sin carga myn son los coeficientes de caída
; p>
Frecuencia y amplitud respectivamente
Además, la inductancia de acoplamiento
del bus crítico
de la salida del inversor y la impedancia de salida fija son requerido Garantiza un flujo de energía adecuado, sin embargo, es voluminoso y aumenta el tamaño y el costo del módulo UPS.
Además, la tensión de salida se distorsiona gravemente
cuando se alimenta una carga no lineal, ya que la impedancia de salida
es puramente inductiva.
Es bien sabido que si el coeficiente de caída aumenta,
entonces se sacrifica una buena distribución de energía
por una regulación de voltaje reducida (consulte la Figura 2).
Las compensaciones inherentes de este esquema limitan los
coeficientes mencionados, lo que puede ser una limitación importante
Respuesta transitoria, precisión de reparto de energía y
Estabilidad del sistema.
Por otro lado, para realizar la función droop,
expresada por (3) y (4), es necesario calcular
la Salida efectiva para un ciclo de línea Promedio
Potencia reactiva instantánea. Esto se puede lograr
significando que el ancho de banda del filtro de paso bajo es menor que el del inversor de circuito cerrado. Por lo tanto, el filtro de potencia
calculado y el coeficiente de caída determinan en gran medida
el rango, la dinámica y la estabilidad del sistema inversor en paralelo
[131.
En resumen, el método de caída tiene varios problemas inherentes
1.0 problemas de aplicación del sistema paralelo inalámbrico
El UPS en línea se puede resumir de la siguiente manera:
Equilibrio estático entre la regulación del voltaje de salida
(frecuencia y amplitud) y la precisión del reparto de energía
(activa y pasiva).
2) Respuesta transitoria limitada. La dinámica del sistema
depende de las características del filtro de cálculo de potencia,
coeficiente de caída y la impedancia de salida.
La alimentación de CA no está sincronizada. Frecuencia y
Debido a la caída de frecuencia, desviación de fase
Este método no es adecuado para sistemas UPS en línea
en paralelo donde cada UPS debe
Sincronizado continuamente con la alimentación de CA pública.
1)
3)
111 Control recomendado de UPS en línea paralelo
Inversor
En este. trabajo, nos esforzaremos por superar las limitaciones anteriores
y sintetizar una nueva estrategia de control
adecuada para líneas de comunicación de alto rendimiento
UPS industriales en paralelo. El objetivo es
no utilizar interconexiones de control de inversores UPS en línea conectados en paralelo
. Este sistema, también llamado
prioridad del inversor, debe estar continuamente sincronizado con
las líneas de servicios públicos. Cuando ocurre una sobrecarga o una falla del inversor, un interruptor de derivación estática puede conectar la línea de entrada a la carga, sin pasar por el inversor: rter [14][15].
La Figura 3 muestra un sistema UPS
distribuido en línea. El sistema consta de dos buses: el bus de servicios públicos, que se conecta a la energía de CA pública y el bus de seguridad, que se conecta a cargas críticas distribuidas. Esta
interfaz entre estos buses se basa en una serie de
módulos UPS en línea conectados en paralelo para proporcionar
suministro eléctrico continuo a la carga [16]. El módulo UPS
incluye un rectificador, un juego de baterías, un inversor y un interruptor de bypass electrostático
.
1
1638
Fuente de alimentación CA
Bus
我我我
jCarga distribuida!
Figura 3. Sistema UPS distribuido en línea.
syposr /
I 4
(4
Figura 4. Modo de funcionamiento del SAI online.
(1) Funcionamiento normal (b) Funcionamiento en derivación (c) Fallo de alimentación
Principales modos de funcionamiento del UPS en línea distribuido
1) Funcionamiento normal: la energía fluye hacia la carga
. p>Alimentado por unidades UPS distribuidas.
2) Fallo de energía: Cuando falla la energía CA pública
El inversor UPS suministra energía a la carga desde la batería sin interrupción.
Operación de derivación: cuando se produce una condición de sobrecarga,
el interruptor de derivación debe conectar el bus crítico
directamente a la fuente de alimentación de CA para garantizar
Alimentar continuamente la carga para evitar daños
Módulo UPS.
Por lo tanto, la forma de onda de la tensión de salida debe estar
cuando se produzca la última, sincronizada con la fuente de alimentación.
El sistema se detalla a continuación (ver Figura 5):
3)
Sin embargo, como decíamos antes, la flacidez tradicional
El método no puede cumplir con los requisitos de la empresa de servicios públicos porque la desviación de fase es causada por el cambio de frecuencia del inversor.
Para obtener el rendimiento requerido, damos una caída de potencia transitoria
sin desviación de frecuencia en estado estacionario,
previamente determinada por OUT en [ 111 Propuesto en
w=o -mP (5)
donde está la señal de potencia activa sin componente DC,
Esto se debe a
. -
Número de identificación t-1
P= p,
(s + t - ' ) ( s + o,)
z es la constante de tiempo de la acción de caída instantánea.
La función de caída transitoria garantiza una frecuencia estable
El ajuste en condiciones de estado estable y, al mismo tiempo,
el equilibrio de potencia activa se logra mediante el ajuste
p>
La frecuencia del módulo durante transitorios de carga. Además, para
ajustar la fase del módulo, recomendamos agregar un
bucle de sincronización, dando
o=w'-m%k ,A$, ( 7)
Donde A$ es la diferencia de fase entre el inversor y la fuente de alimentación; k es la constante proporcional del ajuste de frecuencia.
La referencia de frecuencia en estado estacionario w* se puede obtener midiendo la frecuencia de la red.
El segundo término de la ecuación anterior llega a cero en 2005
El estado estacionario conduce a
w = w' - k4($ -@ ' ) , (8)
es el ángulo de fase del inversor de tensión de salida
y la red eléctrica de la red pública.
Considerando w = d$ / d t, podemos obtener
La siguiente ecuación diferencial, la bifurcación estable, es positiva
d$ *
p>
dt dt
- + km$ = - + k,$ '. (9)
Por lo tanto, cuando la diferencia de fase aumenta, la frecuencia
disminuirá ligeramente y por lo tanto, todos los módulos UPS
se sincronizarán con la red pública mientras compartir La energía consumida
se utiliza para cargar mercancías.
Cuatro. Implementación del control
La Figura 5 muestra el controlador propuesto
. La potencia activa promedio P, sin componente DC
, se puede pasar
a través de la corriente de salida para generar el voltaje y el producto se puede filtrar
. ..... ................................................. .................... ................................ ...
Tubo de resolución súper positiva
",.
L
Sj 'bucle nchronirorion
............. ................................................. ............................ .............
Figura 5 . Diagrama de bloques del controlador propuesto
De manera similar, promediando el nivel
para obtener la potencia reactiva pero en este caso el voltaje de salida
se debe retrasar. 90 grados y se utiliza un filtro de paso bajo
para ajustar la frecuencia del voltaje de salida, si se realiza la ecuación (7), que corresponde a la frecuencia
La fuente de alimentación cae debido a dos términos transitorios: potencia activa transitoria
Término de señal de potencia; término de diferencia de fase
Para sincronizar el voltaje de salida con
la fuente de alimentación de CA, la fase- El método de bucle bloqueado (PLL) se utiliza para generar la amplitud del voltaje mediante el uso del método de caída convencional (4)
Finalmente, los inductores físicamente acoplados pueden. evitarse mediante el uso de inductores virtuales [17].
El concepto implica
simular el comportamiento inductivo reduciendo la salida
El voltaje es proporcional a la derivada del tiempo de la salida
corriente. Sin embargo, cuando se suministran cargas no lineales, los armónicos de corriente
de alto orden pueden aumentar demasiado la tensión de salida
THD. Esto se puede resolver fácilmente usando un filtro de paso alto para reemplazar el término derivado puro de la corriente de salida, lo cual es útil para compartir cargas lineales y no lineales[I 1][12].
Además, el diseño adecuado del inductor de salida puede
reducir en gran medida el impacto de la impedancia de línea desequilibrada
en la precisión de la distribución de energía.
Simulación VERB (abreviatura de verbo) y ULTS experimental
Los esquemas de control propuestos (4) y (7) se simularon
Usando la Tabla 1, los parámetros enumerados en y el esquema mostrado
En la Figura 6, para dos sistemas inversores en paralelo. Estos
coeficientes m, n, T y kv se eligen para garantizar la estabilidad,
respuesta transitoria adecuada y una buena coincidencia de fases. La Figura 7
muestra la evolución de la frecuencia, la corriente circulante,
la diferencia de fase entre el módulo y la línea eléctrica,
así como la potencia activa y reactiva. Tenga en cuenta la excelente sincronización entre
módulos y
acmiinr 4j. ...L...Propiedad Intelectual...S...1.................................B... u...n...r.r..r..e..s................................. .... .I
Figura 6. Mediante el funcionamiento paralelo de dos módulos UPS en línea,
suministro de energía, al mismo tiempo, se obtiene un buen reparto de energía
. Esta característica nos permite aplicar el controlador a sistemas paralelos UPS en línea.
Se fabricaron y probaron dos módulos SAI de I-kVA para
demostrar la eficacia del método propuesto. Cada UPS
inversor consta de un puente completo IGBT monofásico y una
frecuencia de conmutación de 20 kHz y un filtro de salida LC
los siguientes parámetros: 1 . = 1 mH, C = 20 WF, Vi" = 400V,
V, = 220 V, I50 Hz. El controlador de estos inversores se
se basa en tres bucles: Corriente interna bucle, PI externo
Controlador que garantiza la regulación de tensión y distribución de carga
Controlador, basado en (4) y (7) El último controlador
<>Se implementa mediante. TMS320LF2407A punto fijoProcesador de señal digital (DSP) Texas de 40 MHz
Instrumento (ver Figura 8), utilizando los parámetros enumerados en la tabla
I. El controlador DSP también incluye un bloque PLL para
sincronizar el convertidor de frecuencia con el bus común. Cuando esto
ocurre, el interruptor de derivación estática se abre y se basa en caída
. p>
Control de inicio.
1640
twu.invencr's big 7 Wa\CFC)rms;mnectcd paralelo.
>(a) Frecuencia de fuente de alimentación ininterrumpida (b) Circulación de corriente entre módulos (CJ Phmc d! Nercn:betucen ihc UPS a # & gt mom
(d) Participación activa y. Participa activamente
Por favor tenga en cuenta que iimc-acs es un resultado directo de la decisión de \inrblrr
1641
Tabla 1
PARALLELESDYS del proyecto
Frecuencia de corte del filtro I 0, I 1i trapos
La Figura 8 muestra la respuesta transitoria de la corriente de salida
Inversor del UPS Primero, se ejecutan dos UPS. en paralelo
sin carga.
Tenga en cuenta que hay una pequeña corriente reactiva circulando entre los módulos debido a una discrepancia en las mediciones.
Luego, conecta una carga no lineal con un factor de cresta de 3
De repente. Los resultados muestran una buena dinámica y reparto de carga
al compartir un sistema no lineal
carga.
Figura 8. Cuando B está conectado, la corriente de salida de dos UPS paralelos
Una carga no lineal común con un factor de cresta de 3. (eje x: 20 mddiv. eje y:
5 Mdiv.).
Conclusión del verbo intransitivo
Este artículo propone un nuevo tipo de carga paralela Controlador compartido
Sistema UPS en línea. El controlador
está basado en el método droop, que evita el uso de
interconexiones de control. En marcado contraste con los métodos de caída tradicionales, el controlador propuesto es capaz de comunicarse con la red eléctrica para mantener estrictamente sincronizadas la frecuencia y la fase del voltaje de salida. manteniendo
buena distribución de carga tanto para cargas lineales como no lineales. Este hecho permitió a Estados Unidos ampliar el método de caída a los UPS en línea paralelos.
Por otro lado, el controlador propuesto simula
un tipo especial de impedancia, evitando el uso de inductancias físicas
de acoplamiento. Los resultados aquí presentados demuestran
la eficacia del enfoque propuesto.