CN103701190B

CN103701190B - 一种三相四线制的高频ups及其降低零地电压的方法

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Publication number: CN103701190B
Application number: CN201210369903.8A
Authority: CN
Inventors: 周扬; 郑书路; 卓清锋
Original assignee: Liebert Corp
Current assignee: Vertiv Corp
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2032-09-27
Also published as: CN103701190A

Abstract

本发明公开了一种三相四线制的高频UPS及其降低零地电压的方法，该三相四线制的高频UPS包括母线控制电路，母线控制电路包括双环调节模块、电压前馈模块和PWM输出模块，电压前馈模块包括：前馈计算单元，用于根据母线电压和电网电压计算电压前馈值；前馈修正单元，用于对电压前馈值进行修正，且修正后的电压前馈值用于当电网电压在过零附近时削弱PWM输出模块的发波；叠加单元，用于将修正后的电压前馈值和双环调节模块的输出值进行叠加，并将叠加后的值输出至PWM输出模块。实施本发明的技术方案，能够让电感电流的正弦度变好，因此，有效降低了电感电流的谐波，从而使三次谐波电流变小，这样就减小了零线电流，故能够降低零地电压。

Description

一种三相四线制的高频UPS及其降低零地电压的方法

技术领域

本发明涉及电源领域，尤其涉及一种三相四线制的高频UPS及其降低零地电压的方法。

背景技术

在三相四线制的高频UPS(uninterruptedpowersupply，不间断电源)中，其零线直接和机房的配电***零线连接在一起，如图1所示，如果没有隔离变压器，该高频UPS必然存在零地电压。如果高频UPS的零地电压达不到其所供电的设备的对最大零地电压限制的要求，从而造成安全隐患，而使用该高频UPS的设备厂家工程师将会拒绝上电开机。如果现场经过配线优化后，高频UPS零地电压还是达不到要求，往往要求增加隔离变压器，从而造成成本增加，有的现场还可能因为场地原因，无法放下隔离变压器。因此，高频UPS的生产厂家希望在不增加隔离变压器的情况下降低零地电压，以满足客户的要求。

下面介绍下零地电压的产生原理：零地电压指在机房内的配电柜上的零线和地线之间的电压。当高频UPS工作后，零线上有电流，若地线上的电流可忽略不计，那么零地电压可表示为U=Iz*Zn,其中，Zn为线路阻抗；Iz为零线电流。所以，从理论上讲，虽然减小线路阻抗或零线电流都能够降低零地电压，但是在实际应用现场，往往零线绝对距离就比较长，同时受场地影响，走线优化也受限制。因此，线缆阻抗优化的空间就非常有限，因此只能通过降低零线电流的方式来降低零地电压。

现有的UPS的母线控制大多是采用双环调节和前馈控制的方式，图2和图3分别示出了现有的母线控制方式下电感电流和零线电流的仿真图，由图可得知，电感电流在电网电压的相位角为0度附近时，出现峰值，而在电网电压的相位角为90度附近时出现波谷。而且，最大零线电流有效值将近110A。具体分析如下：假设电压前馈信号为(V_bus-V_in)/V_bus，在UPS的整流器中，当该电压前馈值(V_bus-V_in)/V_bus与双环调节模块的输出值一并输入到PWM输出模块时，PWM的发波主要依赖于双环调节模块的输出值和电压前馈值，当整流器中电感电流较小时，双环调节模块的输出值较小，可忽略不计，因此主要考虑前馈控制部分。当电网电压在过零附近时，由于电网电压V_in很小，电压前馈值(V_bus-V_in)/V_bus近似等于1，因此，此时电感电流比较大，出现峰值。相反，当电网电压在峰值时，由于V_in很大，电压前馈值较小，因此，此时电感电流较小，出现波谷。综上分析可知，使用现有母线控制方式，电感电流的THDi(TotalHarmonicDistortionofcurrentoninput，输入线的电流谐波畸变总数)大于30％，三次谐波电流比较大。而且，零线电流主要为三次谐波电流。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术上述因零地电压有可能过高而达不到用户的要求的缺陷，提供一种三相四线制的高频UPS及其降低零地电压的方法，能降低零地电压，从而达到该高频UPS所供电的设备对最大零地电压限制的要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种三相四线制的高频UPS，包括母线控制电路，所述母线控制电路包括双环调节模块、电压前馈模块和PWM输出模块，其特征在于，所述电压前馈模块包括：

前馈计算单元，用于根据母线电压和电网电压计算电压前馈值；

前馈修正单元，用于对所述电压前馈值进行修正，且修正后的电压前馈值用于当电网电压在过零附近时削弱所述PWM输出模块的发波；

叠加单元，用于将修正后的电压前馈值和所述双环调节模块的输出值进行叠加，并将叠加后的值输出至所述PWM输出模块。

在本发明所述的三相四线制的高频UPS中，所述母线控制电路还包括：

电感电流零序分量反馈模块，用于将电感电流零序分量缩小到预设范围内，并反馈至所述双环调节模块或电压前馈模块。

在本发明所述的三相四线制的高频UPS中，所述电感电流零序分量反馈模块包括：

电感电流零序分量计算单元，用于根据下面公式计算电感电流零序分量：

I₀=-(I_A+I_B+I_C)

其中，I_A、I_B、I_C分别为三相电感电流，I₀为电感电流零序分量；

比例计算单元，用于将所述电感电流零序分量乘以预设的比例系数；

限定计算单元，用于将所述比例计算单元的计算结果限定在预设的范围内。

在本发明所述的三相四线制的高频UPS中，所述前馈计算单元根据下面其中一个公式计算电压前馈值：

V_fg=(V_bus-V_in)/V_bus;

V_fg=(V^* _bus-V_in)/V^* _bus;

其中，V_fg为电压前馈值，V_bus为母线电压的反馈值，V_in为电网电压，V^* _bus为母线电压的给定值。

在本发明所述的三相四线制的高频UPS中，所述前馈修正单元根据下面的公式对电压前馈值进行修正：

V′_fg=V_fg*(1-sinθ)

其中，V′_fg为修正后的电压前馈值。

本发明还构造一种三相四线制的高频UPS的降低零地电压的方法，包括：

根据母线电压和电网电压计算电压前馈值；

对所述电压前馈值进行修正，且修正后的电压前馈值用于当电网电压在过零附近时削弱PWM输出模块的发波；

将修正后的电压前馈值和双环调节模块的输出值进行叠加，并将叠加后的值输出至PWM输出模块。

在本发明所述的降低零地电压的方法中，所述降低零地电压的方法还包括：

将电感电流零序分量缩小到预设范围内，并反馈至所述双环调节模块或电压前馈模块。

在本发明所述的降低零地电压的方法中，所述将电感电流零序分量缩小到预设范围内的步骤包括：

所述将电感电流零序分量缩小到预设范围内的步骤包括：

根据下面公式计算电感电流零序分量：

I₀=-(I_A+I_B+I_C)

将电感电流零序分量乘以预设的比例系数；

将乘以预设的比例系数后的电感电流零序分量限定在预设的范围内。

在本发明所述的降低零地电压的方法中，根据下面其中一个公式计算电压前馈值：

V_fg=(V_bus-V_in)/V_bus;

V_fg=(V^* _bus-V_in)/V^* _bus;

在本发明所述的降低零地电压的方法中，根据下面的公式对电压前馈值进行修正：

V′_fg=V_fg*(1-sinθ)

其中，V′_fg为修正后的电压前馈值。

实施本发明的技术方案，由于在电压前馈模块中加入了前馈修正单元，其可对电压前馈值进行修正，且修正后的电压前馈值在当电网电压在过零附近时削弱所述PWM输出模块的发波，而PWM的发波的削弱能够抑制部分大占空比时电感电流的幅值。根据能量守恒定律可知，电网电压在其它相位角度时，电感电流的幅值有增大的趋势，从而能够让电感电流的正弦度变好，因此，有效降低了电感电流的谐波，从而使三次谐波电流变小，这样就减小了零线电流，故能够降低零地电压。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是UPS与机房的配电***连接的示意图；

图2是现有的母线控制方式下电感电流的仿真图；

图3是现有的母线控制方式下零线电流的仿真图；

图4是本发明三相四线制的高频UPS的母线控制电路实施例一的逻辑图；

图5是本发明三相四线制的高频UPS的母线控制电路实施例二的逻辑图；

图6是本发明三相四线制的高频UPS的母线控制电路实施例三的逻辑图；

图7是本发明三相四线制的高频UPS的母线控制电路中双环调节模块实施例一的逻辑图；

图8是本发明母线控制方式下电感电流的仿真图；

图9是本发明母线控制方式下零线电流的仿真图；

图10是本发明三相四线制的高频UPS的降低零地电压的方法实施例一的流程图。

具体实施方式

如图4所示的本发明三相四线制的高频UPS的母线控制电路实施例一的逻辑图中，在该三相四线制的高频UPS中，在整流环节，母线控制电路用于根据反馈值和给定值向整流器中的开关管输出相应的PWM信号，以使反馈值能够很好地跟踪给定值。该母线控制电路包括双环调节模块10、电压前馈模块20和PWM输出模块30，而且，电压前馈模块20包括依次连接的前馈计算单元21、前馈修正单元22和叠加单元23。其中，前馈计算单元21用于根据母线电压和电网电压计算电压前馈值；前馈修正单元22用于对电压前馈值进行修正，且修正后的电压前馈值用于当电网电压在过零附近时削弱PWM输出模块30的发波；叠加单元23用于将修正后的电压前馈值和双环调节模块10的输出值进行叠加，并将叠加后的值输出至PWM输出模块30。实施该技术方案，由于在电压前馈模块20中加入了前馈修正单元22，其可对电压前馈值进行修正，且修正后的电压前馈值在当电网电压在过零附近时削弱所述PWM输出模块的发波，而PWM的发波的削弱能够抑制部分大占空比时电感电流的幅值。根据能量守恒定律可知，电网电压在其它相位角度时，电感电流的幅值有增大的趋势，从而能够让电感电流的正弦度变好，因此，有效降低了电感电流的谐波，从而使三次谐波电流变小，这样就减小了零线电流，故能够降低零地电压。

图5是本发明三相四线制的高频UPS的母线控制电路实施例二的逻辑图，该实施例相比图4所示的实施例，所不同的仅是，该三相四线制的高频UPS还包括电感电流零序分量反馈模块40，该电感电流零序分量反馈模块40用于将电感电流零序分量缩小到预设范围内，且该电感电流零序分量反馈模块40包括依次连接的电感电流零序分量计算单元41、比例计算单元42和限定计算单元43，而且，电感电流零序分量计算单元41用于根据I₀=-(I_A+I_B+I_C)计算电感电流零序分量I₀，其中，I_A、I_B、I_C分别为三相电感电流；比例计算单元42用于将所述电感电流零序分量乘以预设的比例系数；限定计算单元43用于将所述比例计算单元的计算结果限定在预设的范围内。然后，将限定计算单元43的输出值反馈至电压前馈模块20。电压前馈模块20中的叠加单元23将修正后的电压前馈值、双环调节模块10的输出值及限定计算单元43的输出值进行叠加，并将叠加后的值输出至PWM输出模块30。实施该技术方案，通过采用电感电流零序分量乘以比例系数做闭环控制，能够有效降低零线的电流幅值。而且，对比例调节后的电感电流零序分量做限幅处理，可进一步地抑制谐波，让电感电流的正弦度变好。

图6是本发明三相四线制的高频UPS的母线控制电路实施例三的逻辑图，该实施例相比图5所示的实施例，所不同的仅是，双环调节模块10包括电压环调节单元11和电流环调节单元12，而且，该限定计算单元43的输出值反馈至电流环调节单元12。另外，关于双环调节模块10，具体如图7所示，在电压环调节中，母线电压给定值V^* _bus与母线电压反馈值V_bus之差V_{bus_err}，经过电压调节器后得到电流环给定值I。在电流环调节中，电流环给定值I与市电输入电压的相位sinθ相乘后得到电流参考值I^* _ref,I^* _ref与电流反馈值I_L之差I_err经过电流调节器后得到指令信号，该指令信号与电压前馈模块的输出值叠加后输出至PWM输出模块。

在本发明三相四线制的高频UPS的一个优选实施例中，前馈计算单元可根据下面其中一个公式计算电压前馈值：

V_fg=(V_bus-V_in)/V_bus;

V_fg=(V^* _bus-V_in)/V^* _bus;

在本发明三相四线制的高频UPS的另一个优选实施例中，前馈修正单元根据下面的公式对电压前馈值进行修正：

V′_fg=V_fg*(1-sinθ)

其中，V′_fg为修正后的电压前馈值。

下面以一个具体例子来分析本发明改进后的技术效果：本发明有两方面的改进，一、加入了前馈修正单元；二、加入了电感电流零序分量做闭环控制。另外，假设电压前馈值为(V_bus-V_in)/V_bus，对电压前馈值的修正为将电压前馈值乘以(1-sinθ)。

首先针对第一方面的改进，前馈修正单元用于将电压前馈值(V_bus-V_in)/V_bus乘以(1-sinθ)，以对电压前馈值进行修正，且修正后的电压前馈值与双环调节模块的输出值一并输入到PWM输出模块。PWM的发波主要依赖于双环调节模块的输出值和电压前馈值，双环调节模块的输出值较小，可忽略不计，因此主要考虑前馈控制部分。当电网电压在过零附近时，由于(1-sinθ)小于1，因此，此时可削弱PWM输出模块的发波，而PWM的发波的减小能够抑制部分大占空比时电感电流的幅值。另外，双环调节模块的目的是使母线电压反馈值跟踪母线电压给定值，电感电流反馈值跟踪电感电流给定值，所以，在电网电压的其它相位角度时刻，电感电流必然有增大的趋势。因此，能够让电感电流的正弦度变好，有效降低了电感电流的谐波，从而使三次谐波电流变小，进而减小了零线电流，最终使得零地电压降低。

其次针对第二方面的改进，采用电感电流零序分量乘以比例系数做闭环控制，能够有效降低零线的电流幅值。而且，对比例调节后的电感电流零序分量做限幅处理，可进一步地抑制谐波，让电感电流的正弦度变好，也能降低电感电流的谐波，进而减小了零线电流，最终使得零地电压降低。

在采用本发明以上两个方面的改进后，图8和图9分别示出了本发明母线控制方式下电感电流和谐波电流的仿真图，经与图2和图3对比可知，电感电流的正弦度变好，零线电流的有效值从110A降低到28A，进而可推测，零地电压下降的也非常明显。

图10是本发明三相四线制的高频UPS的降低零地电压的方法实施例一的流程图，该降低零地电压的方法包括：

A．根据母线电压和电网电压计算电压前馈值；

B．对所述电压前馈值进行修正，且修正后的电压前馈值用于当电网电压在过零附近时削弱PWM输出模块的发波；

C．将修正后的电压前馈值和双环调节模块的输出值进行叠加，并将叠加后的值输出至PWM输出模块。

在本发明三相四线制的高频UPS的降低零地电压的方法的一个优选实施例中，该降低零地电压的方法还包括：

将电感电流零序分量缩小到预设范围内，并反馈至所述双环调节模块或电压前馈模块，且该步骤可具体包括：

根据下面公式计算电感电流零序分量：

I₀=-(I_A+I_B+I_C)

将电感电流零序分量乘以预设的比例系数；

在本发明三相四线制的高频UPS的降低零地电压的方法的另一个优选实施例中，可根据下面其中一个公式计算电压前馈值：

V_fg=(V_bus-V_in)/V_bus;

V_fg=(V^* _bus-V_in)/V^* _bus;

根据下面的公式对电压前馈值进行修正：

V′_fg=V_fg*(1-sinθ)

其中，V′_fg为修正后的电压前馈值。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims

1.一种三相四线制的高频UPS，包括用于控制双向交直流变换器的直流侧母线的母线控制电路，所述母线控制电路包括双环调节模块、电压前馈模块和驱动所述双向交直流变换器的开关管的PWM输出模块，其特征在于，所述电压前馈模块包括：

叠加单元，用于将修正后的电压前馈值和所述双环调节模块的输出值进行叠加，并将叠加后的值输出至所述PWM输出模块；

其中所述母线控制电路还包括：

电感电流零序分量反馈模块，用于将直流侧的电感电流零序分量缩小到预设范围内，并反馈至所述双环调节模块或电压前馈模块。

2.根据权利要求1所述的三相四线制的高频UPS，其特征在于，所述电感电流零序分量反馈模块包括：

I₀＝-(I_A+I_B+I_C)

3.根据权利要求1或2所述的三相四线制的高频UPS，其特征在于，所述前馈计算单元根据下面其中一个公式计算电压前馈值：

V_fg＝(V_bus-V_in)/V_bus；

V_fg＝(V^* _bus-V_in)/V^* _bus；

4.根据权利要求3所述的三相四线制的高频UPS，其特征在于，所述前馈修正单元根据下面的公式对电压前馈值进行修正：

V′_fg＝V_fg*(1-sinθ)

其中，V′_fg为修正后的电压前馈值；θ为所述电网电压的相位角。

5.一种在三相四线制的高频UPS中降低零地电压的方法，其特征在于，包括：

根据双向交直流变换器的直流侧母线的母线电压和电网电压计算电压前馈值；

对所述电压前馈值进行修正，且修正后的电压前馈值用于当电网电压在过零附近时削弱用于驱动所述双向交直流变换器的开关管的PWM输出模块的发波；

将修正后的电压前馈值和双环调节模块的输出值进行叠加，并将叠加后的值输出至PWM输出模块；

其中所述降低零地电压的方法还包括：

将直流侧的电感电流零序分量缩小到预设范围内，并反馈至所述双环调节模块或电压前馈模块。

6.根据权利要求5所述的降低零地电压的方法，其特征在于：所述将电感电流零序分量缩小到预设范围内的步骤包括：

根据下面公式计算电感电流零序分量：

I₀＝-(I_A+I_B+I_C)

将电感电流零序分量乘以预设的比例系数；

7.根据权利要求5或6所述的降低零地电压的方法，其特征在于，根据下面其中一个公式计算电压前馈值：

V_fg＝(V_bus-V_in)/V_bus；

V_fg＝(V^* _bus-V_in)/V^* _bus；

8.根据权利要求7所述的降低零地电压的方法，其特征在于，根据下面的公式对电压前馈值进行修正：

V′_fg＝V_fg*(1-sinθ)

其中，V′fg为修正后的电压前馈值；θ为所述电网电压的相位角。