基于直流隔離單元的單相高頻Delta變換UPS的研究

1、基于直流隔離單元的單相高頻Delta變換UPS的研究摘要 本文提出了一種新型的單相高頻Delta變換UPS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)直流單元采用雙向全橋DC-DC變換器來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)和裝置間的隔離以取代傳統(tǒng)工頻變壓器隔離的方法。文中分析了整個(gè)系統(tǒng)的能量流動(dòng)原理，給出了裝置并聯(lián)單元、串聯(lián)單元和直流單元的部分建模和控制方法。最后給出該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果，證明了該拓?fù)涞膶?shí)用性和控制方法的有效性。關(guān)鍵詞：Delta變換UPS 高頻 雙向全橋DC-DC變換器The Study of a Novel Single Phase High-Frequency Delta UPS Based on the Structur

2、e of DC IsolationAbstract A novel single phase high-frequency Delta UPS based on the structure of DC unit isolation is proposed .The high-frequency Delta UPS is isolated from the power grid by bidirectional full-bridge DC-DC converter .Power flow of the system is analyzed. The control method of the

3、UPS is also proposed. In the end, the simulation result is given to validate the practicability of the topology and the effectiveness of the control method.Keywords: Delta UPS, High-Frequency , Bidirectional Full-bridge DC-DC Converter81 引言UPS(不間斷電源)是一種平時(shí)能向電子設(shè)備提供高質(zhì)量的電源，當(dāng)市電停電時(shí)又能夠向它們提供其所需的全部電能的設(shè)備。傳統(tǒng)的D

4、elta變換UPS整機(jī)工作效率高，一般可達(dá)到96%，無(wú)需功率因數(shù)校正電路就可以使市電的輸入功率因數(shù)為1。Delta變換UPS后級(jí)實(shí)時(shí)控制輸出電壓，前級(jí)實(shí)時(shí)控制輸入電流的功率因數(shù)和諧波電流，無(wú)論市電質(zhì)量如何，均可給負(fù)載提供高質(zhì)量的正弦波。且電網(wǎng)斷電后電路切換時(shí)間短，小于1ms，同時(shí)具有帶載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。但是由于Delta變換UPS的串聯(lián)和并聯(lián)兩部分共用直流單元。因此電網(wǎng)和裝置之間必須進(jìn)行隔離，否則會(huì)出現(xiàn)電容直通、短路等情況1?，F(xiàn)有 Delta變換UPS采用的隔離方法基本上都是在并聯(lián)或者是串聯(lián)單元接入系統(tǒng)的地方增加隔離變壓器。變壓器的接入不僅為裝置和系統(tǒng)提供了隔離還可以擴(kuò)大裝置的容量，使得器件的選

5、擇更加靈活2。但由于變壓器的非線性，它的引入也帶來(lái)很多不利的因素1：（1）在進(jìn)行電壓和電流諧波補(bǔ)償時(shí)，逆變器產(chǎn)生的各次諧波都需要通過(guò)變壓器， 而目前工頻或高頻變壓器的頻帶都很窄，只能允許額定頻率附近的電流通過(guò)，不能滿足諧波補(bǔ)償?shù)囊螅艽蟪潭壬嫌绊懥搜a(bǔ)償效果。（2）逆變器產(chǎn)生的高次諧波在通過(guò)變壓器時(shí)產(chǎn)生很大的諧波損耗， 另外高次諧波的通過(guò)使得變壓器所需的容量上升。（3）變壓器增加了裝置的功率損耗，降低了裝置的效率。（4）對(duì)于串聯(lián)隔離變壓器，和濾波的電感電容互相影響會(huì)帶來(lái)附加的相移和電壓降落， 影響裝置對(duì)電壓補(bǔ)償?shù)男阅?。?）變壓器還存在飽和及電壓跌落時(shí)的瞬間涌流等問(wèn)題。（6）工頻變壓器體積龐大

6、，造價(jià)高。因此在電壓等級(jí)較低的情況下引入變壓器所帶來(lái)的缺陷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。正是由于采用變壓器隔離帶來(lái)的諸多問(wèn)題，所以我們選擇在直流側(cè)進(jìn)行隔離。文獻(xiàn)1中提出了采用3組同樣大小的電容相互并聯(lián)，電容之間采用電子開(kāi)關(guān)進(jìn)行連接，利用LC諧振進(jìn)行能量交換。它的缺點(diǎn)就是串并聯(lián)側(cè)的直流母線電壓的等級(jí)都是一致的，這會(huì)造成串聯(lián)側(cè)母線電壓過(guò)高。文獻(xiàn)3中提出了直流側(cè)采用全橋DC-DC變換器進(jìn)行隔離和能量傳遞，它的不足之處是DC-DC變換器是單向工作的，能量只能由并聯(lián)側(cè)流向串聯(lián)側(cè)，整個(gè)系統(tǒng)只能補(bǔ)償電網(wǎng)電壓的跌落，電網(wǎng)電壓升高的情況下不適用。文獻(xiàn)4中提到了直流側(cè)采用雙向全橋DC-DC變換器進(jìn)行隔離，但是文中只給出了

7、DC-DC變換器的控制方法，并未給出整個(gè)系統(tǒng)的工作原理和控制算法。本文以單相情況為例，阻性負(fù)載，直流側(cè)采用雙向全橋DC-DC變換器的新型Delta變換UPS，分析了其工作原理，能量流動(dòng)，給出了部分結(jié)構(gòu)的建模和整個(gè)系統(tǒng)的控制策略。最后給出了仿真結(jié)果，驗(yàn)證了所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制算法的有效性。2 UPS系統(tǒng)的工作原理和能量流動(dòng)分析2.1 UPS系統(tǒng)的工作原理圖1 單相高頻隔離Delta變換UPS的電路拓?fù)銯ig.1 Topology of the single high-frequency Delta UPS如圖1所示，單相高頻隔離Delta變換UPS的電路拓?fù)洌到y(tǒng)主要由四部分構(gòu)成：能量流通主回路部

8、分、變換器部分、旁路部分、蓄電池部分。其中變換器部分分為Delta變換器和并聯(lián)變換器。Delta變換器通過(guò)濾波電感串入能量流動(dòng)主回路。并聯(lián)變換器和能量流通主回路是并聯(lián)關(guān)系。蓄電池主要是在電網(wǎng)電壓波動(dòng)或者電網(wǎng)斷電時(shí)，能夠保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。電路的主回路和旁路中還串入了靜態(tài)開(kāi)關(guān)。靜態(tài)開(kāi)關(guān)由兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)構(gòu)成。為了防止電網(wǎng)掉電時(shí)，能量從UPS系統(tǒng)反灌到電網(wǎng)，靜態(tài)開(kāi)關(guān)正負(fù)半周分別導(dǎo)通。由于靜態(tài)開(kāi)關(guān)與晶閘管組成，我們只需控制其開(kāi)通即可，電流過(guò)零的時(shí)刻，晶閘管自動(dòng)就關(guān)斷了。電網(wǎng)電壓正?；蛘咴谠试S的范圍內(nèi)（±15%）波動(dòng)時(shí)，主靜態(tài)開(kāi)關(guān)Spa是導(dǎo)通的，旁路靜態(tài)開(kāi)關(guān)Sa是關(guān)斷的。在UPS系統(tǒng)出現(xiàn)故障

9、時(shí)，主靜態(tài)開(kāi)關(guān)全部不觸發(fā)，旁路靜態(tài)開(kāi)關(guān)觸發(fā)，將UPS系統(tǒng)從電路中切除。市電經(jīng)過(guò)主靜態(tài)開(kāi)關(guān)Sa，L1，S4，C3，S1進(jìn)入主供電通道，給負(fù)載直接供電。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，大部分能量通過(guò)上述通道傳遞到負(fù)載端，少部分能量通過(guò)DC-DC變換器傳遞到并聯(lián)變換器，通過(guò)并聯(lián)變換器傳遞到負(fù)載端。當(dāng)UPS系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，市電經(jīng)過(guò)旁路靜態(tài)開(kāi)關(guān)Spa，傳遞到負(fù)載端。2.2 UPS系統(tǒng)的能量流動(dòng)原理2.2.1 理想電網(wǎng)情況下理想電網(wǎng)是指，市電電壓Ua的有效值與負(fù)載電壓有效值Uo相等，市電電壓波形無(wú)畸變，負(fù)載為阻性負(fù)載，蓄電池不需要充放電的狀態(tài)。此時(shí)全部的能量經(jīng)過(guò)主供電通道直接給負(fù)載供電。沒(méi)有能量經(jīng)過(guò)DC-DC變換器

10、。此時(shí)的能量流動(dòng)狀態(tài)如圖2。黑色箭頭實(shí)線表示能量流動(dòng)方向。圖2 理想電網(wǎng)情況下Delta UPS系統(tǒng)能量流動(dòng)圖Fig.2 The power flow of Delta UPS under ideal Grid Condition2.2.2 電網(wǎng)電壓波動(dòng)狀態(tài)（1） 電網(wǎng)電壓升高此時(shí)的能量流動(dòng)狀態(tài)如圖3所示。圖3 電網(wǎng)電壓升高情況下Delta UPS系統(tǒng)能量流動(dòng)圖Fig.3 The power flow of Delta UPS during the voltage swells 15%輸入電壓升高15%，變?yōu)?15%Ur，為了保證輸入輸出功率平衡，穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，輸入電流為式中 電網(wǎng)額定電壓；滿載

11、時(shí)負(fù)載電流；UPS系統(tǒng)輸出電壓由并聯(lián)變換器控制，仍為Ur，濾波電容上的電壓為式中 輸入和輸出電壓差；電網(wǎng)輸入電壓；輸出電壓；則經(jīng)過(guò)變換器變換的功率為式中 為滿載時(shí)的輸出功率；正號(hào)表示Delta變換器吸收功率。（2）電網(wǎng)電壓降低圖4 電網(wǎng)電壓降低的情況下Delta UPS的能量流動(dòng)Fig.4 The power flow of Delta UPS during the voltage sag 15%輸入電壓降低15%，變?yōu)?。為了保證輸入輸出功率平衡，穩(wěn)態(tài)下，輸入電流會(huì)增大為UPS系統(tǒng)輸出電壓由并聯(lián)變換器控制，仍為Ur，濾波電容上的電壓為:則經(jīng)過(guò)變換器變換的功率為負(fù)號(hào)表示Delta變換器輸出功率，

12、此時(shí)的能量流動(dòng)情況如圖4所示。3 UPS系統(tǒng)的控制策略本文的單相高頻隔離Delta變換UPS采用直接控制策略5-6。在直接控制策略中，將Delta變換器控制成為正弦電流源，將負(fù)載電流的有功分量作為輸入電流的給定信號(hào)，這樣可以控制輸入電流完全正弦，并且功率因數(shù)為1。將并聯(lián)變換器控制成為正弦電壓源，負(fù)載上的電壓完全由并聯(lián)變換器控制。且提供負(fù)載所需的其他電流成分包括無(wú)功和諧波分量。在直接控制策略下，并聯(lián)變換器一直工作在電壓源模式下，在電網(wǎng)掉電和掉電后恢復(fù)時(shí)，不需要轉(zhuǎn)換工作模式，不會(huì)出現(xiàn)負(fù)載電壓質(zhì)量下降的情況。3.1 并聯(lián)變換器的控制圖5 并聯(lián)變換器的電路拓?fù)銯ig.5 Topology of Par

13、allel converter按上文所述，將并聯(lián)變換器控制成正弦電壓源。取電感電流和電容電壓作為狀態(tài)變量，并聯(lián)變換器的數(shù)學(xué)模型如下：式中 電感電流；橋臂輸出電壓；電容電壓；負(fù)載電流；根據(jù)數(shù)學(xué)模型的微分方程，采用電壓電流雙閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)器選擇PI調(diào)節(jié)器，且加入電容電壓前饋和負(fù)載電流前饋，得出并聯(lián)變換器控制框圖如下：圖6 并聯(lián)變換器的控制框圖Fig.6 The control block diagram of Parallel converterPI參數(shù)的計(jì)算不是本文的重點(diǎn)，所以文中沒(méi)有給出詳細(xì)的計(jì)算過(guò)程，具體計(jì)算過(guò)程可以參考文獻(xiàn)7。3.2 Delta變換器的控制3.2.1 Delta變換器的數(shù)學(xué)

14、模型在UPS系統(tǒng)中通過(guò)Delta變換器來(lái)控制電網(wǎng)的輸入電流，使得電網(wǎng)只為負(fù)載提供有功，因?yàn)镈elta變換器的電感電流就是電網(wǎng)的輸入電流，我們要控制電網(wǎng)的輸入電流為正弦，從而使電網(wǎng)的輸入功率為1。所以我們把Delta變換器做單電流環(huán)進(jìn)行控制。電網(wǎng)輸入電流為，我們認(rèn)為電網(wǎng)的輸入電流和電感電流是相等的。從而通過(guò)控制電感電流在達(dá)到控制電網(wǎng)輸入電流的目的。選擇電感電流為狀態(tài)變量，Delta變換器的數(shù)學(xué)模型如下：圖7 Delta變換器的電路拓?fù)銯ig.7 Topology of Delta converter同理根據(jù)數(shù)學(xué)模型的微分方程，Delta變換器采用單電流環(huán)控制，調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器。3.2.2 直

15、流側(cè)母線電壓控制原理單相高頻隔離Delta變換UPS，具有兩個(gè)直流母線。分別為低壓側(cè)（Delta變換器側(cè)）和高壓側(cè)（并聯(lián)變換器側(cè)）。在本文中低壓側(cè)直流母線電壓等級(jí)為80V，高壓側(cè)直流母線電壓等級(jí)為400V。直流母線電壓的穩(wěn)定是Delta變換器和并聯(lián)變換器穩(wěn)定工作的基本條件。造成直流母線電壓不穩(wěn)定主要原因是變換器本身會(huì)消耗一些有功功率，或者是電網(wǎng)電壓，負(fù)載突變所造成的。因此對(duì)于高壓側(cè)的直流母線，我們采用單電壓環(huán)進(jìn)行控制，其控制原理如下6：圖8 高壓側(cè)直流母線電壓控制框圖Fig.8 The control block diagram of High voltage side DC bus當(dāng)直流母線

16、電壓低于給定值時(shí)，Delta變換器控制輸入電流增加，進(jìn)而給直流母線充電，使得直流母線電壓上升；反之，當(dāng)直流母線電壓高于給定值時(shí)，Delta變換器控制輸入電流減小，實(shí)現(xiàn)母線電壓降低。因此Delta變換器的電流給定包括兩個(gè)值：1、保持UPS系統(tǒng)輸入輸出有功功率平衡的有功電流。2、抑制蓄電池側(cè)直流母線電壓波動(dòng)的有功電流；即：式中 輸出負(fù)載電壓有效值；輸出負(fù)載電流有效值；輸入電網(wǎng)電壓有效值；電網(wǎng)角頻率；Delta變換器的總控制框圖如下：圖9 Delta變換器的控制框圖Fig.9 The control block diagram of Delta converter低壓側(cè)直流母線電壓通過(guò)DC-DC變換

17、器進(jìn)行穩(wěn)壓，下節(jié)在具體介紹。3.3 雙向全橋DC-DC變換器的控制本文所述UPS系統(tǒng)，由雙向全橋隔離DC-DC變換器代替了傳統(tǒng)的工頻變壓器隔離。雙向DC-DC變換器保證了能量的雙向流動(dòng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了裝置的隔離。下面簡(jiǎn)述其工作原理和控制方法。圖10 雙向全橋DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.10 Topology of bidirectional full-bridge DC-DC converter圖10為雙向全橋DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中側(cè)為高壓側(cè)，側(cè)為低壓側(cè)。在本文中雙向DC-DC變換器采用傳統(tǒng)的單移相控制。主要是通過(guò)控制兩側(cè)的開(kāi)關(guān)管，在變壓器兩側(cè)產(chǎn)生頻率相同和占空比為0.5的方波，通

18、過(guò)控制兩個(gè)方波的相位來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的傳輸。當(dāng)左側(cè)橋臂方波相位超前于右側(cè)橋臂方波，功率正向傳輸。右側(cè)方波相位超前左側(cè)，功率反向傳輸。其中9,12管同時(shí)導(dǎo)通，9,10管相差180度導(dǎo)通。5,9管同時(shí)導(dǎo)通，6,7管差180度導(dǎo)通。通過(guò)控制9,5管的相位差控制功率流動(dòng)。其具體工作原理見(jiàn)文獻(xiàn)8-9，文中不在詳細(xì)介紹。圖11 雙向全橋DC-DC移向控制傳輸原理圖Fig.11 The phase-shift of bidirectional full-bridge DC-DC converter由文獻(xiàn)10-11可知，雙向DC-DC變換器的傳輸功率表達(dá)式為式中 變壓器變比； 移向角； 開(kāi)關(guān)頻率；通過(guò)上式可以看出，

19、功率傳輸?shù)拇笮『头较蚨己鸵葡嘟窍嚓P(guān)的。我們令為正值時(shí)，功率由左側(cè)流（）向右側(cè)（）。當(dāng)為負(fù)值時(shí)，功率由右側(cè)（）流向左側(cè)（）。由文獻(xiàn)11可知的取值范圍在-90o到90o。在控制中我們令，當(dāng)，能量正向流動(dòng)；，能量反向流動(dòng)。在控制中我們固定9管的脈沖，閉環(huán)調(diào)節(jié)5管的脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。其脈沖調(diào)制原理如下10：圖12 脈沖調(diào)制原理Fig.12 The pulse modulation of DC-DC converter 其中三角波和方波頻率都是20kHZ，三角波幅值為1，方波幅值為0.01。在控制中，用方波和移相角相乘。在和三角波相交，產(chǎn)生頻率為20kHZ，占空比為0.5的方波信號(hào)。4 仿真驗(yàn)證本文在ma

20、tlab中搭建simulink模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真參數(shù)如下：系統(tǒng)總功率13KVA輸入電壓220V±15%輸出電壓220V濾波電感L1，L20.23mH濾波電容C1，C232uF開(kāi)關(guān)頻率fs20KHZ變壓器變比N5直流母線電壓（高）400V直流母線電壓（低）80V電容C3，C42mF，10mF阻性負(fù)載R3.63表1 系統(tǒng)的仿真參數(shù)Table.1 simulation parameters仿真主要分成三部分，分別是電網(wǎng)為理想電壓情況下，電網(wǎng)電壓波動(dòng)的情況下，電網(wǎng)斷電的情況下。4.1 理想電網(wǎng)情況下（a）（b）（c）（d）圖13 理想電網(wǎng)情況下系統(tǒng)仿真波形（a）電網(wǎng)輸入電壓和電流（b）負(fù)

21、載電壓和負(fù)載電流（c）電網(wǎng)輸入電流和并聯(lián)變換器輸出電流（d）雙向DC-DC變換器5，9管驅(qū)動(dòng)脈沖Fig.13 System simulation waveforms under ideal grid （a）Input voltage and current （b）Load voltage and current（c）Input current of grid and output current of shunt converter（d）Driving pulse of IGBT 5,9.理想電網(wǎng)電壓情況下，從輸入電壓和輸入電流波形可以看出電網(wǎng)的輸入功率是1。此時(shí)負(fù)載電流完全由電網(wǎng)提供，并聯(lián)變

22、換器輸出電流基本為0。DC-DC變換器沒(méi)有移相，因此在這種情況下沒(méi)有能量流動(dòng)，符合前文原理分析。4.2 電網(wǎng)電壓波動(dòng)的情況下電網(wǎng)電壓在0.05s時(shí)升高15%到253V，0.2s時(shí)電網(wǎng)電壓跌落15%，到187V。（a）（b）（c）（d）圖13 電網(wǎng)電壓波動(dòng)情況下的仿真波形 （a）電網(wǎng)電壓、電流和負(fù)載電壓（b）電網(wǎng)輸入電流、并聯(lián)變換器輸出電流和負(fù)載電流（c）電網(wǎng)電壓升高5,9管脈沖（d）電網(wǎng)電壓降低5,9管脈沖Fig.13 System simulation waveforms during the grid voltage fluctuation（a）Input voltage ,current

23、 and load voltage（b）Input current，output current of shunt converter and load current （c）Driving pulse of IGBT 5,9 during the voltage swell（d）Driving pulse of IGBT 5,9 during the voltage sag電網(wǎng)電壓波動(dòng)情況下，從輸入電壓和輸入電流波形可以看出電網(wǎng)的輸入功率是1。此時(shí)負(fù)載電流由電網(wǎng)提供和并聯(lián)變換器提供，電網(wǎng)電壓升高時(shí)，并聯(lián)變換器輸出電流與電網(wǎng)同相位。電網(wǎng)電壓降低時(shí)，并聯(lián)變換器輸出電流與電網(wǎng)電流相差180度。DC

24、-DC變換器在電網(wǎng)電壓升高時(shí)，5管脈沖超前9管，能量由串聯(lián)側(cè)流向并聯(lián)側(cè)。電網(wǎng)電壓降低時(shí)，5管脈沖滯后9管，能量由并聯(lián)側(cè)流向串聯(lián)側(cè)。符合前文分析原理。4.3 電網(wǎng)斷電的情況0.05s電網(wǎng)斷電。（a）（b）圖14 電網(wǎng)斷電情況下的仿真波形（a）電網(wǎng)電壓電流和負(fù)載電壓（b）電網(wǎng)電流，并聯(lián)變換器電流和負(fù)載電流Fig.14 System simulation waveforms during grid cut off（a）Input voltage ,current and load voltage（b）Input current，output current of shunt converter an

25、d load current當(dāng)0.05s電網(wǎng)斷電時(shí)，負(fù)載電壓完全由蓄電池通過(guò)并聯(lián)側(cè)提供，可以看出電壓沒(méi)有切換時(shí)間。5 結(jié)論本文簡(jiǎn)要介紹了關(guān)于Delta變換UPS的基本情況，并且提出了一種新型的采用直流側(cè)隔離的結(jié)構(gòu)來(lái)替代傳統(tǒng)工頻變壓器隔離的結(jié)構(gòu)。文中分析了新型結(jié)構(gòu)的工作原理，介紹了整個(gè)系統(tǒng)的控制方法，并給出了系統(tǒng)參數(shù)和仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明，采用直流側(cè)隔離的結(jié)構(gòu)能夠完成傳統(tǒng)Delta變換UPS的功能，是一種實(shí)用的結(jié)構(gòu)。參考文獻(xiàn)1 張曉明，于慶廣，張秀娟，姜齊榮.基于直流隔離單元的新型統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器J.電力電子技術(shù)，2007,41（1）：7-9.2 楊潮,韓英鐸,馬維新.單相串聯(lián)電壓質(zhì)量補(bǔ)償器

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