CN105071524A - Ups电源控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种UPS电源控制系统，该系统包括：三相市电输入，三电平逆变器，蓄电池组，控制电路；第一蓄电池组Ubat1和第二组蓄电池组Ubat2分别串联连接到三电平逆变器直流输入端，两组蓄电池组的中点连接到电网的中心点O，市电通过开关K1、电感L2与逆变器输出端相连；在市电正常时，市电通过电感与逆变器并联运行共同给负载供电；当市电电压有零序分量，负序分量，谐波分量以及市电电压波动，三相负载不平衡时，UPS电源维持恒定的三相平衡电压输出，负载的总有功功率与蓄电池充放电有功功率由三相市电对称平衡供给。本发明提供了一种多功能高效率UPS电源控制系统，UPS维持恒定的三相平衡电压输出。

Description

UPS电源控制系统
技术领域
本发明涉及电学领域，尤其涉及一种UPS电源控制系统。
背景技术
传统UPS(UninterruptiblePowerSystem/UninterruptiblePowerSupply，不间断电源)大致分为双变换、后备式和互动式三种。其中双变换UPS主要由整流器、逆变器、旁路开关和后备电池组等四部分组成；逆变器向负载提供连续的高质量电源，可消除电网电压波动、谐波失真、频率波动及干扰产生的影响；但是由于双变换UPS的输入电能经过了交流变直流，直流再变成交流的两级变换，存在着系统复杂、效率低下以及成本高等问题。
后备式和互动式UPS由逆变器、旁路开关和后备电池组组成；与双变换UPS的主要区别在于只有一级变换器，市电正常时变换器不运行或者只作为充电器运行，市电异常时变换器才作为逆变器运行给负载供电。后两种UPS的优点是结构简单成本低廉，市电模式下工作效率高；缺点是市电模式下输出电压稳定精度不高，无法消除电网的波动，谐波，以及干扰等，所以一般只用于对电能质量要求不高的场所。
因此，有必要提出一种新的电路拓扑结构以实现高电能质量、高系统效率，成本低的UPS以解决上述问题。
发明内容
本公开要解决的一个技术问题是如何提出一种新的电路拓扑结构以实现高电能质量、高系统效率，成本低的UPS电源控制系统。
本公开提供一种不间断电源UPS电源控制系统，其特征在于，包括：三相市电输入，三电平逆变器，蓄电池组，控制电路，蓄电池组包括第一蓄电池组Ubat1和第二组蓄电池组Ubat2，第一蓄电池组Ubat1和第二组蓄电池组Ubat2分别串联连接到三电平逆变器直流输入端，两组蓄电池组的中点连接到电网的中心点O，市电通过开关K1、电感L2与逆变器输出端相连；其中，在市电正常时，市电通过电感与逆变器并联运行共同给负载供电；当市电电压有零序分量，负序分量，谐波分量以及市电电压波动，三相负载不平衡时，UPS电源维持恒定的三相平衡电压输出，负载的总有功功率与蓄电池充放电有功功率由三相市电对称平衡供给。
进一步地，三相市电正常时，UPS输出端与市电之间的开关K1闭合，市电与UPS并联运行，开关K3闭合后共同给负载Z供电。
进一步地，所述UPS电源的三相均采用正弦脉宽调制SPWM调制策略进行分别控制，其中，所述UPS的三相具有相同的控制结构。
进一步地，市电侧有功功率闭环采用比例积分控制器，有功功率参考值为三相负载总有功功率与蓄电池充放电有功功率之和的三分之一，有功功率的反馈值为各相电网侧有功功率，有功功率闭环输出乘以cosθ为电网电流瞬时值有功分量参考值。
进一步地，UPS电源输出电压有效值闭环采用比例积分控制器，输出电压有效值参考值为常数，有效值闭环输出乘以sinθ即为电网电流瞬时值无功分量参考值。
进一步的，当市电电压有零序分量，负序分量，谐波分量以及市电电压波动，三相负载不平衡时，UPS硬件的连接关系不变，开关K1，K3闭合。
本公开提供的UPS电源控制系统，UPS电源实现了在市电电压有零序分量，负序分量，谐波分量，市电电压波动，以及负载不平衡时，UPS维持恒定的三相平衡电压输出，负载的总有功功率由市电三相平衡供给，提供了一种多功能高效率UPS电源，并且以一级变换装置实现了UPS三相稳定平衡电压输出、蓄电池充放电控制及均压控制，节省了成本，提高了额定工况下UPS的效率，带负载能力强，动态响应特性好。
附图说明
图1示出本发明一实施例的UPS电源控制系统的结构示意图。
图2示出本发明一个实施例的UPS电源的控制框图。
图3示出市电正常时多功能高效率UPS电源的控制框图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。
图1示出本发明一实施例的UPS电源控制系统的结构示意图，如图1所示，该UPS电源控制包括：包括：三相市电输入，三电平逆变器，蓄电池组，控制电路，其中，第一蓄电池组Ubat1和第二组蓄电池组Ubat2分别串联连接到三电平逆变器直流输入端，两组蓄电池组的中点连接到电网的中心点O，市电通过开关K1、电感L2与逆变器输出端相连；其中，本发明在市电正常时，市电通过电感与逆变器并联运行共同给负载供电，当市电电压有零序分量，负序分量，谐波分量以及市电电压波动，三相负载不平衡时，UPS维持恒定的三相平衡电压输出，负载的总有功功率与蓄电池充放电有功功率由三相市电对称平衡供给。
在一个实施例中，当市电电压有零序分量，负序分量，谐波分量以及市电电压波动，三相负载不平衡时，UPS硬件的连接关系不变，开关K1，K3闭合。
本发明实施例的UPS电源控制系统，UPS电源实现了在市电电压有零序分量，负序分量，谐波分量，市电电压波动，以及负载不平衡时，UPS维持恒定的三相平衡电压输出，负载的总有功功率由市电三相平衡供给，提供了一种多功能高效率UPS电源，并且以一级变换装置实现了UPS三相稳定平衡电压输出、蓄电池充放电控制及均压控制，节省了成本，提高了额定工况下UPS的效率，带负载能力强，动态响应特性好。
在一个实施例中，所述UPS电源的三相均采用正弦脉宽调制SPWM调制策略进行分别控制，其中，所述UPS的三相具有相同的控制结构。
参照图1，所述UPS电源包括三相市电输入，三电平逆变器，蓄电池组，控制电路，其中，三电平逆变器为3个T型半桥结构，L1(a,b,c)与C1(a,b,c)构成逆变器的滤波电路。蓄电池组Ubat1与Ubat2串联连接到三电平逆变器直流输入端，蓄电池组的中点与电网中性点以及负载中性点连接在一起(点O)。市电Ug通过开关K1，电感L2与逆变器输出端Uinv相连，逆变器输出端Uinv通过开关K3与负载输出端Uo相连，市电Ug还通过旁路开关K2与负载输出端Uo相连。
当市电异常时，开关K1和K2断开，K3闭合，UPS处于独立工作模式，图2示出本发明一个实施例的UPS电源的控制框图，如图2所示，由输出电压Uo有效值环，电压电流瞬时值环组成。瞬时电压参考值的相位θ由控制芯片根据设定频率查表或计算得到。电压有效值闭环采用比例积分调节器，电压有效值环给定值为220V，电压有效值闭环的输出乘以cosθ即为UPS瞬时电压参考值瞬时电压闭环采用比例积分调节器(PI1)，调节器输出为电感电流给定值iloada为负载电流，电感电流闭环采用比例积分调节器(PI2)，调节器输出采用SPWM调制控制开关管的开通或关断。
市电正常时，开关K2断开，K1和K3闭合，UPS与市电并联运行共同向负载供电。图3示出市电正常时多功能高效率UPS电源的控制框图，由多个控制环路组成。相位角θ通过数字锁相算法得到，为当前市电正序电压分量的相位角，cosθ为单位幅值的a相正序电压的瞬时值。该控制系统具有两个有效值闭环，一个是有功功率闭环，一个是输出电压有效值闭环。市电侧a,b,c三相有功功率的参考值均相同其中Ploada，Ploadb,Ploadc,Pbat分别为a,b,c三相负载的有功功率及蓄电池的充放电有功功率，反馈值均为各相的市电侧有功功率Pga，Pgb，Pgc。有功功率闭环采用比例积分控制器(PI1)，有功功率闭环输出乘以cosθ即为电网电流瞬时值有功分量参考值。
需要指出的是，市电侧电流及功率计算均是采用电感L2上流过的电流，例如iga＝iL2a，igb＝iL2b，igc＝iL2c。UPS输出电压有效值闭环采用比例积分控制器(PI2)，输出电压有效值参考值为常数，例如可为220V，反馈值分别为各相输出电压的有效值Uoa,Uob,Uoc，有效值闭环输出乘以sinθ即为电网电流瞬时值无功分量参考值。两个有效值闭环输出之和即为市电侧瞬时电流的参考值
上述描述了有效值控制，接下来就是瞬时值控制环。市电侧电网电流瞬时值参考由两个有效值闭环得到，市电侧电网电流瞬时值反馈则分别为各相的瞬时值电流iga，igb，igc。UPS市电侧电网电流瞬时值闭环采用准比例谐振控制器，传递函数为 G Q P R ( s ) = K P + 2 K R ω c s / ( s 2 + 2 ω c s + ω g 2 ) . 其中：s为复频域算子，ωg为市电电压的角频率，例如可为50Hz，ωc为与高增益区带宽相关的一个角频率，Kp与Kr为控制系数。该准比例谐振控制器的输出为UPS输出侧瞬时电压参考值Uinv为UPS电容C上的电压。当开关K3闭合时，Uinv与UPS负载侧输电电压Uo相同。输出电压瞬时值环采用比例积分控制器(PI3)，该控制器的输出为电感电流iL1的参考值电感电流瞬时值控制采用比例积分控制器(PI4)，iL1a，iL1b，iL1c为a，b，c三相的L1电感上的电流值，iloada，iloadb，iloadc为三相负载电流。比例积分控制器PI4的输出经过SPWM(SinusoidalPulseWidthModulation，正弦脉宽调制)调制后直接控制各相三电平半桥开关管的导通与关断。
本发明提出的多功能高效率UPS电源及其控制方法实现了在市电电压有零序分量，负序分量，谐波分量，市电电压波动以及负载三相不平衡情况下，UPS能保持恒定的三相平衡电压输出，并且负载的总有功功率由市电三相平衡供给，该新型UPS为电网的友好负载，对电网无谐波污染。该UPS仅有一级变换装置，结构简单，成本低，效率高，动态特性好，带负载能力强，能满足多功能要求。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (8)

1.一种不间断电源UPS电源控制系统，其特征在于，包括：三相市电输入，三电平逆变器，蓄电池组，控制电路；蓄电池组包括第一蓄电池组Ubat1和第二组蓄电池组Ubat2，第一蓄电池组Ubat1和第二组蓄电池组Ubat2分别串联连接到三电平逆变器直流输入端，两组蓄电池组的中点连接到电网的中心点O，市电通过开关K1、电感L2与逆变器输出端相连；
其中，在市电正常时，市电通过电感与逆变器并联运行共同给负载供电；当市电电压有零序分量，负序分量，谐波分量以及市电电压波动，三相负载不平衡时，UPS电源维持恒定的三相平衡电压输出，负载的总有功功率与蓄电池充放电有功功率由三相市电对称平衡供给。
2.根据权利要求1所述的UPS电源控制系统，其特征在于，三相市电正常时，UPS输出端与市电之间的开关K1闭合，市电与UPS并联运行，开关K3闭合后共同给负载Z供电。
3.根据权利要求1，2所述的多功能高效率UPS电源控制系统，其特征在于，所述UPS电源的三相均采用正弦脉宽调制SPWM调制策略进行分别控制，其中，所述UPS的三相具有相同的控制结构。
4.根据权利要求3所述的UPS电源控制系统，其特征在于，市电侧有功功率闭环采用比例积分控制器，有功功率参考值为三相负载总有功功率与蓄电池充放电有功功率之和的三分之一，有功功率的反馈值为各相电网侧有功功率，有功功率闭环输出乘以cosθ为电网电流瞬时值有功分量参考值。
5.根据权利要求3所述的UPS电源控制系统，其特征在于，UPS电源输出电压有效值闭环采用比例积分控制器，输出电压有效值参考值为常数，有效值闭环输出乘以sinθ即为电网电流瞬时值无功分量参考值。
6.根据权利要求3所述的UPS电源控制系统，其特征在于，UPS电源控制系统的市电侧电网电流瞬时值闭环采用准比例谐振控制器，传递函数为其中，s为复频域算子，ωg为市电电压的角频率，ωc为与高增益区带宽相关的一个角频率，Kp与Kr为控制系数，电网电流参考值为电网电流瞬时值有功分量参考值与电网电流瞬时值无功分量参考值之和，所述准比例谐振控制器的输出为UPS电源输出侧瞬时电压参考值。
7.根据权利要求3所述的UPS电源控制系统，其特征在于，UPS电源输出侧瞬时电压电流均采用比例积分控制。
8.根据权利要求1所述的UPS电源控制系统，其特征在于，当市电电压有零序分量，负序分量，谐波分量以及市电电压波动，三相负载不平衡时，UPS硬件的连接关系不变，开关K1，K3闭合。
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