基于三電平變換器的模塊化UPS關(guān)鍵技術(shù)及性能研究.pdf

1、隨著通信技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)不間斷電源(Uninterruptible Power Supply, UPS)供電容量提出了更高的要求。模塊化UPS是近幾年來(lái)UPS領(lǐng)域興起的先進(jìn)技術(shù)，它以高頻率、高功率密度、小體積和可N+X為特征，具備在線擴(kuò)容、維護(hù)方便的特點(diǎn)。本文以這些特征要求為出發(fā)點(diǎn)，開(kāi)展從主電路拓?fù)涞娇刂频年P(guān)鍵技術(shù)研究，包括能夠?qū)崿F(xiàn)高功率密度、損耗小的PFC和逆變器拓?fù)溲芯?、?duì)非理想電網(wǎng)適應(yīng)性研究、高質(zhì)量輸出電壓的波形控制研究、

2、多模塊并聯(lián)技術(shù)研究等。本文主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究：
　　(1)三相PFC變換器是大功率UPS系統(tǒng)必須具備的環(huán)節(jié)，就目前而言有很多的拓?fù)湫问?。本文研究了三電平Boost變換器組合式三相PFC拓?fù)?，該拓?fù)渚哂虚_(kāi)關(guān)器件電壓應(yīng)力低，開(kāi)關(guān)損耗小，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。在分析雙開(kāi)關(guān)三電平三相PFC變換器工作原理和數(shù)學(xué)建?；A(chǔ)上，開(kāi)展了基于數(shù)字化的平均電流設(shè)計(jì)，研究了單零點(diǎn)雙極點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電流環(huán)控制，可提高電流環(huán)低頻段的開(kāi)環(huán)增益，并能有效抑制輸

3、入電流的高頻干擾和高頻振蕩。其次，研究了雙開(kāi)關(guān)三電平三相PFC變換器改進(jìn)型獲取電流基準(zhǔn)的方法，以獲得電流基準(zhǔn)的相位信息。開(kāi)展了非理想電網(wǎng)適應(yīng)性研究，提出了改進(jìn)型二階廣義積分器鎖相方法，無(wú)論三相不平衡還是含有諧波分量，該鎖相方法均可快速準(zhǔn)確的獲得電網(wǎng)電壓正序分量的頻率和相位信息。然后，針對(duì)三電平變換器的中點(diǎn)電位平衡問(wèn)題，提出了基于零序電流注入的均壓環(huán)中點(diǎn)電位控制方法，即將均壓環(huán)輸出的電壓偏移量疊加到電網(wǎng)電壓上，等效于在電流基準(zhǔn)中注入零序電

4、流，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)中線電流的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)中點(diǎn)電位的控制。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了以上控制的可行性。
　　(2)根據(jù)逆變器能夠輸出三相和單相交流電的要求，本文采用三相四線制三電平逆變器拓?fù)湫问?，各相?dú)立控制，具有100％抗負(fù)載不對(duì)稱(chēng)能力。首先分析了單相逆變器的工作原理，建立了系統(tǒng)的連續(xù)時(shí)間和離散空間數(shù)學(xué)模型，分析了電感和電容等效串聯(lián)電阻對(duì)系統(tǒng)的影響。為了減小直流分量使輸出電壓具有更好的波形質(zhì)量，采用載波反相層疊SPWM調(diào)制方法，使逆

5、變器輸出電壓具有正負(fù)半周對(duì)稱(chēng)性。針對(duì)數(shù)字控制存在延時(shí)造成數(shù)字控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差和穩(wěn)定范圍窄的問(wèn)題，提出了電感前后端電壓作為反饋的雙電壓閉環(huán)控制策略，引入了輸出電壓微分因子，通過(guò)幅頻與相頻特性深入分析了該反饋環(huán)節(jié)的實(shí)質(zhì)，該控制策略可顯著改善逆變器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性，提高輸出電壓質(zhì)量。另外，為了減小數(shù)字采樣造成的延時(shí)，本文研究了數(shù)字采樣雙更新的SPWM實(shí)現(xiàn)方法，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
　　(3)驅(qū)動(dòng)信號(hào)死區(qū)和數(shù)字控制滯后效應(yīng)對(duì)

6、逆變器動(dòng)靜態(tài)性能和輸出電壓波形畸變產(chǎn)生嚴(yán)重影響，本文對(duì)三電平逆變器的動(dòng)靜態(tài)性能進(jìn)行了研究。把死區(qū)和數(shù)字控制滯后效應(yīng)看作一種周期性擾動(dòng)，提出超前型改進(jìn)型重復(fù)控制，具體研究了誤差收斂速度，穩(wěn)態(tài)誤差特性及超前環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，將該控制策略與雙電壓閉環(huán)結(jié)合提高了輸出電壓穩(wěn)態(tài)精度和降低死區(qū)效應(yīng)引起的電壓波形失真。與通常死區(qū)補(bǔ)償控制策略相比，該控制策略不需要檢測(cè)電流極性，同時(shí)它省去了傳統(tǒng)電流閉環(huán)中的電流傳感器，可獲得較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和較高的穩(wěn)態(tài)精度。本文還研

7、究了重復(fù)控制中濾波器和相位超前環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，提出根據(jù)重復(fù)控制系統(tǒng)的差分方程推導(dǎo)超前環(huán)節(jié)k值的方法。最后，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。
　　(4)并聯(lián)技術(shù)是模塊化UPS的關(guān)鍵技術(shù)之一，其核心問(wèn)題是解決并聯(lián)系統(tǒng)的均流。首先分析了逆變器并聯(lián)的環(huán)流特性及其與閉環(huán)控制之間的關(guān)系，理論分析表明，相角差對(duì)環(huán)流有更大的影響，閉環(huán)控制與均流之間存在矛盾。給出了幅值差和相角差調(diào)節(jié)的控制算法。并聯(lián)控制采用分散邏輯控制法中的功率均分策略，研究