CN107968479A - 不间断电源系统 - Google Patents

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Abstract

一种不间断电源系统，包括：储能装置；变流器；并网控制电路；离网控制电路包括电压外环电路、电流内环电路和负载侧电流谐波抑制电路；模式切换开关以及控制电路；负载侧电流谐波抑制电路包括三相谐振滤波器，用于对三相负载电流中的预设次谐波进行提取并生成负载电流谐波补偿指令信号。上述不间断电源系统在并网过程中会对输出进行无功和谐波补偿，减少了电能损耗。离网控制电路在并网模式时不参与控制但会生成离网控制信号，从而在系统由并网切至离网模式时实现并网/离网模式的无缝切换。当不间断电源系统处于离网模式时，变流器对负载电流进行谐波补偿，将负载电流中的谐波含量抑制到最小，实现了对负载的高电能质量供电。

Description

不间断电源系统
技术领域
本发明涉及供电电源技术领域，特别是涉及一种不间断电源系统。
背景技术
随着近年来数据中心电源负荷的快速增长，能效指标要求越来越高。对于应用于高密度数据中心的不间断电源系统(UPS)，不仅要为IT设备供电，还要保证IT设备运行的空调等辅助设备供电，电源需求会持续增加。由于数据中心的高密度化是一种必然的趋势，因此对为其提供电力保障的UPS提出了全新的要求。传统的数据中心供电方式中，一般采用基于双变换技术的在线式UPS电源。这种在线式UPS的主要缺点是在强电网供电环境下的电能损耗较大，运行成本较高，并且，传统的UPS在电网电能质量差时不能有效的进行改善，因此不能满足数据中心高质量供电的需求。
发明内容
基于此，有必要一种能够向负载进行高电能质量供电的不间断电源系统。
一种不间断电源系统，包括：储能装置，用于存储并释放电能；变流器，连接于所述储能装置和公共连接点之间，用于根据并网控制信号或者离网控制信号对所述不间断电源系统的输出电压或者输出电流进行控制；并网控制电路，所述并网控制电路的输入端分别与所述公共连接点的市电侧、所述变流器的输出端连接；所述变并网控制电路的输出端与模式切换开关的并网接触点连接；所述并网控制电路用于根据市电电流中的谐波和无功分量提取谐波和无功补偿指令信号，并根据所述谐波和无功补偿指令信号、所述变流器输出端的输出电流反馈信号生成所述并网控制信号；离网控制电路，包括电压外环电路、电流内环电路和负载侧电流谐波抑制电路；所述电压外环电路的第一输入端与所述变流器的输出端连接，以接收所述变流器的输出电压反馈信号；所述电压外环电路的第二输入端用于接收电压环给定电压值；所述电压外环电路用于根据所述电压环给定电压值和所述输出电压反馈信号生成电流内环给定信号并输出给所述电流内环电路的第一输入端；所述负载侧电流谐波抑制电路连接于所述公共连接点的负载侧和所述电流内环电路的第二输入端之间；所述负载侧电流谐波抑制电路包括三相谐振滤波器，所述三相谐振滤波器用于对三相负载电流中的预设次谐波进行提取并生成负载电流谐波补偿指令信号；所述预设次谐波包括5次谐波、7次谐波、11次谐波和13次谐波中的至少一种谐波；所述电流内环电路的第三输入端与所述变流器的输出端连接，以接收所述变流器的输出电流反馈信号；所述电流内环电路的输出端与所述模式切换开关的离网触点连接；所述电流内环电路用于根据所述电流内环给定信号、所述负载电流谐波补偿指令信号和所述输出电流反馈信号生成所述离网控制信号；所述模式切换开关，所述模式切换开关的固定端与所述变流器的控制端连接；所述模式切换开关的活动端与所述并网触点或者所述离网触点连接；以及控制电路，与所述模式切换开关连接；所述控制电路用于在市电正常时控制所述模式切换开关接通并网触点，所述不间断电源系统进入并网模式；所述控制电路还用于在市电异常时控制所述模式切换开关接通离网触点，所述不间断电源系统进入离网模式。
在其中一个实施例中，所述负载侧电流谐波抑制电路还包括三相放大器和第一三相静止坐标转两相旋转坐标系变换模块；所述三相谐振滤波器的输入端与所述公共连接点的负载侧连接；所述三相谐振滤波器的输出端与所述三相放大器的输入端连接；所述三相放大器的输出端与所述第一三相静止坐标到两相旋转坐标系变换模块的输入端连接；所述第一三相静止坐标到两相旋转坐标系变换模块的输出端与所述电流内环电路的第二输入端连接。
在其中一个实施例中，所述三相谐振滤波器用于对负载电流中的5次谐波、7次谐波、11次谐波和13次谐波进行提取并根据提取出的谐波生成所述负载电流谐波补偿指令信号。
在其中一个实施例中，所述三相谐振滤波器的传输特性表达式为：
其中，RF(s)为谐振滤波器在复频域的传递函数表达式，s表示复频域，ωc为所述三相谐振滤波器的截止频率，ω为基波角频率，h为5，7，11和13；Kr为所述三相谐振滤波器增益。
在其中一个实施例中，还包括驱动信号发生器；所述驱动信号发生器连接于所述模式切换开关的固定端和所述变流器的控制端之间；所述驱动信号发生器用于根据所述并网控制信号或者所述离网控制信号生成驱动信号，以对所述变流器进行控制。
在其中一个实施例中，所述并网控制电路包括依次连接的谐波和无功电流提取电路、以及电流环控制电路；所述谐波和无功电流提取电路包括顺次连接的第二三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换模块、低通滤波器、第一两相旋转坐标到三相静止坐标系变换模块以及第一三相加法器；所述第二三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换模块的输入端连接于所述公共连接点的市电侧，且还与所述第一三相加法器的输入端连接；所述第二三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换模块用于对三相市电电流进行转换得到具有低频纹波的d轴直流量和q轴直流量后送入所述低通滤波器分别进行滤波处理；所述第一两相旋转坐标到三相静止坐标系变换模块用于将处理后的d轴直流量和q轴直流量转换成三相电网电流基波分量；所述第一三相加法器用于将谐波和无功电流提取电路得到的三相电网电流基波分量与所述三相市电电流进行相减后得到三相市电电流的谐波和无功补偿指令信号。
在其中一个实施例中，所述并网控制电路的电流环控制电路包括顺次连接的第二三相加法器和第一电流环控制器；所述第二三相加法器的输入端分别与所述第一三相加法器的输出端、变流器的输出端连接；所述第一电流环控制器的输出端与所述模式切换开关的并网触点连接；所述第二三相加法器用于将所述三相市电电流的谐波和无功补偿指令信号与所述输出电流反馈信号进行相减后得到三相误差信号；所述第一电流环控制器则用于根据所述三相误差信号进行闭环控制并生成三相并网控制信号。
在其中一个实施例中，所述电压外环电路包括相互串联的电压环加法器和电压环控制器；所述电压环加法器的第一输入端与所述变流器的输出端连接；所述电压环加法器的第二输入端用于接收所述电压环给定电压值；所述电压环加法器用于将所述电压环给定电压值与所述输出电压反馈信号进行相减得到电压误差信号；所述电压环控制器用于根据所述误差信号进行闭环控制并生成所述电流内环给定信号；所述电流内环电路包括顺次连接的电流环加法器和第二电流环控制器；所述电流环加法器的第一输入端与所述电压环控制器的输出端连接；所述电流环加法器的第二输入端与所述负载侧电流谐波抑制电路的输出端连接；所述电流环加法器的第三输入端与所述变流器的输出端连接；所述第二电流环控制器的输出端与所述模式切换开关的离网触点连接；所述第二电流环加法器用于将所述电流内环给定信号与所述输出电流反馈信号进行相减后，与所述负载电流谐波补偿指令信号相加得到电流误差信号；所述第二电流环控制器用于根据所述电流误差信号进行闭环控制并生成所述离网控制信号。
在其中一个实施例中，所述电压外环电路还包括第三三相静止坐标到两相旋转坐标系变换模块；所述电压环加法器包括电压环d轴加法器和电压环q轴加法器；所述电压环控制器包括电压环d轴控制器和电压环q轴控制器；所述第三三相静止坐标到两相旋转坐标系变换模块的输入端与所述变流器的输出端连接，所述第三三相静止坐标到两相旋转坐标系变换模块的输出端分别与所述电压环d轴加法器、电压环q轴加法器连接；所述电流内环电路还包括第四三相静止坐标到两相旋转坐标系变换模块和第二两相旋转坐标到三相静止坐标系变换模块；所述电流环加法器包括电流环d轴加法器和电流环q轴加法器；所述第二电流环控制器包括电流环d轴控制器和电流环q轴控制器；所述第四三相静止坐标到两相旋转坐标系变换模块的输入端与所述变流器的输出端连接；所述第四三相静止坐标到两相旋转坐标系变换模块的输出端分别与所述电流环d轴加法器、所述电流环q轴加法器连接；所述第二两相旋转坐标到三相静止坐标系变换模块的输入端分别与所述电流环d轴控制器、电流环q轴控制器的输出端连接，所述第二两相旋转坐标到三相静止坐标系变换模块的输出端则与所述模式切换开关的离网触点连接。
在其中一个实施例中，所述变流器为双向变流器；所述控制电路还用于对所述储能装置的电压或者剩余容量进行实时监测并输出电压值或者剩余容量值；所述不间断电源系统还包括比较电路；所述比较电路分别与所述控制电路、所述双向变流器连接；所述比较电路用于在并网模式时判断所述电压值或者所述剩余容量值是否低于预设值，并在所述电压值或者所述剩余容量值低于预设值时输出充电信号；所述变流器根据所述充电信号由逆变状态转为整流状态对所述储能装置进行充电。
上述不间断电源系统具有离网和并网两种工作模式。在市电正常时，不间断电源系统为并网模式，并网控制电路根据市电电流中的谐波和无功分量提取谐波和无功补偿指令并根据该谐波和无功补偿指令以及输出电流反馈信号生成并网控制信号，以对变流器的输出进行控制，从而将谐波和无功补偿电流注入到电网以进行谐波和无功补偿，进而对电网质量进行改善，减少了电能损耗，具有较高的电能质量。并且，在并网过程中，离网控制电路虽然不参与控制，但仍处于运行状态，其可以根据电压外环电路生成的电流内环给定信号、输出电流反馈信号以及负载侧电流谐波抑制电路输出的负载电流谐波补偿指令信号生成离网控制信号。负载侧电流谐波抑制电路包括三相谐振滤波器，三相谐振滤波器可以对负载电流中预设次谐波进行提取并根据提取出的预设次谐波生成负载电流谐波补偿指令信号。预设次谐波包括5次谐波、7次谐波、11次谐波和13次谐波中的至少一种谐波。因此，当不间断电源系统从并网模式切换至离网模式时，变流器可以根据离网控制电路输出的离网控制信号对其输出进行控制，从而实现并网/离网模式的无缝切换，避免了切换冲击引起的变流器过流保护中断供电问题。同时，不间断电源系统处于离网模式时，变流器在离网控制信号的控制下可以对负载电流中的预设次谐波进行谐波补偿，将负载电流中的谐波含量抑制到最小，实现了对负载的高电能质量供电。
附图说明
图1为一实施例中的不间断电源系统的电路框图；
图2为谐振滤波器的幅频特性；
图3是对谐振滤波器工作原理解释的效果示意图；
图4为一实施例中的不间断电源系统的电路原理图；
图5为不间断电源系统运行时对电能质量改善的效果示意图；
图6为不间断电源系统并网到离网无缝切换时的效果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为一实施例中的不间断电源系统的电路框图。该不间断电源系统包括储能装置110、变流器120、并网控制电路130、离网控制电路140、模式切换开关150、驱动信号发生器160以及控制电路。
储能装置110用于存储电能，从而可以向外输出电能以供负载进行正常工作。储能装置110可以采用不间断电源系统常用的电池类型来实现。
变流器120连接于储能装置110和公共连接点PCC之间。变流器120用于根据并网控制电路130输出的并网控制信号或者离网控制电路140输出的离网控制信号对不间断电源系统的输出电压或者输出电流进行控制，从而满足负载的供电需求。
并网控制电路130用于生成并网控制信号，并对并网过程中变流器120的工作进行控制。具体地，并网控制电路130的输入端分别与公共连接点PCC的市电侧、变流器120的输出端连接。并网控制电路130的输出端与模式切换开关150的并网触点连接。并网控制电路130用于根据市电电流中的谐波和无功分量提取谐波和无功补偿指令信号，并根据该谐波和无功补偿指令信号、变流器120输出端的输出电流反馈信号生成并网控制信号。具体地，并网控制电路130包括谐波和无功电流提取电路132和电流环控制电路134。谐波和无功电流提取电路132的输入端连接于公共连接点PCC的市电侧，输出端则与电流环控制电路134的输入端连接。电流环控制电路134的输入端还与变流器120的输出端连接，以接收变流器120的输出电流反馈信号。电流环控制电路134的输出端与模式切换开关150的并网触点连接。谐波和无功电流提取电路132用于根据市电电流中的谐波和无功分量提取谐波和无功补偿指令信号并送入到电流环控制电路134中。电流环控制电路134根据谐波和无功补偿指令信号以及变流器120的输出电流反馈信号生成并网控制信号。
离网控制电路140用于生成离网控制信号，以对离网过程中变流器120的工作进行控制。离网控制电路140包括电压外环电路142、负载侧电流谐波抑制电路144和电流内环电路146。其中，电压外环电路142的第一输入端与变流器120的输出端连接，以接收变流器120的输出电压反馈信号。电压外环电路142的第二输入端用于接收电压环给定电压值。电压外环电路142用于根据电压环给定电压值和输出电压反馈信号生成电流内环给定信号。电流内环电路146的第一输入端与电压外环电路142的输出端连接，以接收器输出的电流内环给定信号。电流内环电路146的第二输入端与负载侧电流谐波抑制电路144的输出端连接。电流内环电路146的第三输入端与变流器120的输出端连接，以接收变流器120的输出电流反馈信号。电流内环电路146的输出端与模式切换开关150的离网触点连接。负载侧电流谐波抑制电路144的输入端连接于公共连接点PCC的负载侧。负载侧电流谐波抑制电路144包括三相谐振滤波器1442。三相谐振滤波器1442用于对三相负载电流中的预设次谐波进行提取并生成负载电流谐波补偿指令信号。预设次谐波为三相负载电流中的若干次谐波，由用户进行设定或者由系统默认设定。在本实施例中，预设次谐波包括5次谐波、7次谐波、11次谐波和13次谐波中的至少一种谐波。5次谐波、7次谐波、11次谐波和13次谐波均为负载电流中谐波含量较大的谐波。也即，三相谐振滤波器1442可以对负载电流中谐波含量最大的谐波进行提取。在本实施例中，三相谐振滤波器1442用于对三相负载电流中的5次谐波、7次谐波、11次谐波和13次谐波进行提取，从而根据提取出的这些谐波分量生成负载电流谐波补偿指令信号，以输出补偿电流抵消负载电流中的主要谐波分量，将不间断电源系统中的谐波含量抑制到最小，实现对负载的高质量供电。三相谐振滤波器1442的表达式为：
其中，RF(s)为谐振滤波器在复频域的传递函数表达式，s表示复频域，ωc为三相谐振滤波器1442的截止频率。hω为对应次谐波的角频率，其中，ω为基波角频率，在本实施例中，基波频率为50Hz，也即ω＝2π×50(rad/s)；h＝5，7，11，13；Kr为三相谐振滤波器1442的增益，实现对三相谐振滤波器的预设次谐波补偿指令的放大作用。因此，经过三相谐振滤波器1442的滤波作用，只允许预设次谐波(5次谐波、7次谐波、11次谐波和13次谐波)等特定频率处的谐波实现无时延通过，而其他所有谐波均被衰减，不能通过该滤波器，进而实现对预设次谐波的提取。三相谐振滤波器1442包括分别设置在A相、B相和C相的谐振滤波器。图2为谐振滤波器的幅频特性。从图2中可以看出，谐振滤波器在250Hz(5次谐波)、350Hz(7次谐波)、550Hz(11次谐波)、650Hz(13次谐波)处对通过滤波器的负载电流信号的放大作用比较明显，而负载电流其他频率处的谐波都被衰减，无法通过该谐振滤波器。因此，最终负载电流通过该滤波器后只能包含5次、7次、11次和13次谐波，实现了对负载电流中的主要谐波分量提取。图3是对谐振滤波器工作原理解释的效果示意图。假设输入信号是A相负载电流iLA，其频谱特性包含基波、5次、7次、11次、13次、17次、19次、23次、25次、29次、31次谐波等，希望从负载电流信号中提取出5次、7次、11次、13次谐波指令信号。实际中，将A相负载电流通过谐振滤波器后，由通过谐振滤波器后生成的A相谐波补偿指令信号iLAh的波形和频谱可知，iLAh只包含有预设的5次(5th)、7次(7th)、11次(11th)、13次谐波(13th)，因此很好地实现了对负载电流中主要谐波分量的提取。
在本实施例中，负载侧电流谐波抑制电路144还包括三相放大器1444。三相放大器1444用于对三相谐振滤波器1442提取出的负载电流谐波补偿指令信号进行放大形成新的负载电流谐波补偿指令信号，并输出给电流内环电路146。放大器1444的放大系数可以根据实际输出谐波分量大小进行调整，且其为一负的整数。
电流内环电路146根据输入的电流内环给定信号、输出电流反馈信号以及负载电流谐波补偿指令信号生成离网控制信号。离网控制信号可以根据负载电流谐波补偿指令信号对负载电流进行谐波补偿，从而将负载电流中的谐波含量抑制到最小，实现了对负载的高电能质量供电。在本实施例中，并网控制电路130和离网控制电路140在不间断电源系统运行过程中一直处于运行状态，但是是否参与控制则需要根据模式切换开关150的状态来控制。
模式切换开关150的固定端与驱动信号发生器160的输入端连接，且与控制电路连接。模式切换开关150的活动端与模式切换开关150的并网触点或者离网触点连接。模式切换开关150用于在控制电路的控制下进行切换，从而对输出进行控制。驱动信号发生器160根据模式切换开关150的输出信号生成驱动信号，以对变流器120进行控制，进而控制变流器120对输出电压或者输出电流进行控制，以满足负载侧的供电质量需求。在本实施例中，控制电路包括监测电路172以及可控开关174。监测电路172用于监测市电是否正常，并在监测到市电正常时输出第一监测信号，在市电异常时也即市电中断供电或者市电发生急剧变化不稳定时输出第二监测信号。其中，第一监测信号用于控制模式切换开关150接通并网触点，第二监测信号则用于控制模式切换开关150接通离网触点。可控开关174连接在市电和公共连接点PCC之间。可控开关174在第一监测信号的控制下导通，使得不间断电源系统进入并网模式，其在第二监测信号的控制下断开，从而使得不间断电源系统进入离网模式。
控制电路在市电正常时控制模式切换开关接通并网触点，不间断电源系统进入并网模式。此时，模式切换开关150将并网控制模块130生成的并网控制信号输出给驱动信号发生器160。驱动信号发生器160根据该并网控制信号生成驱动信号至变流器120的控制端。变流器120在该驱动信号的控制下输出实际需要谐波和无功补偿电流注入到电网，与原来电网电流中的谐波和无功电流相抵消，从而实现电网电流正弦化、单位功率因数的效果，减小了电能损耗，提高了能效指数。控制电路在市电异常时，控制模式切换开关150接通离网触点，并断开并网触点，不间断电源系统进入离网模式，由不间断电源系统单独向负载供电。由于离网控制电路140在并网运行模式也处于运行状态。因此可以在切换完成时即将生成的离网控制信号输出给变流器120。变流器120可以根据该离网控制信号对不间断电源系统的输出电流进行控制，并对负载电流进行谐波补偿，从而抵消负载电流中的谐波分量，实现对负载的高电能质量供电。由于模式切换前后，离网控制电路140输出的离网控制信号相同，没有大的突变，从而降低了不间断电源系统由并网切换至离网模式时造成的切换冲击，实现并网/离网模式无缝切换。
上述不间断电源系统具有离网和并网两种工作模式。在市电正常时，不间断电源系统为并网模式，并网控制电路130根据市电电流中的谐波和无功分量提取谐波和无功补偿指令并根据该谐波和无功补偿指令以及输出电流反馈信号生成并网控制信号，以对变流器的输出进行控制，从而将谐波和无功补偿电流注入到电网以进行谐波和无功补偿，进而对电网质量进行改善，减少了电能损耗，具有较高的电能质量。并且，在并网过程中，离网控制电路140虽然不参与控制，但仍处于运行状态，其可以根据电压外环电路生成的电流内环给定信号、输出电流反馈信号以及负载侧电流谐波抑制电路输出的负载电流谐波补偿指令信号生成离网控制信号。负载侧电流谐波抑制电路包括三相谐振滤波器，三相谐振滤波器可以对负载电流中的预设次谐波进行提取并根据提取出的预设次谐波生成负载电流谐波补偿指令信号。预设次谐波包括5次谐波、7次谐波、11次谐波和13次谐波中的至少一种谐波。因此，当不间断电源系统从并网模式切换至离网模式时，变流器120可以根据离网控制电路140输出的离网控制信号对其输出进行控制，从而实现并网/离网模式的无缝切换，避免了切换冲击引起的变流器过流保护中断供电问题。同时，不间断电源系统处于离网模式时，通过负载侧电流谐波抑制电路144生成的负载电流谐波补偿指令信号可以对不间断电源系统输出电流中的预设次谐波进行谐波补偿，从而抵消负载电流中的谐波分量，进一步实现对负载的高电能质量供电。
在本实施例中，上述不间断电源系统还包括滤波电路180和电抗器190以及旁路开关(图中未示)。滤波电路180连接于变流器120的输出端和公共连接点PCC之间。滤波电路180用于对变流器120的输出电流进行滤波处理。具体地，滤波电路120为LC滤波电路。电抗器190连接于可控开关174和公共连接点PCC之间。电抗器190用于将市电与负载隔离开，确保电网侧电流的正弦化。旁路开关则连接于负载和市电之间，且与控制电路连接。旁路开关用于在不间断电源系统需要进行维修时导通，从而由市电直接向负载供电，确保不间断电源系统异常时负载仍能够正常工作。
图4为一实施例中的不间断电源系统的电路原理图。在本实施例中，谐波和无功电流提取电路132包括顺次连接的第二三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换模块(即第二abc/dq变换模块)1322、低通滤波器1324、第一两相旋转坐标到三相静止坐标系变换模块(即第一dq/abc变换模块)1326以及第一三相加法器1328。第二abc/dq变换模块1322的输入端连接于公共连接点PCC的市电侧，用于接收三相市电电流(igA、igB、igC)。第二abc/dq变换模块1322的输入端还与第一三相加法器1328的输入端连接，从而将三相市电电流(igA、igB、igC)输入至第一三相加法器1328中。第二abc/dq变换模块1322用于实现abc三相静止坐标系至dq两相旋转坐标系的转换，即将三相市电电流(igA、igB、igC)转换为含有低频纹波的d轴直流量Igdh和q轴直流量Igqh，并分别送入至低通滤波器1324中。低通滤波器1324分别对输入的d轴直流量Igdh和q轴直流量Igqh进行滤波处理以得到相应的纯净的d轴直流量Igd和q轴直流量Igq。第一dq/abc变换模块1326的输入端与低通滤波器1324的输出端连接，其输出端则与第一三相加法器1328的输入端连接。第一dq/abc变换模块1326用于将输入的d轴直流量Igd和q轴直流量Igq转换成三相电网电流基波分量(igAf、igBf、igCf)。一般三相电网电流可分解为基波电流、谐波和无功电流两部分，即：
igA＝igAf+igAh；
igB＝igBf+igBh；
igC＝igCf+igCh。
第一三相加法器1328则用于将三相电网电流基波分量(igAf、igBf、igCf)与三相市电电流(igA、igB、igC)进行相减后得到三相市电电流的谐波和无功补偿指令信号(igAhref、igBhref、igChref)，即：
igAf－igA＝igAf－(igAf+igAh)＝－igAh＝igAhref。
igBf－igB＝igBf－(igBf+igBh)＝－igBh＝igBhref。
igCf－igC＝igCf－(igCf+igCh)＝－igCh＝igChref。
电流环控制电路134顺次连接的第二三相加法器1342和第一电流环控制器1344。其中，第二三相加法器1342的输入端分别与第一三相加法器1328的输出端、以及变流器120的输出端连接。第二三相加法器1342的输出端则与第一电流环控制器1344的输入端连接。第一电流环控制器1344的输出端与模式切换开关150的并网触点1连接。第二三相加法器1342用于将第一三相加法器1328输出的谐波和无功补偿指令信号(igAhref、igBhref、igChref)与变流器120输出端的输出电流反馈信号(iA、iB、iC)进行相减后得到误差信号后送入到第一电流环控制器1344中。第一电流环控制器1344用于根据该误差信号进行闭环控制并生成三相并网控制信号(Varef1、Vbref1、Vcref1)。在本实施例中，第一电流环控制器1344为PI调节器。
电压外环电路142包括第三三相静止坐标到两相旋转坐标系变换模块(即第三abc/dq变换模块)310、电压环加法器以及电压环控制器。其中，电压环加法器包括电压环d轴加法器322和电压环q轴加法器324；电压环控制器同样包括电压环d轴控制器332和电压环q轴控制器334。第三abc/dq变换模块310的输入端与变流器120的输出端连接，其输出端则分别与电压环d轴加法器322、电压环q轴加法器324连接。电压环d轴加法器322与电压环d轴控制器332连接，电压环q轴加法器324则与电压环q轴控制器334连接。第三abc/dq变换模块310用于将变流器120输出端的三相输出电压(uA、uB、uC)转换为d轴电压反馈值Ud和q轴电压反馈值Uq后分别送入至电压环d轴加法器322和电压环q轴加法器324的第一输入端。电压环d轴加法器322的第二输入端则用于接收电压环d轴给定电压值Udref *。电压环q轴加法器324的第二输入端则用于接收电压环q轴给定电压值Uqref *。电压环d轴加法器322将输入的电压环d轴给定电压值Udref *与d轴电压反馈值Ud进行相减后得到误差信号后送入到电压环d轴控制器332中。电压环d轴控制器332用于根据该误差信号进行闭环控制并生成d轴电流内环给定信号Id *。电压环q轴加法器334和电压环q轴控制器332的工作原理类似，不重复说明。
负载侧电流谐波抑制电路144中的三相谐振滤波器1442包括分别设置在A相、B相、C相上的RF谐振滤波器，三相放大器1444则同样包括设置在A相、B相、C相上的放大器，从而对各相上的负载电流信号进行滤波以及放大处理。其中，Kv为放大器的放大系数。在本实施例中，负载侧电流谐波抑制电路144还包括第一三相静止坐标到两相旋转坐标系变换模块(第一abc/dq变换模块)1446。第一abc/dq变换模块1446的输入端与三相放大器1444的输出端连接，第一abc/dq变换模块1446的输出端则分别与电流内环电路146上的电流环d轴加法器352和电流环q轴加法器354。具体地，三相负载电流通过RF谐振滤波器后提取得到的负载电流谐波补偿指令信号iLAh、iLBh、iLCh全部经过放大器的放大后生成新的三相负载电流谐波补偿指令信号(iLAkh、iLBkh和iLCkh)，由于最终要将负载电流谐波补偿指令信号加到离网控制系统140中的电流环d轴和q轴上去，因此将已经生成的新的三相负载电流谐波补偿指令信号iLAkh、iLBkh和iLCkh通过第一abc/dq变换模块1446的转换作用生成dq坐标系下的d轴谐波补偿指令信号ILhd和q轴谐波补偿指令信号ILhq，即为最终的三相负载侧谐波补偿指令信号。
电流内环电路146包括第四三相静止坐标到两相旋转坐标系变换模块(即第四abc/dq变换模块)340、电流环加法器、第二电流环控制器以及第二两相旋转坐标到三相静止坐标系变换模块(即第二dq/abc变换模块)370。其中，电流环加法器包括电流环d轴加法器352和电流环q轴加法器354，第二电流环控制器同样包括电流环d轴控制器362和电流环q轴控制器364。第四abc/dq变换模块340的输入端与变流器120的输出端连接，以接收三相输出电流反馈信号(iA、iB、iC)。第四abc/dq变换模块340的输出端分别与电流环d轴加法器352的第三输入端、电流环q轴加法器354的第三输入端连接。电流环d轴加法器352的第二输入端与负载侧电流谐波抑制电路144中的累加加法器434的d轴输出端连接，以接收其输出的d轴负载侧谐波补偿指令信号ILhd。电流环q轴加法器354的第二输入端与负载侧电流谐波抑制电路144中的累加加法器434的q轴输出端连接，以接收其输出的q轴负载侧谐波补偿指令信号ILhq。电流环d加法器352的第一输入端则与电压环d轴控制器332的输出端连接，其输出端则与电流环d轴控制器362连接。电流环q轴加法器354的第一输入端与电压环q轴控制器334的输出端连接，其输出端则与电流环q轴控制器364连接。电流环d轴控制器362和电流环q轴控制器364的输出端分别与第二dq/abc变换模块370的输入端连接。第二dq/abc变换模块370的输出端则与模式切换开关150的离网触点2连接。其中，第四abc/dq变换模块340用于将变流器120的三相输出电流(iA、iB、iC)转换为d轴电流Id和q轴电流Iq并分别送入至电流环d轴加法器352和电流环q轴加法器354中。电流环d轴加法器352将输入的d轴电流内环给定信号Id *和d轴电流Id相减后与d轴谐波补偿指令信号ILhd相加得到误差信号并送入到电流环d轴控制器362以生成d轴控制信号udo。同样的，电流环q轴控制器也会生成q轴控制信号uqo。第二dq/abc变换模块370根据输入的d轴控制信号udo以及q轴控制信号uqo生成三相离网控制信号(Varef2、Vbref2、Vcref2)。在本实施例中，第二电流环控制器和电压环控制器均为PI调节器。
上述不间断电源系统的工作原理如下：
在系统启动后，监测电路172持续工作，监测市电是否正常。
在市电正常时，监测电路172输出第一监测信号控制可控开关174导通，不间断电源系统进入并网模式。此时，模式切换开关150接至并网触点1，从而由并网控制电路130输出的并网控制信号(Varef1、Vbref1、Vcref1)经由驱动信号发生器生成驱动信号后对变流器120的输出进行控制。变流器120根据接收到的驱动信号输出实际需要的谐波和无功补偿电流并注入到电网，和原来电网电流中的谐波和无功电流相抵消，从而实现电网电流正弦化、单位功率因数的效果。图5为不间断电源系统并网运行时对PCC点A相电能质量改善的示意图。在t0时刻之前，不间断电源系统没有并入电网，由市电给负载供电。当负载A相电流中含有谐波时，A相电网电流igA波形畸变严重，同时PCC点处A相电压超前A相电流，说明A相电网电流igA中无功分量也比较大，需要补偿。在t0时刻，UPS电源系统投入，并入电网，对A相电网电流中的谐波和无功进行补偿。因为电网电流可分解为基波电流和谐波加无功电流两部分，即igA＝igAf+igAh。UPS输出谐波和无功补偿电流对电网电流中的谐波及无功进行补偿。补偿后，A相电网电流波形变为纯正弦，A相电流和电压相位一致，消除了无功，只存在有功分量，因此很好的完成电能质量改善的功能，降低电能损耗。
在并网模式时，监测电路172还对储能装置110的电压或者剩余电量进行监测并输出电压值和剩余电量值。不间断电源系统则还包括比较电路(图中未示)。比较电路的其中一个输入端与监测电路172连接，另一输入端则用于接收预设值，输出端则与变流器120的控制端连接。比较电路用于将输入电压值或者剩余容量值与预设值进行比较，判断电池电压值或者剩余容量值是否低于预设值，如果是则输出充电信号(为电平信号)。变流器120在该充电信号的控制下由逆变状态转换为整流状态，对市电进行整流后给储能装置110进行充电。在系统启动后，监测电路172以及比较电路一直处于工作状态，从而实现并网过程中对储能装置110充电的控制。离网控制电路在并网模式时，也处于运行状态，但是并不参与控制过程。
在并网模式时，不间断电源系统与电网并网运行，但同时监测电路172会对市电的三相电压进行实时监测。一旦监测到市电异常或中断，可控开关174将被断开，不间断电源系统进入离网模式。模式切换开关150则由第一触点1转接至第二触点2。离网控制电路140将生成的离网控制信号(Varef2、Vbref2、Vcref2)通过第二触点2送入到驱动信号发生器160中以生成驱动信号。变流器120在该驱动信号的控制下对其输出进行控制，从而给负载供电。图6为不间断电源系统并网到离网无缝切换时的A相效果示意图。在t0时刻之前，不间断电源系统并网运行，由市电给重要负载供电，同时变流器从市电取电给储能装置充电，即igA＝iLA+iA。由于充电电流iA很小，因此负载电流iLA几乎等于市电电流igA。在t0时刻，UPS电源系统从并网模式切换到离网模式，市电电流igA为零，变流器120从充电状态切换到逆变工作状态，由储能装置110经变流器120给负载供电，此时负载电流iLA完全等于UPS输出电流iA，即iLA＝iA。在离网过程中，离网控制电路140能够提取负载电流中的预设次谐波分量，变流器120在离网控制信号(Varef2、Vbref2、Vcref2)的控制下可以对负载电流进行谐波补偿，将负载电流中的谐波含量抑制到最小，实现了对负载的高电能质量供电。
当市电电压恢复正常时，可控开关174将被重新闭合，由市电给重要负载供电，并根据市电电流中的谐波和无功分量进行谐波和无功补偿，改善PCC点的电能质量。
上述不间断电源系统在强电网情况下耗能最少，能效最高，维护成本极低，其电池的寿命远长于传统UPS。而且整套系统可以安装在户外，为用户节约宝贵的室内空间。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种不间断电源系统，其特征在于，包括：
储能装置，用于存储并释放电能；
变流器，连接于所述储能装置和公共连接点之间，用于根据并网控制信号或者离网控制信号对所述不间断电源系统的输出电压或者输出电流进行控制；
并网控制电路，所述并网控制电路的输入端分别与所述公共连接点的市电侧、所述变流器的输出端连接；所述变并网控制电路的输出端与模式切换开关的并网接触点连接；所述并网控制电路用于根据市电电流中的谐波和无功分量提取谐波和无功补偿指令信号，并根据所述谐波和无功补偿指令信号、所述变流器输出端的输出电流反馈信号生成所述并网控制信号；
离网控制电路，包括电压外环电路、电流内环电路和负载侧电流谐波抑制电路；所述电压外环电路的第一输入端与所述变流器的输出端连接，以接收所述变流器的输出电压反馈信号；所述电压外环电路的第二输入端用于接收电压环给定电压值；所述电压外环电路用于根据所述电压环给定电压值和所述输出电压反馈信号生成电流内环给定信号并输出给所述电流内环电路的第一输入端；所述负载侧电流谐波抑制电路连接于所述公共连接点的负载侧和所述电流内环电路的第二输入端之间；所述负载侧电流谐波抑制电路包括三相谐振滤波器，所述三相谐振滤波器用于对三相负载电流中的预设次谐波进行提取并生成负载电流谐波补偿指令信号；所述预设次谐波包括5次谐波、7次谐波、11次谐波和13次谐波中的至少一种谐波；所述电流内环电路的第三输入端与所述变流器的输出端连接，以接收所述变流器的输出电流反馈信号；所述电流内环电路的输出端与所述模式切换开关的离网触点连接；所述电流内环电路用于根据所述电流内环给定信号、所述负载电流谐波补偿指令信号和所述输出电流反馈信号生成所述离网控制信号；
所述模式切换开关，所述模式切换开关的固定端与所述变流器的控制端连接；所述模式切换开关的活动端与所述并网触点或者所述离网触点连接；以及
控制电路，与所述模式切换开关连接；所述控制电路用于在市电正常时控制所述模式切换开关接通并网触点，所述不间断电源系统进入并网模式；所述控制电路还用于在市电异常时控制所述模式切换开关接通离网触点，所述不间断电源系统进入离网模式。
2.根据权利要求1所述的不间断电源系统，其特征在于，所述负载侧电流谐波抑制电路还包括三相放大器和第一三相静止坐标转两相旋转坐标系变换模块；所述三相谐振滤波器的输入端与所述公共连接点的负载侧连接；所述三相谐振滤波器的输出端与所述三相放大器的输入端连接；所述三相放大器的输出端与所述第一三相静止坐标到两相旋转坐标系变换模块的输入端连接；所述第一三相静止坐标到两相旋转坐标系变换模块的输出端与所述电流内环电路的第二输入端连接。
3.根据权利要求1所述的不间断电源系统，其特征在于，所述三相谐振滤波器用于对负载电流中的5次谐波、7次谐波、11次谐波和13次谐波进行提取并根据提取出的谐波生成所述负载电流谐波补偿指令信号。
4.根据权利要求3所述的不间断电源系统，其特征在于，所述三相谐振滤波器的传输特性表达式为：
<mrow> <mi>R</mi> <mi>F</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munder> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>h</mi> <mo>=</mo> <mn>5</mn> <mo>,</mo> <mn>7</mn> <mo>,</mo> <mn>11</mn> <mo>,</mo> <mn>13</mn> </mrow> </munder> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>K</mi> <mi>r</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>c</mi> </msub> <mi>s</mi> </mrow> <mrow> <msup> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>c</mi> </msub> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>h</mi> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
其中，RF(s)为谐振滤波器在复频域的传递函数表达式，s表示复频域，ωc为所述三相谐振滤波器的截止频率，ω为基波角频率，h为5，7，11和13；Kr为所述三相谐振滤波器增益。
5.根据权利要求1所述的不间断电源系统，其特征在于，还包括驱动信号发生器；所述驱动信号发生器连接于所述模式切换开关的固定端和所述变流器的控制端之间；所述驱动信号发生器用于根据所述并网控制信号或者所述离网控制信号生成驱动信号，以对所述变流器进行控制。
6.根据权利要求1所述的不间断电源系统，其特征在于，所述并网控制电路包括依次连接的谐波和无功电流提取电路、以及电流环控制电路；
所述谐波和无功电流提取电路包括顺次连接的第二三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换模块、低通滤波器、第一两相旋转坐标到三相静止坐标系变换模块以及第一三相加法器；所述第二三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换模块的输入端连接于所述公共连接点的市电侧，且还与所述第一三相加法器的输入端连接；所述第二三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换模块用于对三相市电电流进行转换得到具有低频纹波的d轴直流量和q轴直流量后送入所述低通滤波器分别进行滤波处理；所述第一两相旋转坐标到三相静止坐标系变换模块用于将处理后的d轴直流量和q轴直流量转换成三相电网电流基波分量；所述第一三相加法器用于将谐波和无功电流提取电路得到的三相电网电流基波分量与所述三相市电电流进行相减后得到三相市电电流的谐波和无功补偿指令信号。
7.根据权利要求6所述的不间断电源系统，其特征在于，所述并网控制电路的电流环控制电路包括顺次连接的第二三相加法器和第一电流环控制器；所述第二三相加法器的输入端分别与所述第一三相加法器的输出端、变流器的输出端连接；所述第一电流环控制器的输出端与所述模式切换开关的并网触点连接；所述第二三相加法器用于将所述三相市电电流的谐波和无功补偿指令信号与所述输出电流反馈信号进行相减后得到三相误差信号；所述第一电流环控制器则用于根据所述三相误差信号进行闭环控制并生成三相并网控制信号。
8.根据权利要求1所述的不间断电源系统，其特征在于，所述电压外环电路包括相互串联的电压环加法器和电压环控制器；所述电压环加法器的第一输入端与所述变流器的输出端连接；所述电压环加法器的第二输入端用于接收所述电压环给定电压值；所述电压环加法器用于将所述电压环给定电压值与所述输出电压反馈信号进行相减得到电压误差信号；所述电压环控制器用于根据所述误差信号进行闭环控制并生成所述电流内环给定信号；
所述电流内环电路包括顺次连接的电流环加法器和第二电流环控制器；所述电流环加法器的第一输入端与所述电压环控制器的输出端连接；所述电流环加法器的第二输入端与所述负载侧电流谐波抑制电路的输出端连接；所述电流环加法器的第三输入端与所述变流器的输出端连接；所述第二电流环控制器的输出端与所述模式切换开关的离网触点连接；所述第二电流环加法器用于将所述电流内环给定信号与所述输出电流反馈信号进行相减后，与所述负载电流谐波补偿指令信号相加得到电流误差信号；所述第二电流环控制器用于根据所述电流误差信号进行闭环控制并生成所述离网控制信号。
9.根据权利要求8所述的不间断电源系统，其特征在于，所述电压外环电路还包括第三三相静止坐标到两相旋转坐标系变换模块；所述电压环加法器包括电压环d轴加法器和电压环q轴加法器；所述电压环控制器包括电压环d轴控制器和电压环q轴控制器；所述第三三相静止坐标到两相旋转坐标系变换模块的输入端与所述变流器的输出端连接，所述第三三相静止坐标到两相旋转坐标系变换模块的输出端分别与所述电压环d轴加法器、电压环q轴加法器连接；
所述电流内环电路还包括第四三相静止坐标到两相旋转坐标系变换模块和第二两相旋转坐标到三相静止坐标系变换模块；所述电流环加法器包括电流环d轴加法器和电流环q轴加法器；所述第二电流环控制器包括电流环d轴控制器和电流环q轴控制器；所述第四三相静止坐标到两相旋转坐标系变换模块的输入端与所述变流器的输出端连接；所述第四三相静止坐标到两相旋转坐标系变换模块的输出端分别与所述电流环d轴加法器、所述电流环q轴加法器连接；所述第二两相旋转坐标到三相静止坐标系变换模块的输入端分别与所述电流环d轴控制器、电流环q轴控制器的输出端连接，所述第二两相旋转坐标到三相静止坐标系变换模块的输出端则与所述模式切换开关的离网触点连接。
10.根据权利要求1所述的不间断电源系统，其特征在于，所述变流器为双向变流器；所述控制电路还用于对所述储能装置的电压或者剩余容量进行实时监测并输出电压值或者剩余容量值；
所述不间断电源系统还包括比较电路；所述比较电路分别与所述控制电路、所述双向变流器连接；所述比较电路用于在并网模式时判断所述电压值或者所述剩余容量值是否低于预设值，并在所述电压值或者所述剩余容量值低于预设值时输出充电信号；所述变流器根据所述充电信号由逆变状态转为整流状态对所述储能装置进行充电。
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