电气与电子工程学院

串并联补偿式UPS串联变换器部分研究刘静指导教师:熊蕊教授

1/13/2023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MATLAB仿真

3串联变换器的设计与DSP实现

41/13/20231.1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UPS、UPQC、UPFC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1/13/20233双三相桥PWMAC/DC变换器（基于串并联补偿式UPS上的应用）以两个三相桥PWM变换器构成的主电路，配以各自DSP为控制核心的电力电子系统，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变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1/13/2023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UPS发展潜力巨大。4串并联补偿式UPS1/13/20231.5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的控制与MATLAB仿真分析。

dq轴解耦控制下的电压电流双闭环控制策略。理想电网非理想电网电压下的控制问题；MATLABSINMULINK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。(3)串并联补偿式UPS的硬件设计与DSP控制方案的实现。(4)总结全文，未来展望。1/13/20232.1串并联补偿式UPS的工作原理

图2.1双变流器串并联补偿式UPS原理图1/13/20232.2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：

图2.2理想电网电压下串联变流器控制系统框图Abc-dqo电压外环dq轴电流内环d轴电流指令生成

SPWM波形生成1/13/20233串联变换器的控制与MATLAB仿真

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1/13/20233.2dq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I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，，，1/13/2023图3.2系统补偿前后波特图。“o”——Wo(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66°1/13/20233.2.2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：三阶最佳整定

图3.3电压外环控制器结构图（3-5）1/13/20233.3MATLAB仿真模型的建立图3.4串联变流器主电路仿真电路图电网电压V、I检测

负载LC滤波三相桥直流母线代替并联侧串联侧变压器1/13/2023图3.5串联变流器控制电路仿真模型abc-dq

电压外环dq-abcSPWM波形生成dq轴电流内环d轴电流指令生成

1/13/20233.4.1理想电网下仿真波形电网电压为60V+15％工况A.纯阻性负载B.阻感性负载C.整流性负载图3.6理想电网不同负载下仿真波形1/13/2023纯阻性阻感性整流性60V+15％（98V）2.88%3.00%3.03%60V2.41％2.41％2.61％60V-15％（72V）1.57%1.70%1.70%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％。电网电压从高（60V+15％）到低（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1/13/20233.4.1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开关函数包含谐波，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。1/13/2023图3.15输入电网电压不平衡下仿真波形图3.16输入电网电压含谐波时的仿真波形及直流母线电压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。1/13/20233.4.4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1/13/2023三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1/13/20234串联变换器的设计与DSP控制方法实现

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。串联变压器(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。(2)串联变换器输入滤波电感4mH、电容6.8uF(3)直流母线电容6800uF/200V(4)串联、并联变换器开关管：三菱公司的智能功率模块——PM30CSJ06

开关频率：9kHz(5)并联变换器输出滤波电感1.02mH、电容277uF1/13/20234.2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1/13/20234.2控制系统硬件部分设计电压、电流信号检测调理电路PWM信号输出及电平转换过零检测电路4.3基于TMS320LF2407DSP的软件部分设计几大功能

1)信号采样2)基准产生

3)波形控制4)发SVPWM驱动信号5)各类保护和逻辑控制1/13/20234.4.1实验装置投入运行前的实验情况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1/13/2023表4.1各相电网电压、电网电流的畸变率及相关功率因数A相B相C相THDvsaTHDisaPFTHDvsbTHDisbPFTHDvscTHDiscPF纯阻性负载1.256％1.872％0.9981.098％2.021％0.9971.106％1.941％0.998阻感性负载1.261％2.010％0.8210.949％2.164％0.8161.164％2.103％0.819非线性负载1.964％11.07％0.9851.876％11.25％0.9811.967％10.54％0.984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1/13/20234.4.2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%)三种状态(a)欠压（60V-15%）(b)常压（60V）(c)过压（60V+15％）

1/13/2023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A相B相C相THDvsaTHDisaPFTHDvsbTHDisbPFTHDvscTHDiscPF60v-15%1.514％2.410％0.9911.577％2.164％0.9901.864％2.903％0.98960v1.561％2.970％0.9891.421％2.321％0.9911.640％2.741％0.98760v+15%1.910％3.054％0.9861.876％3.164％0.9911.967％3.607％0.986结论：阻性负载下，串并联补偿式UPS的串联变换器部分可以补偿电网电压，很好的控制电网输入电流为正弦形，THD值在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。1/13/2023(a)欠压（60V-15%）(b)常压（60V）(c)过压（60V+15％）

(a)欠压（60V-15%）(b)常压（60V）(c)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）1/13/2023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A相B相C相THDvsaTHDisaPFTHDvsbTHDisbPFTHDvscTHDiscPF60v-15%1.791％4.681％0.9951.575％4.201％0.9961.814％4.871％0.99460v1.567％4.964％0.9861.817％4.507％0.9891.941％4.910％0.98760v+15%1.994％5.298％0.9842.102％5.462％0.9892.310％5.641％0.981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A相B相C相THDvsaTHDisaPFTHDvsbTHDisbPFTHDvscTHDiscPF60v-15%3.245％4.403％0.9962.987％4.067％0.9943.277％4.701％0.99260v3.185％4.723％0.9932.886％4.976％0.9893.425％5.127％0.99560v+15%3.875％4.595％0.9914.021％5.142％0.9944.006％5.310％0.9951/13/2023实验结果分析阻感性负载和非线性负载下，通过串联变流器的合适控制，都能使输入侧电流波形