串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS串聯(lián)變換器部分研究

1、串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS串聯(lián)變換器部分研究串并聯(lián)補(bǔ)償式UP湃聯(lián)變換器部分研究提綱緒論1串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS的工作原理2總、結(jié)5串聯(lián)變換器的控制與MATLA的真3串聯(lián)變換器的設(shè)計(jì)與DS哼現(xiàn)41.1電能質(zhì)量問題與課題的提出期望一種統(tǒng)一的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的出現(xiàn)。課題討論了一種可以在一定范圍內(nèi)普遍適用的雙三相橋PWMAC/DC變換器結(jié)構(gòu)，利用它可以構(gòu)成多種諸如串并聯(lián)補(bǔ)償式UPSUPQCUPFC在內(nèi)的多種統(tǒng)一的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器。當(dāng)前電能質(zhì)量問題改善措施的不足1.3雙三相橋PWMAC/D變換器（基于串并聯(lián)補(bǔ)償式ups上的應(yīng)用）Ai3Bi3Ci3以兩個(gè)三相橋PW限換器構(gòu)成的主電路，配以各自DSP為控制核心的電力電子系統(tǒng)

2、，可用于研究各類最重要的，技術(shù)先進(jìn)的電力電子變換和電力電子補(bǔ)償控制。本課題主要以串并聯(lián)補(bǔ)償式ups為對(duì)象，研究這種雙三相橋PWMAC/DC換器結(jié)構(gòu)的串聯(lián)補(bǔ)償部分的設(shè)計(jì)和相關(guān)控制策略雙三相橋串聯(lián)變換器僅補(bǔ)償不超過15%的額定電壓，故其容量很小。保證輸入電流正弦、輸出電壓正弦和功率因數(shù)可控。使負(fù)載不受電壓擾動(dòng)的影響，電網(wǎng)感覺不到負(fù)載的任何非線性。串并聯(lián)補(bǔ)償式UP酸展?jié)摿薮蟆?.4串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS1.5本文研究?jī)?nèi)容（1）串聯(lián)補(bǔ)償式UPS的原理分析。工作原理；數(shù)學(xué)模型；理想電網(wǎng)電壓下串聯(lián)變換器的控制方式。(2) 串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS勺控制與MATLA防真分析。dq軸解耦控制下的電壓電流雙閉環(huán)控制策略

3、。理想電網(wǎng)非理想電網(wǎng)電壓下的控制問題；MATLABSIOUIJK仿真模型的建立；具有電源電壓諧波前饋的dq+o軸控制方法。(4)總結(jié)全文，未來展望。(3) 串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS勺硬件設(shè)計(jì)與DSP空制方案的實(shí)現(xiàn)。2.1串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS的工作原理1CNHS/ICPCPCvlilvBIsI30ILhLpsiiiii圖2.1雙變流器串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS原理圖2.2串聯(lián)變換器的控制方程串聯(lián)變壓器A相輸出電壓平衡方程式：dtdiLvvaacal11圖2.2理想電網(wǎng)電壓下串聯(lián)變流器控制系統(tǒng)框圖ILILqicdvcqvdvlqv1空間電壓矢量驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)出指令計(jì)算模塊*dcvdcv*ldTtsintCOS串聯(lián)變流

4、器licgqCRldCRllldcVR電流ABCTodqLLsincosPLLsavcaNvvvcbNc-cMlailbilcicdvcqvldilqiLdcPSPWMIII11111IkklCdqqqCqddiVVLiLdtdiVVLiLcItAbe-dqo電壓外環(huán)dq軸電流內(nèi)環(huán)d軸電流指令生成SPW陂形生成3串聯(lián)變換器的控制與MATLABf真間接電流控制3.1串聯(lián)變換器控制方案探討直接電流控制非正弦電壓源，非正弦電流源不需要電流傳感器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、靜態(tài)特性良好；穩(wěn)定性很差，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，不利于掉電模式切換。正弦電流源，正弦電壓源動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和抗干擾性強(qiáng)，對(duì)給定值限幅就可以很好地限制輸

5、出電流。工況轉(zhuǎn)換時(shí)負(fù)載端更容易實(shí)現(xiàn)電壓不突變、無間隙供點(diǎn)3.2dq解耦下的雙閉環(huán)控制3.2.1電流內(nèi)環(huán)控制器設(shè)計(jì)圖3.1電流內(nèi)環(huán)控制器結(jié)構(gòu)圖11STSiTiPKKS0.51PfflSKTS1SSLSR+-+-*SiSuSiabuI型系統(tǒng)設(shè)計(jì)將調(diào)節(jié)器中的零點(diǎn)與對(duì)象中的主導(dǎo)極點(diǎn)對(duì)消，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成典型I形系統(tǒng)，然后根據(jù)要求選取阻尼比，從而確定調(diào)節(jié)器參數(shù)2JHKSiSRsL14L油1.01RH1sTs1000PW0,040.108iPiTKK圖3.2系統(tǒng)補(bǔ)償前后波特圖。oWo(s)補(bǔ)償前的開環(huán)系統(tǒng)；*Woi(s)補(bǔ)償后的開環(huán)系統(tǒng)；-H(s)PI控制器100101102103104105106-180-

6、135-90-450System:gsFrequency(rad/sec):1.3e+005Phase(deg):-155System:gsFrequency(rad/sec):2.62e+004Phase(deg):-114Phase(deg)-80-60-40-20190406080100System:gsFrequency(rad/sec):2.67e+004Magnitude(dB):0.193System:gs1Frequency(rad/sec):1.24e+005Magnitude(dB):-0.253Magnitude(dB)BodeDiagramFrequency(rad/s

7、ec)低頻段增益80dB截至頻率20kHz相角裕度25無窮大，-20dB/10倍頻的斜率截至頻率4.2kHz相角裕度663.2.2電壓外環(huán)控制器設(shè)計(jì)當(dāng)開關(guān)頻率fs足夠高時(shí)，即Ts足夠小時(shí)，由于S2項(xiàng)系數(shù)遠(yuǎn)小于S項(xiàng)系數(shù)，因此S2項(xiàng)可以忽略，則電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)Wci(S)可以簡(jiǎn)化為：1()135TS三階最佳整定2418vevcvTTKTHvSvIvfKKS(SldcSOdcuLidcudciiSSi圖3.3電壓外環(huán)控制器結(jié)構(gòu)圖ciWS(3-5)3.3MATLAB仿真模型的建立電網(wǎng)電壓V、I檢測(cè)圖3.4串聯(lián)變流器主電路仿真電路圖負(fù)載LC濾波三相橋直流母線代替并聯(lián)側(cè)串聯(lián)側(cè)變壓器圖3.5串聯(lián)變流器

8、控制電路仿真模型abc-dq電壓外環(huán)dq-abcSPWM形生成dq軸電流內(nèi)環(huán)d軸電流指令生成3.4.1理想電網(wǎng)下仿真波形電網(wǎng)電壓為60V+15%工況100Vs(V)0.1251s(A)0.130.140.150.16-10000.120.130.140.150.16-500.120.130.14time(s)0.150.1685.58686.5Ucd(V)A.純阻性負(fù)載0.1250.130.140.150.16-1000100Vs(V)0.120.130.140.150.16-50Is(A)0.120.130.14time(s)0.150.1685.58686.5Ucd(V)B.阻感性負(fù)載0.

9、1250.130.140.150.16-1000100Vs(V)0.120.130.140.150.16-50Is(A)0.120.130.14time(s)0.150.1685.58686.5Ucd(V)C.整流性負(fù)載圖3.6理想電網(wǎng)不同負(fù)載下仿真波形1.70%1.70%1.57%60V-15%(72V)2.61%2.41%2.41%60V3.03%3.00%2.88%60V+1%(98V)整流性阻感性純阻性三相對(duì)稱的理想電網(wǎng)下，串聯(lián)變換器的控制作用非常好，三相電網(wǎng)輸入電流是平衡的正弦電流，直流母線電壓的紋波很小，幾乎不存在2次諧波交流分量波動(dòng)；電網(wǎng)電壓15%波動(dòng)時(shí)電網(wǎng)電流的畸變率不超過3%

10、。電網(wǎng)電壓從高（60V+1用）至必氐（60V-15%）變化時(shí)電網(wǎng)輸入電流的畸變率逐漸減小。仿真結(jié)果分析表3.1各類工況下的電網(wǎng)電流Isa畸變率對(duì)比3.4.1非理想電網(wǎng)下仿真波形（1）串聯(lián)變換器輸入電壓的不對(duì)稱串聯(lián)變換器輸入電壓的不對(duì)稱時(shí)，當(dāng)PWM=F關(guān)函數(shù)包含諧波，影響直流電壓中產(chǎn)生不期望的諧波，特別是2次諧波使得直流輸出電壓紋波嚴(yán)重。反過來，影響串聯(lián)變換器橋端輸入電壓，使橋端輸入電壓中包含3、5、9等次的諧波，從而增加了輸入電流的總諧波畸變率。（2）變換器輸入電壓三相對(duì)稱且包含某k次諧波影響是：使得直流輸出電壓中包含（k-1）及（k+1）次諧波，由此變換器輸入電流中包含k次的諧波，也即輸入電

11、壓的諧波完全傳遞到了三相輸入電流，從而增加了輸入電流的總畸變率，增加了輸入電流正弦性的控制難度。0.12100.130.140.150.16-1000100Vs(V)0.120.130.140.150.16-100Is(A)0.120.130.14time(s)0.150.1685.58686.5Ucd(V)圖3.15輸入電網(wǎng)電壓不平衡下仿真波形0.1250.130.140.150.16-1000100Vs(V)0.120.130.140.150.16-50Is(A)0.120.130.14time(s)0.150.1685.58686.5Ucd(V)圖3.16輸入電網(wǎng)電壓含諧波時(shí)的仿真波形及

12、直流母線電壓Udc的諧波分析三相電網(wǎng)輸入電流嚴(yán)重不平衡，B相電流明顯超出兩外兩相電流幅值，且A、C兩相的電網(wǎng)電流與輸入電網(wǎng)電壓有明顯的相移，輸入功率因數(shù)不完全為1,而直流母線電壓明顯存在2次諧波交流分量的波動(dòng)。三相電網(wǎng)輸入電流保持平衡，但輸入電壓的諧波成分使得輸入電流的正弦性受到了很大影響，5次諧波含量嚴(yán)重，總畸變率大；直流母線電壓也波動(dòng)較大，特別是4次諧波分量。3.4.4具有電源電壓諧波前饋的dq+o軸控制引入0軸控制，實(shí)現(xiàn)三相輸入電流的平衡使得變換器橋端輸出電壓包含同樣大小的諧波分量，則交流輸入電流中就不存在諧波電流。圖3.18具有電源電壓諧波前饋的dq+o軸控制系統(tǒng)框圖電壓前饋o軸控制三

13、相電網(wǎng)輸入電流的波形和不平衡度得到良好的控制，分析得到isa、isb、isc的總諧波畸變率分別為1.74%、1.75%及2.00%,波形畸變得到了很大改善；且直流電壓穩(wěn)定，紋波較小，諧波直流側(cè)的諧波也有所減小。圖3.19具有諧波前饋的dq+o軸控制仿真波形及Isa諧波分析具有電源電壓諧波前饋的dq+o軸控制4串聯(lián)變換器的設(shè)計(jì)與DSP空制方法實(shí)現(xiàn)4.1主電路參數(shù)設(shè)計(jì)(1)直流母線電壓及T1、T2變壓器變比的配合直流母線電壓84V(2)串聯(lián)變換器輸入濾波電感4mH電容6.811F并聯(lián)側(cè)變壓器(聯(lián)結(jié))1:1.5升壓后能達(dá)到額定負(fù)載額定相電壓幅值60V的要求。（3）直流母線電容6800uF/200V串

14、聯(lián)變壓器（連接）1.5:1降壓后用來補(bǔ)償15%（9V）的電網(wǎng)電壓波動(dòng)，留有足夠的裕量。三菱公司的智能功率模塊PM30CSJ0肝關(guān)頻率：9kHz/Y/Y（4）串聯(lián)、并聯(lián)變換器開關(guān)管：（5）并聯(lián)變換器輸出濾波電感1.02mH、電容277uF4.2控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)圖4.1控制系統(tǒng)整體框圖采樣A/DPLL控制算法波形生成驅(qū)動(dòng)開關(guān)管4.2控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)（1）電壓、電流信號(hào)檢測(cè)調(diào)理電路（2）PWM言號(hào)輸出及電平轉(zhuǎn)換（3）過零檢測(cè)電路1）信號(hào)采樣4.3基于TMS320LF2407DS的軟件部分設(shè)計(jì)幾大功能2）基準(zhǔn)產(chǎn)生3）波形控制4）發(fā)SVPWM動(dòng)信號(hào)5）各類保護(hù)和邏輯控制4.4.1實(shí)驗(yàn)裝置投入運(yùn)行

15、前的實(shí)驗(yàn)情況4.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖a中：縱坐標(biāo)：電壓30V/div,電流2A/div,橫坐標(biāo)：時(shí)間10ms/div圖4.2平衡電阻負(fù)載（a）A相vsa及isa波形（b）isa諧波分析圖4.3平衡阻感負(fù)載（a）A相vsa及isa波形（b）isa諧波分析圖4.4無電容三相不控整流橋并聯(lián)三相平衡電阻負(fù)載（a）A相vsa及isa波形（b）isa諧波分析表4.1各相電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)電流的畸變率及相關(guān)功率因數(shù)0.98410.54%1.967%0.98111.25%1.876%0.98511.07%1.964%非線性負(fù)載0.8192.103%1.164%0.8162.164%0.949%0.8212.010%1

16、.261%阻感性負(fù)載0.9981.941%1.106%0.9972.021%1.098%0.9981.872%1.256%純阻性負(fù)載PFTHDiscTHDvscPFTHDisbTHDvsbPFTHDisaTHDvteC本目A犬目直接供電供電質(zhì)量不好：阻感性負(fù)載，電網(wǎng)要提供負(fù)載所需的全部有功和無功，功率因素不高。對(duì)于含諧波量大的非線性負(fù)載，電網(wǎng)電壓電流產(chǎn)生明顯畸變4.4.2實(shí)驗(yàn)裝置投入運(yùn)行后的實(shí)驗(yàn)情況工況1:串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS接三相平衡電阻負(fù)載，每相負(fù)載電阻為22,三相電網(wǎng)輸入電壓平衡且分別為欠壓(60V-15%)、常壓(60V)及過壓(60V+15%種犬態(tài)(a)欠壓(60V-15%)(b)常壓

17、(60S過壓(60V+15%)表4.2工況一，阻性負(fù)載，不同電壓下輸入電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)電流的畸變率及相關(guān)功率因數(shù)0.9863.607%1.967%0.9913.164%1.876%0.9863.054%1.910%60v+15%0.9872.741%1.640%0.9912.321%1.421%0.9892.970%1.561%60v0.9892.903%1.864%0.9902.164%1.577%0.9912.410%1.514%60v-15%PFTHDiscTHDvscPFTHDisbTHDvsbPFTHDisaTHDvSa(B本目A相結(jié)論：阻性負(fù)載下，串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS的串聯(lián)變換器部分可

18、以補(bǔ)償電網(wǎng)電壓，很好的控制電網(wǎng)輸入電流為正弦形，THD直在3%左右，功率因數(shù)接近于0.99,且保持電網(wǎng)輸入的功率等于負(fù)載額定有功功率,具有良好的控制性能。（a）欠壓（60V-15%）（b）常壓（60S過壓（60V+15%）（a）欠壓（60V-15%（b）常壓（60V）過壓（60V+15%）工況2:串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS接三相平衡阻感負(fù)載，每相負(fù)載為22電阻與0.05mH電感串聯(lián)工況3:串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS接三相不帶電容的不控整流橋（其直流負(fù)載電阻為100）及與之并聯(lián)的電阻負(fù)載（每相80）表4.3工況二，阻感負(fù)載，不同電壓下輸入電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)電流的畸變率及相關(guān)功率因數(shù)0.9815.641%2.310%

19、0.9895.462%2.102%0.9845.298%1.994%60v+15%0.9874.910%1.941%0.9894.507%1.817%0.9864.964%1.567%60v0.9944.871%1.814%0.9964.201%1.575%0.9954.681%1.791%60v-15%PFTHDiscTHDvscPFTHDisbTHDvsbPFTHDisaTHDvSa（B本目A相表4.4工況三，非線性負(fù)載，不同電壓下輸入電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)電流的畸變率及相關(guān)功率因數(shù)0.9955.310%4.006%0.9945.142%4.021%0.9914.595%3.875%60v+15%0.9955.127%3.425%0.9894.976%2.886%0.9934.723%3.185%60v0.9924.701%3.277%0.9944.067%2.987%0.9964.403%3.245%60v-15%PFTHDisc