三相UPS输出电压不平衡控制的研究与实现

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作者：廖慧张波陈艳峰

来源：《湖南大学学报·自然科学版》2012年第09期

摘要：三相电压的对称输出是衡量交流电源性能的一个重要指标.为了在不平衡负载和非线性负载等条件下获得高质量的输出电压波形,分析了三相UPS输出电压不平衡的机理,提出了在正/负序同步参考坐标系下,应用基于DSP的重复控制与PI控制的复合控制方案,功率开关管采用空间矢量调制(SVPWM)方式,基本消除了负序电压分量,有效地抑制了零序电压分量和谐波分量.研制了30～500 kVA UPS样机,实验结果验证了控制方案的有效性.

关键词：三相UPS; 不平衡负载; 重复控制

中图分类号： TM762 文献标识码：A

输出电压的对称性是衡量三相交流电源性能的一个重要指标,三相输出电压不平衡的抑制对大功率UPS的控制尤为重要.UPS逆变器若采用半桥式结构,在直流母线上的两个串联电容的中点和交流输出的中性点相连,三相可独立控制［1］,但电容在单相负载时必须承受全负载相电流,所需电容量较大,直流电压利用率低.若采用三相四桥臂结构,则具有固有的不平衡消除能力,但开关频率低,限制了调节带宽,也不适用于输入输出隔离的逆变器［2］.对于大功率UPS,应用最多的还是三相四线式结构,在三桥臂逆变器和负载间有隔离变压器,变压器次级绕组的Y0接法给负载不平衡所产生的中线电流提供一个通路,Δ形连接的初级绕组让三相不平衡所产生的零序电流在变压器初级绕组线圈内形成环流［3］.

UPS带平衡负载运行时,基于同步旋转坐标系的PI控制器能使输出电压很好地跟踪参考正弦信号［3-4］,但是这种控制器在不平衡负载下的补偿作用是有限的.为此,文献［5］提出了使用两组PI控制器,一组在同步旋转坐标系下的PI控制器用于正序分量的调节,另一组在

反向旋转坐标系下的PI控制器补偿负序分量的影响.这种方法改善了逆变器输出在不平衡线性负载下运行的性能,但对于非线性负载来说起不到很好的谐波抑制作用.文献［6］加入了谐波补偿器,针对5次、7次谐波进行了补偿,在输出电压不平衡和谐波抑制方面都取得了很好的效果.但控制系统复杂,且只能对特定阶次谐波进行补偿.

文中分析了三相UPS输出电压不平衡产生的机理,结合重复控制和PI控制的优点,分别使用两组重复控制与PI复合控制器控制正序和负序电压,有效地抑制了UPS三相输出电压的不平衡和谐波分量,样机验证了理论分析结果的有效性.