（电力电子与电力传动专业论文）单相delta变换式ups的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t r a d i t i o n a ld o u b l et r a n s f o r mu p s ( t h a ti sa c d ca n dd c a ct r a n s f o r m ) i sn o t e f f i c i e n ta n du n a b l et ou t i l i z ep o w e rs u f f i c i e n t l y ，m o r e o v e ri th e a t se x c e s s i v e l y ，s ot h e e q u i p m e n t i s h i g ht r o u b l e ；a sw e l la s t h eo n l i n ei n t e r a c t a b l eu p se x i s t ss o m e d i s a d v a n t a g ew h i c h t h ep r e c i s i o no fo u t p u tv o l t a g ei sn o th i g ha n di ss h o r to fa d j u s t i n g ak i n do fn e wt e c h n o l o g yw h i c ha r i s e n si nt h ed o m a i no fe l e c t r i c i t yp o w e r c o m p e n s a t i o ni ss t u d i e di nt h ep a p e r , w h i c hi sd e l t at r a n s f o r mt e c h n o l o g y u p sb a s e d o nt h i st e c h n o l o g ym a d ei na m e r i c a na p cc o m p a n yi sa n a l y z e d ，s i n c ei tl e a d st os o m e d i s a d v a n t a g ew h i c hi sl o wr e a l t i m ea n dd i f f i c u l tt ow h o l ed i g i t a lc o n t r o lb a s e do n c m o sc h i p ，t h er e s e a r c ho ns i n g l e p h a s ed e l t au p sb a s e do nd s pi sp u tf o r w a r d t h ek i n do fu p sr u n r a p i d i t i yr e a lt i m e ，h a sg o o df u n c t i o n sa n di sp r o n et oc a r r yo u t w h o l ed i g i 【t a lc o n t r 0 1 t h et e c h n o l o g yi sp r o v e dt ob ee f f i c i e n tt h r o u g ht h e o r ya n l y s i s a n de x p e r i m e n tr e s e a r c h ，a n di ta l s om a k eu ps o m ed e f e c tw h i c ht o d a y sd e l t au p si s d i f f i c u l tt oc a r r yo u tw h o l ed i g i t a lc o n t r o lw i t hc o m m o n l yc o m sc h i p ，s ot h ek i n do f u p sh a ss o m ee n g i n e e n i n gp r a c t i c a lv a l u e w h a tt h ep a p e rd i di s ： ( 1 ) t h ew o r km e c h a n i s m o fd e l t ac o n v e r t o ra n dm a i nc o n v e r t o ra n dt h e c o m p e n s a t i o no ft h ef l u c t u a n t i o no fv o l t a g e ，c u r r e n ta n dh a r m o n i o u sa r ea l ls t u d i e d d e e p l y ( 2 ) t h ei n s t r u c t i o ns i g n a lc h e c km o d eo ft w oc o n v e r t o r sa n dt h ec o n t r o lp l a no f t h et w oc o n v e r t o ra r es t u d i e d ，a n a l y z e da n ds i m u l a t e d ( 3 ) t h es i m u l a t i o nm o d eo ft h es y s t e mi sc o n s t r u c t e da n ds u m u l a t e d ( 4 ) t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ed e s i g n e da n dt h es i n g l e p h a s es a m p l e ri s d e s i g n e da n dt e s t e dr e s e a r c h f u l l y t h ep r o j e c tp u tf o r w a r di sp r o v e dt ob ec o r r e c ta n df e a s i b a l et h r o u g ht h ew h o l e s y s t e mi ss i m u l a t e da n dt e s t e dr e s e a r c h f u l l y f i g 4 4 】t a b l e 1 】r e f e r e n c e 5 2 】 k e y w o r d s ：d e l t ai n v e r t e rt e c h n o l o g y ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) ；u p s ；s p w m ； d o u b l ec o n v e r t o r c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t m 4 6 4 i i ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得 塞邀堡三太堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名粒日期珥年j 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徵垄三太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞邀堡王太堂学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：羔旋 导师签名：1 延k 名王 扩 驴 月 月厂d 年 年 哆矗 j 期 期 日 日 字 字 签 签 引言 引言 电能是现代社会不可或缺的重要能源。在2 1 世纪，电力可持续发展已成为实 现社会经济可持续发展的基础，并在社会经济、能源与环境协调发展中起着重要 的平衡作用。在现代社会所有的动力资源中，电能使用最方便，适用范围最广泛。 电能在不同领域的深入应用，以及对高效率、高功率密度、高可靠性电能变换的 要求，推动着电能变换技术、理论、电路、材料和工艺的发展。 在供电和用电的大舞台上，电能变换充当着极其重要的角色；在电能变换领 域，以高频逆变技术为核心的p w m 开关控制器能使上述的许多问题迎刃而解， 它比传统的低频电能变换有更多的优点。当今时代是信息的时代，各种各样的计 算机作为信息的载体和信息的传播工具已广泛的应用于电力、通信、金融、化工、 军事等各行各业。而电源问题) 如干扰、浪涌、尖峰电流、电火花、电压与频率 波动、谐波、断电) 是计算机信息系统可靠运行的最大隐患，严重时使整个系统 瘫痪，带来不可估量的损失。因此，适合现代科技发展的高质量、高可靠性的u p s 不间断电源的研究就成为人们十分关注的课题【4 】1 5 。 u p s ( u n i n t c r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y ) b p 不问断电源，它不仅能给计算机及电力电 子装置等设备提供后备电源，而且随着技术的日趋成熟它更能改善供电质量。随 着市电电网污染的日益严重，以及反污染的绿色电力电子产品的发展，在最近几 年，电力电子技术中出现了一种应用新技术d c l t a 逆变技术。基于该技术的 u p s 能解决传统双变换型( 即a c d c 和d c a c 变换) 和在线互动式u p s 无法解 决的问题，而且在一些指标上还有突破，基于该技术的u p s 不间断电源因此也被 认为是最有前途的u p s ，是今后不间断电源发展的趋势。基于d e l t a 逆变技术的 u p s 国外研究较早且技术相对成熟，已有产品问世，如美国a p e 公司的d p 3 0 0 e 及d p 3 0 0 0 系列产品。国内尚处于起步研究阶段，一些科研院所和研发机构对此 技术的研究仅处于理论研究阶段，该领域的技术及资料很少，尚无产品出现。 能源紧缺，环境恶化是日趋严重的全球性问题。随着科学技术的飞速发展及 地球资源日益枯竭，人类一直在寻求功耗低、节能和环保的电力电子产品。世界 各国尤其是发达国家对能源紧缺都非常重视，西欧、美国和日本等国在开发低耗、 绿色的电力电子产品方便一直走在世界前列，这些国家的投入大，技术也相对成 熟；发展中国家在这方便的投入少，技术相对落后1 5 】【8 1 。 中国的资源相对贫乏，多数资源是不能再生的，因此开发损耗小，效率高的 电力电子产品势在必行。电力电子器件的高频化、现代控制理论的不断完善和高 安徽理i ：人学硕十论文 性能快速微处理器特别是数字信号处理器( d s p ) 的出现，使得一些先进的控制策略 应用于d e i t a 变换式u p s 控制成为可能；而先进的控制技术对改进u p s 系统性能 则是必不可少的关键技术之一。 l 绪论 1 绪论 1 1d e l t a 变换型u p s 系统及本文研究的意义 能源紧缺，环境恶化是同趋严重的全球性问题。随着科学技术的飞速发展及 地球资源日益枯竭，人类一直在寻求功耗低、节能和环保的电力电子产品。世界 各国尤其是发达国家对能源紧缺都非常重视，西欧、美国和日本等国在开发低耗、 绿色的电力电子产品方便一直走在世界前列，这些国家的投入大，技术也相对成 熟：发展中国家在这方便的投入少，技术相对落后。 u p s ( u n i n t e r r u p t i b l e p o w e rs u p p l y ) 即不间断电源，它不仅能给计算机及电力电 子装置等设备提供后备电源，而且随着技术的日趋成熟它更能改善供电质量传 统双变换型u p s ( 需经a c d c 及d c ，a c 两个变换过程) 效率低、不能充分利用电 能，在两次变换中无谓地损失一部份不该损失的电能，降低了效率、增加了机器 的发热量，从而增加了设备的故障率等诸多不足；以及在线互动式具有输出电压 精度不高、没有调整功能的不足。随着市电电网污染的日益严重，以及反污染的 绿色电力电子产品的发展，在市电电能质量补偿技术领域中出现了一种新技术一 d e l t a 变换技术。基于该技术的u p s 也是一种崭新的不间断电源装置，其原理是 由丹麦科尔丁硅能电子公司的奥维里克托姆森，海宁鲁尔尼尔森，萨伦亨 里克尼尔森拉特曼，于1 9 9 4 年首先提出来的该技术不但同时解决了以上两 种结构的u p s 无法解决的问题，而且在许多指标上比前两种更高，基于此技术的 u p s 也是技术最新式u p s 这一技术国外研究开发较早，技术也较成熟。如美国 a p c 公司生产的基于该技术的u p s ( s i l i c o nd p 3 0 0 e 系列) 已投入市场数年。我国 在此技术领域的研究起步很晚，技术非常滞后，由于商业的原因，国外的技术资 料又较少【1 2 1 。 中国的资源相对贫乏，多数资源是不能再生的，因此开发损耗小，效率高的 电力电子产品势在必行。电力电子器件的高频化、现代控制理论的不断完善和高 性能快速微处理器特别是数字信号处理器( d s p ) 的出现，使得一些先进的控制策 略应用于d e l t a 变换式u p s 控制成为可能；而先进的控制技术对改进u p s 系统性 能则是必不可少的关键技术之一。作者通过中国学术期刊网及万方数据库只能检 索到为数不多的该类论文：该技术领域的参考书目也很少，给研究带来一定难度。 不久前中国电源协会与清华大学联合组织的“电力调节装置与u p s 新技术” 专题报告会上，串并联u p s 被与会专家认为是一项趋势性技术，目前全世界仅有 美国的a p c ( s i l c o n ) 拥有该项技术的产品d p 3 0 0 e 3 0 0 0 系列1 4 0 l m l 。 3 安徽理：i ：人学硕十论文 综上所述，作者认为，对基于d e l t a 变换技术的u p s 的全数字化控制系统的 研究是非常有必要和很有前途的。采用数字控制技术对控制逆变器工作的p w m 波的电压及电流指令信号的检测、高频p w m 控制器控制方法及策略等进行深入 研究有着重要及深远的意义。 1 2d e l t a 变换型u p s 原理概述 基于d e l t a 变换技术的u p s 由两个高频变换器构成，即d e l t a 变换器和主变 换器。d e l t a 变换器是通过一变压器与主回路串联的，主要作为串联电力滤波器 用，用来消除市电输入电流中的无功和谐波分量，并对市电的电压波动进行补偿， 具有市电有源滤波器和交流净化稳压电源的双重作用。主变换器通过一低通滤波 器l p f 与主回路并联的，主要作为并联式交流净化稳压电源使用，用来控制u p s 的输出电压成为稳定纯净的正弦波电压，并向负载提供无功和谐波电流。与传统 的双变换u p s 不同，传统u p s 的两个变换器第一个工作在整流状态，第二个工 作在逆变状态，顺序和工作方式都是不可变的。而串并联补偿型u p s 中的两个变 换器的顺序和工作方式是可以互换的。而且其中的电能也可双向流动。由于该u p s 在工作过程中。只对电压波动( 一般不超过其标称容量的2 0 ) 进行变换，显然 降低了损坏，提高了效率【5 1 1 5 0 1 1 5 1 1 。原理框图如图1 所示。 l 。 触 门 负 l 垮忑睦求泛削 图1d e l t a 变换式u p s 的原理框图 f i g 1 t h ep r i n c i p l ef r a m ec h a r to fd e l t at r a n s f o r mt y p eu p s 1 3 背景分析 1 3 1 电能质量问题 由于市电电网和负载的复杂性，以及配电系统中各种非线性负载的增加、电 力半导体变流装置的广泛应用等因素，及自然界的雷击、地电及人为因素的影响， 电网输出的交流电并不是稳定的正弦波，而是使供电质量不断恶化，存在各种供 电质量问题【5 1 1 1 1 i l s o l 。如： l 绪论 1 。电压浪涌( p o w e rs u r g e s ) ：指市电电网输出电压有效值大于额定值1 1 0 ， 其持续时日j 为一个周波( 2 0 ) 至数个周波的电压变化，主要是由于电网的电力变压 器调压能力差，大型电气设备突然断开而产生的电压冲击。 2 高压尖峰脉冲( h i g hv o l t a g es p i k e s ) ：指电压峰值达6 0 0 0 v ，持续时间1 至 数个周波范围的电压尖峰。主要是雷击、电弧放电、静态放电、大型电气设备的 开关操作引起的。 3 暂态过电压( s w i t c h i n gt r a n s i e n s ) ：指峰值电压高达2 0 0 0 v ，持续时问从珈s 至1 0 0 # s 的脉冲电压，主要仍是由于雷击、尖峰放电、大型设备电气瞬时动作产 生的。 4 电压下陷( p o w e rs a g ) ：指电压有效值小于额定值的8 0 至8 5 之间的低 压状态，持续时间为一个周波至数个周波，主要是大型设备、大型电动机启动， 或大型电力变压器的接入造成的。 5 线路噪声( e l e c t r i c a ll i n en o i s e ) ：指线路上的射频干扰和电磁干扰以及其他 各种高频干扰。大型电动机运行、大型断电器运作、广播发射、微波辐射等均会 引起线路电噪声干扰。 6 频率偏移( f r e q u e n c yv a r i a t i o n ) ：指电网频率超过3 1 - l z 以上，主要是由应 急柴油发电机、水力发电机等不稳定运行引起的。 7 持续低电压( b r o w n o u t ) ：指电网电压有效值长期低于额定值。主要是由大 型设备运行、主电力切换、线路过载等引起的。 8 市电中断( p o w e rf a i l ) ：指电网供电中断，持续时间大于两个周波至数小时。 主要是电网的断路器跳闸、市电供电中断、电网故障等。 1 3 2u p s 的现状 自从u p s 问世以来，经过了几个阶段：开始的服务对象是计算机，电路形式 也只是传统双变换型。其不足之处是效率太低，不能充分利用市电，即在o n l i n e 工作模式下即使输入电压非常稳定，u p s 也必须进行两次变换后才能将能量送出。 因此在两次变换中无谓地损失了一部分不该损失的那部分能量，降低了效率，增 加了机器的发热量，从而增加了机器的故障率，降低了可靠性；又由于其输入电 路结构所致，使得输入功率因数很低，对电网造成了很大的干扰。在线互动式u p s 的出现为提高系统的效率开辟了一条新路，它不但充分利用市电，而且由于省掉 了笨重而耗电的整流充电器，就将整机效率提高了一个新水平，一般在9 5 以上。 不过这种电路的不足之处是输出电压稳定度一般不如传统双变换型高以上两种 5 安徽理，i ：大学硕十论文 结构u p s 的潜力都已达到了极限，串并调整电路的推出，打破了这个长期以来无 法解决的问题而且在一些关键指标上还有突破1 5 l 【1 1 i 5 0 i 。 1 3 3 基本特点 1 输入功率因数高输入功率因数可做到0 9 9 1 ，这意味着谐波电流非常 小( d e l t a 变换器型u p s 在线互动式u p s 后备式u p s 。然而就价格而言，则是在线式 u p s 电源最贵，d e l t a 变换型u p s 次之，在线互动式u p s 更次之，而以后备式u p s 最便宜。 1 6 本文研究的主要内容 本文的选题是基于串并联补偿式变换器对主市电电压电流的波动及谐波而展 开研究的主要详细研究d e l t a 逆变器及主逆变器的工作原理、电压和电流增量 的检测策略，及高频p w m 逆变器的数学模型和两个逆变器的控制方案及策略。 主控芯片采用1 r i 公司的t m s 3 2 0 u 唿4 0 7 a 型d s p 数字处理器最后在 m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境下构建仿真模型并进行仿真分析设计了单相容量为 5 k v a 的实验装置。本文具体内容包括： 1 本文对d e l t a 变换器及主变换器的工作原理及过程进行深入的研究，并对 两个逆变器的指令信号检测方式进行较深入详细的研究并进行了仿真。 2 本文建立了高频p w m 变换器的数学模型，并提出了三种串并补偿式u p s 的控制策略，在比较三种控制策略的优劣之后，选择了一种较为简单、容易实现 的策略作为该文实验研究方案。 3 本文设计了一台容量为5 k v a 的串并联补偿型u p s 的样机。给出了软硬 件设计过程及参数。控制软件是围绕控制芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 来设计的。1 r i 公司生产的这款专门用来驱动电机和开关管的d s p 芯片1 m s 3 2 0 u 讲0 7 a 具有很 丰富的外围电路，完全能满足串并联补偿型u p s 的运行要求。 4 最后，本文给出了串并联补偿型u p s 系统在纯阻性负载下的仿真波形， 1 0 1 绪论 通过对实验波形的分析基本验证了本文提出的控制方案的证确性与可行性。同 时，也指出了其中存在的问题。 安徽理 ：大学硕十论文 2d e l t a 逆变技术原理及增量检测方式的研究 d e l t a 逆变技术是最近几年才出现的一项新技术。d e l t a 意即物理量的增量， 所谓d e l t a 逆变技术，就是用电压或电流中的增量进行调制的逆变技术，也就是 用电压或电流这两个物理量中的增量作为调制波指令信号对线性p w m 波进行 调制，并使逆变器能够按比例地复现增量的数值和波形的一种逆变技术。所谓电 压或电流增量，是指市电电压的波动血和谐波分量“，负载电流中的无功分量f 。 和谐波分量。这项技术是为满足市电电压净化稳压、有源滤波等的需要而发展 起来的，是很有前途的一项逆变技术1 5 1 1 2 9 】1 3 2 l 。 2 1 单相全桥逆变电路 基于d e l t a 逆变技术的u p s 中所用的两个逆变器均是单相全桥逆变电