（电力电子与电力传动专业论文）单相delta变换型ups研究.pdf

s t u d y0 fs i n g l e p h a s ed e t l ac o n v e r s i o nu p s a b s t r a c t u p s sa r et h ea b s o l u t e l yn e c e s s a r ye q u i p m e n t st ot h ei m p o r t a n ti n s t i t u t i o n ss u c ha s c o m m u n i c a t i o nb a s es t a t i o n sa n dd a t ac e n t e r s n o to n l yc a l lt h e ys u p p l yr e l i a b l ea n ds t a b l e p o w e rs u p p l yt om o d e m e l e c t r o n i cs y s t e m s b u ta l s ot h e ye n s u r et h eq u a l i t yo fe l e c t r i c i t yt o u s e r s d e l t ac o n v e r s i o nu p s s w h i c hh a v et h ea d v a n t a g e so fh i g he f f i c i e n c y n os w i t c h i n g t i m e e f f e c t i v es u p p r e s s i o no fh a r m o n i c sa n dv o l t a g ef l u c t u a t i o n sa n de a s yc o n n e c t i o nt o o t h e r si np a r a l l e l c a ns u b s t i t u t et h eo n l i n eu p s sa v a i l a b l e as t u d yo fs i n g l e p h a s ed e l t ac o n v e r s i o nu p s s i nw h i c ht h er e a c t i v e p o w e ra n d h a r m o n i c sa r ed e t e c t e db ys e l f a d a p t i v em e t h o d i sm a d e b a s e do nt h em o d e lo ft h em a i n c o n v e r t e rw i t l le m p t yl o a d a na n a l y s i so ft h eo p e r a t i o no ft h em a i nc o n v e r t e rc o n s i d e r i n g f i l t e rc a p a c i t o r sa n dl o a di sp e r f o r m e d t h em o d e l so fm a i nc o n v e r t e ra n do ft h es t a t es p a c eo f t h es y s t e ma r ee s t a b l i s h e d a n dt h ep ic o n t r o ls t r a t e g yo ft h em a i nc o n v e r t e ri sp r o p o s e d o n t h eb a s i so fw h i c h ad e s i g no ft h em a i nc i r c u i to ft h es y s t e ma n dh a r d w a r et e s tb e n c ho f d i g i t a lc o n t r o lb a s e do nd s p a r em a d e a n da ne s t a b l i s h m e n to fs i m u l i n ks i m u l a t i o nm o d e l i sp e r f o r m e d a n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t su n d e rt h ed i f f e r e n to p e r a t i o n c o n d i t i o n sa r ea b t a i n e d t h es i m u l a t i o na n de x p r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep ic o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ec o n t r o l t e c h n i q u e sa r ef e a s i b l ea n de r i e c t i v e k e y w o r d s u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y d e l t ac o n v e r s i o n s e r i e s p a r a l l e l c o m p e n s a t i o n v a rc o m p e n s a t i o na n dh a r m o n i cs u p p r e s s i o n p ic o n t r 0 1 1 i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是在导师指导下完成的 研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容 除已注明部分外 论文中不包含其他人已经发表过的研究成果 也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容 对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体 均已在论文中明确说明并致谢 做储繇精 学位论文使用授权说明 2 0 0 9 年7 具 日 本人完全了解广西大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 即 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版 并提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印 缩印 数字化或其它复制手段保存论文 在不以赢利为目的的前提下 学校可以公布论文的部分或全部内容 请选择发布时间 口即时发布口解密后发布 保密论文需注明 并在解密后遵守此规定 做储繇黼翩躲2 0 0 9 年 7 e l 广西大学硕士尊啦论文单相d e l t a 变换型u p s 研究 1 1 本课题的研究背景 第一章绪论 随着我国产业信息化不断向纵深推进 数据中心 控制中心 通讯枢纽等计算机和 电子设备系统也越来越复杂 通信运营商 网站 银行 工厂控制中心等对计算机和电 子设备系统的运行可靠性的要求和依赖程度也越来越高 一旦这些起着监控和通讯作用 的计算机和电子系统中断工作将造成无法估量的巨大损失 卜5 1 但是由于电网容量扩容速度跟不上负荷的增长 输配电设备的故障 人为误操作 各种非线性负载的大量使用 特别是电力变流设备的广泛应用 如 大功率整流器 电 磁加热设备等使得现在的电网终端的供电质量不断恶化 u p s 不间断电源 是一种平时能向电子设备提供高质量的电能 当市电停电时又 能向它们提供其所需的全部电能的设备 它是维持现代计算机和电子系统安全 可靠 稳定运行所必需的 在航空 航天 宇航 舰船 自控自导 尖端武器 原子能 军队 现代化以及医学 通讯 交通 运输 电力 电子 环保等领域得到空前的发展和应用 u p s 电源已从6 0 年代的旋转发电机发展至今天的智能化程度很高的静止式全电子 化电路 并且还在继续发展 目前 传统u p s 电源一般均指静止式u p s 电源 u p s 按 工作方式可分为 离线式u p s o f f l i n eu p s 在线互动式u p s o n 1 i n ei n t e r a c t i v eu p s 在线式u p s o n 1 i n eu p s 以及d e l t a 变换型u p s d e l t ac o n v e r s i o nu p s 卜 目前 跨国公司在国内u p s 电源市场仍占有强势 如 艾默生 e m e r s o n 梅兰日 兰 伊顿爱克赛 新近进入国内市场的有 荷兰海泰克 a c t i v e p o w e r 公司 施恩禧电 气 s c u p s 电源行业中的厦门科华 冠军 科士达 易事特 捷益达等一批民营企 业在国内u p s 市场的崭露头角 根据相关统计和分析 2 0 0 6 年国内信息设备用u p s 电 源市场总销售额达2 6 1 亿元 2 0 0 7 年达到2 7 4 亿元 工业动力u p s 电源系统设备中大 功率u p s 年市场需求也达近3 0 亿元 我国u p s 电源年市场需求总容量应该在5 0 6 0 亿元人民币 市场需求巨大 1 2u p s 的基本要求 u p s 的首先要求是保证负载不受市电中断供电的影响 一个是市电供电和蓄电池供 电的切换时间 二是其可靠性 技术指标是平均无故障时间 u p s 其次是要求能保障平时负载的电能质量 电网负载有各种各样的类型 其中一 些较大的感性 容性 开关电源等负载会对电网造成影响 恶化电网或局部电网的供电 广西大掌硕士掌位论文单相d e l t a 变换型u p s 研究 品质 造成市电电压波形畸变或频率漂移 此外意外或人为造成的事故 如地震 雷击 输变电系统断路或短路 都会危害电力的正常供应 从而影响负载的正常工作 电网中 经常发生并且对电脑或精密仪器产生干扰或破坏的问题主要有以下几种 2 1 i l 1 电涌 指输出电压有效值高于额定值11 0 而且持续时间达一个或数个周期 电涌主要是由于在电网上连接的大型电气设备关机时 电网因突然卸载而产生的高压 2 高压尖脉冲 指峰值达6 0 0 0 v 持续时间从万分之一秒至二分之一周期 1 0 m s 的电压 这主要是由雷击 电弧放电 静态放电或大型电气设备的开关操作而产生 3 暂态过电压 指峰值电压高达2 0 0 0 0 v 但持续时间介于百万分之一秒至万分之 一秒的脉冲电压 其主要原因及可能造成的破坏类似于高压尖脉冲 只是在解决方法上 会有区别 4 电压下陷 指市电电压有效值介于额定值的8 0 至8 5 之间并且持续时间达一 个到数个周期的低压状态 大型设备开机 大型电动机启动 或大型电力变压器接入都 可能造成这种问题 5 电线噪声 指射频干扰 r f i 和电磁干扰 e f i 以及其它各种高频干扰 马达的 运行 继电器的动作 马达控制器的工作 广播发射 微波辐射 以及电气风暴等 都 会引起线噪声干扰 6 频率偏移 指市电频率的变化超过3 h z 以上 这主要由应急发电机的不稳定运 行 或由频率不稳定的电源供电所致 7 持续低电压 指市电电压有效值低于额定值 并且持续较长时间 其产生原因 包括 大型设备启动和应用 主电力线切换 启动大型电动机 线路过载 高端u p s 必须使负载不受市电的各种电能质量问题的影响 1 3 传统u p s 存在的问题 传统u p s 可分为离线式 o f f l i n eu p s 在线式 o n l i n eu p s 在线互动式 o n 1 i n e i n t e r a c t i v eu p s 种 2 1 3 1 它们各有各的优点 但也存在各自的问题 1 3 1 离线式u p s o f f l i n eu p s 离线式也称为后备式 它的特点是 其功率变换主回路的构成比较简单 主要由滤 波电路和电池充电与逆变电路组成 滤波电路可对市电中的干扰起到一定的抑制作用 由市电直接向负载供电 同时通过充电电路对电池进行充电 市电异常时 由逆变器将 电池的直流能量转换为交流能量供给负载 以保证负载的正常运行 产品价格和运行费 用都比较低 由于在正常情况下逆变器处于非工作状态 电网电能直接供给负载 因此 其总的电能损耗相对较小 电能转换效率很高 其蓄电池的使用寿命一般为3 5 年 存在的问题有 2 广西大学硕士学位论文单相d e l t a 变换型u p s 研究 1 切换时间较长 由市电切换到u p s 工作状态的时间较长一般需要4 m p1 0 m s 因此切换期间u p s 的输出会出现瞬问掉电的现象 这是由于其逆变器平时处于不工作 状态 仅在市电断电时才转入工作状态 逆变器启动需要时间 因此 它是所有u p s 类型中切换时间最长的 2 供电质量差 不能解决市电供电时市电电能质量下降对电子设备的危害 在大 部分供电时间内 负载所使用的电源就是市电 或经过调压器简单调压的市电 负载要 承受从市电网路进来的浪诵 尖脉冲 干扰 频率漂移等不良影响 3 可靠性低 由于其逆变器不是经常工作的 因此不易把握逆变器的动态状况 容易形成隐性故障 使供电的可靠性下降 对于服务器等高端设备来说 离线式u p s 的供电切换时间太长 计算机或精密电 子设备的数据有可能丢失 供电质量较差 实质上是一台性能较差的稳压器 只能对部 分时间的市电的电压高低问题有所改善 而不能解决大部分市电电能质量的问题 其逆 变器不经常运行 无法检测是否故障 可靠性很难保障 存在隐患 对于要求供电可靠 性高的设备来说这是致命的弱点 所以 离线式主要的应用对象只能是低端电子设备 一般是给单台不重要的计算机 提供电能 它是一种价格便宜 功率较小 性能较差 可靠性低 技术含量低的低端 im s 1 3 2 在线式u p s o n l i n eu p s 在线式u p s 又称串联调整式u p s 目前多数大中型u p s 都是在线式的 它占据着 中高档u p s 的绝大部分市场 其供电质量是最好的 缺点是会对市电注入谐波电流和 电压 工作效率不高 在线式是目前高端产品的主流 但是由于它的拓扑特性决定它的 工作效率偏低 一般为7 0 8 0 这就造成了用户运行成本偏高 另外它也不易实现 并联运行 它需要各并联u p s 进行锁相控制和频率控制 不但增加了控制难度也降低 了u p s 系统的可靠性 在线式u p s 得优点是 1 在线式u p s 供电质量是最好的 对于负载来说 它可以从根本上消除来自市电 的任何电压波动和干扰对负载工作的影响 真正实现了对负载的无干扰 稳压 稳频供 电 不管市电正常与否 都能向用户提供高质量的纯净正弦波电源 它能隔离市电的频 率波动 使供给用电设备的电能频率精度达到l o 巧 并且输出的正弦波的波形失真系数 小 目前一般市售产品的波形失真系数均在3 以内 2 无切换时间 当市电供电中断时 其他的u p s 都需要市电到u p s 供电的切换时 间 它能实现对负载的真正的不间断供电 由于其逆变器始终工作在负载所需1 0 0 功 率状态 停电时只是整流器不工作 逆变器继续从直流母线上吸取能量并变换成负载所 3 广西大学硕士学位论文单相d e l t a 变换型u p s 研究 需的电能 所以在它不存在切换时间 因此从市电供电到中断的过程中 u p s 对负载供 电的转换时间为零 因此其负载电能的供应是平滑稳定的 存在的问题 1 工作效率低 损耗大 电能浪费严重 蓄电池容易老化 它在市电正常供电时 交流输入经a c d c 变换转换成直流 一方面给蓄电池充电 另一方面给逆变器供电 逆变器自始至终都处于工作状态 将直流电压经d c a c 逆变成交流电压给用电设备供 电 在不停电时它输出的全部功率都是先经过整流器对蓄电他充电 再由逆变器将蓄电 他的电能逆变成交流电能 这个能量的转化过程中有大约2 0 的电能损失 而且该过程 所产生的热能又影响蓄电他的寿命和电路的可靠性 所以它的整体效率较低 蓄电池老 化快 2 对市电电能产生污染 其a c d c 整流器 是目前市电谐波污染的主要来源之一 由于输入功率因数低 输人无功功率大 输入谐波电流污染市电电网 它会以脉动断续 方式向电网索取电流 这种脉动电流在市电电网沿线路阻抗上形成脉动电压并叠加在电 网电压的正弦波上 造成电压失真 使得同一电网供电的变压器 电动机等产生附加谐 波损耗 过热 加速绝缘老化 高次谐波对通信线路 测量仪器产生辐射干扰并影响电 表计算精度 采用电感等无源功率因数校正电路的u p s 体积大 抑制高次谐波效果差 而加装a p f c 虽然可以使功率因数提高到0 9 5 输入电流谐波 t h d 也小于5 但u p s 的额定功率必须降额使用 3 3 5 0 负载1 并且a p f c 有功率损耗 使本来就不高的效 率进一步下降 因为在线式u p s 占据着中大功率u p s 的绝大部分市场份额 其低下的工作效率而 产生的电能浪费显得更为严重 加之其整流器会对市电电能质量造成污染 而加装a p f c 还会进一步增加损耗和成本 所以在全球能源非再生能源紧缺情况下 研究出一种能替 代它的新型节能且无污染的u p s 具有重要的意义 1 3 3 在线互动式u p s o n 1 i n ei n t e r a c t i v eu p s 在线 的含义是逆变器一直在工作 但在线互动式u p s 的逆变器不输出功率 只处于热备份状态 在线互动式u p s 电源也称为准在线式u p s 电源 市电供电在2 2 0 v 士2 0 时 它会认为电网基本正常 交流电通过工频变压器直接输送给负载当市电超出 上述范围 但在1 5 0 v 一2 7 6 v 之间时 u p s 通过逻辑控制 驱动继电器动作 使工频变 压器抽头升压或降压 然后向负载供电 若市电低于1 5 0 v 或高于2 7 6 v 时 u p s 将启 动逆变器工作 由电池逆变向负载供电 当市电在1 5 0 2 7 6 v 之间时 身兼充电器 逆变 器的变换器同时还给电池充电 处于热备份状态 一旦市电异常 马上就转换为逆变状 态 为负载供电 在线互动式u p s 的优点 4 广西大学硕士掌位 论 文单相d e l t a 变换型u p s 研究 1 效率较高 与在线式u p s 相比 由于不需经过两次变换 其功率损失明显低于 在线式 效率可达9 5 以上 市电供电时过载能力可达2 0 0 2 不带p f c 的在线式u p s 由于有整流器 即使负载为线性负载 也会对市电产生 较强的谐波电流 但它在带线性负载时不会对市电产生污染 在线互动式u p s 的问题是 1 供电质量不高 在由市电供电时 输出电压只是幅度有所改善 而市电输入的 失真 干扰等传递给了负载 动态性能不好 在市电输入电压或负载电流突变时 输出 电压突变较大 恢复到新稳态所需时间长稳压精度较差 对电网适应范围窄 如要提高 精度和扩大适应范围 必须增加变压器抽头的个数 2 没有功率因数校正能力 其输入功率因数由负载决定 如带计算机等整流性负 载时 其输入功率因数无法控制 3 变换器充电电压和电流不可控 易加速蓄电池老化 4 切换时间比离线式短但比在线式切换时间长 对于高端电子设备来说切换时间 还是太长了 因此 在线互动式u p s 无法替代在线式u p s 最多只能替代离线式u p s 所以在 线互动式u p s 主要应用于低端小功率设备 以及向部分要求不高的中功率设备提供电 能 1 4d e l t a 变换型u p s d e l t ac o n v e r s i o nu p s 1 4 1d e i t a 变换型u p s 概述 d e l t a 变换型u p s 产生于上个世纪9 0 年代末的基于d e l t a 逆变技术的新型u p s d e l t a 变换型u p s 又称串并联补偿式u p s 每1 2 它通过串联变换器和并联变换器配合工 作使u p s 的输出电压为2 2 0 v 正弦基波电压并且电流为与电压同相位的基波正弦波 d e l t a 逆变技术是用电参量 电压或电流的变化增量作为调制波信号 对p w m 逆变 器进行控制 使逆变器比例重现电参量的变化增量数值和波形 这些电参量的变化增量 包括市电电网电压的波动 u 和谐波电压分量巩 阻感负载电流中的无功分量t 和谐波 分量厶 通过对这些变化增量的实时补偿 d e l t a 逆变技术可以有效地提高市电电网的 供电质量对市电电压波动 谐波和无功进行补偿 1 4 2d e l t a 变换型u p s 的优越性能 d e l t a 变换型u p s 的性能 1 之 4 6 1 3 1 整机工作效率高 一般可达到9 6 由于它只是对市电电压波动 电压波形畸 变 电流谐波分量和电流无功分量进行补偿 而这部分功率一般最多只占负载功率的 广西大掌硕士掌位铭呢赶 单相d e l t a 变换型u p s 研究 2 0 而目前电力电子变换器的效率一般可以在9 0 左右 因此 其理论工作效率大概 为l 2 0 9 0 9 8 2 考虑到控制电路损耗后一般可以做到9 6 的效率 2 无需功率因数矫正电路就可以使市电的输入功率因数等于1 由于其特殊拓扑结 构 其串联d e l t a 变换器通过与负载串联的变压器控制流向负载电流波形和相位 起着 有源滤波器的作用 能有效的滤除市电的谐波和无功分量 3 能向负载提供几乎纯净的正弦波电能 波形失真小于3 电压波动可以控制在 1 其并联主变换器类似于动态电压恢复器 d v r 它不但控制着负载端电压幅 值波动而且还对电压波形畸变进行补偿 它的输出电压在各种负载下都可以保持为纯净 基波正弦波 4 市电断电后电路切换时间短 小于l m s 这个切换时间与在线式的水平相当 因为其主变换器一直处于工作状态 市电断电后主变换器由补偿工作状态可以立即转变 为提供负载1 0 0 电能的状态 但由于突然转变工作状态直流母线电压会有一定下降 因此电路切换时间比在线式稍长但比起离线式和在线互动式要短的多 可以满足大部分 高端计算机和电子系统的要求 5 过载能力强 过载1 2 0 不限时 它在市电不断电的时候一直工作在补偿状态 流经串联d e l t a 变换器和主变换器的功率主要是市电的无功和谐波电流以及市电电压波 动和畸变 其中无功电流补偿几乎不消耗有功功率 而市电谐波电流和电压波动的功率 的补偿功率最多为负载总功率的2 0 左右 6 输入电流谐波小 小于3 7 并联扩容容易 传统u p s 对上述指标也可能在某一项或两项上能够达到 但却不能达到全部上述 指标 1 4 3d e l t a 变换型u p s 国内外研究现状分析 d e l t a 变换型u p s 是1 9 9 4 年由丹麦科尔丁硅能电子公司的奥维 里克 托姆森 海宁 鲁尔 尼尔森和萨伦 亨里克 拉特曼提出来的 当时叫 应急电源系统 1 9 9 8 年由a p c 公司改进为d e l t a 逆变器 因此人们都将这种u p s 叫做d e l t a 逆变器串并联补 偿式u p s 或称为d e l t a 变换型u p s 1 1 以引 有人把它归类为在线式u p s 实际上根据国际标准i e c 6 2 0 4 0 3 和欧洲标准 e n v 5 0 0 9 1 3 这种u p s 应属于线路交互式u p s 1 i n ei n t e r a c t i v eu p s 它以线路交互式 u p s 为基础 引入了d e l t a 逆变技术与串并联电路结构的一种改进型u p s d e l t a 变换型u p s 与传统的在线式u p s 的效率特性不同 传统在线式u p s 在负载 大小和负载性质变化时其效率变化不大 而其效率变化不但与负载大小和性质有关而且 也和市电的电压波动有关 它对有功功率的补偿的总损耗理论上是传统在线式u p s 的 四分之一 但考虑到滤波电感的损耗 实际损耗要比四分之一大一些 而对于无功功率 6 广西大学硕士学位论文单相d e l t a 变换型u p s 研究 的补偿和谐波的补偿 其总损耗要比传统在线式大一倍 所有的u p s 的效率都跟负载 大小有关 负载大时用于控制和开关管触发的用电所占比例较小 效率也较高 因为 d e l t a 变换型u p s 兼有电压波动补偿功能 补偿的这部分功率虽然跟负载大小也有关系 但是跟市电波动范围的大小关系更大 在线式u p s 不存在这部分损耗 因此其效率受 负载大小影响更大 由于本身的电路结构特点 d e l t a 变换型u p s 存在一定的应用范围限制 它不能变 频使用 并且不能变换相数使用 目前 国内对于d e l t a 变换型u p s 的研究还停留在理论和实验阶段 还没有实物产 品在实际中应用 目前只有部分国外u p s 厂商有实物产品 国内研究还处于起步阶段 而且研究主要集中在三相式 1 5 本课题的研究意义 d e l t a 变换型u p s 是一种基于d e l t a 补偿调制技术的新型u p s 同时具有无功补偿 谐波电流抑制 谐波电压抑制 稳压这四个功能 与传统的u p s 相比它具有众多优点 并克服了传统u p s 的一些缺点 i 如 后备式u p s 的切换时间长 在线式u p s 的效率 偏低和过载能力低 后备式u p s 和在线互动式u p s 的供电电能质量低等 能替代在线 式u p s 占领高端u p s 的市场 它跟在线式u p s 相比缺点仅仅在于无法补偿市电频率波 动 d e l t a 变换型u p s 在确保跟在线式u p s 相同的供电质量的同时具有节能 环保 成 本低 维护和扩容方便等优点 而且过载能力比在线式还要型9 目前我国对d e l t a 变换型u p s 的研究尚处于起步阶段 对其研究也主要集中在三相 式 这使得它的应用受到了局限 单相式较之三相式更易于应用生产生活中 其安装与 使用都很方便 从而使u p s 的容量配置更加灵活 而且单相式只要稍加改进就可以成 为三相式 可以作为三相式的研究基础 所以单相d e l t a 变换型u p s 极具研究价值 可见 d e l t a 变换型u p s 有着优越性能 有着高于在线式u p s 的效率 而且国内还 处于理论研究的阶段 对于d e l t a 变换型u p s 的研究主要是集中在采用瞬时无功谐波检 测法的三相式 国内已经有人提出了瞬时无功谐波检测法的三相d e l t a 变换型u p s 的系 统模型 但对于单相d e l t a 变换型u p s 目前仍然没有一个明确的系统控制模型 对于 单相d e l t a 变换型u p s 瞬时无功谐波检测法虽然可以通过构造三相电流方法产生 但 这样增加了其控制复杂程度 而且由于这三相电流都要实时计算出来 对控制芯片的要 求就变得高了 这不利于降低其成本 单相d e l t a 变换型u p s 除了瞬时无功谐波检测法 还可以用自适应无功谐波检测法 但是基于这种方法的单相d e l t a 变换型u p s 一直未建 立系统模型 而是采用简单的跟踪控制方法进行控制 这需要较大误差放大器增益才能 达到较好的控制效果 但较大的误差放大器增益可能使系统变得不稳定 本文将建立单 相d e l t a 变换型u p s 数学模型 提出了其基于p i 调节的控制方法 改善了其对电压谐 7 广西大学硕士掌位论文 单相d e l t a 变换型u p s 研究 波和电压波形畸变的抑制能力 并使具有基波正弦电流源和基波正弦波稳压电压源特 性 数字化控制是u p s 的主要发展方向 数字化的优点使控制策略调整灵活 在硬件 电路几乎不变的情况下可以通过数字化实现各种复杂的控制算法 使u p s 的设计具有 很大的灵活性 同时使设计周期缩短 数字化还具有控制精度高以及控制参数稳定性高 等优点 所以具有更好的工艺稳定性和更好的工艺效果及节能特征 另外 数字化电源 方便的通信接口功能为现代化的网络化控制提供了良好的硬件基础 本文设计的系统中 d s p 需要完成自适应检测和瞬时值波形比较检测 其中包含两个数字低通滤波予程序 两个数字乘法运算 一个基准正弦波发生模块 计算量要比在线式u p s 多很多 只有 高性能的d s p 芯片才能实时的完成其中复杂的计算 t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 不但比1 6 位d s p 有更强的运算能力和更大的存储空间 而且在工业中已经广泛应用 是现在主 流的高端控制芯片 因此本文设计的控制系统采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为主控芯片 1 6 本课题的研究目标 主要工作及内容安排 本课题的研究目标是 建立采用自适应无功谐波检测法的单相d e l t a 变换型u p s 主 变换器考虑了滤波电容和负载的数学模型以及整个单相d e l t a 变换型u p s 系统模型 并 提出其主变换器p i 控制方法 设计以d s p 为核心控制芯片的单相d e l t a 变换型u p s 实 验装置 采用m a t l a b 仿真和试验平台实验结合的方法 验证本文提出的p i 控制策略的 可行性和有效性 本文采用理论研究和实验相结合 软 硬件协同设计的研究方法 在阅读和参考了大量d e l t a 变换型u p s u p q c 和有源滤波的研究文献的基础上 结合研究目标 本文主要完成以下几个方面的工作 1 控制理论研究 建立单相d e l t a 变换型u p s 的平均模型 提出其主变换器p i 控 制策略 2 系统硬件设计 设计以i p m 为功率开关器件 d s p 为控制核心的单相d e l t a 变 换型u p s 主电路及全数字化控制电路硬件平台 给出系统各模块电路的设计方案 3 系统软件设计 采用本论文所提出的算法并根据控制系统功能需求 编写相应 的软件 4 1m a t l a b 仿真实验 搭建s i m u l i n k 仿真模型 在m a t l a b 环境下研究采用 p i 调节的单相d e l t a 变换型u p s 在各种工况下的性能和结果 并进行结果分析指导下一 步研究 5 1 在试验平台进行实际测试 验证设计的正确性 本论文内容分为六章 章节安排如下 第一章论述了传统u p s 存在的问题 阐述了单相d e l t a 变换型u p s 的研究现状及 研究意义 并介绍了本课题的研究目标及主要工作 8 广西大掌硕士学位论文单相d e l t a 变换型u p s 习院 第二章论述了无功和谐波电流检测的方法和瞬时值波形比较法的电压增量检测法 第三章分析了d e l t a 变换型u p s 的基本工作原理和控制方法 建立了单相d e l t a 变 换型u p s 的数学模型并提出了其p i 控制方法 第四章是单相d e l t a 变换型u p s 硬件系统设计 详细说明了硬件系统各功能电路的 设计 第五章是该系统软件部分设计 给出了各模块程序的流程图 自适应检测 瞬时值 波形比较 基准电压波形生成和s p w m 产生模块的软件设计 第六章是m a t l a b 仿真实验和试验平台实验 仿真结果和试验平台实验结果与分析 9 广西大掌硕士掌位论文 单相d e l t a 变换型u p s 研究 第二章d e l t a 增量的检测方法 本章主要介绍d e l t a 增量的检测方法 要实现对无功和谐波电流的动态补偿 必须 首先要检测出送给负载的有功功率基波波形 并以其作为基准信号 而对电压波动进行 补偿也要检测出电压 增量 因此无功和谐波分量检测以及市电电压波动增量检测l i 卜博j 是d e l t a 变换型u p s 能否正常运行的关键 目前单相电路的无功和谐波电流检测方法可以采用基于频域分析的f f t 检测法 瞬时无功理论的检测法和自适应检测法 比较常用的是瞬时无功理论检测法和自适应检 测法 而在单相电路中电压增量检测一般采用的是瞬时值波形比较检测法 因此本文中 的电压增量检测法用的是瞬时值波形比较检测法 2 1 瞬时无功功率理论s n d q o 检测法 瞬时无功功率理论是1 9 8 3 年由赤木泰文提出的 它是在瞬时值的基础上系统定义 有功 无功功率的 该理论突破了传统功率理论在 平均值 基础上的功率定义 可以 看成是对传统理论的推广和延伸 现在应用瞬时无功理论的有p q 法 i p i q 法 d q o 法 三种 而基于同步旋转p a r k 变换的d q o 法不仅适用于正弦波 也适用于非正弦波 同 时还简化了无畸变的电流增量检测 1 l 1 3 j 根据参考文献 1 1 1 4 阐述 基于同步旋转p a r k 变换的d q o 法实际上是先把三相a b c 坐标系转换为口励三维正交坐标系 然后通过p a r k 变换变成三相旋转d q o 坐标系 下 面先介绍筇y 变换 设三相电路中的三相电压分别为u a u 6 u c 三相电流瞬时值分别 为oi b i c 通过常系数矩阵q 肌 按式 2 1 进行咧可变换后三相坐标系转换三维 静止正交坐标系 根据文献 1 3 三相对称时y 坐标轴上的分量为零 这时三维正交实 际上是平面两相正交 要比原来简单 这时筇平面坐标系如图2 1 所示 但是屯 厶仍 然是交流量 还需进一步简化 因此下一步进行p a r k 变换把交流量转化成直流量 如 果设d q o 坐标系下的o 轴和坐标系下的咧砂轴重合 则通过式 2 6 可以把屯 f 疗 l 映射到d q o 三相旋转坐标系下的幻 如 f 经过变换后d 轴直流电流分量映射的是负载 电流基波有功分量 而q 轴电流直流分量映射的是负载电流基波无功分量 d 轴的交流 电流分量映射的是负载电流高次谐波有功分量 q 轴电流交流分量映射的是负载电流高 次谐波无功分量 o 轴电流映射的是三相不平衡度 p a r k 变换后的得到d q 平面坐标系 如图2 2 所示 从图中可以看到d q 坐标系实际筇坐标系旋转得到的 夹角秒是随着时 间变化而变化的 变化的角速度等于基波角速度i l 纠7 1 0 厂 西大掌硕士掌位论文 图2 1 筇坐标系 单相d e l t a 变换型u p s 研究 图2 2d q 坐标系 f i g 2 1 筇c o o r d i n a t ef i g 2 2d qc o o r d i n a t e 具体作法可以按 2 1 进行筇变换 然后再按 2 2 进行p a r k 变换 也可以按 式 2 3 通过变换矩阵 将a b c 坐标系直接变换成d q o 坐标系 式中 式中 豳 一 蔓兹 式中 c 由d q 阴 一s i n 秒 c o s 口 0 髀豳 c o s a 2 z 3 一s i n o 2 7 r 3 压 2 1 2 2 2 3 一 f z i i i q 旃二一 7 7 l g 犯肋压 一 旷 1 j o o 1 秒口 吣洫o 一 旧 一 筇仰 冽乡2 卜1 黜胍 护坩压础姗m 唱 l 单相d e l t a 变换型u p s 研究 通过变换得出函 岛 厶后 根据需要将屯送到低通滤波器滤除交流分量 得到映射 负载基波有功分量的f d 直流分量 将其与屯一起进行坐标反变换 将d q o 坐标系变换成 a b c 三相坐标系就可以得到 负载的三相基波有功电流 p 之 尹 将屯t p p p 与各相的实际电流i 口 相减 就能得到各相无功和谐波电流分量 乞 f c 2 2 基于瞬时无功理论检测方法在单相电路的应用 三相电路瞬时无功理论提出后 直到1 9 9 6 年才有人提出以瞬时无功理论为基础的 单相电路谐波和无功电流检测方法 瞬时无功理论才开始在单相电路中应用 瞬时无功 理论可以通过以下三种构造方法应用于单相电路 1 4 1 8 圳1 首先 设乞 x f 2 u s i n c o t c 2 ls i n n c o t 一纯 第兰种方法 a 4 e a e 乞 将巳延时1 2 0 得到 延时2 4 0 z 一1 0 巳 则乞 巳分别为 且 里 同样 将屯延时1 f b l c 2 4 v s i n c o t x 2 u s i nc o t 1 2 0 x 2 u s i n c o t 2 4 0 2 0 得到 4 三z z s i n 力 l x f 2 z i s i n n l 2 j s i n 延时2 4 0 得到t 则 分别为 n c o t 一纯 托c o t 一1 2 0 一纯 c o t 一2 4 0 一纯 2 4 2 5 这样构造得到的 毛 之中所含3 的倍数次数的谐波幅值和相位一样 为零序分 o 屯 不 3 2 6 从艺 毛 艺中将此零序分量减去 得到不含零序分量的三相电流艺 艺 艺 他们 满足下式 艺 之 0 e a e b 代入 于是得 i x 3 u s i n c o t b 一风c o s c o t 由艺 乏可得到屯和 1 2 2 7 2 8 广 西大学硕士学位论文单相d e l t a 变换型u p s 研究 i 币 正i i c o s p ls i n c o t 岛 一压厶s i nq l lc oscot 2 9 i s h 压艺厶s i n 鲲c s c o t n 2 这种构造法的缺点在于 从单相构造三相时 有2 4 0 的延迟 如果包括低通滤波器 滤波后产生的延迟 则总延时为3 0 0 与3 6 0 之间 2 第二种方法 直接从单相电流构造q 1 3 两相电流 而不是像上一种方法那样 先构造三相电流然后通过三相电流构造两相电流 即令t 3 2 丘 乞延时9 0 得到 与上一个构造方法相比构造两相的延时降为9 0 但考虑到低通滤波器后的综合延时根 据所含谐波次数的不同在1 8 0 与4 5 0 之间 3 第三种方法 令t t 而由丘延时6 0 得到电流与延时2 4 0 所得的电流正好反 相 即为一t 而i b 一i 一 这样构造三相的延时降到了6 0 但考虑到低通滤波器后的oi c 综合延时根据所含谐波次数的不同在2 4 0 与4 2 0 之间 由此可见瞬时无功理论检测法虽然可以通过构造三相电流电压方式应用于单相电 路但由于构造时所产生的延时和因此产生的低通滤波器延时 使总的延时在一个周期左 右 这样与自适应检测法相比并没有什么优势 因此本文采用自适应检测法 仿真结果 表明自适应滤波的延时在一个周期左右 而且由于自适应检测法没有构造三相电流电压 其谐波和无功检测计算过程相对简单 这样可以减少d s p 计算工作量 提高处理速度和 开关频率 节约更多的系统资源用于增加控制监控系统的计算能力 2 3 自适应无功谐波电流检测 自适应检测法是根据信号处理技术中的自适应干扰对消原理发展而来的 电流谐波 检出的原理如图2 3 所示 1 7 2 3 图2 3 所示的电路是全部用模拟电路实现的 除了带通滤波器和9 0 移相电路外 电路实际上是一个模拟自适应陷波器 i l f p 厶 2 1 0 其中 t 为负载电流 f 1 为基波分量 f p 为有功分量 为无功分量 为所有谐波分量 之和 因此两个反馈支路可以合成出相量空间的任何一个与参考输入同频率的干扰 所 以自适应无功和谐波检测法只需构造出负载电流基波分量 即 石 e o u l 皿甜 2 2 1 1 1 3 广西大掌硕士掌位论文 单相d e l t a 变换型u p s 研究 图2 3 自适应检测法原理图 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fs e l f a d a p t i v ed e t e c t i o n 然后再用负载电流基波分量减去负载电流 便可得出负载电流所含的无功和谐波分 量 当干扰为单一频率的正弦波时 此电路具有二阶陷波器的特性 图2 4 无功与谐波 电流的检测电路的改进版本 当负载中含有电阻 电感和非线性负载时 负载电流将滞 后于市电电压 并产生畸变 图2 3 改进的自适应检测法框图 f i g 2 3b l o c kd i a g r a mo fi m p r o v e ds e l f a d a p t i v ed e t e c t i o n 此时 负载电流t 的傅里叶级数表达式为 屯 s i n c o t 口0 1 s i n z 研 纸 n 2 1 c o s u 时 检测出市电电压增高的波动值 甜 u u 用 a u 作调制波或参考信 号对逆变器进行控制 得到补偿电压 z f 为使负载电压保持恒定 就必须对市 电电压进行负补偿 以抵消掉市电电压高出标准电压的部分 即咆 一甜渊 甜 当甜 z f 的部分进行负补偿 u u 的 部分进行正补偿 以保持负载上的电压甜 为幅值恒定的纯净正弦波电压 瞬时值电压波形比较法的优点是 1 原理和控制电路简单直接 2 可以同时检测 出电压波动值 a u 和谐波分量 的增量数值和波形 3 可以检测出电压增量的 a u 和 玩的极性 模拟电路的瞬时值电压波形比较法缺点是 需要采用一个与市电同步的标准正弦波 电压发生器 此发生器的制作是比较复杂的 运用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 进行数字控制时 是用数字方式产生基准电压正弦波 第一种方法是通过锁相环p l l 锁相之后用d s p 自 带的正弦库函数实时产生正弦波 第二种方法是预先把正弦波 三角波各值表存入存储 器中 锁相之后查表产生正弦波 主变换器采用波形瞬时值比较法来检测电压的波动和谐波 即用负载电压u 减去基 准正弦电压甜 求出负载的波动和谐波 然后再被基准正弦波电压相减即求得出调制波信 号t 9 1 1 3 电压增量调制指令信号z 可表示为 u r n l k u u l 一蚱 k 2 u 一蚝 2 1 8 三 2 s i nc o t u s i nc o t s i n n c o t 其中 基波电压 u s i n c o t 谐波电压 s i n n c o t 基准正弦电压蚱 s i n c o t j 2 2 5 本章小节 本章对瞬时无功功率理论做了简单介绍 比较瞬时无功功率理论在单相电路中应用 各个方法的延迟时间 详细阐述了自适应无功谐波检测方法 对单相电路中瞬时无功理 路和自适应检测的优缺点做了比较 最后还对瞬时值波形比较法电压增量检测作了介 绍 1 6 广西大掌硕士学位论文单相d e l t a 变换型u p s 研究 第三章单相d e l t a 变换型u p s 的控制策略研究 本章将立足于从理论上研究单相d e l t a 变换型u p s 控制策略 3 1 单 l d e l t a 变换型u p s 白 j 基本结构 d e l t a 变换型u p s 采用的是串并联补偿结构 因此又称为单相串并联补偿在线式 u p s 其主电路基本结构 1 9 乏8 如图3 1 所示 图3 1 单相d e l t a 变换型u p s 主电路基本结构 f