基于三電平變換器的模塊化UPS關鍵技術及性能研究.pdf

1、隨著通信技術、信息技術的發(fā)展，對不間斷電源(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UPS領域興起的先進技術，它以高頻率、高功率密度、小體積和可N+X為特征，具備在線擴容、維護方便的特點。本文以這些特征要求為出發(fā)點，開展從主電路拓撲到控制的關鍵技術研究，包括能夠實現(xiàn)高功率密度、損耗小的PFC和逆變器拓撲研究、對非理想電網(wǎng)適應性研究、高質量輸出電壓的波形控制研究、

2、多模塊并聯(lián)技術研究等。本文主要進行了以下幾個方面的研究：
　　(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撲形式。本文研究了三電平Boost變換器組合式三相PFC拓撲，該拓撲具有開關器件電壓應力低，開關損耗小，可靠性高等優(yōu)點。在分析雙開關三電平三相PFC變換器工作原理和數(shù)學建?；A上，開展了基于數(shù)字化的平均電流設計，研究了單零點雙極點補償網(wǎng)絡的電流環(huán)控制，可提高電流環(huán)低頻段的開環(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，研究了雙開關三電平三相PFC變換器改進型獲取電流基準的方法，以獲得電流基準的相位信息。開展了非理想電網(wǎng)適應性研究，提出了改進型二階廣義積分器鎖相方法，無論三相不平衡還是含有諧波分量，該鎖相方法均可快速準確的獲得電網(wǎng)電壓正序分量的頻率和相位信息。然后，針對三電平變換器的中點電位平衡問題，提出了基于零序電流注入的均壓環(huán)中點電位控制方法，即將均壓環(huán)輸出的電壓偏移量疊加到電網(wǎng)電壓上，等效于在電流基準中注入零序電

4、流，從而實現(xiàn)了對中線電流的控制，進而實現(xiàn)了對中點電位的控制。通過仿真和實驗驗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撲形式，各相獨立控制，具有100％抗負載不對稱能力。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)時間和離散空間數(shù)學模型，分析了電感和電容等效串聯(lián)電阻對系統(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量，采用載波反相層疊SPWM調制方法，使逆

5、變器輸出電壓具有正負半周對稱性。針對數(shù)字控制存在延時造成數(shù)字控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差和穩(wěn)定范圍窄的問題，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，通過幅頻與相頻特性深入分析了該反饋環(huán)節(jié)的實質，該控制策略可顯著改善逆變器系統(tǒng)的動態(tài)響應和穩(wěn)定性，提高輸出電壓質量。另外，為了減小數(shù)字采樣造成的延時，本文研究了數(shù)字采樣雙更新的SPWM實現(xiàn)方法，進一步提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應。
　　(3)驅動信號死區(qū)和數(shù)字控制滯后效應對

6、逆變器動靜態(tài)性能和輸出電壓波形畸變產生嚴重影響，本文對三電平逆變器的動靜態(tài)性能進行了研究。把死區(qū)和數(shù)字控制滯后效應看作一種周期性擾動，提出超前型改進型重復控制，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)設計，將該控制策略與雙電壓閉環(huán)結合提高了輸出電壓穩(wěn)態(tài)精度和降低死區(qū)效應引起的電壓波形失真。與通常死區(qū)補償控制策略相比，該控制策略不需要檢測電流極性，同時它省去了傳統(tǒng)電流閉環(huán)中的電流傳感器，可獲得較快的動態(tài)響應和較高的穩(wěn)態(tài)精度。本文還研

7、究了重復控制中濾波器和相位超前環(huán)節(jié)的設計，提出根據(jù)重復控制系統(tǒng)的差分方程推導超前環(huán)節(jié)k值的方法。最后，通過仿真與實驗驗證了所提控制策略的有效性。
　　(4)并聯(lián)技術是模塊化UPS的關鍵技術之一，其核心問題是解決并聯(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)控制之間的關系，理論分析表明，相角差對環(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