Technologie de redondance parallèle des ASI

La modularisation est l'une des tendances futures du développement des équipements d'alimentation électrique basés sur la technologie moderne de l'électronique de puissance. La modularisation améliore non seulement la fiabilité du système, est facile à étendre, mais elle est également facile à utiliser et à entretenir, et convient à la production de masse. La fiabilité a toujours été l'objectif de l'ASI, et la technologie de redondance parallèle est une technologie de soutien importante pour atteindre la modularité et améliorer la fiabilité du système.

Principes de base de la redondance parallèle des ASI

Nécessité d'une connexion parallèle de l'ASI

Dans un système d'alimentation ASI de forte puissance, lorsque la capacité du système ASI doit être augmentée en raison d'une augmentation de la charge, elle peut être obtenue de deux manières : ① La capacité nominale d'un seul ASI peut être augmentée. ② En utilisant plusieurs ASI en parallèle pour partager le courant de charge.

Pour la première solution, lorsqu'un seul bloc d'alimentation est alimenté, une fois qu'une panne se produit, le système peut être paralysé et causer des pertes incommensurables ; la technologie parallèle des blocs d'alimentation des ASI peut bien répondre aux besoins des occasions de grande capacité.

La redondance parallèle fait référence à la connexion parallèle de N+n modules UPS, où N unités sont utilisées pour fournir le courant requis par la charge, et n unités sont les modules redondants de sauvegarde. Lorsque le module de travail tombe en panne, le module redondant de secours est mis en service. De cette manière, même si n des N modules en service tombent en panne en même temps, le système ASI peut garantir la fourniture de 100% du courant de charge.

En outre, l'utilisation de la technologie de redondance peut également permettre le remplacement à chaud des modules d'alimentation de l'ASI, c'est-à-dire le remplacement des modules défaillants du système sans interruption de la capacité d'alimentation du système. La supériorité du système d'alimentation électrique composé d'onduleurs redondants parallèles se traduit comme suit :

(1) Haute fiabilité. Le stress électrique des dispositifs semi-conducteurs de puissance de chaque module est réduit, et il est facile de former un système d'alimentation redondant N+1, ce qui améliore la fiabilité du système.

(2) La capacité du système d'alimentation par onduleur peut être étendue de manière flexible pour répondre aux besoins réels des utilisateurs.

(3) Facilité d'utilisation et de maintenance. L'unité de maintenance du site du système intelligent, de type bloc de construction, est pratique et rapide, et il est facile d'étendre les fonctions du système.

(4) Réduire les types de produits, faciliter la normalisation et la standardisation et réduire le cycle de développement des produits.

(5) Système d'alimentation en parallèle, la puissance d'un seul module est faible, la fréquence de commutation peut être très élevée, ce qui permet d'augmenter la densité de puissance du système parallèle de l'ASI.

Il est évident que la technologie de redondance parallèle des ASI peut théoriquement augmenter la capacité du système d'alimentation électrique sans limitation, ce qui a attiré de plus en plus d'attention et est devenu un point chaud de la recherche sur les systèmes d'alimentation électrique des ASI de grande capacité.

Principe de base de la connexion parallèle des ASI

Pour réaliser le fonctionnement en parallèle des onduleurs de puissance des ASI, la clé est que les onduleurs de chaque ASI partagent le courant de charge, c'est-à-dire qu'ils réalisent le contrôle du partage du courant. Prenons l'exemple de deux onduleurs en parallèle pour l'analyse.

Le circuit équivalent de deux alimentations à onduleur fonctionnant en parallèle est illustré à la figure 4-30. Parmi eux, U1, U2 représentent la tension de l'onde fondamentale produite par chaque onduleur, L1、L2、C1、C2 représentent le filtre de sortie de l'onduleur, et R est la charge du système.

La formule (4-50) montre que iL1 et iL2 sont composés de deux parties de courant, l'une étant la composante de courant de charge et l'autre la composante de courant de circulation. Lorsque les filtres de sortie sont identiques, les composantes du courant de charge sont toujours équilibrées. Mais l'existence de la composante de courant de circulation fait varier le courant de sortie de l'onduleur.

Lorsque U1 et U2 sont en phase, la composante du courant de circulation haute tension est capacitive et la composante du courant de circulation basse tension est inductive.

Lorsque U1 et U2 ont la même amplitude, la composante du courant de circulation dont la phase est avancée est une composante active positive et produit de la puissance active ; la composante du courant de circulation dont la phase est retardée est une composante active négative et absorbe de la puissance active.

Exigences techniques pour la connexion parallèle de l'ASI

Contrairement à l'alimentation en courant continu, l'alimentation de l'ASI produit une onde sinusoïdale. Lors de la mise en parallèle, l'amplitude et l'angle de phase de la tension de sortie doivent être contrôlés en même temps, c'est-à-dire qu'il faut la même fréquence, la même phase et la même amplitude pour fonctionner. L'analyse des principes de base de la connexion en parallèle des ASI ci-dessus montre que si l'amplitude ou la phase de la tension de sortie de chaque module d'alimentation ASI n'est pas cohérente, un courant de circulation actif et un courant de circulation réactif seront générés entre les modules.

En outre, même si les modules ont la même fréquence, la même phase et la même amplitude, si le contenu harmonique des tensions de sortie respectives est important, il y aura une circulation harmonique entre les modules. Par conséquent, la sécurité du fonctionnement en parallèle des onduleurs doit répondre aux conditions suivantes.

(1) Partage du pouvoir : La fréquence, la phase, l'amplitude, la forme d'onde et la séquence de phase de la tension de sortie de chaque module d'onduleur dans le système parallèle sont fondamentalement les mêmes. Chaque module partage le courant de charge de manière égale afin d'équilibrer la puissance statique de sortie et la distribution de la puissance instantanée.

(2) Diagnostic automatique des défauts : Lorsqu'un seul module tombe en panne, le système parallèle peut rapidement localiser l'onduleur défectueux, le retirer du système parallèle et distribuer uniformément sa puissance aux autres modules.

(3) Échange à chaud : lorsque la différence de fréquence, de phase, d'amplitude et de séquence de phase entre la tension de sortie du module onduleur à mettre en contrôle et la tension du système parallèle est inférieure à l'erreur admissible, il sera automatiquement mis dans le système parallèle, et l'impact sur le système parallèle sera faible lors de la mise en service ; lorsqu'un module tombe en panne ou doit être révisé, il peut quitter le système parallèle en ligne sans être mis hors tension.

L'orientation du développement de la redondance parallèle des ASI

La redondance parallèle des ASI est un sujet de recherche d'actualité. De nombreux chercheurs et fabricants d'ASI ont mené des recherches sur la technologie de redondance parallèle des ASI dans les domaines suivants.

(1) Le nombre d'unités parallèles est quantifié et les méthodes de contrôle parallèle sont diversifiées. À l'heure actuelle, plusieurs marques bien connues d'entreprises d'alimentation ASI peuvent réaliser des connexions en parallèle, mais le nombre maximal d'unités parallèles ne dépasse pas 10. PK Electronics affirme pouvoir connecter plus de 100 unités en parallèle.

(2) Dans l'alimentation ASI de faible puissance, une stratégie parallèle plus avancée est réalisée à moindre coût. À l'heure actuelle, la plupart des alimentations à onduleur pouvant être connectées en parallèle sont des alimentations ASI de moyenne et haute puissance. Par conséquent, pour parvenir à un fonctionnement en parallèle, l'augmentation du coût du circuit de commande n'aura pas d'impact significatif sur le coût total.

Les circuits de commande des alimentations sans interruption ordinaires de faible puissance sont généralement plus simples et leurs performances ne sont pas aussi bonnes que celles des alimentations de forte puissance. Par conséquent, pour réaliser un fonctionnement en parallèle, la conception du circuit est plus difficile. Pour résoudre la contradiction entre les caractéristiques du circuit de commande et le coût, les grandes entreprises disposent de méthodes de conception uniques.

(3) Utiliser un nouveau schéma de conception du système d'alimentation électrique à haute utilité. L'utilisation d'un nouveau schéma de conception de système d'alimentation à haute utilité peut garantir la fiabilité et la flexibilité de l'ensemble du système. D'une part, la conception de ce nouveau type de système d'alimentation électrique doit répondre aux besoins des charges à haute puissance et augmenter un certain niveau de redondance pour le système d'alimentation électrique.

D'autre part, il doit être basé sur la fiabilité et peut éliminer l'impact de tout point de défaillance unique dans le système. Par conséquent, à l'avenir, la plupart des systèmes d'alimentation ASI seront basés sur un mode de contrôle de partage de courant à fonctionnement parallèle multi-modulaire et utiliseront des méthodes de maintenance remplaçables à chaud afin d'améliorer les performances de fonctionnement de l'ensemble du système.

(4) Utilisation de la technologie de la structure en chaîne à haute fréquence. Afin d'achever la connexion parallèle des alimentations ASI, d'améliorer les performances et de réduire le volume des modules, la plupart des entreprises adoptent la technologie de la structure en chaîne à haute fréquence. Le transformateur de fréquence de puissance est réduit dans l'onduleur, le volume et le poids de l'appareil sont considérablement réduits, le coût est également réduit et la complexité de l'appareil est réduite.

(5) Utilisation d'un nouveau type de technologie de contrôle de la puissance de l'onduleur. La technologie de contrôle d'une ASI unique est cruciale pour ses performances de sortie. Les recherches antérieures sur les onduleurs d'ASI se sont concentrées sur l'utilisation de nouveaux dispositifs de puissance pour réaliser une commutation à haute fréquence et un contrôle SPWM, réduire la taille du filtre et obtenir une faible impédance de sortie grâce à la conception optimisée du filtre, supprimant ainsi la distorsion de la forme d'onde de sortie et l'objectif d'amélioration de l'adaptabilité de la charge.

Après la maturation de la nouvelle technologie des dispositifs de commutation de puissance, afin d'améliorer encore les caractéristiques dynamiques et statiques de l'onduleur, de nombreuses nouvelles méthodes de contrôle ont été proposées en conséquence, telles que : le contrôle par anticipation du courant basé sur le contrôle de la tension instantanée, basé sur la théorie de la structure variable, le contrôle par mode glissant, le contrôle par vecteur spatial dans le système d'alimentation par onduleur triphasé, le contrôle par temps mort basé sur le microprocesseur, le contrôle du courant par hystérésis, etc. Ces nouvelles méthodes de contrôle améliorent considérablement les indicateurs de performance des ASI.

(6) Adopter une technologie de contrôle entièrement numérique. Afin d'améliorer les performances de contrôle du système et de compléter l'algorithme complexe de contrôle parallèle, il est préférable d'utiliser un schéma de contrôle entièrement numérique pour le contrôle de l'alimentation de l'ASI, tel que l'utilisation d'une puce unique ou d'un DSP pour compléter la détection, le fonctionnement et le contrôle du système.

La technologie de contrôle avancée est l'une des technologies clés essentielles pour améliorer l'efficacité et la performance du circuit de conversion. Toutefois, l'utilisation de la commande numérique permet d'éviter les divers défauts de la commande traditionnelle des circuits analogiques. C'est pourquoi la numérisation est l'axe de développement de la technologie de contrôle des circuits de conversion. La commande numérique facilite la mise en œuvre de divers algorithmes de commande complexes, réduit le volume et le poids de l'équipement et améliore la précision et les performances.

Stratégie de contrôle redondant parallèle de l'ASI

Selon les exigences techniques de la connexion parallèle des ASI, le mode de contrôle redondant parallèle du système ASI peut être divisé en quatre schémas : contrôle centralisé, contrôle maître-esclave, contrôle logique distribué et contrôle indépendant sans lignes d'interconnexion.

Méthode de contrôle centralisé

La commande centralisée est la première stratégie de commande parallèle de l'onduleur. Sa structure est illustrée à la figure 4-31. Le système parallèle est équipé d'une unité de commande centralisée. Lorsque le système fonctionne, l'unité de commande centralisée détecte d'abord la phase et la fréquence de l'alimentation secteur, puis la synthétise. Le signal d'impulsion de synchronisation est envoyé à chaque module d'onduleur via la ligne d'interconnexion entre les modules.

La fréquence et la phase du signal d'impulsion de synchronisation sont identiques à celles du réseau, ce qui garantit que la tension de sortie de l'onduleur est cohérente avec la tension du réseau. Lorsque l'alimentation secteur est interrompue, l'oscillateur à cristal interne de l'unité de commande centralisée envoie un signal de synchronisation. Sous le contrôle du signal d'impulsion synchrone, la phase de la tension de sortie et la différence de fréquence entre les modules sont très faibles.

On considère que la différence d'amplitude de tension entre les modules est le facteur direct qui provoque le courant de circulation entre les modules. Dans la liaison de contrôle, le courant de sortie du module onduleur unique est comparé à la sortie du système. La différence de courant est utilisée comme montant de compensation de la tension de sortie de l'onduleur, et le contrôle du partage du courant parallèle est réalisé en modifiant l'amplitude de la tension de sortie du module de l'onduleur.

Cependant, pour la commande centralisée, une unité de commande centralisée distincte doit être installée dans le système. D'une part, il est difficile pour le système parallèle de parvenir à une véritable modularisation ; d'autre part, si l'unité de contrôle tombe en panne, l'ensemble du système parallèle d'onduleurs sera paralysé. Par conséquent, la méthode de contrôle centralisé ne peut pas vraiment atteindre l'objectif de haute fiabilité et de véritable redondance, c'est pourquoi cette méthode est rarement utilisée dans les systèmes parallèles à l'heure actuelle.

Compte tenu de la restriction de l'unité de contrôle centralisée sur la fiabilité du système parallèle, le contrôle maître-esclave est également proposé. Lors de la mise en parallèle, le système définit un certain module comme maître et produit un onduleur à source de tension ; les autres modules du système sont des esclaves et produisent un onduleur à source de courant.

Le maître utilise la commande à double boucle pour garantir la forme sinusoïdale de la tension de sortie ; en même temps, le signal de courant de sortie du maître sert de signal de référence à l'esclave, et l'esclave utilise la boucle de courant pour suivre la référence de courant du maître afin de garantir que les courants de sortie des modules d'onduleurs parallèles sont identiques. La structure de commande maître-esclave est illustrée à la Figure 4-32.

Mode de contrôle maître-esclave

La figure 4-32 montre que le contrôle maître-esclave n'a plus d'unité de contrôle centralisée distincte et que le module maître du système remplit les fonctions de l'unité de contrôle. Néanmoins, l'idée de base de la commande maître-esclave est toujours cohérente avec la commande centralisée, mais la puissance de commande est concentrée dans le module principal actuel du système. Lorsque le module principal tombe en panne, le système le retire automatiquement et sélectionne un nouveau module principal parmi les modules esclaves d'origine afin de garantir que le système continue à fonctionner normalement.

La commande maître-esclave résout le problème de la défaillance du système causée par la défaillance de l'unité de commande dans la commande centralisée et améliore la fiabilité du système. Cependant, dans la commande maître-esclave, le processus de commutation de la machine maître-esclave et le circuit de commande sont extrêmement compliqués. Lorsque le maître actuel passe au nouveau maître avant que le réglage ne soit terminé, le système se trouve dans un état incontrôlé, de sorte qu'il existe un risque de défaillance de l'interrupteur. Par rapport au contrôle centralisé, le contrôle maître-esclave a amélioré la fiabilité du système, mais le système peut toujours être hors contrôle, et l'effet de contrôle n'est toujours pas idéal.

Mode de contrôle logique distribué

Compte tenu du risque de perte de contrôle du système lorsque la logique de contrôle maître-esclave est commutée, on propose un contrôle logique décentralisé, qui distribue uniformément les droits de contrôle à chaque module d'onduleur, formant un contrôle véritablement démocratique et indépendant, et le contrôle du système ne dépend plus de l'unité de contrôle maître. Dans l'unité de contrôle maître, les modules parallèles passent par la ligne de communication et reçoivent les informations de tension de sortie des autres modules pour réaliser le verrouillage de phase de la tension, le partage de la puissance et la commutation logique. La figure 4-33 illustre la structure de contrôle logique distribuée.

Par rapport à la commande centralisée et à la commande maître-esclave, la commande logique décentralisée élimine l'unité de commande centralisée unifiée. Dans le système parallèle, chaque module fonctionne indépendamment et a le même statut. La fiabilité du système est grandement améliorée. L'onduleur dispose d'un contrôle parallèle de la ligne d'interconnexion. La stratégie de contrôle la plus pratique et la plus fiable de la technologie est largement utilisée dans les produits ASI actuels.

Cependant, pour les systèmes de garantie d'alimentation électrique à grande échelle, il y a un grand nombre de modules parallèles dans le système, et les emplacements physiques sont dispersés. À l'heure actuelle, un trop grand nombre d'interconnexions augmente considérablement la complexité de la structure du système parallèle de l'onduleur et limite fortement la fiabilité du système parallèle.

Pas de méthode de contrôle de l'interconnexion

Afin de résoudre le problème de la restriction de la ligne d'interconnexion entre les modules de l'onduleur sur la fiabilité du système parallèle dans le contrôle parallèle des onduleurs avec lignes d'interconnexion, une série de recherches et d'explorations ont été menées sur la technologie de contrôle parallèle des onduleurs sans lignes d'interconnexion, et certains résultats ont été obtenus. La figure 4-34 montre la structure de contrôle parallèle des onduleurs sans interconnexions.

La commande parallèle sans interconnexion des onduleurs peut être divisée en deux types : la commande parallèle sans interconnexion basée sur la communication par courant porteur et la commande parallèle sans interconnexion basée sur le statisme de la caractéristique externe PQ. La commande parallèle sans interconnexion basée sur la communication par ligne électrique utilise une puce à étalement de spectre. Les informations relatives à la tension et au courant de sortie de l'onduleur sont modulées et superposées sur le bus CA.

Lorsque le signal est transmis par le bus CA, chaque module reçoit et démodule les signaux d'état des onduleurs restants dans le système parallèle, et obtient le signal de commande de ce module après un calcul complet. Bien que cette méthode réalise la connexion parallèle des onduleurs sans interconnexion, après la superposition de signaux à haute fréquence sur le bus CA, la forme d'onde de la tension de sortie de l'onduleur sera déformée, et le signal d'état de l'onduleur sera également influencé par la tension du bus CA. Compte tenu de l'influence des harmoniques, l'effet du contrôle parallèle sans interconnexion basé sur la communication par ligne électrique n'est donc pas idéal.

Tirant les leçons du principe de contrôle du statisme dans l'auto-synchronisation des groupes électrogènes synchrones, les gens ont proposé un contrôle parallèle sans ligne d'interconnexion basé sur le statisme de la caractéristique externe PQ. Chaque module parallèle du système parallèle n'a qu'à détecter sa propre tension de sortie et son propre signal de courant, et l'unité de contrôle du module est utilisée pour le faire. Le signal de contrôle de ce module peut être calculé pour réaliser le contrôle du partage du courant. La ligne de communication d'état entre les modules parallèles est éliminée, l'isolation électrique entre les modules parallèles est réalisée, la fiabilité et la stabilité du système parallèle sont améliorées et la configuration du système est plus flexible.

L'idée de base de la commande parallèle de l'onduleur sans interconnexion est la commande de statisme à caractéristique externe PQ, appelée commande de statisme. La commande droop utilise la relation correspondante entre la phase et l'amplitude de la tension de sortie de l'onduleur et la puissance active et réactive de sortie, et contrôle la puissance active et réactive de sortie de l'onduleur en ajustant la fréquence et l'amplitude de la tension de sortie de l'onduleur. La puissance atteint alors l'objectif de partage du courant en parallèle des modules. La Figure 4-35 illustre le principe de la commande droop.

Sur la base de l'analyse ci-dessus, les avantages du contrôle parallèle de l'onduleur sans interconnexion sont les suivants :

(1) Les lignes d'interconnexion entre les modules parallèles sont éliminées, l'isolation électrique est réalisée et le bruit entre les modules parallèles n'interfère pas avec l'alimentation redondante réelle, ce qui améliore considérablement la fiabilité du système.

(2) Réalisation de la modularisation au sens propre, et chaque module d'onduleur a une fonction d'enfichage à chaud, la maintenance et l'expansion du système sont extrêmement pratiques.

(3) En raison de l'"autonomie indépendante" des modules parallèles, chaque module n'obtient le signal de commande que par le calcul de la tension et du courant de sortie, de sorte que le système de commande doit être ajusté en très peu de temps, ce qui nécessite une grande précision de détection du système et le cycle de commande de la stratégie de commande. Dans le cas contraire, l'effet de contrôle du statisme sera affecté.

(4) Étant donné que le système adopte un contrôle droop, il existe une erreur en régime permanent entre la fréquence et l'amplitude de la tension de sortie de l'onduleur et le réseau, et les caractéristiques externes de l'alimentation électrique sont relativement douces, ce qui ne convient pas aux charges ayant des exigences strictes en matière d'amplitude et de fréquence de la tension.

(5) La nature de l'impédance de sortie de l'onduleur a une grande influence sur l'effet de contrôle du statisme. Dans le système réel, l'influence de la différence entre l'impédance de sortie de l'onduleur et l'impédance de la ligne sur l'effet de contrôle du statisme doit être prise en compte.