電氣與電子工程學(xué)院

串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS串聯(lián)變換器部分研究劉靜指導(dǎo)教師:熊蕊教授

1/13/2023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MATLAB仿真

3串聯(lián)變換器的設(shè)計(jì)與DSP實(shí)現(xiàn)

41/13/20231.1電能質(zhì)量問(wèn)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UPS、UPQC、UPFC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(wèn)題改善措施的不足1/13/20233雙三相橋PWMAC/DC變換器（基于串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS上的應(yīng)用）以?xún)蓚€(gè)三相橋PWM變換器構(gòu)成的主電路，配以各自DSP為控制核心的電力電子系統(tǒng)，可用于研究各類(lèi)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變換器結(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1/13/2023串聯(lián)變換器僅補(bǔ)償不超過(guò)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(jué)不到負(fù)載的任何非線(xiàn)性。串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS發(fā)展?jié)摿薮蟆?串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS1/13/20231.5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的控制與MATLAB仿真分析。

dq軸解耦控制下的電壓電流雙閉環(huán)控制策略。理想電網(wǎng)非理想電網(wǎng)電壓下的控制問(wèn)題；MATLABSINMULINK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。(3)串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS的硬件設(shè)計(jì)與DSP控制方案的實(shí)現(xiàn)。(4)總結(jié)全文，未來(lái)展望。1/13/20232.1串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS的工作原理

圖2.1雙變流器串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS原理圖1/13/20232.2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：

圖2.2理想電網(wǎng)電壓下串聯(lián)變流器控制系統(tǒng)框圖Abc-dqo電壓外環(huán)dq軸電流內(nèi)環(huán)d軸電流指令生成

SPWM波形生成1/13/20233串聯(lián)變換器的控制與MATLAB仿真

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(wú)間隙供點(diǎn)1/13/20233.2dq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I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)，，，1/13/2023圖3.2系統(tǒng)補(bǔ)償前后波特圖?！皁”——Wo(s)補(bǔ)償前的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)；“*”——Woi(s)補(bǔ)償后的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)；“-”——H(s)PI控制器低頻段增益80dB截至頻率20kHz相角裕度25°無(wú)窮大，-20dB/10倍頻的斜率

截至頻率4.2kHz相角裕度66°1/13/20233.2.2電壓外環(huán)控制器設(shè)計(jì)當(dāng)開(kāi)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：三階最佳整定

圖3.3電壓外環(huán)控制器結(jié)構(gòu)圖（3-5）1/13/20233.3MATLAB仿真模型的建立圖3.4串聯(lián)變流器主電路仿真電路圖電網(wǎng)電壓V、I檢測(cè)

負(fù)載LC濾波三相橋直流母線(xiàn)代替并聯(lián)側(cè)串聯(lián)側(cè)變壓器1/13/2023圖3.5串聯(lián)變流器控制電路仿真模型abc-dq

電壓外環(huán)dq-abcSPWM波形生成dq軸電流內(nèi)環(huán)d軸電流指令生成

1/13/20233.4.1理想電網(wǎng)下仿真波形電網(wǎng)電壓為60V+15％工況A.純阻性負(fù)載B.阻感性負(fù)載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1/13/2023純阻性阻感性整流性60V+15％（98V）2.88%3.00%3.03%60V2.41％2.41％2.61％60V-15％（72V）1.57%1.70%1.70%三相對(duì)稱(chēng)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(xiàn)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(guò)3％。電網(wǎng)電壓從高（60V+15％）到低（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(lèi)工況下的電網(wǎng)電流Isa畸變率對(duì)比1/13/20233.4.1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(chēng)串聯(lián)變換器輸入電壓的不對(duì)稱(chēng)時(shí)，當(dāng)PWM開(kāi)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(guò)來(lái)，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(chēng)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。1/13/2023圖3.15輸入電網(wǎng)電壓不平衡下仿真波形圖3.16輸入電網(wǎng)電壓含諧波時(shí)的仿真波形及直流母線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)電壓也波動(dòng)較大，特別是4次諧波分量。1/13/20233.4.4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1/13/2023三相電網(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1/13/20234串聯(lián)變換器的設(shè)計(jì)與DSP控制方法實(shí)現(xiàn)

4.1主電路參數(shù)設(shè)計(jì)(1)直流母線(xiàn)電壓及T1、T2變壓器變比的配合直流母線(xiàn)電壓84V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。串聯(lián)變壓器(連接)1.5：1降壓后用來(lái)補(bǔ)償15％（9V）的電網(wǎng)電壓波動(dòng)，留有足夠的裕量。(2)串聯(lián)變換器輸入濾波電感4mH、電容6.8uF(3)直流母線(xiàn)電容6800uF/200V(4)串聯(lián)、并聯(lián)變換器開(kāi)關(guān)管：三菱公司的智能功率模塊——PM30CSJ06

開(kāi)關(guān)頻率：9kHz(5)并聯(lián)變換器輸出濾波電感1.02mH、電容277uF1/13/20234.2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(kāi)關(guān)管1/13/20234.2控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)電壓、電流信號(hào)檢測(cè)調(diào)理電路PWM信號(hào)輸出及電平轉(zhuǎn)換過(guò)零檢測(cè)電路4.3基于TMS320LF2407DSP的軟件部分設(shè)計(jì)幾大功能

1)信號(hào)采樣2)基準(zhǔn)產(chǎn)生

3)波形控制4)發(fā)SVPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)5)各類(lèi)保護(hù)和邏輯控制1/13/20234.4.1實(shí)驗(yàn)裝置投入運(yùn)行前的實(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(wú)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1/13/2023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)A相B相C相THDvsaTHDisaPFTHDvsbTHDisbPFTHDvscTHDiscPF純阻性負(fù)載1.256％1.872％0.9981.098％2.021％0.9971.106％1.941％0.998阻感性負(fù)載1.261％2.010％0.8210.949％2.164％0.8161.164％2.103％0.819非線(xiàn)性負(fù)載1.964％11.07％0.9851.876％11.25％0.9811.967％10.54％0.984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(wú)功，功率因素不高。對(duì)于含諧波量大的非線(xiàn)性負(fù)載，電網(wǎng)電壓電流產(chǎn)生明顯畸變1/13/20234.4.2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(guò)壓(60V+15%)三種狀態(tài)(a)欠壓（60V-15%）(b)常壓（60V）(c)過(guò)壓（60V+15％）

1/13/2023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)A相B相C相THDvsaTHDisaPFTHDvsbTHDisbPFTHDvscTHDiscPF60v-15%1.514％2.410％0.9911.577％2.164％0.9901.864％2.903％0.98960v1.561％2.970％0.9891.421％2.321％0.9911.640％2.741％0.98760v+15%1.910％3.054％0.9861.876％3.164％0.9911.967％3.607％0.986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值在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。1/13/2023(a)欠壓（60V-15%）(b)常壓（60V）(c)過(guò)壓（60V+15％）

(a)欠壓（60V-15%）(b)常壓（60V）(c)過(guò)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）1/13/2023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)A相B相C相THDvsaTHDisaPFTHDvsbTHDisbPFTHDvscTHDiscPF60v-15%1.791％4.681％0.9951.575％4.201％0.9961.814％4.871％0.99460v1.567％4.964％0.9861.817％4.507％0.9891.941％4.910％0.98760v+15%1.994％5.298％0.9842.102％5.462％0.9892.310％5.641％0.981表4.4工況三，非線(xiàn)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)A相B相C相THDvsaTHDisaPFTHDvsbTHDisbPFTHDvscTHDiscPF60v-15%3.245％4.403％0.9962.987％4.067％0.9943.277％4.701％0.99260v3.185％4.723％0.9932.886％4.976％0.9893.425％5.127％0.99560v+15%3.875％4.595％0.9914.021％5.142％0.9944.006％5.310％0.9951/13/2023實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析阻感性負(fù)載和非線(xiàn)性負(fù)載下，通過(guò)串聯(lián)變流器的合適控制，都能使輸入側(cè)電流波形