三相在线式UPS及其并联技术研究(1)

华中科技大学

硕士学位论文

三相在线式UPS及其并联技术研究

姓名：白丹

申请学位级别：硕士

专业：电力电子与电力传动

指导教师：彭力

20040429

华中科技大学硕士学位论文

摘要

不问断龟源（ＵＰＳ）系统作为向重要场合的关键负载提供不间断电源的电力电子设备，得到越来越广泛的应用。为了得到性能优良且工程实用性高的ＵＰＳ系统，本文致力于三相在线式ＵＰＳ的研究，包括单机控制和并联运行技术的研究。

首先探讨了ＵＰＳ的硬件结构，重点讲述了整流器和逆变器的主电路拓扑。为了改善输入端的功率因数，运用ＭＡＴＬＡＢ对可控硅整流器的输入无源功率因数校正结构进行了系统仿真。逆变器是ＵＰＳ系统的核心，本文通过理论分析建立了逆变器的数学模型。将负载电流处理为可测扰动，得到的ＰＷＭ逆变器的数学模型是一个双输入、单输出的线性模型，其形式简单，易于处理。基于实测的开环频率特性，确定了系统模型中的参数。结合工程实际的考虑，逆变器的控制采用数字化的电压均值外环和硬件模拟电路实现的瞬时值反馈内环相结合的控制方法。借助仿真软件设计了瞬时值内环的控制参数。

ＵＰＳ的并联可以提高系统的容量和可靠性。为了分析并联原理，建立了并联系统的数学模型。环流是造成并联系统工作异常的重要原因。在分析环流特性的基础上，给出了用有功功率调节电压幅值以抑制有功环流的控制策略。同时，采用数字锁相环实现ＵＰＳ输出电压频率和相位的同步，并用再调制技术进一步提高锁相精度，以达到抑制无功环流的目的。

根据上述理论分析，研制了５０ＫＶＡ三相在线式ＵＰＳ样机系统。文章最后给出了ＵＰＳ系统单机逆变输出电压、锁相效果、双机并联和三机并联运行的实验结果。结果表明，样机设计的各项指标都已达到要求，有良好的静态和动态性能，并能实现可靠并联。

关键词：ＵＰＳ；功率因数；瞬时值反馈；并联：环流：锁相

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Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ａｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｄｅｖｉｃｅ，ＵｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙ（ＵＰＳ）ｓｙｓｔｅｍ

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Ｋｅ”ｖｏｒｄｓ：ＵＰＳ，Ｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒ，Ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｆｅｅｄｂａｃｋｃｏｎｔｒｏｌ，Ｐａｒａｌｌｅｌｏｐｅｒａｔｉｏｎ

Ｃｉｒｃｕｍｆｌｕｅｎｃｅ，Ｐｈａｓｅｌｏｃｋｅｄｌｏｏｐ

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独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：囱丹

日期：ａ∞扯年乒月卵日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：

学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、．缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

保密口，在‘年解密后适用本授权书。

本论文属于

不保密囱。

（请在以上方框内打“ｄ”）

学位论文作者签名：自哥日期：争∞牛年乖月２７日指导教师签名：引力日期‘：２。。乒年年月。２（７日

本文研究课题受到：

国家自然科学基金——逆变电源模块无互联线并联均流控制机理研究（项目批准号为５０００７００４）以及国家自然科学基金重点项目——新型高频中小功率逆变电源的控制技术和拓扑技术研究（项目批准号为：５０２３７０２０）的资助。

谨致谢意！

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１绪言

Ｉ．１不问断电源（ＵＰＳ）技术

众所周知，各种电子设备都需要供电电源为其提供所需的电能。随着信息技术的不断发展和计算机应用的日益普及，用电设备对供电的质量提出了越来越严格的要求。一旦因为某种原因出现供电中断，就会造成整个系统停机，其后果远远严重于电子设备自身的故障。此外，供电电源的扰动也是引发电子设备故障的重要原因。供电电源出现二Ｆ扰的起因有雷电、风暴、高温等自然因素，也有大型用电设备的启动和停机、继电器的断开与吸合、车辆点火、工业火花和高频发射等原因。以上这些干扰以传导和辐射的形式进入电源进而窜入电子设备，造成系统工作效率降低、计算数据丢失、逻辑功能混乱，严重时还会造成系统硬件损坏，使系统工作陷于瘫痪…。针对这些问题，人们进行了许多研究和探讨，得到一些相应的解决方案。其中依靠各种类型的交流稳压电源或者所谓的交流净化电源虽然可以解决交流电压不稳和波形畸变以及干扰等问题，但对于交流供电中断却无能为力。因此，为了保证重要部门或者设备电力供应的连续性和可靠性，消除电网干扰对用电设备的影响，同时为了避免负载对电网产生干扰，出现了不间断供电电源系统ＵＰＳ（ＵｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ）。ＵＰＳ是一种含有储能装置、输出为恒压恒频的电源设备，广泛应用于单台计算机、计算机网络和其他重要用电设备的电力供应，以及医院、银行、机场等重要部门的备用电源。ＵＰＳ的功能除了是一个备用电源之外，还具备电力净化的作用，输出电能的高可靠性和高质量是ＵＰＳ的基本要求。

ＵＰＳ的主要功能可以归纳为以下五个方面瞄Ｊ：

（１）双电源之间的无间断切换；

Ｌ２）频率变换功能，可以将输入电压的频率变成需要的频率：

（３）电压变换功能，可以将输入电压变换为需要的电压：

（４）隔离功能，将瞬间闪断、谐波、电压波动、频率波动以及电压噪声等电网干扰阻挡在负载之前，即可以使负载对电网不产生干扰，又可以使得电网中的干扰不影响负载。

（５）后备功能，ＵＰＳ带有蓄电池，贮存一定的能量，一方面在电网停电或者发生间断的时候可以继续供电一段时间来保护负载，另一方面在ＵＰＳ的整流器发生故障的时候可以使用户有时间采取措旋保护负载。

１．１．ＩＵＰＳ的发展历程和趋势

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在静态ＵＰＳ出现之前，国际上使用的是动态ＵＰＳ，采用柴油发电机一电动机一发电机组来实现变换。它依靠惯性飞轮存储的动能，通过同轴的电动机带动发电机发电，维持负载电能的连续性。这种ＵＰＳ比较可靠，缺点是笨重、噪声大、效率低、切换时间长，已经被静态ＵＰＳ所取代Ｉｊｉ。

最初的静态不间断电源的控制线路采用了分立器件，主电路采用晶闸管【４ｌ。对于复杂的控制功能，只有采取更多的控制线路板才能完成。由于晶闸管的关断需要外在的条件，如电流为零、阴极电压高于阳极电压等，要完成关断功能，需要一个反向的电压加在晶闸管的阴极与阳极之间，一般在晶闸管的回路中串联电感来实现此功能。这些都使得整个系统变得十分复杂且稳定性差。

随着功率半导体器件的发展和完善，ＵＰＳ从以可控硅为代表的半控器件ＵＰＳ，发展为ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等为代表的全控器件ＵＰＳ。使用ＩＧＢＴ的ＵＰＳ开关频率可以达到１０ｋＨｚ以上，控制简单可靠，产生的电磁辐射也较低。

从控制角度上来讲，最初的静态ＵＰＳ逆变部分的控制方式是阶梯波叠加，利用相位不同的阶梯方波叠加出含有较低谐波的正弦波，再经过滤波器滤除谐波后供给负载。现在广泛应用的技术是各种正弦波脉宽调制技术，逆变器功率单元的输出是谐波含量非常低的宽度按正弦规律变化的方波阵列。使用体积较小的滤波器就可以滤除谐波，获得非常低的波形失真度，同时可以保证更好的动态特性。

技术不断进步，ＵＰＳ的性能也不断改善，向着体积小、效率高、动态性能好、可靠性高、功能全面、控制灵活的方向发展。功率因数校正技术、远程监控和调Ｎ／解耦控制技术、使用高峰值因数方法克服由非线性负载所造成的瞬态冲击的技术开发，以及由智能化ＵＰＳ供电系统为代表的ＵＰＳ新技术的应用，使得如今的ＵＰＳ供电系统变得越来越完善，对各种负载的适应能力大大加强，产品种类越来越齐全，现在的ＵＰＳ工业己经具备了向用户提供从几百伏安的小型单相ＵＰＳ直至数千千伏安的大型三帽ＵＰＳ供电系统的能力。

ＵＰＳ之所以发展如此迅速，主要得益于电子技术、器件制造技术、控制技术的飞速发展；得益于电源技术人员对电能变换的方式和方法的不断深入研究：得益于信息产业的迅猛发展为ＵＰＳ产品提供了广阔的应用领域。随着现代通信、电子仪器、计算机、工业自动化、电子工程、国防和其他高新技术的发展，对供电的质量及可靠性要求越来越高，尤其是要求供电的连续性必须有保障。同时，经济增长使得ＵＰＳ的应用范围更加广泛，而科学技术的日新月异，也将使ＵＰＳ的性能更加完善，因丽ＵＰＳ必将得到持续发展。

：＝＝＝＝＝＝＝皇篁＝＝＝＝＝＝畜＝＝＝＝＝＝昌昌昌墨黑牟墨墨曩巴＝昌昌＝＝＝＝＝＝＝目前，ＵＰＳ的发展趋势体现在以下几个方面：

（１）高频化。电力电子器件不断推陈出新，其开关速度也呈现数量级式的提升，这使得进一步提高ＵＰＳ逆变器的开关频率更加容易实现。开关频率提高可咀有效减小装置的体积和重量，消除变压器和电感的音频噪声，使得用于滤波电路的电感、电容大大减少，ＵＰＳ的效率、噪声、体积、动态响应特性和精度大大提高。此外，为了进～步减小装置的体积和重量，必须去掉笨重的工频隔离变压器，采用高频隔离。高频隔离可以采用两种方式实现，一种是在整流器与逆变器之间加～级高频隔离的ＤＣ／ＤＣ变换器１５１，另一种是采用高频链逆变技术【“。

（２）数字化ｐＪ。模拟控制简单、技术成熟、易于实现，而且响应速度快、模型连续，至今仍在各种装置的控制中扮演着重要的角色。但是其缺点也是显而易见的，大量的分立元件和电路板使得制造成本高、电路复杂、参数易漂移、元件老化、系统的调试、故障检测和维修困难、易受环境干扰等。因此，数字化是大势所趋。数字化不仅是指在系统中应用了数字器件，同时也是指整个系统应用了数字化的控制思想和方法。数字控制可以用软件的手段实现控制算法，能很好的解决控制系统元器件老化和温漂带来的问题，抗干扰能力也大大增强。控制系统的升级也可以通过改变软件实现，代价较小。同时借助于数字控制芯片的发展，许多复杂的控制算法得以实现，使ＵＰＳ的性能提高，功能更全面。

（３）绿色化。ＵＰＳ输入端的整流结构使得ＵＰＳ本身成为电网的重要污染源之一，随若技术的发展和相应政策法规的出台，ＵＰＳ的绿色化势在必行。加装高效输入滤波器、输入端采用功率因数校正技术和软开关技术都是绿色化的有益尝试。采取这些措施可以提高输入功率因数，不仅能减少对电网的污染，降低无功损耗，起到环保和节能的效果，还可以加强抗电磁干扰能力，降低辐射干扰，提高运行可靠性。

（４）模块化捧１…。虽然现在已经有几千千伏安的大型ＵＰＳ产品出现和应用，但是ＵＰＳ不仅要求大容量，同时还要要求高可靠性。如果整个系统都依靠单台的大型ＵＰＳ提供保障，其可靠性是受到限制的。这时，采用多个中小容量的模块化ＵＰＳ构成并联冗余供电系统，就可以获得容量和可靠性的双双提高。模块化ＵＰＳ不仅要求提供大干等于负载容量的电能，通常还要求单台ＵＰＳ发生故障退出时不是导致整个系统瘫痪，而是可以方便的通过热插拔方式更换和维修。

（５）智能化。现在ＵＰＳ的功能越来越完善，运行中ＵＰＳ状态的检测、ＵＰＳ出现故障的及时发现和处理、无人值守实现ＵＰＳ的自动开关机，远程监测和控制ＵＰＳ的运行状态等都成为ＵＰＳ研制和生产所追求的目标。这些功能采用一般的硬件和控制方法是

＝＝：＝＝４ｊ＝＝目ｔ＝＝＝＝＝＝＿＝＝＝＝＝＝＝＝；；＝＝＃＝＝＝；一无法实现的，通常借助于普通ＵＰＳ加上微机系统，通过网络和通讯构成智能化ＵＰＳ，

采集并报告各种信息数据，分析并给出处理方法，便于及时维护。

１．１．２ＵＰＳ的基本指标Ⅲ

据我国国家标准ＧＢ２３８７－－８９的规定：对于需要配置ＵＰＳ不间断电源的计算机机房提供的交流电源，在３８０Ｖ／２２０Ｖ，５０Ｈｚ、三相五线制／三相四线制情况下，至少应满足：

电源电压的波动应小于±５％：

电源的频率波动应小于±０．５Ｈｚ；

电源的波形失真度应小于±５％。

此外，还要求所配置的ＵＰＳ电源在长期运行的过程中，可能产生的任何瞬态供电中断应控制在５ｍｓ的范围之内。对于要求严格的场合，最好将上述的瞬态供电中断时间控制在２ｍｓ之内。一般的微机和服务器所允许的瞬态供电中断时间在８～ｌＯｍｓ的范围。如果向微型计算机供电的电源的瞬态中断时间超过上述范围时，就会造成微机进入自检误动作的状态，从而造成正在运行的数据或程序被破坏和丢失的不幸局面。当遇到达种情况时，就会看见正在运行中的微机显示屏上出现一片空白，随着瞬态供电中断现象的消失，微机再次进入程序自举、自检开机运行状态。此外，由于过频的瞬态供电引起的峰值高达４００Ｖ左右的瞬态干扰是造成服务器产生偶发性自动关机的重要原因之一。１．１．３ＵＰＳ的分类和结构

现在的ＵＰＳ电源工业，可向用户提供如下五种类型的ＵＰＳ电源品种［Ｉｏ】：

（１）双变换在线式（Ｏｎｌｉｎｅ）ＵＰＳ供电系统，其单机输出功率从０．７～１５００ｋＶＡｏ质量较差的普通市电电源首先经位于ＵＰＳ内部的整流器变成直流稳压电源，然后再利用正弦脉宽调制法（ＳＰＷＭ）在逆变器内重新将直流电源变成纯正的高质量正弦波电源。通过这样的变换，市电中的所有干扰几乎都被屏蔽掉，这样就避免了由市电带来的任何电压或频率波动及干扰等对用户的影响。当市电供电出故障或完全停电时，利用ＵＰＳ内部的蓄电池组继续向逆变器提供直流能源，从而保证ＵＰＳ电源的逆变器电源以毫无时间中断及毫无波形扰动的正弦波电源方式继续向用户提供高质量的交流电源。对于这样的机型，当用户在采用多机“冗余”并机配置方案时，可将２～９台具有相同输出功率和相同型号的ＵＰＳ电源直接并机而形成７０００～８０００ｋＶＡ的大型ＵＰＳ供电系统。在线式输出ＵＰＳ向用户提供的交流电源是高质量的纯净正弦波电源。典型的“１十ｌ”直接并机系统的平均无故障工作时间（ＭＴＢＦ）可达２００万小时。

＝一＝＝｛＝＿＝＝＝；＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝一（２）在线互动式（Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ）ＵＰＳ电源，其单机输出功率为Ｏ．７～２０ｋＶＡ。当市电电压在一定范围内（例如１８０～２４０Ｖ）时，它经由～条传输电缆所组成的交流旁路直

接向用户提供市电电源。当市电电压在１５０～１８０Ｖ或２４０～２７６Ｖ范围内时，它经位于交流旁路供电通道上的变压嚣抽头调压处理电路所组成的交流调压器向用户提供经过简单调压处理的市电电源．其幅值为１９７～２５０Ｖ（用户实际使用的电源仍然是来自一般市电电网的具有频率波动，波形畸变度高及从电网串入的干扰等所困扰的低质量电源）。仅仅当市电电源的电压低于１５０Ｖ或高于２７６Ｖ时．它才有可能向用户提供真正的ＵＰＳ逆变器正弦波电源。有鉴于此，这种ＵＰＳ常常被称为准在线式ＵＰＳ电源。在线互动式ＵＰＳ省去了输入整流器和充电器，充电器由被称为双向变换器的逆变器充当，其切换效果也是在线式的。其主要的不足就是输出电压稳定度不如双变换高，对输入功率因数也无调整作用。因此主要应用在对交流电压的精度要求不太高的地方。

（３）后备式（Ｏｆｆｌｉｎｅ）正弦波输出ＵＰＳ电源，其单机输出功率为０．２５２ｋＶＡ应右，当市电电源电压在１７０～２６４Ｖ的范围内，它向用户提供经变压器抽头调压处理过的一般市电电源，仅当市电电源的电压低于１７０Ｖ或高于２６４Ｖ时，才向用户提供真难的ＵＰＳ逆变器高质量的正弦波电源。这种ＵＰＳ的优点是可靠性高、结构相对简单、效率高、成本低、价格便宜。缺点是供电波形质量较差，市电异常时需启动逆变器工作因而需要一定切换时间。输入输出直接相连，对电源的浪涌和噪音不能提供根本上的保护，需加浪涌吸收电路。

（４）后备式（Ｏｆｆｌｉｎｅ）方波输出ＵＰＳ电源，其单机输出功率为０．２５～１ｋｖＡ左右。当市电电压在１６５～２７０Ｖ的范围内，它向用户提供经变压器抽头处理过的一般市电电源。当市电电源电压低于１６５Ｖ或高于２７０Ｖ左右时，它向用户提供具有稳压输出特性的５０Ｈｚ方波电源。当市电供电不正常时，由于它向用户所提供的交流电源是方波电源，并非正弦波电源。所以，在此条件下，不允许用户带电感性负载（例如，电风扇、日光灯等）。否则，不是造成ＵＰＳ电源本身的逆变器被烧毁，就会造成将用户的负载损坏的局面。当市电供电正常时．这种ＵＰＳ的逆变器处于自动关枫工作状态。

（５）Ｄｅｌｔａ变换型ＵＰＳ电源，其单机输出功率为１０～４８０ｋＶＡ，当输入电源满足电压波动小于土１５％，频率波动小于士３％时，由Ｄｅｌｔａ变换器所提供的幅度不超过士１５％的

逆变器额定输出电压的补偿电源经串联在主供电电路中的补偿变压器与输入电源共同构成串联稳压电源，其稳压精度为士ｌ％（其中８５％１００％来自市电电源，１５％～０％来自Ｄｅｌｔａ变换器）。当输入电源越过上述电压和频率范围时，由主变换器（不带逆变器辅出隔离变压器）向用户提供正弦被的逆变器电源。其优点是主变换器始终连接在系统输出

端，从市电到蓄电池的切换不会产生供电中断；市电正常时，Ｄｅｌｔａ变换器只需补偿与市电电压和系统输出电压差有关的功率，故损耗小，效率高；功率裕量大，过载能力强。缺点主要表现在电网电压波动较大时工作方式频繁切换。

综上所述，如果按技术性能的优劣来排序，其顺序应为：在线式ＵＰＳ＞Ｄｅｌｔａ变换器型ＵＰＳ＞在线互动式ＵＰＳ＞后备式正弦波输出ＵＰＳ＞后备式方波输出ＵＰＳ。也就是说：在线式ＵＰＳ的技术性能最好，后备式方波输出ＵＰＳ的性能最差。然而，就价格而言，

则是在线式ＵＰＳ电源最贵，Ｄｅｌｔａ变换型ＵＰＳ次之，准在线式ＵＰＳ更次之、而以后备式方波输出ＵＰＳ最便宜。根据近几年的市场销售来看，后备式正弦波ＵＰＳ电源因其性能价格比不好，己逐渐被淘汰了。

１．２ｕＰＳ的控制技术

为了满足越来越高的输入、输出要求，获得越来越好的动态、稳态或者综合性能，人们不断探索新的ＵＰＳ控制技术。一般来说，在ＵＰＳ的构成中，逆变部分是整个系统的核心。因为逆变器决定了ＵＰＳ输出电能的质量，而这正是ＵＰＳ最重要的性能指标。只有逆变部分性能优良，ＵＰＳ才能给负载提供优质的电能。所以通常所说的ＵＰＳ控制技术都是指ＵＰＳ中逆变器的控制技术。在此，笔者也仅就逆变器部分的控制作一些探讨，关于整流器等其它部分的细节，将在本文后面的章节中予以介绍。

逆交控制技术有许多种类，依照不同的分类标准，可以分为模拟控制和数字控制，电压控制和电流控制，也可以分为经典控制和现代控制等。由于ＵＰＳ本质上是一个输出不问断的恒压恒频电压源，其控制目标也就集中体现在减小输出电压的波形畸变率、提高输出电压稳定度、提高系统的动态响应速度、提高系统的过载能力和抗负载冲击的能力、以及便于多机并联运行等几个方面。一般情况下，不外乎下面讨论的几种常用控制方法。

１．２．１ＰＩＤ控制

ＰＩＤ控制简单、参数易于整定、发展成熟，广泛应用于工程实践之中。ＰＩＤ中的Ｐ代表当前信息，校正动态偏差，使控制过程反应迅速；Ｉ代表过去积累的信息，消除静差，改善系统静态特性；Ｄ在信号变化时有超前控制作用，代表对将来的预测信息，加快过渡过程。因此ＰＩＤ控制蕴含了过去、现在和将来的主要信息，使控制过程快速、准确、平稳，不过分依赖系统参数。设计良好的ＰＩＤ控制器有动态相应快、稳态精度高、鲁棒性强的优点，可以满足大部分的控制性能要求１１０１。尤其是随着数字控制的发展，各种补偿措施可以方便的应用于ＰＩＤ控制之中，电压瞬时值、电流瞬时值等引入控制系统，

６

一＝＝＝＝＝＝＝＝；＝＝；＝＝｛＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝使得逆变器的ＰＩＤ控制效果得到很大改善，同时其他控制策略的一些思路也在不断引入ＰＩＤ控制，使得古老的ＰＩＤ控制仍然充满了活力。

１．２．２无差拍控制Ｉｌｌ’１２１

无差拍控制是一种基于电路方程的控制方式，它利用状态反馈实现零点和极点的对消，并配置另一个极点于原点。在理想情况下，输出能很好的跟踪给定，波形畸变率很小，而且具有非常快的暂态响应。即使在很低的开关频率下，无差拍控制也能够保证输出波形的质量，这是其他控制方法所不能做到的。但是无差拍控制瞬态超调量较大，对系统参数变化反应灵敏，系统的鲁棒性差。针对这些问题进行了大量的研究，但是实现的可能性不大，使得无差拍控制在工业实践的应用还有待于不断的深入研究。１．２．３重复控制‘１３—５ｌ

重复控制是一种基于内模原理的控制方法，利用“重复信号发生器”内模巧妙的避免了针对每一种指令或扰动信号设置一种内模的方式，而用一种逐周期的积分控制，通过对波形误差的逐周期补偿，稳态时可以实现无静差控制效果。它的突出特点是稳态特性好，控制鲁棒性强，负载适应能力好，尤其适用于非线性负载。但是重复控制实时性差，动态响应速度慢，这是它致命的弱点。因此重复控制一般不单独用来完成ＵＰＳ逆变器的控制，而是与其他控制方式相结合，共同来提高整个系统的性能。

１．２．４滑模变结构控制１１“１８Ｉ

滑模变结构控制的显著特点是对参数变动和外部扰动不敏感，因此非常适用于闭坏反馈控制的电能变换器。滑模变结构控制实质上是一种非连续的开关控制方法，它强迫系统的跟踪误差及其导数运行于相平面的一条固定的滑模曲线上，与系统参数及外部扰动无关，因此系统的鲁棒性极强。但是对于实际的电源系统，确定一个理想的滑模切换面是非常困难的，而且对采样频率的要求也限制了其实用性。

１．２．５模糊控制０１９ｑｌｌ

模糊控制系统能根据实际情况变动控制器参数，因此大大提高了控制系统的鲁棒眭，改善了ＵＰＳ系统对非线性负载的适应能力。用于ＵＰＳ的模糊控制主要是模糊ＰＩＤ控制，也就是用模糊集构成ＰＩＤ参数库，根据运行状态的不同选择不同的ＰＩＤ参数，是为了解决传统ＰＩＤ控制鲁棒性差的问题而提出的一种智能控制策略。

ｌ。２．６神经网络控青ｌＪ｛２２＇２３ｌ

神经网络控制模仿人的大脑实现对系统的控制，最大的优点是不仅适用于线性系统，

而且也适用于非线性系统。但是由于硬件系统的限制，目前的神经网络多数都是采用离线学习获得优化的控制规律，然后利用得到的规律实现系统的在线控制。由于其控制规律的获得不依赖于系统的模型，而且学习实例包含了各种情况，因此系统的鲁棒性特别强，适用于各种负载状况。

１．３本文的选题及研究内容

鉴于前述的ＵＰＳ的重要作用，本文选择ＵＰＳ作为研究对象。虽然ＵＰＳ的种类繁多，结构、性能和控制各不相同，但是无论如何，一台设计良好的ＵＰＳ电源都应包括如下部分：

（１）交流输入滤波回路及整流回路；

（２）蓄电池及充电回路；

（３）ＰＷＭ脉冲宽度调制型的逆变器：

（４）各种保护（过流和限流，过压，空载保护，电池电压过低，电池极性和交流极性检测）电路及相关指示灯和喇叭：

（５）交流市电供电与ＵＰＳ逆变器供电之间的自动切换装置及与它相配套的锁相同步电路和静态开关装置；

（６）逻辑控制回路。近年来利用微处理芯片作ＵＰＳ电源中关键部件的工作状态的监控控制系统已被广泛采用。

针对上述几个方面的要求，本文设计了三相在线式ＵＰＳ系统，单机容量为５０ｋＶＡ。除了实现单机三相正弦输出外，还完成了两台和三台ＵＰＳ的无主从并联运行。在理论分析的基础上，建立了数学模型，论证了所选用的功率回路结构和控制方法的合理性，对方案的实施细节也给予了详尽的阐述。各个章节的主要内容概述如下：第二章讨论了三相在线式ＵＰＳ的原理、结构和设计。分为整流器部分、逆变器部分和其他辅助功能部分三个大的主题。

整流器部分着重讨论了晶闸管相控整流结构输入功率因数低的原因，对无源校正的方法进行了详尽全面的仿真分析。得出了校正参数的配置方案。还设计了直流稳压控制环和充电电流恒流环的两环控制和控制环的切换，对控制器的参数和性能进行了分析。由于整流器的控制是基于ＴＭＳ３２０Ｆ２４０的数字控制。控制环的参数调整和切换就很容易实现。

逆变器部分从主电路的结构入手，论证了所采用的电路结构的优势所在。基于这样的电路结构，建立了逆变器的数学模型，并从简单实用的角度进行了合理简化，为控制

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器的设计提供了许多便利。逆变器的控制以输出恒压恒频的高质量电压波形为目标，采用了电压瞬时值内环与均值外环相结合的数模混和控制方案，用结构清晰简洁的控制器实现了较好的控制性能。在瞬时僮内环的设计上特别注意了控制系统参数韵选取，即保证了稳定性，又起到了波形校正的作用。

旁路、切换逻辑以及故障保护都是ＵＰＳ必不可少的组成部分，这些辅助功能虽然对输出没有决定性的改善作用，但是保障了整个系统按照可靠性最高的条件运行。旁路需要特别注意的问题就是逆变与旁路之间切换时相位的跟踪和幅值的补偿，在逆变控制中加入相应措施可以取得明显效果。

第三章就并联冗余技术这个研究热点展开讨论。首先建立了并联系统的数学模型，对环流做出定义并得到数学表达式。根据并联系统参数的性质分析了对环流特性的影响。不失一般性地推导了多个模块并联时的输出电压和环流表达式，奠定了三机并联实验的理论基础ａ在控制上采用基于有功功率、无功功率检测和补偿的分散逻辑并联策略，通过同步锁相控制和电压补偿控制达到平均分配负载、抑制环流的效果。

第四章是根据以上理论研制的样机及实验结果总结。分别对单机、双机并联和三机并联进行了大量实验，实验的结果表明，ＵＰＳ样机系统采用的电路结构、控制策略、调节器参数都是合理和可行的，样机的单机和并联达到的效果都满足或者超过技术要求的指标，完全符合工程实际的需要。

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２三相双变换在线式ＵＰＳ的原理与设计三相在线式ＵＰＳ因其供电品质优良，得到了广泛的应用。本章将在线式ＵＰＳ分为整流、逆变和辅助功能三个部分，分别从原理和结构上讨论了其构成、控制思想和实现等问题。

２．１整流部分的结构与控制

ＵＰＳ中的整流部分担任着将输入的交流电源变换为直流电源，以供给后续的中间电路或者逆变部分使用的任务。为了使后面的电路更好的工作，整流器应能保证输出的电压或者电流按照要求可控，并维持良好的动态和稳态综合性能。

２．１．１整流器功率回路

２．１．１．Ｉ功率回路的结构

目前，ＵＰＳ的整流部分主要有三种结构．一种是采用品闸管相控整流，一种是采用二极管不控整流加上ＤＣ－－ＤＣ电路以改变直流电压和改善输入功率因数，还有一种是采用全控开关器件的ＰＷＭ整流器。这三种电路结构各有特色，适用于不同的场合。

晶闸管相控整流技术相当成熟，控制简单，运行稳定可靠，开关管ＳＣＲ工作在低频，效率高，整流器造价低。这种主电路结构一般用在中大功率ＵＰＳ系统中。另一种常见的整流电路结构是二极管整流电路，适用于小功率范围。因为对于小功率ＵＰＳ来说，将２２０Ｖ交流直接整流滤波显得更简单、更可靠、成本更低，但ＵＰＳ中间直流的稳压功能就只有靠后续的电路完成了。不管是相控整流还是不控整流，整流电路的输入电流中谐波分量都很大，总的功率因数都很低。因此有必要采取一定的措施改善这种状况。对于晶闸管相控整流电路来说，改用１２脉波整流或者采用一定的无源功率因数校正措施，都可以使输入功率因数提高到０．９左右，输入电流中的谐波成分降到１０％以下。对带电容滤波的二极管整流电路而言，为了使其输入电流为正弦波，从而提高功率因数，可在整流桥和滤波电容之间加一级用于功率因数校正的功率变换电路，这就是有源功率因数校正（ＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ——ＡＰＦｃ或简称ＰＦＣ）。在用于功率因数校正的功率变换电路中，使用最多的是升压斩波（Ｂｏｏｓｔ）电路。带斩波器的二极管整流电路可得到接近于１的功率因数，已在各种开关电源中获得广泛应用。

采用全控型开关器件构成的ＰＷＭ整流器，其功率因数可接近ｌ，已在某些领域获得应用，这种电路适用于中等容量的整流器。ＰＷＭ控制技术是首先在直流斩波电路和逆变电路中发展起来的技术。随着ＧＴＯ晶闸管、ＩＧＢＴ等全控型器件的不断进步，ＰＷＭ

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控制技术已十分成熟。目前，正弦波ＰＷＭ（ＳＰＷＭ）控制技术已在交流变频调速、不间断电源中获得了非常广泛的应用。把逆变电路中的ＳＰＷＭ技术用于整流电路，就形成了ｐＷＭ整流器。通过对ＰＷＭ整流电路的适当控制，可馒输入电流非常接近正弦波，且电流和电压同相位即功率因数近似为１，所以这种整流器可以称为单位功率因数变流器。广义而言，ＰＷＭ控制技术也是有源功率因数校正电路的一种。

本文所研究ＵＰＳ单机容量有５０ＫＶＡ，属于中大容量的ＵＰＳ系统。考虑到成本和控制的复杂性，我们选择的整流部分结构属于第一种，即晶闸管相控整流器。整流器的具体结构图如图２—１所示，在输入端加入了交流滤波电感，用于改善输入电流波形。２．１．１．２三相整流器仿真

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图２一ｌＵＰＳ系统的整流部分结构图

由于经过晶闸管整流的交流电源并不是恒定的直流电压，而是除了直流平均值之外还含有谐波分量的脉动直流。为了获得平滑的直流，必须在整流器的输出端接入滤波器。根据采用滤波元件的不同，可阻分为电压型和电流型两种。电压型是采用大电容滤波，而电流型则是采用大电感滤波。整流输出电压的谐波频率不高，为了获得良好的滤波效果就需要采用较大的滤波器。由于电容在体积、重量方面相对于电感有明显优势，因此在ＵＰＳ中，一般是采用大电容滤波构成电压型中间直流环节。

而这种大电容滤波的整流结构对于电网来说，是～个很强的非线｜生负载。即使是在晶闸管导通的情况下，也只有当输入线路的峰值电压高于滤波电容的电压时，才有输入电流流通。而当输入峰值电压低于滤波电容电压时，输入电流为零，导致电流断续。由于电流的升降速度比线电压的舞降速度要快，输入电流就产生了一系列的谐波，使得电流波形出现尖峰，输入功率因数降低。

输入功率因数（ＰＦ）是整流器的重要指标之一，它的定义为：交流电源输入有功功

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：：：：＝一＝＝＝＝＝＝＝；＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝４；＝＝＝；＝＝；＝；率平均值Ｐａｃ与其祝在功率Ｓ之比。如果输入电压为无畸变的正弦波ｔ谐波电流在一个周波内的平均功率为零，则输入功率因数可以表示为：

ＰＦ：生：！￡！旦！竺垒：ｖ．ｃｏｓ破（２－－１）

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其中，Ｖｓ为给整流器供电的交流相电压有效值，Ｉｓ为交流相电流有效值，Ｉｓｌ为相电流基波有效值，而ｖ＝１ｓ∥定义为基波数值因数，或者畸变因子，它是基波电流

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有效值Ｉｓｌ与总电流有效值Ｉｓ之比。中Ｉ为输八电压与输入电流基波分量之间的相位角，称为位移角瞄…。

对于相控晶闸管整流器，由于相控触发的原因，ＰＦ不仅与输入电流的波形有关，还与控制角有关。功率因数低对输入电源的影响可以分为两方面来看。如果ｃｏｓ中１低，表示无功电流大，会增加导线的损耗；如果ｖ小，就意味着谐波分量大，除了增加损耗外，还将造成电压波形的畸变。

为了改善输入的电流波形，提高输入功率因数，可以采用有源和无源功率因数校正措施。经过有源校正的整流器输入电流的ＴＥＤ一般小于１０％，而经过简单无源校正的在３０％左右。目前，单相整流器常用有源校正的办法，而三相整流器绝大部分都采用无源校正。有源校正可以获得更好的校正效果，功率因数可以提高到Ｏ．９９或更高，但是无源校正简单、成本低、在三相电路效果较好、电磁干扰ＥＭＩ小，而且损耗较小，不像有源校正要影响效率２％～４％［２５】。无源校正可以在ＵＰＳ输入端或直流侧加入滤波电感，或者在交流侧接入ＬＣ谐振陷波滤波器。加滤波电感是利用电感电流不能突变的特性，使得电流的上升和下降不再是突变的，而是逐渐上升到最大值再逐渐下降，减缓其脉冲性。接入陷波滤波器则是利用了ＬＣ串联谐振的原理，通过配置适当的电感和电容参数，使得串联的ＬＣ在某些较低的特定谐波频率发生谐振，对某次谐波电流阻抗为零，使谐波电流经谐振滤波器形成回路而不进入交流电源，从而吸收输入电流的相应谐波成分。

根据上述的几种无源校正方法，对于加入滤波电感的位置和大小不同，以及是否采用谐振陷波环节，本文应用ＭＡＴＬＡＢ做了相应的仿真。

仿真电路示意图如图２—２所示，交流输入为三相市电２２０Ｖ／３８０Ｖ，经过晶闸管相控罄流桥后得到直流电压。按照系统的容量和设计要求，直流电压的额定值为３９５Ｖ，直流电流的额定值为１１０Ａ。Ｌ１为输入端交流滤波电感，ＬＯ为直流侧滤波电感，Ｌ５和Ｃ５为５次谐波的谐振陷波滤波器，ｃＯ为赢流滤波电容。其中Ｒ１、Ｒ５、ＲＯ分别代表整流桥交流输入支路、谐振支路和整流桥输出支路的线路损耗。为了更加准确地模拟真实的整流桥结构。对可控硅的固有参数和整流桥结构的内部参数也设置了相应的数据，发

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Ｒｓｃｒ代表可控硅导通电阻，Ｒｓｎｕｂｅｒ、Ｃｓｎｕｂｅｒ为可控硅的缓冲参数，取：ＲＩ。００３５Ｑ：Ｒ５：０．０８Ｑ：Ｒｓｃｒ＝０Ｏ１Ｑ：Ｒｓｎｕｂｅｒ＝２０Ｑ：Ｃｓｎｕｂｅｒ＝Ｏ．４７ｕＦ；Ｒ０＝０．０７

Ｑ。这些参数的最终选取是在考虑了电路实际工作时的功率和元件特性的合理性后得出的。比如可控硅导通电阻就是根据开关器件晶闸管导通时管压降约为ｌ～２Ｖ的经验参数确定的。

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圈２－－２三相整流器仿真电路示意图

从原理上讲，应该针对每一种谐波设置一个相应的谐振滤波器，才能获得更加趋于正弦的输入电流。但是实际上，如果每一种谐波都考虑的话，滤波器的复杂程度和成本都是不能容忍的。所幸并不是所有的谐波都占有很大的比重，一般需要考惑的也仅仅是十次以下的谐波成分。交流侧的输入电流是一个典型的奇谐波函数，因此它的傅立叶级数中也就不含有偶次谐波成分㈣。对于三相全桥六脉冲的整流器而言，输入电流的谐波成分主要是５次和７次谐波。相对于５次而言，７次谐波所占的分量较少，因此仿真时只设置了５次谐波的谐振陷波滤波器。如果要求更高的输入性能，可以考虑另外设置７次谐波的谐振滤波器。

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０５０１００１５０２００２５０３００３５０４４３０图２－－３没有采取任何滤波措施时的整流器仿真波形

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图２—５Ｌ１＝０．４５ｍＨ，Ｌ０＝１ｍＨ时的仿真结果

由上面的分析可知，如果在整流器的输入端接入交流滤波电感Ｌｌ，同时设置５次谐波电流的Ｌ５、ｃ５谐振支路，输出端接入直流滤波电感Ｌ０，即充分使用各种可能的无源滤波手段，必将取得较好的效果。根据各个元件参数的不同，组合了多种方案，分别给予丁相应的仿真。图２—３到图２—５给出了其中具有代表性的几种仿真结果。后面的表２—１中列出了各种情况下的仿真参数和相应的结果，分别包括了输入电流的总谐波畸变率ＴＨＤ、输入电流的基波数值因数（即畸变因子）、输入功率因数、输入电流波峰因子、输入和输出功率、以及整流器的效率等指标。从中可以清楚的看到各种滤波元件对于改善输入功率因数的作用。

当所有的滤波元件都为零（Ｌ０、Ｌ１、Ｌ５、Ｃ５均为零），即不设置任何滤波措施时，整流器的输入和输出电压、电流波形如图２—３所示。

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图中的１表示输入电源的相电压，２表示输入相（线）电流，３表示输入电流中的基波成分，４表示输出直流滤波电容上的电压，５表示输出直流滤波电感上的电流（当直流滤波电感为零时就表示输出的电容前直流电流）。后面图中相应标号的含义与此相同，不再重复。

可以看出，由于峰值整流的缘故，整流器的输入电流严重畸变，为一系列尖脉冲，相应地，直流侧的电流也体现为尖脉冲的形式。在这种情况下，输入电流的ＴＨＤ达到１４６％，对于申．网的污染非常严重。

表２—１三相整流器仿真结果一览表

畸变困子功率波峰输入输出序

Ｌ１Ｌ５Ｃ５Ｌ０ＴＨＤ因数因予功率功率效率

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ＰＦＣｒｅｓｔＦｐＰ。Ⅱ，１０．４５１４００１Ｏ．１２９７０．９９１７０．９３０９１．６４１１４６．２５４３４６Ｏ．９３９７２０４５ｉ．３５３００』Ｄ１４０２０９９０３ｏ．９００２１．６４９８４６２４４３４７ｎ９４００３０４５ｌ６７２４０ｌＯ．１４８００．９８９２０．８８０５１．６５５２４６＿３２４３４５０．９３８７４０．４５２２００１０．１５３００．９８８５ｏ．８６６８Ｉ．６５Ｓ９４６．２６４３４６ｏ．９ｊ９５５０．４５１４００２０．１１４２０．９９３５０．９３２８１．５６５６４５．９３４３４６０．９４６３６０４５ｌ－３５３００２Ｏ．１２３３０．９９２５０．９０２０１．５７８０４５．８５４３．４７０．９４７９７０．３ｌ４００２０．１４８７０．９８９ｌ０．９３２０１．６１０４４５８８４３４６０．９４７２８０３１４００１Ｏ．１７Ｓ２０．９８５０Ｏ．９２７３１．７１２７４６．２８４３４７０．９３９２９０．４５０４００１０．６９７５０．８２０２０．７７０１１．８９５６４６．２５４３．４７ｏ．９３９８１０ａ４５ＤＤ』ｎ３４２５０９４６０ｏ．７５８９１．４７７ｓ４５．８２乒３４６口．９４８６

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