基于三电平变换器的模块化UPS关键技术及性能研究

发布时间：2018-04-14 21:15

  本文选题：三相PFC变换器 + 模块化UPS　； 参考：《燕山大学》2016年博士论文

【摘要】：随着通信技术、信息技术的发展,对不间断电源(Uninterruptible Power Supply,UPS)供电容量提出了更高的要求。模块化UPS是近几年来UPS领域兴起的先进技术,它以高频率、高功率密度、小体积和可N+X为特征,具备在线扩容、维护方便的特点。本文以这些特征要求为出发点,开展从主电路拓扑到控制的关键技术研究,包括能够实现高功率密度、损耗小的PFC和逆变器拓扑研究、对非理想电网适应性研究、高质量输出电压的波形控制研究、多模块并联技术研究等。本文主要进行了以下几个方面的研究:(1)三相PFC变换器是大功率UPS系统必须具备的环节,就目前而言有很多的拓扑形式。本文研究了三电平Boost变换器组合式三相PFC拓扑,该拓扑具有开关器件电压应力低,开关损耗小,可靠性高等优点。在分析双开关三电平三相PFC变换器工作原理和数学建模基础上,开展了基于数字化的平均电流设计,研究了单零点双极点补偿网络的电流环控制,可提高电流环低频段的开环增益,并能有效抑制输入电流的高频干扰和高频振荡。其次,研究了双开关三电平三相PFC变换器改进型获取电流基准的方法,以获得电流基准的相位信息。开展了非理想电网适应性研究,提出了改进型二阶广义积分器锁相方法,无论三相不平衡还是含有谐波分量,该锁相方法均可快速准确的获得电网电压正序分量的频率和相位信息。然后,针对三电平变换器的中点电位平衡问题,提出了基于零序电流注入的均压环中点电位控制方法,即将均压环输出的电压偏移量叠加到电网电压上,等效于在电流基准中注入零序电流,从而实现了对中线电流的控制,进而实现了对中点电位的控制。通过仿真和实验验证了以上控制的可行性。(2)根据逆变器能够输出三相和单相交流电的要求,本文采用三相四线制三电平逆变器拓扑形式,各相独立控制,具有100%抗负载不对称能力。首先分析了单相逆变器的工作原理,建立了系统的连续时间和离散空间数学模型,分析了电感和电容等效串联电阻对系统的影响。为了减小直流分量使输出电压具有更好的波形质量,采用载波反相层叠SPWM调制方法,使逆变器输出电压具有正负半周对称性。针对数字控制存在延时造成数字控制系统稳定性差和稳定范围窄的问题,提出了电感前后端电压作为反馈的双电压闭环控制策略,引入了输出电压微分因子,通过幅频与相频特性深入分析了该反馈环节的实质,该控制策略可显著改善逆变器系统的动态响应和稳定性,提高输出电压质量。另外,为了减小数字采样造成的延时,本文研究了数字采样双更新的SPWM实现方法,进一步提高了系统的动态响应。(3)驱动信号死区和数字控制滞后效应对逆变器动静态性能和输出电压波形畸变产生严重影响,本文对三电平逆变器的动静态性能进行了研究。把死区和数字控制滞后效应看作一种周期性扰动,提出超前型改进型重复控制,具体研究了误差收敛速度,稳态误差特性及超前环节设计,将该控制策略与双电压闭环结合提高了输出电压稳态精度和降低死区效应引起的电压波形失真。与通常死区补偿控制策略相比,该控制策略不需要检测电流极性,同时它省去了传统电流闭环中的电流传感器,可获得较快的动态响应和较高的稳态精度。本文还研究了重复控制中滤波器和相位超前环节的设计,提出根据重复控制系统的差分方程推导超前环节k值的方法。最后,通过仿真与实验验证了所提控制策略的有效性。(4)并联技术是模块化UPS的关键技术之一,其核心问题是解决并联系统的均流。首先分析了逆变器并联的环流特性及其与闭环控制之间的关系,理论分析表明,相角差对环流有更大的影响,闭环控制与均流之间存在矛盾。给出了幅值差和相角差调节的控制算法。并联控制采用分散逻辑控制法中的功率均分策略,研究了考虑输出阻抗阻性分量的并联均流控制策略,并对其进行了理论推导和仿真分析。精确同步控制是并联的关键,本文提出了基于SPI通信的同步锁相控制,可实现精确锁相,实现了三相逆变器均流控制。
[Abstract]:With the development of communication technology and information technology , the power supply capacity of UPS is higher than that of UPS . In order to reduce the time delay caused by digital sampling , this paper presents a new method for controlling the dynamic response and stability of the inverter system . The control strategy is used to improve the dynamic response and stability of the inverter system .

【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN86

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本文编号：1751040