双变流器赔偿式UPS操纵科学研究

1 引 言

　　工业化的快速发展对电能质量分析的需求愈来愈高，怎样为电力工程客户带来安全稳定的“翠绿色”开关电源是现阶段开关电源研究领域的网络热点。伴随着工业生产的发展趋势，电力工程客户对电能质量分析明确提出了更好的规定，UPS做为一种无间断配电设备，是改进电能质量分析的关键对策之一，也是主要设备得到正常的运作的主要确保。为满足未来发展的规定，近些年其也在不停地做好不断完善和改善。依次产生了后备式、线上式、三端口号线上互动型及双变流器串联和并联赔偿式等几类结构特征的UPS。在其中由Kamran和Silva明确提出的双变流器串联和并联赔偿式UPS，既能够 赔偿离散系统负荷中的有功电流量及谐波，与此同时还能够赔偿电源电压的谐波电流及基波误差，较传统式双转换线上式UPS来讲，键入功率因素高，輸出功能强，具备综合性的电能质量分析调整工作能力，是一种非常值得全面推广的新式UPS。现阶段海外UPS生产厂家仅有英国APC企业有着该项发明专利，在市場上现已发布Silcon DP300E系列产品功率大的UPS；中国则刚处于科学研究的起始环节，也有很多科研工作中必须开展。

　　文中详细介绍了双变流器串联和并联赔偿式UPS的原理，在这个基础上探讨了该类UPS根据同歩转动平面坐标下PI加反复操纵的控制系统计划方案，完成了双变流器串联和并联赔偿式UPS的所有操纵作用。

2 系统软件原理

　　图1示出双变流器串联和并联赔偿式UPS的工作中电路原理图。图上变流器Ⅰ和Ⅱ全是双重AC←→DCSPWM变流器，其直流电侧接电瓶Eb(其内电阻等效电路为满意的稳定电阻器Rb)和电容器C。变流器I经电感器L1和变电器T输出电压Δv串连在电源电压vs和负荷工作电压vL中间，称作串连赔偿变流器。其导出的赔偿工作电压由两部份构成：

　　Δvh为谐波电流赔偿工作电压，它与交流电中的谐波电流工作电压vsh大小相同，但角度反过来；Δvl为基波工作电压赔偿量，赔偿电源电压基波Δvsl与负荷工作电压额定电流vR的误差。因此变流器I给予的赔偿工作电压Δv既相抵vs中的谐波电流vsh，又赔偿基波工作电压vsl,使负荷工作电压vL变成与开关电源基波工作电压vsl积分电路的正弦波形额定电流vR。

　　变流器Ⅱ经L2、C2过滤后并接进负荷两边，称作串联赔偿变流器。若负荷为离散系统负荷，则负荷电流量iL由基波有功功率电流量iLP、基波无功功率电流量iLQ和谐波iLh3一部分构成。对变流器Ⅱ开展实时处理，可让它輸出至负荷的工作电压为正弦波形额定电流vR，并向负荷輸出电流量i3=iLQ iLh (iLP-is)。在其中iLQ、iLh赔偿负荷无功功率和谐波，使开关电源仅向负荷輸出基波有功功率电流量is，而负荷的无功电流量iLP则由交流电(is)和变流器Ⅱ(i2d)一同给予。

　　由以上剖析得知，在离散系统负荷、电源电压高过或小于额定电流vR且带有谐波电流工作电压时，这类UPS根据串、串联赔偿变流器的相同功效，可使负荷工作电压vL赔偿到与电源电压积分电路的额定值正弦函数工作电压vR，防止了网侧谐波电流工作电压对负荷的危害；与此同时开关电源仅键入基波有功功率电流量is，功率因素几近为1，摆脱了传统式双转换线上式UPS因键入整流器一部分所产生的输进功率因素较低的缺陷。一般开关电源基波工作电压偏移额定电流低于±15%，因而变流器Ⅰ仅赔偿Δv ≤±15%的额定电流，其容积仅为系统软件容积的20%上下。一切正常时,电压与双变流器一同对负荷供电系统，两变流器的至大功率抗压强度仅有负荷输出功率的20%，相对性自始至终在100%负荷输出功率下工作中的传统式双转换线上式UPS来讲，不但整机高效率，电力电子器件耗损小，使用寿命长，稳定性高，并且有充足的输出功率裕量去应付独特的负荷(冲击性负荷、一瞬间负载等)，因而輸出水平获得非常大的提高，同样容积的工程造价也减少了。一旦电压断电，变流器Ⅱ从电瓶获得电磁能再次连续的对负荷供电系统；当电力网一切正常后，再次修复电压与双变流器一同对负荷供电系统，在合理的控制方法功效下，能够完成输出电压无空隙、无基因突变。

3 系统软件的操纵

　　针对图1所显示的双变流器串联和并联赔偿式UPS应促使电压键入电流量is是与开关电源基波工作电压vsl积分电路的正弦函数有功功率电流量，开关电源供电系统的功率因素为1；与此同时负荷工作电压vL为基波正弦函数工作电压，且vL=vR(额定电流)并与vsl积分电路。为达到此保障措施，选用图2所显示的根据同歩转动平面坐标下的自动控制系统。

3.1、电力网键入交流电的操纵

　　操纵串连变流器VSC做为基波正弦函数电流源运作，使其桥端輸出电流量il为纯正弦波形，则串连变流器就可以完成根据串连变电器向电力网串连引入基波正弦函数电流量is且is与isl积分电路，使交流电电流量中无谐波，无无功功率电流量，供电系统功率因素为1，其操纵框架图如图2所显示。

　　因为串连变流器可控为基波正弦函数电流源，因而，能够选用根据同歩转动平面坐标下的高频率PWM电子整流器立即电流控制方案。图3为双变流器串联和并联赔偿式UPS自动控制系统电源电路构造，由图3可获得串连变流器键入电流量达到下式 (忽视电感器电阻器)：

式中，i1d，i1q为变流器桥端輸出电流量i1(a，b，c)在同歩转动平面坐标下的d、q轴份量，同样Vcd，Vcq为变流器电力网键入工作电压Vc(a，b，c)的d、q份量，V1d，V1q则为调节量(即变流器桥端输出电压)。由此可见串连变流器桥端输出d、q轴电流量除受操纵量V1d，V1q的危害外，还受解耦工作电压ωL1i1q，ωL1i1d和串连变流器键入电力网工作电压Vcd，Vcq的振荡危害。因而，在自动控制系统中引进解耦工作电压意见反馈和键入电力网工作电压前馈控制，以清除他们系统对的振荡危害。
　　
　　依据式(1)、式(2)能够 组成如图2所显示的电力网键入电流量自动控制系统。检验三相ABC系统软件的负荷工作电压VL(a，b，c)、负荷电流量iL(a，b，c)和电源电压Vs(a，b，c)，做为开关电源电流量命令转化成控制模块的键入。经三相静止不动到两同样步转动旋转变换(ABC／dq)和带通滤波器LPF后获得与基波沟通交流份量相匹配的交流电份量VLd，VLq，Ilq,Isd,Vsd,Vsq。

　　忽视蓄电池充电输出功率和系统软件中电感器、电容器、电源开关元件的电功率耗损，由系统软件输出功率均衡得知：

　　　

则有:

式中：Psdc为交流电输入功率；PLdc为负荷功率因素；V s1为键入电源电压的基波动幅度值，

　　若考虑到体系中的电功率耗损，则需在I* s1中额外一增加量ΔIs，其由直流电母线槽电压调节器Gd(s)造成。命令电流量I* s1体现了负荷所需功率因素的尺寸，此值除于串连变压器变比Ns后做为串连变流器VSC的d轴电流量控制代码。因为不期待电力网电流量中包括无功功率份量，因而q轴电流量控制代码I* 1q=0。电流量控制器Gc(s)的輸出融合解耦工作电压意见反馈和电力工作电压前馈控制生成操纵量V1d,V1q经两同样步转动到三相静止不动旋转变换(dq／ABC)后转化成三相调配工作电压V1a,V1b,V1c。各自与三角载波通信Vtr开展较为，以得到 串连变流器的PWM电源开关调节数据信号，使开关电源电流量is追踪i*s，则可完成做为正弦函数电流源的串连变流器对开关电源电流量的调节作用。

　　差别于高频率PWM电子整流器，因为串连变流器的键入电力网工作电压考虑到了很大的谐波电流成份，因而框架图中的电流量控制器Gc(s)选用PID控制器。添加求微分功效进而容许系统软件有着较高的开环增益，以提升操作系统的相对应网络带宽和相位角裕量，进而提高系统软件的稳定精密度和动态性回应。

3.2、输出电压的操纵

　　操纵串联变流器VSI做为基波正弦函数电压源运作，輸出与Vs1积分电路的额定电流正弦波形工作电压VR，则能够达到负荷工作电压的规定。其操纵框架图如图2所显示，选用根据同歩转动平面坐标下的电流电压双孔操纵计划方案。令串联变流器VSI经串联变电器TP后的输出电压、輸出电流量为V2(a，b，c)，i：。。，i2(a，b，c)，负荷工作电压为VL(a，b，c)，輸出赔偿电流量为i3(a，b，c)，则由图3可获得三相静止不动ABC系统软件工作电压、电流量均衡表达式为:

　　运用三相静止不动到两同样步转动旋转变换关联，可获得两相转动平面坐标工作电压、电流量表达式:

　　由式(6)、式(7)、式(8)、式(9)能够 组成如图2所显示的串联变流器电流电压双孔自动控制系统。在其中工作电压外环线命令V* Ld=VR,V* Lq=0，而内环线电流量命令i* 2d，i* 2q源自电压调节器Gv(s)輸出、赔偿电流量前馈控制及电容电流交叉式解耦电流量之和，经电流量调整Gi(s)功效后，融合负荷工作电压前馈控制及电感器工作电压交叉式解耦工作电压輸出串联变流器操纵量V2d和V2q。操纵量V2d、V2q经(dq／ABC)转换后转化成三相调配工作电压V2a,V2b,V2c，各自与三角载波通信Vtr开展较为，以得到 串联变流器的PWM电源开关调节数据信号，使负荷工作电压VL追踪V* Ld，则可完成做为正弦函数电压源的串联变流器对输出电压的调节作用。

　　依据之上控制方法，因为串连变流器可控为基波正弦函数电流源，开关电源电流量is为与开关电源基波工作电压积分电路的正弦函数有功功率电流量，进而促使离散系统负荷中的无功功率和谐波经串联变流器获得赔偿。与此同时,串联变流器可控为基波正弦函数电压源，使负荷键入工作电压VL为与开关电源基波工作电压Vs1，积分电路的正弦波形额定电流VR，进而促使电源电压中的谐波电流与基波误差经串连变流器获得赔偿(或防护)。

3.3、反复操纵的添加

　　大家都知道，反复控制理论是依据生产制造过程管理的具体需用而提起来的自动控制系统设计概论。因为反复操纵将上一个基波周期时间前的偏差用以当今操纵量的生成，对规律性振荡具备优良的控制工作能力，逐周期时间减少了偏差，促使逆变电源的输出电压逐周期时间地获得调整，稳定时有着不错的波型品质。因此我们在串联变流器的调节中选用了电流电压PI双孔再加上反复操纵来操纵串联变流器输出电压的波型品质。控制方法框架图如图4示。

　　那样，系统软件在添加反复控制板下动态性回应会比原先立即用双孔PI操纵慢一点，可是对全部UPS输出电压的波型品质拥有很大的改进。因而我们在采用添加反复操纵后，系统对开展模拟仿真。結果证实反复操纵对UPS输出电压波型的确有极大地改进，尤其是对离散系统负荷，实际效果更显著。

4 系统软件特点模拟仿真結果

　　根据以上操纵计划方案，在MATLAB　SIMULINK自然环境下创建了操作系统的智能化模型仿真，并对其工作中特点完成了模拟仿真。图1中沟通交流电源电压Vs的基波Vs1在其额定电流VR(相电压380 V／直流电压220 V)的±15%范畴转变 。Vs中的5次谐波电流工作电压V5，7次谐波电流工作电压V7各为基波工作电压值的5%。负荷为三相相控桥整流器设备，R=9.86Ω，L=50mH，相控角α=30º，直流电负荷输出功率20kW。直流电端电瓶Eb=440V，直流电源容C=3300μF。串连变压器变比Ns=2，串联变压器变比Np=3½。滤波电感L1=7mH，L2=0.3mH，耦合电容C2=70μF。系统软件采样率为10 kHz，三角载波通信頻率(电源开关頻率)为10 kHz。

　　模拟仿真結果确认：所提到的调节计划方案能够 不错地完成双变流器串联和并联赔偿式UPS的作用。离散系统负荷对负荷电流量iL的波型崎变及输出电压波型失真的直接影响是显著的。离散系统负荷越重，则危害也越突显，带耦合电容的不控整流器负荷状况较为比较严重。

5 结语

　　根据较为串联变流器在不一样控制方法下输出电压的调节实际效果，显而易见离散系统负荷下，单工作电压环控制针对输出电压波型的控制力是有局限的；若工作电压环融合反复操纵，运用反复操纵对规律性影响的规律性调整工作能力，能够合理的改进输出电压波型，其调节实际效果大部分和电流电压双孔操纵非常；而当系统软件选用电流电压双孔再再加上反复操纵时，则输出电压的调节实际效果最好是。

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