Tecnología de redundancia paralela del SAI
Una de las tendencias de desarrollo futuro de los equipos de alimentación eléctrica basados en la moderna tecnología electrónica de potencia es la modularización. La modularización no sólo mejora la fiabilidad del sistema, es fácil de ampliar, sino que también es fácil de usar y mantener, y es conveniente para la producción en masa. Para el SAI, la fiabilidad siempre ha sido su objetivo, y la tecnología de redundancia en paralelo es una tecnología de apoyo importante para lograr la modularidad y mejorar la fiabilidad del sistema.
Principios básicos de la redundancia paralela del SAI
Necesidad de conexión en paralelo del SAI
En un sistema de alimentación SAI de alta potencia, cuando es necesario aumentar la capacidad del sistema SAI debido a un aumento de la carga, puede conseguirse por dos vías: ① Aumentando la capacidad de diseño de un único SAI. ② Utilizando varios SAI en paralelo para compartir la corriente de carga.
En el caso de la primera solución, cuando se alimenta una sola fuente de alimentación, una vez que se produce un fallo, el sistema puede quedar paralizado y causar pérdidas inconmensurables; la tecnología en paralelo de la fuente de alimentación SAI puede satisfacer bien las necesidades de las ocasiones de gran capacidad.
La llamada redundancia en paralelo se refiere a la conexión en paralelo de N+n módulos SAI, donde N unidades se utilizan para suministrar la corriente requerida por la carga, y n unidades son los módulos redundantes de reserva. Cuando falla el módulo de trabajo, se pone en funcionamiento el módulo redundante de reserva. De este modo, incluso si n de los N módulos en funcionamiento fallan al mismo tiempo, el sistema SAI puede garantizar el suministro de 100% de la corriente de carga.
Además, el uso de la tecnología de redundancia también puede realizar la sustitución en caliente de los módulos de alimentación del SAI, es decir, sustituir los módulos averiados del sistema sin interrupción de la capacidad de alimentación del sistema. La superioridad del sistema de alimentación compuesto por fuentes de alimentación SAI redundantes en paralelo se refleja de la siguiente manera:
(1) Alta fiabilidad. Se reduce la tensión eléctrica de los dispositivos semiconductores de potencia de cada módulo y es fácil formar un sistema de alimentación redundante N+1, lo que mejora la fiabilidad del sistema.
(2) La capacidad del sistema de alimentación del inversor puede ampliarse con flexibilidad para satisfacer las necesidades reales de los usuarios.
(3) Fácil de usar y mantener. Tipo de bloque de construcción, unidad de fallo de mantenimiento del sitio del sistema inteligente es conveniente y rápido, y es fácil de ampliar las funciones del sistema.
(4) Reducir los tipos de productos, facilitar la normalización y estandarización y reducir el ciclo de desarrollo de productos.
(5) Fuente de alimentación de sistema paralelo, la potencia de un módulo es pequeña, la frecuencia de conmutación puede ser muy alta, aumentando así la densidad de potencia del sistema paralelo SAI.
Obviamente, la tecnología de redundancia paralela del SAI puede aumentar teóricamente la capacidad del sistema de suministro de energía sin limitaciones, por lo que ha atraído cada vez más atención y se ha convertido en un punto caliente de investigación de los sistemas de suministro de energía SAI de gran capacidad.
Principio básico de la conexión en paralelo del SAI
Para realizar el funcionamiento en paralelo de las fuentes de alimentación del inversor del SAI, la clave es que los inversores de cada SAI compartan la corriente de carga, es decir, que realicen el control de reparto de corriente. Tomemos como ejemplo de análisis 2 fuentes de alimentación inversoras de SAI en paralelo.
En la Figura 4-30 se muestra el circuito equivalente de dos fuentes de alimentación con inversor funcionando en paralelo. Entre ellos, U1, U2 representan la salida de tensión de onda fundamental de cada inversor, L1、L2、C1、C2 representan el filtro de salida del inversor, y R es la carga del sistema.
Puede verse en la fórmula (4-50): iL1 e iL2 se componen de dos partes de corriente, una es la componente de corriente de carga y la otra es la componente de corriente circulante. Cuando los filtros de salida son iguales, las componentes de corriente de carga están siempre equilibradas. Pero la existencia de la componente de corriente circulante hará variar la corriente de salida del inversor.
Cuando U1 y U2 están en fase, la componente de corriente circulante de alto voltaje es capacitiva, y la componente de corriente circulante de bajo voltaje es inductiva.
Cuando U1 y U2 tienen la misma amplitud, la componente de corriente circulante cuya fase está adelantada es una componente activa positiva y emite potencia activa; la componente de corriente circulante cuya fase está retrasada es una componente activa negativa y absorbe potencia activa.
Requisitos técnicos para la conexión en paralelo del SAI
A diferencia de la fuente de alimentación de CC, la fuente de alimentación del SAI emite una onda sinusoidal. Cuando se conecta en paralelo, la amplitud y el ángulo de fase de la tensión de salida necesitan ser controlados al mismo tiempo, es decir, requiere la misma frecuencia, la misma fase y la misma amplitud para funcionar. Del análisis de los principios básicos de la conexión en paralelo de SAI anterior, se desprende que si la amplitud de la tensión de salida o la fase de cada módulo de fuente de alimentación SAI es incoherente, se generará corriente circulante activa y corriente circulante reactiva entre los módulos.
Además, aunque los módulos tengan la misma frecuencia, la misma fase y la misma amplitud En funcionamiento, si el contenido armónico de las tensiones de salida respectivas es grande, se producirá una circulación armónica entre los módulos. Por lo tanto, el funcionamiento en paralelo seguro de los inversores debe cumplir las siguientes condiciones.
(1) Reparto del poder: La frecuencia, la fase, la amplitud, la forma de onda y la secuencia de fase de la tensión de salida de cada módulo inversor del sistema en paralelo son básicamente las mismas. Cada módulo comparte por igual la corriente de carga para equilibrar la potencia estática de salida y la distribución de potencia instantánea.
(2) Diagnóstico automático de averías: Cuando falla un módulo, el sistema en paralelo puede localizar rápidamente el inversor averiado, retirarlo del sistema en paralelo y distribuir uniformemente su potencia a otros módulos.
(3) Intercambio en caliente: cuando la diferencia de frecuencia, fase, amplitud y secuencia de fase entre el módulo inversor que se va a poner en control su tensión de salida y la tensión del sistema paralelo es inferior al error permitido, se pondrá automáticamente en el sistema paralelo, y el impacto en el sistema paralelo será pequeño cuando se ponga en funcionamiento. ; Cuando algún módulo falla o necesita ser revisado, puede salir del sistema paralelo en línea sin apagarse.
La dirección de desarrollo de la redundancia paralela del SAI
La redundancia paralela de SAI es un tema de investigación actual. Muchos estudiosos y fabricantes de SAI han llevado a cabo la investigación de la tecnología de redundancia paralela en SAI en los siguientes aspectos.
(1) Se cuantifica el número de unidades en paralelo y se diversifican los métodos de control en paralelo. En la actualidad, varias marcas conocidas de empresas de suministro de energía SAI pueden realizar la conexión en paralelo, pero el número máximo de unidades en paralelo no excede de 10. PK Electronics afirma que puede conectar más de 100 unidades en paralelo.
(2) En la fuente de alimentación SAI de baja potencia, se realiza una estrategia en paralelo más avanzada a un coste menor. En la actualidad, la mayoría de las fuentes de alimentación con inversor que pueden conectarse en paralelo son fuentes de alimentación SAI de media y alta potencia. Por lo tanto, para lograr el funcionamiento en paralelo, el aumento del coste del circuito de control no tendrá un impacto significativo en el coste total.
Los circuitos de control de las fuentes de alimentación SAI ordinarias de baja potencia suelen ser más sencillos, y su rendimiento no es tan bueno como el de las de alta potencia. Por lo tanto, para realizar su funcionamiento en paralelo, el diseño del circuito es más difícil. En cuanto a la solución de la contradicción entre las características del circuito de control y el coste, las principales empresas tienen algunos métodos de diseño únicos.
(3) Utilización de un nuevo esquema de diseño del sistema de alimentación de alta utilidad. El uso de un nuevo esquema de diseño del sistema de alimentación de alta utilidad puede garantizar la fiabilidad y flexibilidad de todo el sistema. Por un lado, el diseño de este nuevo tipo de sistema de alimentación eléctrica debe satisfacer las necesidades de las cargas de alta potencia y aumentar una cierta redundancia del sistema de alimentación eléctrica.
Por otro lado, debe basarse en la fiabilidad y puede eliminar el impacto de cualquier fallo puntual en el sistema. Por lo tanto, en el futuro, la mayoría de los sistemas de alimentación SAI se basarán en el modo de control de corriente compartida de funcionamiento paralelo multimodular, y utilizarán métodos de mantenimiento intercambiables en caliente para mejorar el rendimiento de todo el sistema.
(4) Uso de la tecnología de estructura de cadena de alta frecuencia. Para completar la conexión en paralelo de las fuentes de alimentación del SAI, mejorar el rendimiento y reducir el volumen de los módulos, la mayoría de las empresas adoptan la tecnología de estructura en cadena de alta frecuencia. El transformador de frecuencia de potencia se reduce en el inversor, el volumen y el peso del dispositivo se reducen en gran medida, y el coste también se ahorra, y la complejidad del dispositivo se reduce.
(5) Utilización de un nuevo tipo de tecnología de control de potencia del inversor. La tecnología de control de un SAI individual es crucial para su rendimiento de salida. Las investigaciones anteriores sobre unidades inversoras SAI se centraron en el uso de nuevos dispositivos de potencia para lograr la conmutación de alta frecuencia y el control SPWM, reducir el tamaño del filtro y lograr una baja impedancia de salida a través del diseño optimizado del filtro, suprimiendo así la distorsión de la forma de onda de salida y El propósito de mejorar la adaptabilidad de la carga.
Tras la maduración de la nueva tecnología de dispositivos de conmutación de potencia, con el fin de mejorar aún más las características dinámicas y estáticas del inversor, se han propuesto muchos métodos de control nuevos en consecuencia, tales como: control de alimentación de corriente basado en el control de tensión instantánea, basado en la teoría de estructura variable Control de modo deslizante, control de vector espacial en sistema de alimentación de inversor trifásico, control deadbeat basado en microprocesador, control de corriente de histéresis, etc. Estos nuevos métodos de control mejoran considerablemente los indicadores de rendimiento de los SAI.
(6) Adoptar tecnología de control totalmente digital. Con el fin de mejorar el rendimiento de control del sistema y completar el complejo algoritmo de control paralelo, lo mejor es utilizar un esquema de control totalmente digital para el control de la fuente de alimentación SAI, como el uso de un solo chip o DSP para completar la detección, operación y control del sistema.
La tecnología de control avanzada es una de las tecnologías clave esenciales para mejorar la eficacia y el rendimiento del circuito convertidor. Sin embargo, el uso del control digital puede evitar los diversos defectos del control del circuito analógico tradicional. Por lo tanto, la dirección de desarrollo de la tecnología de control de circuitos convertidores es la digitalización. El control digital facilita la implementación de diversos algoritmos de control complejos, y reduce aún más el volumen y el peso del equipo, además de mejorar la precisión y el rendimiento.
Estrategia de control redundante paralelo del SAI
De acuerdo con los requisitos técnicos de la conexión en paralelo del SAI, el modo de control redundante en paralelo del sistema SAI puede dividirse en cuatro esquemas: control centralizado, control maestro-esclavo, control lógico distribuido y control independiente sin líneas de interconexión.
Método de control centralizado
El control centralizado es la primera estrategia de control paralelo del inversor. Su estructura se muestra en la Figura 4-31. El sistema paralelo está equipado con una unidad de control centralizada. Cuando el sistema está en funcionamiento, la unidad de control centralizado detecta primero la fase y la frecuencia de la red eléctrica y, a continuación, la sintetiza. La señal de impulso de sincronización se envía a cada módulo inversor a través de la línea de interconexión entre los módulos.
La frecuencia y la fase de la señal de impulso de sincronización son las mismas que las de la red eléctrica, lo que garantiza que la tensión de salida del inversor coincida con la de la red. Cuando se interrumpe la alimentación de red, el oscilador de cristal interno de la unidad de control centralizada envía una señal de sincronización. Bajo el control de la señal de impulso de sincronización, la diferencia de fase y frecuencia de la tensión de salida entre los módulos es muy pequeña.
Se considera que la diferencia de amplitud de tensión entre los módulos es el factor directo que provoca la corriente circulante entre los módulos. En el enlace de control, la corriente de salida del módulo inversor individual se compara con la salida del sistema. La diferencia de corriente se utiliza como cantidad de compensación de la tensión de salida del inversor, y el control de reparto de corriente en paralelo se realiza cambiando la amplitud de la tensión de salida del módulo inversor.
Sin embargo, para el control centralizado, debe establecerse en el sistema una unidad de control centralizada independiente. Por un lado, es difícil que el sistema paralelo logre una verdadera modularización; por otro, si la unidad de control falla, todo el sistema paralelo de inversores quedará paralizado. Por lo tanto, el método de control centralizado no puede lograr realmente el propósito de alta fiabilidad y redundancia real, por lo que este método se utiliza raramente en los sistemas paralelos en la actualidad.
En vista de la restricción que supone la unidad de control centralizada para la fiabilidad del sistema en paralelo, se propone además el control maestro-esclavo. Al conectar en paralelo, el sistema establece un determinado módulo como maestro y emite como inversor de fuente de tensión; los demás módulos del sistema son esclavos y emiten como inversor de fuente de corriente.
Al mismo tiempo, la señal de corriente de salida del maestro servirá como señal de referencia del esclavo, y el esclavo utiliza el bucle de corriente para seguir la referencia de corriente del maestro y garantizar que las corrientes de salida de los módulos del inversor en paralelo sean las mismas. La estructura de control maestro-esclavo se muestra en la Figura 4-32.
Modo de control maestro-esclavo
Puede verse en la Figura 4-32 que el control maestro-esclavo ya no tiene una unidad de control centralizada separada, y el módulo principal del sistema realizará las funciones de la unidad de control. No obstante, la idea central del control maestro-esclavo sigue siendo coherente con el control centralizado, pero el control La potencia se concentra en el módulo principal actual del sistema. Cuando falle el módulo principal, el sistema lo retirará automáticamente y seleccionará un nuevo módulo principal entre los módulos esclavos originales para garantizar que el sistema siga funcionando con normalidad.
El control maestro-esclavo resuelve el problema del fallo del sistema causado por el fallo de la unidad de control en el control centralizado, y mejora la fiabilidad del sistema. Sin embargo, en el control maestro-esclavo, el proceso de conmutación de la máquina maestro-esclavo y el circuito de control son extremadamente complicados. Cuando el maestro actual falla al nuevo maestro antes de que se complete el ajuste, el sistema estará en un estado no controlado, por lo que existe la posibilidad de que el interruptor falle. Comparado con el control centralizado, el control maestro-esclavo ha mejorado la fiabilidad del sistema, pero todavía puede ocurrir un descontrol del sistema, y el efecto de control todavía no es ideal.
Modo de control lógico distribuido
En vista de la posibilidad de descontrol del sistema cuando se conmuta la lógica de control maestro-esclavo, se propone el control lógico descentralizado, que distribuye uniformemente los derechos de control a cada módulo del inversor, formando un control verdaderamente democrático e independiente, y el control del sistema ya no depende de En la unidad de control maestro, los módulos paralelos pasan a través de la línea de comunicación y reciben la información de tensión de salida de los otros módulos para realizar el bloqueo de fase de tensión, el reparto de potencia y la conmutación lógica. La figura 4-33 muestra la estructura de control lógico distribuido.
En comparación con el control centralizado y el control maestro-esclavo, el control lógico descentralizado elimina la unidad de control centralizada unificada. En el sistema paralelo, cada módulo funciona de forma independiente y tiene el mismo estado. La fiabilidad del sistema mejora considerablemente. El inversor dispone de control en paralelo de la línea de interconexión. La estrategia de control más práctica y fiable de la tecnología se utiliza ampliamente en los productos SAI actuales.
Sin embargo, en los sistemas de garantía de suministro eléctrico a gran escala, hay un gran número de módulos paralelos en el sistema, y las ubicaciones físicas están dispersas. En este momento, demasiadas interconexiones aumentarán enormemente la complejidad de la estructura del sistema paralelo del inversor y restringirán gravemente la fiabilidad del sistema paralelo.
Sin método de control de interconexión
Para resolver la restricción de la línea de interconexión entre módulos de inversor sobre la fiabilidad del sistema paralelo en el control paralelo de inversores con líneas de interconexión, se han llevado a cabo una serie de investigaciones y exploraciones sobre la tecnología de control paralelo de inversores sin líneas de interconexión, y se han obtenido ciertos resultados. La figura 4-34 muestra la estructura de control paralelo de los inversores sin interconexiones.
El control paralelo sin interconexión de los inversores puede dividirse en dos tipos: control paralelo sin interconexión basado en la comunicación de la línea eléctrica y control paralelo sin interconexión basado en el estatismo de la característica externa PQ. Entre ellos, el control paralelo sin interconexión basado en la comunicación por línea eléctrica utiliza un chip de espectro ensanchado. La información de tensión y corriente de salida del inversor se modula y superpone en el bus de CA.
Cuando la señal se transmite a través del bus de CA, cada módulo recibe y demodula las señales de estado de los restantes inversores del sistema en paralelo, y obtiene la señal de control de este módulo tras un cálculo exhaustivo Aunque este método realiza la conexión en paralelo de inversores sin interconexiones, después de que las señales de alta frecuencia se superpongan en el bus de CA, la forma de onda de la tensión de salida del inversor se distorsionará, y la señal de estado del inversor también se verá afectada por la tensión del bus de CA. Incluyendo la influencia de los armónicos, por lo tanto, el efecto del control paralelo sin interconexión basado en la comunicación de la línea eléctrica no es ideal.
A partir del principio de control de estatismo en la autosincronización de grupos electrógenos síncronos, se ha propuesto un control paralelo sin línea de interconexión basado en el estatismo de característica externa PQ. Cada módulo paralelo del sistema paralelo sólo necesita detectar su propia señal de tensión y corriente de salida, y la unidad de control del módulo se utiliza para realizar el control de reparto de corriente. Se elimina la línea de comunicación de estado entre módulos paralelos, se realiza el aislamiento eléctrico entre módulos paralelos, se mejora la fiabilidad y estabilidad del sistema paralelo, y la configuración del sistema es más flexible.
La idea básica del control paralelo del inversor sin interconexión es el control de estatismo de característica externa PQ, denominado control de estatismo. El control de estatismo utiliza la relación correspondiente entre la fase y la amplitud de la tensión de salida del inversor y la potencia activa y reactiva de salida, y controla la potencia activa y reactiva de salida del inversor ajustando la frecuencia y la amplitud de la tensión de salida del inversor. De este modo, la potencia consigue el propósito de compartir la corriente en paralelo de los módulos. La figura 4-35 muestra el principio del control droop.
Basándose en el análisis anterior, las ventajas del control paralelo de inversores sin interconexión son:
(1) Se eliminan las líneas de interconexión de estado entre módulos paralelos, se realiza el aislamiento eléctrico y se evita que el ruido entre módulos paralelos interfiera con la fuente de alimentación redundante real, lo que mejora enormemente la fiabilidad del sistema.
(2) Realización de la modularización en el verdadero sentido, y cada módulo del inversor tiene una función de conexión en caliente, el mantenimiento del sistema y la expansión es extremadamente conveniente.
(3) Debido a la "autofabricación independiente" entre módulos en paralelo, cada módulo sólo obtiene la señal de control a través del cálculo de la tensión y la corriente de salida, por lo que el sistema de control debe ajustarse en un tiempo muy corto, lo que requiere una alta precisión de detección del sistema y del ciclo de mando de la estrategia de control. De lo contrario, el efecto de control droop se verá afectado.
(4) Dado que el sistema adopta el control droop, existe un error de estado estacionario entre la frecuencia y la amplitud de la tensión de salida del inversor y la red, y las características externas de la fuente de alimentación son relativamente suaves, lo que no es adecuado para cargas con requisitos estrictos de amplitud y frecuencia de tensión.
(5) La naturaleza de la impedancia de salida del inversor tiene una gran influencia en el efecto de control del estatismo. En el sistema real, debe tenerse en cuenta la influencia de la diferencia entre la impedancia de salida del inversor y la impedancia de línea en el efecto de control del estatismo.
