串并联补偿式UPS串联变换器部分研究

1、串并联补偿式UPS串联变换器部分研究串并联补偿式UP湃联变换器部分研究提纲绪论1串并联补偿式UPS的工作原理2总、结5串联变换器的控制与MATLA的真3串联变换器的设计与DS哼现41.1电能质量问题与课题的提出期望一种统一的电能质量调节器的出现。课题讨论了一种可以在一定范围内普遍适用的双三相桥PWMAC/DC变换器结构，利用它可以构成多种诸如串并联补偿式UPSUPQCUPFC在内的多种统一的电能质量调节器。当前电能质量问题改善措施的不足1.3双三相桥PWMAC/D变换器（基于串并联补偿式ups上的应用）Ai3Bi3Ci3以两个三相桥PW限换器构成的主电路，配以各自DSP为控制核心的电力电子系统

2、，可用于研究各类最重要的，技术先进的电力电子变换和电力电子补偿控制。本课题主要以串并联补偿式ups为对象，研究这种双三相桥PWMAC/DC换器结构的串联补偿部分的设计和相关控制策略双三相桥串联变换器仅补偿不超过15%的额定电压，故其容量很小。保证输入电流正弦、输出电压正弦和功率因数可控。使负载不受电压扰动的影响，电网感觉不到负载的任何非线性。串并联补偿式UP酸展潜力巨大。1.4串并联补偿式UPS1.5本文研究内容（1）串联补偿式UPS的原理分析。工作原理；数学模型；理想电网电压下串联变换器的控制方式。(2) 串并联补偿式UPS勺控制与MATLA防真分析。dq轴解耦控制下的电压电流双闭环控制策略

3、。理想电网非理想电网电压下的控制问题；MATLABSIOUIJK仿真模型的建立；具有电源电压谐波前馈的dq+o轴控制方法。(4)总结全文，未来展望。(3) 串并联补偿式UPS勺硬件设计与DSP空制方案的实现。2.1串并联补偿式UPS的工作原理1CNHS/ICPCPCvlilvBIsI30ILhLpsiiiii图2.1双变流器串并联补偿式UPS原理图2.2串联变换器的控制方程串联变压器A相输出电压平衡方程式：dtdiLvvaacal11图2.2理想电网电压下串联变流器控制系统框图ILILqicdvcqvdvlqv1空间电压矢量驱动信号发出指令计算模块*dcvdcv*ldTtsintCOS串联变流

4、器licgqCRldCRllldcVR电流ABCTodqLLsincosPLLsavcaNvvvcbNc-cMlailbilcicdvcqvldilqiLdcPSPWMIII11111IkklCdqqqCqddiVVLiLdtdiVVLiLcItAbe-dqo电压外环dq轴电流内环d轴电流指令生成SPW陂形生成3串联变换器的控制与MATLABf真间接电流控制3.1串联变换器控制方案探讨直接电流控制非正弦电压源，非正弦电流源不需要电流传感器，结构简单、成本低、静态特性良好；稳定性很差，系统动态响应慢，不利于掉电模式切换。正弦电流源，正弦电压源动态响应快和抗干扰性强，对给定值限幅就可以很好地限制输

5、出电流。工况转换时负载端更容易实现电压不突变、无间隙供点3.2dq解耦下的双闭环控制3.2.1电流内环控制器设计图3.1电流内环控制器结构图11STSiTiPKKS0.51PfflSKTS1SSLSR+-+-*SiSuSiabuI型系统设计将调节器中的零点与对象中的主导极点对消，将系统转化成典型I形系统，然后根据要求选取阻尼比，从而确定调节器参数2JHKSiSRsL14L油1.01RH1sTs1000PW0,040.108iPiTKK图3.2系统补偿前后波特图。oWo(s)补偿前的开环系统；*Woi(s)补偿后的开环系统；-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)低频段增益80dB截至频率20kHz相角裕度25无穷大，-20dB/10倍频的斜率截至频率4.2kHz相角裕度663.2.2电压外环控制器设计当开关频率fs足够高时，即Ts足够小时，由于S2项系数远小于S项系数，因此S2项可以忽略，则电流内环的闭环传递函数Wci(S)可以简化为：1()135TS三阶最佳整定2418vevcvTTKTHvSvIvfKKS(SldcSOdcuLidcudciiSSi图3.3电压外环控制器结构图ciWS(3-5)3.3MATLAB仿真模型的建立电网电压V、I检测图3.4串联变流器主电路仿真电路图负载LC滤波三相桥直流母线代替并联侧串联侧变压器图3.5串联变流器

8、控制电路仿真模型abc-dq电压外环dq-abcSPWM形生成dq轴电流内环d轴电流指令生成3.4.1理想电网下仿真波形电网电压为60V+15%工况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.纯阻性负载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.阻感性负载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.整流性负载图3.6理想电网不同负载下仿真波形1.70%1.70%1.57%60V-15%(72V)2.61%2.41%2.41%60V3.03%3.00%2.88%60V+1%(98V)整流性阻感性纯阻性三相对称的理想电网下，串联变换器的控制作用非常好，三相电网输入电流是平衡的正弦电流，直流母线电压的纹波很小，几乎不存在2次谐波交流分量波动；电网电压15%波动时电网电流的畸变率不超过3%

10、。电网电压从高（60V+1用）至必氐（60V-15%）变化时电网输入电流的畸变率逐渐减小。仿真结果分析表3.1各类工况下的电网电流Isa畸变率对比3.4.1非理想电网下仿真波形（1）串联变换器输入电压的不对称串联变换器输入电压的不对称时，当PWM=F关函数包含谐波，影响直流电压中产生不期望的谐波，特别是2次谐波使得直流输出电压纹波严重。反过来，影响串联变换器桥端输入电压，使桥端输入电压中包含3、5、9等次的谐波，从而增加了输入电流的总谐波畸变率。（2）变换器输入电压三相对称且包含某k次谐波影响是：使得直流输出电压中包含（k-1）及（k+1）次谐波，由此变换器输入电流中包含k次的谐波，也即输入电

11、压的谐波完全传递到了三相输入电流，从而增加了输入电流的总畸变率，增加了输入电流正弦性的控制难度。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)图3.15输入电网电压不平衡下仿真波形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)图3.16输入电网电压含谐波时的仿真波形及

12、直流母线电压Udc的谐波分析三相电网输入电流严重不平衡，B相电流明显超出两外两相电流幅值，且A、C两相的电网电流与输入电网电压有明显的相移，输入功率因数不完全为1,而直流母线电压明显存在2次谐波交流分量的波动。三相电网输入电流保持平衡，但输入电压的谐波成分使得输入电流的正弦性受到了很大影响，5次谐波含量严重，总畸变率大；直流母线电压也波动较大，特别是4次谐波分量。3.4.4具有电源电压谐波前馈的dq+o轴控制引入0轴控制，实现三相输入电流的平衡使得变换器桥端输出电压包含同样大小的谐波分量，则交流输入电流中就不存在谐波电流。图3.18具有电源电压谐波前馈的dq+o轴控制系统框图电压前馈o轴控制三

13、相电网输入电流的波形和不平衡度得到良好的控制，分析得到isa、isb、isc的总谐波畸变率分别为1.74%、1.75%及2.00%,波形畸变得到了很大改善；且直流电压稳定，纹波较小，谐波直流侧的谐波也有所减小。图3.19具有谐波前馈的dq+o轴控制仿真波形及Isa谐波分析具有电源电压谐波前馈的dq+o轴控制4串联变换器的设计与DSP空制方法实现4.1主电路参数设计(1)直流母线电压及T1、T2变压器变比的配合直流母线电压84V(2)串联变换器输入滤波电感4mH电容6.811F并联侧变压器(联结)1:1.5升压后能达到额定负载额定相电压幅值60V的要求。（3）直流母线电容6800uF/200V串

14、联变压器（连接）1.5:1降压后用来补偿15%（9V）的电网电压波动，留有足够的裕量。三菱公司的智能功率模块PM30CSJ0肝关频率：9kHz/Y/Y（4）串联、并联变换器开关管：（5）并联变换器输出滤波电感1.02mH、电容277uF4.2控制系统硬件部分设计图4.1控制系统整体框图采样A/DPLL控制算法波形生成驱动开关管4.2控制系统硬件部分设计（1）电压、电流信号检测调理电路（2）PWM言号输出及电平转换（3）过零检测电路1）信号采样4.3基于TMS320LF2407DS的软件部分设计几大功能2）基准产生3）波形控制4）发SVPWM动信号5）各类保护和逻辑控制4.4.1实验装置投入运行

15、前的实验情况4.4实验结果分析图a中：纵坐标：电压30V/div,电流2A/div,横坐标：时间10ms/div图4.2平衡电阻负载（a）A相vsa及isa波形（b）isa谐波分析图4.3平衡阻感负载（a）A相vsa及isa波形（b）isa谐波分析图4.4无电容三相不控整流桥并联三相平衡电阻负载（a）A相vsa及isa波形（b）isa谐波分析表4.1各相电网电压、电网电流的畸变率及相关功率因数0.98410.54%1.967%0.98111.25%1.876%0.98511.07%1.964%非线性负载0.8192.103%1.164%0.8162.164%0.949%0.8212.010%1

16、.261%阻感性负载0.9981.941%1.106%0.9972.021%1.098%0.9981.872%1.256%纯阻性负载PFTHDiscTHDvscPFTHDisbTHDvsbPFTHDisaTHDvteC本目A犬目直接供电供电质量不好：阻感性负载，电网要提供负载所需的全部有功和无功，功率因素不高。对于含谐波量大的非线性负载，电网电压电流产生明显畸变4.4.2实验装置投入运行后的实验情况工况1:串并联补偿式UPS接三相平衡电阻负载，每相负载电阻为22,三相电网输入电压平衡且分别为欠压(60V-15%)、常压(60V)及过压(60V+15%种犬态(a)欠压(60V-15%)(b)常压

17、(60S过压(60V+15%)表4.2工况一，阻性负载，不同电压下输入电网电压、电网电流的畸变率及相关功率因数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相结论：阻性负载下，串并联补偿式UPS的串联变换器部分可

18、以补偿电网电压，很好的控制电网输入电流为正弦形，THD直在3%左右，功率因数接近于0.99,且保持电网输入的功率等于负载额定有功功率,具有良好的控制性能。（a）欠压（60V-15%）（b）常压（60S过压（60V+15%）（a）欠压（60V-15%（b）常压（60V）过压（60V+15%）工况2:串并联补偿式UPS接三相平衡阻感负载，每相负载为22电阻与0.05mH电感串联工况3:串并联补偿式UPS接三相不带电容的不控整流桥（其直流负载电阻为100）及与之并联的电阻负载（每相80）表4.3工况二，阻感负载，不同电压下输入电网电压、电网电流的畸变率及相关功率因数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工况三，非线性负载，不同电压下输入电网电压、电网电流的畸变率及相关功率因数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