全数字控制、模块化的UPS设计方案.pdf-资料库

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南京航空航天大学硕士学位论文模块化UPS研究姓名：王亮平申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：邢岩20090201

南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘要近几年来，模块化可并联UPS电源系统在各电力行业、通信运行企业中得到了较为广泛的应用，它具有高可靠性、易拓展性、便于维护性和供电灵活等优点。本文分析研究了在线式UPS系统中的TL-HB PWM整流器模块和三电平半桥逆变器模块。对于TL-HB PWM整流器，首先分析研究了整流器的SPWM调制策略，然后分析了整流器的双闭环控制；通过对数字控制整流器中调制波与输出电压关系的分析，研究了中点电位平衡控制策略；最后研究了整流器的并联控制策略。对于TL-HB逆变器，首先简单分析了双闭环控制加重复控制的复合控制方法；然后研究了逆变器的同步控制策略，提高了同步控制精度；最后研究了逆变器的分布式并联控制策略。设计完成了1台基于DSP的1KVA UPS原理样机，给出了硬件电路和软件程序的设计方法，并以此样机为平台进行了相关实验，实验结果验证了上述分析与研究的正确性和合理性。关键词：三电平半桥，模块化，中点电位平衡控制，并联，同步控制

模块化UPS研究 ii Abstract In recent years, the modularized paralleling UPS power supply system in the power industry and telecommunications companies have been applied widely , it has some advantages: high reliability and easy expansion, easy to maintain and flexibility of power supply and so on. In this thesis, the TL-HB PWM rectifier and TL-HB inverter are researched. For TL-HB PWM rectifier, the SPWM strategy of the rectifier is researched firstly, and then the dual-loop control for it is analyzed; According to the relation of modulation wave and output voltage in digital control rectifier, the strategy of the neutral point voltage balancing is be researched; Finally, the parallel strategy of rectifier is researched. For TL-HB inverter, the hybrid control strategy based on voltage-current dual-loop control and repetitive control is analyzed firstly, and then the synchronization control is researched to enhance the precision of synchronization; Finally, the distributing parallel control strategy is researched. A 1KVA prototype of UPS is build and design methods of hardware circuit and software program are presented. The experimental results based on this prototype are provided，by which the validity and feasibility of control scheme are verified. Key words: Three-Level Half-Bridge, Modularize, neutral point voltage balancing control, parallel, synchronization control

模块化UPS研究 vi 图表清单图1.1 在线式UPS结构框图............................................................................................1 图1.2三相PWM整流器...................................................................................................3 图1.3 全桥拓扑的在线式UPS结构图............................................................................3 图1.4 半桥拓扑的在线式UPS结构图............................................................................3 图1.5 两电平半桥电路.....................................................................................................4 图1.6 二极管箝位型三电平半桥电路..............................................................................4 图1.7 TL-HB PWM整流器系统框图...............................................................................5 图1.8 TL-HB 逆变器系统框图.........................................................................................6 图1.9 平均电流瞬时值控制的原理框图..........................................................................7 图2.1 单相二极管箝位型三电平PWM整流器主电路拓扑...........................................9 图2.2 TL-HB PWM整流器主电路主要工作模态..........................................................10 图2.3 载波、调制波与各开关管驱动之间的逻辑关系................................................12 图2.4 TL-HB PWM整流器SPWM调制波形................................................................12 图2.5 TL-HB PWM整流器不同控制方式下仿真波形..................................................13 图2.6 调制波、载波、电感电压波形............................................................................14 图2.7 电感电压分解波形...............................................................................................14 图2.8 直接控制方式控制框图........................................................................................14 图2.9 整流器电流环控制框图........................................................................................15 图2.10 整流器电压环控制框图......................................................................................15 图2.11 带中点电位平衡的PWM整流器控制框图.......................................................16 图2.12 中点电位平衡调节示意图..................................................................................16 图2.13 中点电位平衡控制仿真波形..............................................................................17 图2.14 均流控制原理框图..............................................................................................18 图2.15 TL-HB PWM整流器并联均流控制仿真............................................................18 图3.1二极管箝位型TL-HB逆变器主电路拓扑...........................................................20 图3.2 逆变器主电路主要工作模态................................................................................21 图3.3 TL-HB逆变器SPWM调制波形..........................................................................22 图3.4 逆变器双闭环控制框图........................................................................................23

南京航空航天大学硕士学位论文 vii 图3.5 TL-HB逆变器双闭环控制仿真波形....................................................................24 图3.6 重复控制系统结构框图........................................................................................25 图3.7 复合控制系统框图...............................................................................................25 图3.8复合控制仿真波形................................................................................................26 图3.9 逆变器同步控制原理图........................................................................................27 图3.10 逆变器输出电压频率调节策略..........................................................................28 图3.11 均流控制原理框图..............................................................................................29 图3.12 逆变器并联均流控制仿真波形..........................................................................29 图4.1系统框图................................................................................................................30 图4.2 UPS主功率电路....................................................................................................31 图4.3采样信号调理电路图.............................................................................................32 图4.4市电切换控制电路示意图.....................................................................................33 图4.5 电压过零捕获电路...............................................................................................33 图4.6系统软件总体结构................................................................................................34 图4.7 主程序流程图.......................................................................................................35 图4.8 软件缓起动控制流程图........................................................................................35 图4.9 电压电流环计算流程图........................................................................................36 图4.10 PWM驱动信号产生流程图................................................................................36 图4.11 逆变器主中断流程图..........................................................................................37 图4.12 同步控制流程图.................................................................................................38 图5.1 TL-HB PWM整流器单机实验波形......................................................................39 图5.2 TL-HB PWM整流器模块的效率曲线..................................................................40 图5.3 TL-HB PWM整流器并联实验波形......................................................................40 图5.4 三相PWM整流器实验波形................................................................................41 图5.5 TL-HB逆变器实验波形........................................................................................42 图5.6 TL-HB逆变器模块的效率曲线............................................................................43 图5.7 逆变器并联运行稳态输出波形............................................................................43 图5.8 逆变器并联运行负载突变时输出波形................................................................44 图5.9系统稳态实验波形................................................................................................44 图5.10系统负载突变时实验波形...................................................................................45 表3.1 逆变器不同控制方式下的仿真数据对比............................................................24 表4.1 TMS320LF2407和TMS320F2808特点...............................................................34

模块化UPS研究 viii 注释表 1 英文缩写及全称英文缩写英文全称中文全称 UPS Uuninterruptible Power Supply 不间断电源 THD Total Harmonic Distortion 总谐波含量 SPWM Sinusoidal Pulse Width Modulation 正弦脉宽调制 DSP Digital Signal Processor 数字信号处理器 TL-HB Three-Level Half-Bridge 三电平半桥 2 符号及其意义符号意义 S1~S4 逆变器功率开关管1至4 D1、D2 箝位二极管1和2 C1、C2 直流侧滤波电容 L、Lo 输入、输出电感 Co 输出滤波电容 VS 交流输入电压 uL 电感电压 R 负载 Iea 调制波 Vtri 三角载波 M 三角载波幅值 Vdirve1~Vdirve4 开关管S1~S4的PWM信号 iL 输入电感电流 Vab 桥臂电压 Km 调制比 TS 开关频率 T1PR 三角载波最大值

南京航空航天大学硕士学位论文 ix Kpc、Kic 电流环比例、积分系数 Kpv、Kiv 电压环比例、积分系数 KV 输出电压反馈系数 Kif 输入电流反馈系数 Voref 整流器输出电压基准 Voerr 电压误差信号 ilerr 电流误差信号 Vea 电压调节器输出信号 iea 电流调节器输出信号 Gi(S) 整流器电流环传递函数 Gh(S) 零阶保持器 d(k) 系统扰动 e(k) 系统跟踪误差 Q(z)、S(z) 重复控制器辅助补偿器 flp 低通滤波器 N 周期采样次数 fo 输出电压频率 fs 采样频率 λ 同步调节值 ∆t 同步调节幅度 ∆io1 逆变器并联系统环流信号 Vbus 逆变器均流母线信号 Vref* 校正后输出电压基准 Po 输出功率 ω 角频率

承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：日期：

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