高頻模塊化UPS及其并聯(lián)控制技術(shù)研究.pdf

1、實現(xiàn)UPS電源系統(tǒng)的模塊化、智能化、綠色化和高效節(jié)能是UPS電源系統(tǒng)的發(fā)展方向。實現(xiàn)UPS電源模塊化的關(guān)鍵是逆變器的并聯(lián)控制技術(shù)。按照模塊化的概念進(jìn)行UPS電源系統(tǒng)設(shè)計、實現(xiàn)高輸入功率因數(shù)和在線熱插拔并聯(lián)運行要解決控制上的很多問題，在工程方面也需要解決一系列的技術(shù)問題。一定意義上講，解決好工程問題也是理論研究結(jié)果走向?qū)嶋H應(yīng)用的重要一環(huán)。本文在實現(xiàn)UPS電源系統(tǒng)的模塊化、智能化、數(shù)字化、高頻化和綠色化方面開展了一些研究工作，針對采用分散邏

2、輯并聯(lián)控制策略的高頻模塊化UPS電源并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析和實驗研究。本文提出了一種新型雙Boost-PFC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)解決現(xiàn)有的雙Boost-PFC變換器由于兩個變換器之間存在耦合導(dǎo)致的兩路輸出直流母線電壓不平衡問題。通過對這種新型雙Boost-PFC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作模式研究，指出在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上可以等效為兩個彼此獨立的Boost-PFC變換器。這兩個等效變換器分別工作在市電的正負(fù)半波，這種彼此獨立的Boost變換器為實現(xiàn)輸

3、出直流母線電壓的解耦控制、獲得高輸入功率因數(shù)的同時得到穩(wěn)定對稱的雙直流母線電壓輸出奠定了基礎(chǔ),并為后級半橋逆變器提供對稱的直流電壓。本文建立了Boost變換器的數(shù)學(xué)模型和多臺逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在對多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，提出了并聯(lián)逆變器之間的有功環(huán)流和無功環(huán)流與逆變器的輸出阻抗、逆變器的輸出電壓幅值、相位之間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系。指出這種固態(tài)逆變器的并聯(lián)與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)有很大的不同，因此在并聯(lián)逆變器均流控制策略上

4、不能照搬電力系統(tǒng)中發(fā)動機(jī)的功率調(diào)節(jié)特性。本文提出了基于本文研究的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的雙Boost-PFC變換器的控制策略。該控制策略采用具有滯環(huán)控制的電流內(nèi)環(huán)和PI控制的電壓外環(huán)的獨立雙環(huán)雙回路控制，理論分析表明，兩套彼此獨立的雙回路控制系統(tǒng)分別對兩路直流母線電壓輸出進(jìn)行單獨控制，從而有效地解決了雙Boost-PFC變換器輸出直流母線電壓的耦合問題。在理論分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了實驗研究，實驗結(jié)果表明，該控制策略可以獲得比較好的控制效果。針對傳統(tǒng)

5、控制策略下Boost-PFC變換器產(chǎn)生輸入市電電流失真和不能獲得單位功率因數(shù)的缺點，研究了一種新型的采用電流前饋控制策略的Boost-PFC變換器的II控制方案。仿真研究表明，采用電流前饋控制策略以后可以補償過零點失真。本文提出了基于新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高頻鏈UPS實現(xiàn)模塊化并聯(lián)運行的控制策略。該控制策略包括高頻逆變器的并聯(lián)均流控制、內(nèi)/外同步控制、實現(xiàn)模塊化UPS在線熱插拔的綜合切換邏輯控制、旁路控制策略、模塊化并聯(lián)UPS電源的沖擊與短路保

6、護(hù)和過載保護(hù)綜合切換邏輯等。按照模塊化概念設(shè)計的逆變器進(jìn)行帶電工作狀態(tài)下的熱并入和熱退出（熱插拔）必須有相應(yīng)的控制策略和實現(xiàn)模塊化高頻UPS電源在線熱插拔的切換邏輯。本文詳細(xì)研究了并聯(lián)逆變器實現(xiàn)熱插拔的內(nèi)/外同步切換控制策略、均流控制策略和逆變器在線熱插拔的并聯(lián)邏輯切換策略、旁路控制策略，為逆變器在熱并聯(lián)的過程中實現(xiàn)逆變器的同步、正常并聯(lián)切換、負(fù)載均分控制奠定了基礎(chǔ)，確保了逆變器并機(jī)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在進(jìn)行理論研究的基礎(chǔ)上，以六臺單

7、機(jī)功率為3KVA的高頻模塊化UPS電源為實驗樣機(jī)，對采用上述控制策略的多模塊UPS電源的并聯(lián)控制系統(tǒng)進(jìn)行了實驗研究。實驗結(jié)果表明：處于并聯(lián)運行狀態(tài)的高頻模塊化UPS電源的并聯(lián)穩(wěn)定性、并聯(lián)模塊之間的負(fù)載電流均分能力、動態(tài)熱并聯(lián)的穩(wěn)定性和多模塊并聯(lián)系統(tǒng)的動態(tài)邏輯切換穩(wěn)定性等均比較理想。本文提出了基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的逆變器并聯(lián)控制策略和滑模變結(jié)構(gòu)控制（SMC）與傳統(tǒng)PID控制相融合的逆變器并聯(lián)控制策略。通過對滑模變結(jié)構(gòu)控制在逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中應(yīng)

8、用的理論研究，給出了離散滑?？刂魄袚Q函數(shù)，推導(dǎo)出切換函數(shù)的控制方程，并進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果表明采用SMC控制的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)具有良好的快速響應(yīng)性能，但存在穩(wěn)態(tài)高頻震蕩。采用滑模變結(jié)構(gòu)控制（SMC）與傳統(tǒng)PID控制相融合的逆變器并聯(lián)控制策略，則解決了單純SMC控制下逆變器并聯(lián)系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)高頻震蕩的問題。仿真研究證明了滑模變結(jié)構(gòu)控制和PI控制進(jìn)行融合的控制策略的控制性能，仿真結(jié)果表明：這種融合控制策略在并機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性、抗擾動能力、逆變單

9、元均流控制上都取得了很好的效果。基于工程應(yīng)用的需要，在本文提出的新型雙Boost－PFC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究了用于實際UPS電源系統(tǒng)的可以實現(xiàn)市電供電和蓄電池供電切換、具有直流母線預(yù)充電功能的主電路，給出了實現(xiàn)鎖相、輸出功率檢測、并聯(lián)UPS電源系統(tǒng)的沖擊保護(hù)、短路保護(hù)、過載保護(hù)綜合控制邏輯等功能的硬件電路，滿足了逆變器并聯(lián)系III統(tǒng)的沖擊、短路和過載保護(hù)要求。在多臺逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中對上述保護(hù)功能進(jìn)行了詳細(xì)的實驗研究，實驗結(jié)果證明