CN112713643A - 一种三相ups逆变器 - Google Patents

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屈莉莉
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Abstract

本发明公开了一种三相UPS逆变器，包括电源接口、负载接口、三相逆变桥、三相变压器、滤波模块、处理模块以及驱动模块；所述处理模块包括正序控制器、负序控制器、五次谐波抑制器、α轴加法器、β轴加法器、模数转换器以及SVPWM控制器。本技术方案中利用处理模块内部的正序控制器以及负序控制器，对逆变器输出的电压电流信号的正序分量进行调节以及对负序分量进行抑制，同时利用处理模块内部的五次谐波抑制器对逆变器输出的电压电流信号的五次谐波分量进行抑制，从而在不添加硬件电路的前提下实现对逆变器输出电压电流信号的闭环控制功能，解决三相逆变器三相不平衡问题以及谐波补偿问题。

Description

一种三相UPS逆变器
技术领域
本发明涉及电源装置技术领域，更具体地说涉及一种三相UPS(不间断电源)逆变器。
背景技术
随着科技的进步，人们的生活越来越数字化，很多公司都建立起了自己的数据服务中心，比如大型互联网公司的数据服务中心，银行的数据服务中心，证券交易所的数据交换中心等。如果这些重要的数据中心的供电系统出现问题导致供电电源间断或者电源畸变，那么对客户造成的经济损失是巨大的。所以对于数据中心的正常运行与维护，需要保证其供电电源的高质量。那么在线式UPS则可以起到提供不间断电源，提高供电电能质量的作用。
UPS处于三进三出工作模式时，带三相负载，如果三相负载不平衡，将导致产生三相不平衡电流，进而引起三相输出电压不平衡。三相输出电压不平衡会增加线路的电能损耗，影响输出变压器寿命，不利于用电设备稳定的运行，从而容易引起逆变器或者用电器故障，甚至烧毁。所以在UPS中需要引入抑制三相不平衡电压技术能够提高设备的稳定性，保护用电设备。
目前常见的三相UPS逆变器普遍采用三相半桥拓扑结构，采用此电路拓扑，在同步旋转坐标系下进行控制的设计比较容易实现，但是存在一个问题，就是数学模型在同步旋转坐标系下存在DQ轴耦合问题，耦合问题的出现会使DQ轴单独控制带来困难，所以需要进行解耦。目前针对三相解耦问题的解决方法有，采用三个单相桥分别单独控制的主电路拓扑，也可以采用三相四桥臂的主电路拓扑，这两种方法都能够做到解耦控制的目的。即针对三相UPS输出不平衡问题，大多采用的是添加硬件的方法，但是由于逆变器含有高频开关环节，那么就会产生高频谐波，高频谐波的存在会使输出电源质量降低，畸变率上升。
发明内容
本发明目的在于提供一种三相UPS(不间断电源)逆变器，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
为解决上述技术问题所采用的技术方案：
一种三相UPS逆变器，包括：
电源接口，用于与外部的直流电源相连接；
负载接口，用于与外部的负载相连接；
三相逆变桥，与所述电源接口相连接，所述三相逆变桥是半桥式逆变桥；
三相变压器，所述三相变压器的原边绕组与所述三相逆变桥相连接；
滤波模块，所述三相变压器的副边绕组通过所述滤波模块与所述负载接口相连接；
处理模块以及驱动模块；
所述处理模块通过所述驱动模块与所述三相逆变桥相连接，所述处理模块与所述负载接口相连接；
所述处理模块包括正序控制器、负序控制器、五次谐波抑制器、α轴加法器、β轴加法器、模数转换器以及SVPWM控制器，所述模数转换器的输入端与所述滤波模块的输出端相连接，所述模数转换器的输出端分别与所述正序控制器、所述负序控制器以及所述五次谐波抑制器相连接，所述正序控制器、所述负序控制器以及所述五次谐波抑制器分别与所述α轴加法器以及所述β轴加法器相连接，所述α轴加法器以及所述β轴加法器分别与所述SVPWM控制器相连接，所述SVPWM控制器分别与所述驱动模块、所述正序控制器以及所述负序控制器相连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述正序控制器包括：
第一坐标转换单元，用于对所述滤波模块输出的电压信号从三相静止坐标系转换成同步旋转坐标系；
第二坐标转换单元，用于对所述滤波模块输出的电流信号从三相静止坐标系转换成同步旋转坐标系；
第一减法单元，用于对所述第一坐标转换单元传输的数据与预设的电压给定值进行作差；
第一PI控制单元，用于对所述第一减法单元传输的数据进行PI控制；
第二减法单元，用于对所述第一PI控制单元传输的数据以及所述第二坐标转换单元传输的数据进行作差；
第二PI控制单元，用于对所述第二减法单元传输的数据进行PI控制；
第三坐标转换单元，用于对所述第二PI控制单元传输的数据从同步旋转坐标系转换成两相静止坐标系，同时所述第三坐标转换单元将坐标转换后得到的数据传输至所述α轴加法器以及所述β轴加法器。
作为上述技术方案的进一步改进，所述负序控制器包括：
第四坐标转换单元，用于对所述滤波模块输出的电压信号从三相静止坐标系转换成两相静止坐标系；
第五坐标转换单元，用于对预设的电压给定值从反向旋转坐标系转换成两相静止坐标系；
第三减法单元，用于对所述第四坐标转换单元传输的数据以及所述第五坐标转换单元传输的数据进行作差；
第六坐标转换单元，用于对所述第三减法单元得到的数据从两相静止坐标系转换成反向旋转坐标系；
PID控制单元，用于对所述第六坐标转换单元得到的数据传输的数据进行PID控制；
第七坐标转换单元，用于对所述PID控制单元传输的数据从反向旋转坐标系转换成两相静止坐标系，所述第七坐标转换单元将坐标转换后得到的数据传输至所述α轴加法器以及所述β轴加法器。
作为上述技术方案的进一步改进，所述五次谐波抑制器的结构与所述负序控制器的结构相同，所述五次谐波抑制器中的所述第四坐标转换单元、所述第五坐标转换单元、所述第六坐标转换单元以及所述第七坐标转换单元中的基波角速度是所述负序控制器中的五倍。
作为上述技术方案的进一步改进，本技术方案还包括七次谐波抑制器，所述七次谐波抑制器分别与所述α轴加法器以及所述β轴加法器相连接，所述七次谐波抑制器的结构与所述负序控制器的结构相同，所述七次谐波抑制器中的所述第四坐标转换单元、所述第五坐标转换单元、所述第六坐标转换单元以及所述第七坐标转换单元中的基波角速度是所述负序控制器中的七倍。
作为上述技术方案的进一步改进，本技术方案还包括十一次谐波抑制器，所述十一次谐波抑制器分别与所述α轴加法器以及所述β轴加法器相连接，所述十一次谐波抑制器的结构与所述负序控制器的结构相同，所述十一次谐波抑制器中的所述第四坐标转换单元、所述第五坐标转换单元、所述第六坐标转换单元以及所述第七坐标转换单元中的基波角速度是所述负序控制器中的十一倍。
本发明的有益效果是：本技术方案中利用处理模块内部的正序控制器以及负序控制器，对逆变器输出的电压电流信号的正序分量进行调节以及对负序分量进行抑制，同时利用处理模块内部的五次谐波抑制器对逆变器输出的电压电流信号的五次谐波分量进行抑制，从而在不添加硬件电路的前提下实现对逆变器输出电压电流信号的闭环控制功能，解决三相逆变器三相不平衡问题以及谐波补偿问题。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明；
图1是本发明逆变器的结构示意图；
图2使本发明的处理模块的结构示意图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1和图2，本申请公开了一种三相UPS逆变器，其第一实施例，包括：
电源接口，用于与外部的直流电源相连接；
负载接口，用于与外部的负载相连接；
三相逆变桥，与所述电源接口相连接，所述三相逆变桥是半桥式逆变桥；
三相变压器，所述三相变压器的原边绕组与所述三相逆变桥相连接，所述三相变压器的原边绕组采用三角形接法，所述三相变压器的副边绕组采用星型接法；
滤波模块，所述三相变压器的副边绕组通过所述滤波模块与所述负载接口相连接；
处理模块以及驱动模块；
所述处理模块通过所述驱动模块与所述三相逆变桥相连接，所述处理模块与所述负载接口相连接；
所述处理模块包括正序控制器、负序控制器、五次谐波抑制器、α轴加法器、β轴加法器、模数转换器以及SVPWM控制器，所述模数转换器的输入端与所述滤波模块的输出端相连接，所述模数转换器的输出端分别与所述正序控制器、所述负序控制器以及所述五次谐波抑制器相连接，所述正序控制器、所述负序控制器以及所述五次谐波抑制器分别与所述α轴加法器以及所述β轴加法器相连接，所述α轴加法器以及所述β轴加法器分别与所述SVPWM控制器相连接，所述SVPWM控制器分别与所述驱动模块、所述正序控制器以及所述负序控制器相连接。
具体地，本实施例中，利用处理模块内部的正序控制器以及负序控制器，对逆变器输出的电压电流信号的正序分量进行调节以及对负序分量进行抑制，同时利用处理模块内部的五次谐波抑制器对逆变器输出的电压电流信号的五次谐波分量进行抑制，从而在不添加硬件电路的前提下实现对逆变器输出电压电流信号的闭环控制功能，解决三相逆变器三相不平衡问题以及谐波补偿问题。
进一步作为优选的实施方式，本实施例中，所述正序控制器包括：
第一坐标转换单元，用于对所述滤波模块输出的电压信号从三相静止坐标系转换成同步旋转坐标系，其中进行坐标转换的变换矩阵表达式如下
Figure BDA0002829943450000071
第二坐标转换单元，用于对所述滤波模块输出的电流信号从三相静止坐标系转换成同步旋转坐标系；
第一减法单元，用于对所述第一坐标转换单元传输的数据与预设的电压给定值进行作差；
第一PI控制单元，用于对所述第一减法单元传输的数据进行PI控制；
第二减法单元，用于对所述第一PI控制单元传输的数据以及所述第二坐标转换单元传输的数据进行作差；
第二PI控制单元，用于对所述第二减法单元传输的数据进行PI控制；
第三坐标转换单元，用于对所述第二PI控制单元传输的数据从同步旋转坐标系转换成两相静止坐标系，同时所述第三坐标转换单元将坐标转换后得到的数据传输至所述α轴加法器以及所述β轴加法器，其中所述第三坐标转换单元进行坐标转换的变换矩阵表达式如下
Figure BDA0002829943450000072
本实施例中所述正序控制器对输出的电压电流信号进行双闭环PI控制，三相电压信号以及三相电流信号分别通过第一坐标转换单元以及第二坐标转换单元变换到同步旋转坐标系，再与预设的电压给定值比较得到差值，差值作为电压外环PI控制器(即第一PI控制单元)的输入值，电压外环PI控制器的输出值作为电流内环PI控制器(即第二PI控制单元)的输入值。电流内环PI控制器的输出值作为第三坐标转换单元的输入值，第三坐标转换单元的输出值作为SVPWM控制器输入端的α轴加法器以及β轴加法器的一部分给定值。
进一步作为优选的实施方式，本实施例中，所述负序控制器包括：
第四坐标转换单元，用于对所述滤波模块输出的电压信号从三相静止坐标系转换成两相静止坐标系，其中所述第四坐标转换单元进行坐标转换的变换矩阵表达式如下
Figure BDA0002829943450000081
第五坐标转换单元，用于对预设的电压给定值从反向旋转坐标系转换成两相静止坐标系，其中所述第五坐标转换单元进行坐标转换的变换矩阵表达式如下
Figure BDA0002829943450000082
第三减法单元，用于对所述第四坐标转换单元传输的数据以及所述第五坐标转换单元传输的数据进行作差；
第六坐标转换单元，用于对所述第三减法单元得到的数据从两相静止坐标系转换成反向旋转坐标系，其中所述第六坐标转换单元进行坐标转换的变换矩阵表达式如下
Figure BDA0002829943450000083
PID控制单元，用于对所述第六坐标转换单元得到的数据传输的数据进行PID控制；
第七坐标转换单元，用于对所述PID控制单元传输的数据从反向旋转坐标系转换成两相静止坐标系，所述第七坐标转换单元将坐标转换后得到的数据传输至所述α轴加法器以及所述β轴加法器，其中所述第七坐标转换单元进行坐标转换的变换矩阵表达式如下
Figure BDA0002829943450000084
本实施例中，所述负序控制器对输出的电压信号进行大闭环控制，三相电压信号通过第四坐标转换单元变换到两相静止坐标系，同时预设的电压给定值经过第五坐标转换单元变换到两相静止坐标系，之后在两相静止坐标系下三相电压信号与预设的电压给定值作差，其差值作为第六坐标转换单元的输入值，第六坐标转换单元的输出值作为PID控制单元的输入值，最后PID控制单元的输出值经过第七坐标转换单元进行坐标转换，转换后的数据作为SVPWM控制器输入端的α轴加法器以及β轴加法器的一部分给定值。
进一步作为优选的实施方式，本实施例中，所述五次谐波抑制器的结构与所述负序控制器的结构相同，所述五次谐波抑制器中的所述第四坐标转换单元、所述第五坐标转换单元、所述第六坐标转换单元以及所述第七坐标转换单元中的基波角速度是所述负序控制器中的五倍。
进一步作为优选的实施方式，本实施例还包括七次谐波抑制器，所述七次谐波抑制器分别与所述α轴加法器以及所述β轴加法器相连接，所述七次谐波抑制器的结构与所述负序控制器的结构相同，所述七次谐波抑制器中的所述第四坐标转换单元、所述第五坐标转换单元、所述第六坐标转换单元以及所述第七坐标转换单元中的基波角速度是所述负序控制器中的七倍。
进一步作为优选的实施方式，本实施例还包括十一次谐波抑制器，所述十一次谐波抑制器分别与所述α轴加法器以及所述β轴加法器相连接，所述十一次谐波抑制器的结构与所述负序控制器的结构相同，所述十一次谐波抑制器中的所述第四坐标转换单元、所述第五坐标转换单元、所述第六坐标转换单元以及所述第七坐标转换单元中的基波角速度是所述负序控制器中的十一倍。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种三相UPS逆变器，其特征在于：包括：
电源接口，用于与外部的直流电源相连接；
负载接口，用于与外部的负载相连接；
三相逆变桥，与所述电源接口相连接，所述三相逆变桥是半桥式逆变桥；
三相变压器，所述三相变压器的原边绕组与所述三相逆变桥相连接；
滤波模块，所述三相变压器的副边绕组通过所述滤波模块与所述负载接口相连接；
处理模块以及驱动模块；
所述处理模块通过所述驱动模块与所述三相逆变桥相连接，所述处理模块与所述负载接口相连接；
所述处理模块包括正序控制器、负序控制器、五次谐波抑制器、α轴加法器、β轴加法器、模数转换器以及SVPWM控制器，所述模数转换器的输入端与所述滤波模块的输出端相连接，所述模数转换器的输出端分别与所述正序控制器、所述负序控制器以及所述五次谐波抑制器相连接，所述正序控制器、所述负序控制器以及所述五次谐波抑制器分别与所述α轴加法器以及所述β轴加法器相连接，所述α轴加法器以及所述β轴加法器分别与所述SVPWM控制器相连接，所述SVPWM控制器分别与所述驱动模块、所述正序控制器以及所述负序控制器相连接。
2.根据权利要求1所述的一种三相UPS逆变器，其特征在于：所述正序控制器包括：
第一坐标转换单元，用于对所述滤波模块输出的电压信号从三相静止坐标系转换成同步旋转坐标系；
第二坐标转换单元，用于对所述滤波模块输出的电流信号从三相静止坐标系转换成同步旋转坐标系；
第一减法单元，用于对所述第一坐标转换单元传输的数据与预设的电压给定值进行作差；
第一PI控制单元，用于对所述第一减法单元传输的数据进行PI控制；
第二减法单元，用于对所述第一PI控制单元传输的数据以及所述第二坐标转换单元传输的数据进行作差；
第二PI控制单元，用于对所述第二减法单元传输的数据进行PI控制；
第三坐标转换单元，用于对所述第二PI控制单元传输的数据从同步旋转坐标系转换成两相静止坐标系，同时所述第三坐标转换单元将坐标转换后得到的数据传输至所述α轴加法器以及所述β轴加法器。
3.根据权利要求1所述的一种三相UPS逆变器，其特征在于：所述负序控制器包括：
第四坐标转换单元，用于对所述滤波模块输出的电压信号从三相静止坐标系转换成两相静止坐标系；
第五坐标转换单元，用于对预设的电压给定值从反向旋转坐标系转换成两相静止坐标系；
第三减法单元，用于对所述第四坐标转换单元传输的数据以及所述第五坐标转换单元传输的数据进行作差；
第六坐标转换单元，用于对所述第三减法单元得到的数据从两相静止坐标系转换成反向旋转坐标系；
PID控制单元，用于对所述第六坐标转换单元得到的数据传输的数据进行PID控制；
第七坐标转换单元，用于对所述PID控制单元传输的数据从反向旋转坐标系转换成两相静止坐标系，所述第七坐标转换单元将坐标转换后得到的数据传输至所述α轴加法器以及所述β轴加法器。
4.根据权利要求3所述的一种三相UPS逆变器，其特征在于：所述五次谐波抑制器的结构与所述负序控制器的结构相同，所述五次谐波抑制器中的所述第四坐标转换单元、所述第五坐标转换单元、所述第六坐标转换单元以及所述第七坐标转换单元中的基波角速度是所述负序控制器中的五倍。
5.根据权利要求4所述的一种三相UPS逆变器，其特征在于：还包括七次谐波抑制器，所述七次谐波抑制器分别与所述α轴加法器以及所述β轴加法器相连接，所述七次谐波抑制器的结构与所述负序控制器的结构相同，所述七次谐波抑制器中的所述第四坐标转换单元、所述第五坐标转换单元、所述第六坐标转换单元以及所述第七坐标转换单元中的基波角速度是所述负序控制器中的七倍。
6.根据权利要求5所述的一种三相UPS逆变器，其特征在于：还包括十一次谐波抑制器，所述十一次谐波抑制器分别与所述α轴加法器以及所述β轴加法器相连接，所述十一次谐波抑制器的结构与所述负序控制器的结构相同，所述十一次谐波抑制器中的所述第四坐标转换单元、所述第五坐标转换单元、所述第六坐标转换单元以及所述第七坐标转换单元中的基波角速度是所述负序控制器中的十一倍。
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US20050063115A1 (en) * 2002-03-28 2005-03-24 Nayar Chemmangot V. Power conversion system and method of converting power
CN102522761A (zh) * 2011-12-15 2012-06-27 广东创电电源有限公司 一种抑制输出电压不平衡和谐波的三相ups控制系统

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周创彬: "不平衡负载下三相工频UPS逆变器控制策略研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)》 *

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