三相UPS輸出電壓不平衡控制的研究與實(shí)現(xiàn)

摘要：三相電壓的對(duì)稱(chēng)輸出是衡量交流電源性能的一個(gè)重要指標(biāo).為了在不平衡負(fù)載和非線(xiàn)性負(fù)載等條件下獲得高質(zhì)量的輸出電壓波形，分析了三相UPS輸出電壓不平衡的機(jī)理，提出了在正/負(fù)序同步參考坐標(biāo)系下，應(yīng)用基于DSP的重復(fù)控制與PI控制的復(fù)合控制方案，功率開(kāi)關(guān)管采用空間矢量調(diào)制(SVPWM)方式，基本消除了負(fù)序電壓分量，有效地抑制了零序電壓分量和諧波分量.研制了30～500 kVA UPS樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了控制方案的有效性.

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關(guān)鍵詞：三相UPS; 不平衡負(fù)載; 重復(fù)控制

中圖分類(lèi)號(hào)： TM762 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

輸出電壓的對(duì)稱(chēng)性是衡量三相交流電源性能的一個(gè)重要指標(biāo)，三相輸出電壓不平衡的抑制對(duì)大功率UPS的控制尤為重要.UPS逆變器若采用半橋式結(jié)構(gòu)，在直流母線(xiàn)上的兩個(gè)串聯(lián)電容的中點(diǎn)和交流輸出的中性點(diǎn)相連，三相可獨(dú)立控制［1］，但電容在單相負(fù)載時(shí)必須承受全負(fù)載相電流，所需電容量較大，直流電壓利用率低.若采用三相四橋臂結(jié)構(gòu)，則具有固有的不平衡消除能力，但開(kāi)關(guān)頻率低，限制了調(diào)節(jié)帶寬，也不適用于輸入輸出隔離的逆變器［2］.對(duì)于大功率UPS，應(yīng)用最多的還是三相四線(xiàn)式結(jié)構(gòu)，在三橋臂逆變器和負(fù)載間有隔離變壓器，變壓器次級(jí)繞組的Y0接法給負(fù)載不平衡所產(chǎn)生的中線(xiàn)電流提供一個(gè)通路，Δ形連接的初級(jí)繞組讓三相不平衡所產(chǎn)生的零序電流在變壓器初級(jí)繞組線(xiàn)圈內(nèi)形成環(huán)流［3］.

UPS帶平衡負(fù)載運(yùn)行時(shí)，基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的PI控制器能使輸出電壓很好地跟蹤參考正弦信號(hào)［3-4］，但是這種控制器在不平衡負(fù)載下的補(bǔ)償作用是有限的.為此，文獻(xiàn)［5］提出了使用兩組PI控制器，一組在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的PI控制器用于正序分量的調(diào)節(jié)，另一組在反向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的PI控制器補(bǔ)償負(fù)序分量的影響.這種方法改善了逆變器輸出在不平衡線(xiàn)性負(fù)載下運(yùn)行的性能，但對(duì)于非線(xiàn)性負(fù)載來(lái)說(shuō)起不到很好的諧波抑制作用.文獻(xiàn)［6］加入了諧波補(bǔ)償器，針對(duì)5次、7次諧波進(jìn)行了補(bǔ)償，在輸出電壓不平衡和諧波抑制方面都取得了很好的效果.但控制系統(tǒng)復(fù)雜，且只能對(duì)特定階次諧波進(jìn)行補(bǔ)償.

文中分析了三相UPS輸出電壓不平衡產(chǎn)生的機(jī)理，結(jié)合重復(fù)控制和PI控制的優(yōu)點(diǎn)，分別使用兩組重復(fù)控制與PI復(fù)合控制器控制正序和負(fù)序電壓，有效地抑制了UPS三相輸出電壓的不平衡和諧波分量，樣機(jī)驗(yàn)證了理論分析結(jié)果的有效性.

4 結(jié)論

輸出電壓不平衡的抑制是三相大功率UPS電源控制的關(guān)鍵技術(shù).本文對(duì)在不平衡負(fù)載和非線(xiàn)性負(fù)載情況下的UPS三相輸出電壓的不平衡的機(jī)理進(jìn)行了分析.結(jié)合重復(fù)控制和PI控制的優(yōu)點(diǎn)，分別使用了兩組基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的重復(fù)控制+PI復(fù)合控制器對(duì)正序和負(fù)序電壓分量進(jìn)行控制，基本消除了負(fù)序分量，有效地抑制了零序分量，對(duì)三相輸出不平衡起到了良好的抑制作用，并能有效地抑制非線(xiàn)性負(fù)載導(dǎo)致的諧波分量.與企業(yè)合作，實(shí)現(xiàn)了大功率UPS的產(chǎn)業(yè)化.樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了基于復(fù)合控制的方案在非線(xiàn)性和不平衡負(fù)載的情況下，具有良好的對(duì)輸出不平衡和諧波的抑制能力.

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