不间断电源系统及其输出电压谐波抑制电路的制作方法

本发明涉及电源技术领域，特别是涉及一种不间断电源系统及其输出电压谐波抑制电路。

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，因此对不间断电源系统输出的电能质量的要求也越来越高。传统的不间断电源系统在在数据中心负载供电时，其输出电压的谐波分量较大，从而导致其输出电能质量不能满足高质量供电需求。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种能够向负载进行高电能质量供电的不间断电源系统及其输出电压谐波抑制电路。

一种输出电压谐波抑制电路，用于对不间断电源系统输出电压中的电压谐波分量进行抑制；包括：谐波分量提取电路，用于实时提取所述输出电压中的谐波电压分量信号；增益控制电路，与所述谐波分量提取电路连接，用于根据预设总谐波失真度、所述谐波电压分量信号和所述输出电压的基波分量有效值确定实时的增益放大系数；增益放大电路，分别与所述谐波分量提取电路和所述增益控制电路连接；所述增益放大电路利用所述增益放大系数对所述谐波电压分量信号进行增益放大处理；以及信号转换电路，与所述增益放大电路连接，用于将所述增益放大电路输出的谐波电压分量信号转换为谐波补偿指令信号输出给所述不间断电源系统的控制电路。

上述输出电压谐波抑制电路，增益控制电路会根据谐波电压分量信号、预设总谐波失真度和输出电压的基波分量有效值确定实时的增益放大系数。增益放大电路利用该增益放大系数对谐波分量提取电路提取到的谐波电压分量信号进行增益放大处理，并经过信号转换电路的作用转换为谐波补偿指令信号后输出给不间断电源系统的控制电路。控制电路可以根据该谐波补偿指令信号对不间断电源系统的输出电压中的谐波电压分量进行实时补偿，从而快速将输出电压中的谐波电压分量抑制在预设总谐波失真度内，满足不间断电源系统对负载高电能质量供电的需求。

在其中一个实施例中，所述谐波分量提取电路包括：第一三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块，用于将所述不间断电源系统输出的三相输出电压转换为q轴电压和d轴电压；以及高通滤波器，与所述第一三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块的输出端连接，用于将所述q轴电压和所述d轴电压中的直流分量滤除以得到q轴谐波电压分量信号和d轴谐波电压分量信号。

在其中一个实施例中，所述增益放大电路用于根据所述增益放大系数对所述q轴谐波电压分量信号和d轴谐波电压分量信号进行增益放大处理；所述信号转换电路包括依次连接的第一两相旋转坐标系到三相静止坐标系转换模块和第二三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块；所述第一两相旋转坐标系到三相静止坐标系转换模块与所述增益放大电路连接，用于将所述增益放大电路输出的d轴谐波电压分量信号和q轴谐波电压分量信号转换为三相谐波补偿指令信号；所述第二三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块用于将所述三相谐波补偿指令信号转换为d谐波补偿指令信号和q轴谐波补偿指令信号后输出给所述不间断电源系统的控制电路。

在其中一个实施例中，所述增益控制电路包括：第一计算单元，所述第一计算单元的输入端与所述谐波分量提取电路的输出端连接；所述第一计算单元用于根据所述谐波电压分量信号求取目标次谐波分量的平方和作为反馈值；第二计算单元，所述第二计算单元的第一输入端用于接收所述预设总谐波失真度；所述第二计算单元的第二输入端与所述变流器的输出端连接，以获取所述变流器输出电压的基波分量有效值；所述第二计算单元用于提取所述输出电压的基波分量有效值并根据所述基波分量有效值和所述预设总谐波失真度求取参考电压谐波分量的平方和作为参考值；加法器，分别与所述第一计算单元和所述第二计算单元连接，用于将所述反馈值和所述参考值做差比较后形成误差信号；以及增益控制器，分别与所述加法器和所述增益放大电路连接；所述增益控制器用于对所述误差信号进行闭环控制并生成所述增益放大系数。

在其中一个实施例中，所述第二计算单元根据所述基波分量有效值和所述预设总谐波失真度求取参考电压谐波分量的平方和作为参考值的计算公式为：其中，为所述参考值，V_g为所述基波分量有效值，THD^*为所述预设总谐波失真度。

在其中一个实施例中，所述目标次谐波分量包括(6k±1)次谐波，其中k为正整数。

在其中一个实施例中，所述预设总谐波失真度小于等于5％。

在其中一个实施例中，所述增益控制器为PI控制器。

在其中一个实施例中，所述增益放大电路包括乘法器；所述乘法器的两个输入端分别与所述谐波分量提取电路、所述增益控制电路连接；所述乘法器的输出端与所述信号转换电路连接。

一种不间断电源系统，包括变流器和控制电路；所述控制电路与所述变流器连接，用于对所述变流器的工作进行控制，其特征在于，还包括如前述任一实施例所述的输出电压谐波抑制电路；所述谐波分量提取电路与所述变流器的输出端连接；所述信号转换电路的输出端与所述控制电路连接。

附图说明

图1为一实施例中的输出电压谐波抑制电路的结构框图；

图2为一实施例中的输出电压谐波抑制电路的电路原理框图；

图3为一实施例中的不间断电源系统的电路原理框图；

图4为不间断电源系统未进行谐波补偿时的A相输出电能质量效果示意图；

图5为不间断电源系统通过输出电压谐波抑制电路进行输出电压谐波抑制后的A相电能质量示意图。

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。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。

参见图1，该输出电压谐波抑制电路用于对不间断电源系统输出电压中的电压谐波分量进行抑制，以使得谐波抑制后的不间断电源系统输出电压谐波值控制在规定的范围内，从而实现对负载的高电能质量供电。

该输出电压谐波抑制电路包括谐波分量提取电路110、增益控制电路120、增益放大电路130和信号转换电路140。其中，谐波分量提取电路110的输入端与变流器的输出端连接。增益控制电路120的输入端分别与谐波分量提取电路110以及不间断电源系统的输出端连接。在本实施例中，不间断电源系统中的变流器的输出端作为不间断电源系统的输出端，如图1所示。增益放大电路130的输入端分别与谐波分量提取电路110和增益控制电路120连接。增益放大电路130的输出端与信号转换电路140连接。

谐波分量提取电路110用于实时提取变流器输出电压中的谐波电压分量信号。增益控制电路120用于根据谐波分量提取电路110提取出的谐波电压分量信号、预设总谐波失真度和输出电压基波分量有效值确定实时的增益放大系数并输出给增益放大电路130。增益放大电路130利用该增益放大系数对谐波分量提取电路110输出的谐波电压分量信号进行增益放大后输出给信号转换电路140。信号转换电路140将经过增益放大后的谐波电压分量信号转换为谐波补偿指令信号后输出给不间断电源系统的控制电路，以使得控制电路可以根据该谐波补偿指令信号对变流器的输出电压进行谐波补偿，进而将输出电压谐波抑制在预设总谐波失真度内。

上述输出电压谐波抑制电路，增益控制电路120会根据谐波电压分量信号、预设总谐波失真度和输出电压基波分量有效值确定实时的增益放大系数。增益放大电路130利用该增益放大系数对谐波分量提取电路110提取到的谐波电压分量信号进行增益放大处理，并经过信号转换电路140的作用转换为谐波补偿指令信号后输出给不间断电源系统的控制电路。控制电路可以根据该谐波补偿指令信号对变流器输出电压中的谐波电压分量进行实时补偿，从而快速将输出电压谐波分量抑制在预设总谐波失真度内，满足不间断电源系统对负载高电能质量供电的需求。上述输出电压谐波抑制电路会根据输出电压谐波的变化实时生成增益放大系数，从而使得谐波抑制实时性非常好，且具有较好的谐波抑制效果。

图2为一实施例中的输出电压谐波抑制电路的电路原理框图。在本实施例中，谐波分量提取电路包括第一三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块(第一abc/dq转换模块)212和高通滤波器214。第一abc/dq转换模块212的输入端与变流器的输出端连接，用于接收变流器输出的三相电压(u_gA、u_gB、u_gC)。第一abc/dq转换模块212的输出端与高通滤波器214的输入端连接。其中，第一abc/dq转换模块212用于将变流器输出的三相电压(u_gA、u_gB、u_gC)转换为q轴电压U_gq和d轴电压U_gd。高通滤波器214用于将q轴电压U_gq和d轴电压U_gd中在直流量滤除掉，生成包含所有电压谐波分量的q轴谐波电压分量信号U_gqh和d轴谐波电压分量信号U_gdh(三相电压可分解为基波电压和谐波电压两部分)。

增益控制电路包括第一计算单元222、第二计算单元224、加法器226和增益控制器228。具体地，第一计算单元222的输入端与谐波分量提取电路中的高通滤波器214的输出端连接。第一计算单元222的输出端与加法器226的一个输入端连接。第一计算单元222用于根据高通滤波器214输出的q轴谐波电压分量信号U_gqh和d轴谐波电压分量信号U_gdh求取目标次谐波分量的平方和作为反馈值V_h²。在一实施例中，目标次谐波分量可以包括所有的谐波分量，也即V_h²为：

V_h²＝U_gdh²+U_gqh² (1)。

在另一实施例中，目标次谐波分量也可以仅仅为(6k±1)次谐波，其中k为正整数，也即包括5次谐波、7次谐波、11次谐波……，此时V_h²为：

V_h²＝V₅²+V₇²+V₁₁²+V₁₃²+…。

第二计算单元224的一个输入端用于接收预设总谐波失真度THD^*，另一个输入端与变流器的输出端连接。第二计算单元224的输出端与加法器226的另一个输入端连接。预设总谐波失真度THD^*为预期要达到的值。该值可以根据适用标准或者供电质量需求进行确定。在本实施例中，预设总谐波失真度THD*小于等于5％。第二计算单元224用于获取输出电压基波分量有效值V_g，并根据该基波分量有效值V_g和预设总谐波失真度THD*求取参考电压谐波分量的平方和作为参考值第二计算单元224计算参考值的公式如下：

公式(2)的求取过程如下：

不间断电源系统(UPS)的三相输出电压u_gA、u_gB、u_gC表达式为：

其中，V_g为基波分量有效值，V_h为电压谐波分量有效值，ω_g为基波角频率，ω_h为谐波分量角频率，_h是指对应次谐波的相位。

abc三相静止坐标系到dq两相旋转坐标系变换矩阵如下：

因此，三相输出电压u_gA、u_gB、u_gC通过abc/dq变换后生成包含有所有电压谐波分量的量U_gd和U_gq的表达式为：

通过高通滤波器模块将U_gd和U_gq中的直流分量滤掉，生成包含所有电压谐波分量的信号U_gdh和U_gqh，并根据U_gdh和U_gqh计算出所有谐波电压分量的平方和V_h²表达式为：

需要说明的是，由于输出电压中的各次谐波分量中以5次谐波和7次谐波值最大，因此上述公式推导过程中，只考虑5次谐波和7次谐波的作用，故V_h²的表达式中仅含有5次谐波分量和7次谐波分量的所有信息。进一步的，上述中，由于高频项交流分量2V₅V₇cos(ω₁₂t+φ₅+φ₇)很小，因此将其忽略不计，从而使得V_h²的表达式等效为：

总谐波失真度THD的定义为：

因此，将式(3)带入至上式，则有：

因此，根据预设总谐波失真度THD^*和输出电压的基波分量有效值V_g即可求取到参考值

加法器226的输出端与增益控制器228的输入端连接。加法器226用于将第一计算单元222输入的反馈值V_h²和第二计算单元224输入的参考值做差比较后形成误差信号送入至增益控制器228内。增益控制器228对该误差信号进行闭环调节控制，并生成增益放大系数K_V。增益控制器228可以采用电压环控制器，如PI控制器。增益控制器228输出的增益放大系数K_V为大于或等于零的数。具体地，增益控制器228在输入的误差信号较大，也即反馈值V_h²和参考值的差值较大时，输出的增益放大系数K_V变大，从而使得最终得到的谐波补偿分量增大，抵消实际电压中的谐波分量，将不间断电源系统输出电压的总谐波失真度THD抑制到目标范围。增益控制器228在误差信号减小时，则减小增益放大系数K_V。

在本实施例中，增益放大电路为乘法器230。乘法器230用于将增益放大系数K_V与q轴谐波电压分量信号U_gqh、d轴谐波电压分量信号U_gdh分别进行相乘，从而产生包含所有电压谐波分量的信号i_cdh和i_cqh，也即

i_cdh＝K_V×U_gdh。

i_cqh＝K_V×U_gqh。

信号转换电路包括依次连接的第一两相旋转坐标系到三相静止坐标系转换模块(第一dq/abc转换模块)242和第二三相静止坐标系到两相旋转坐标系转换模块(第二abc/dq转换模块)244。第一dq/abc转换模块242与乘法器230连接。第一dq/abc转换模块242用于乘法器230输出的d轴谐波电压分量信号i_cdh和q轴谐波电压分量信号i_cqh转换为三相谐波补偿指令信号i_cvA、i_cvB和i_cvC。第二abc/dq转换模块244用于将三相谐波补偿指令信号i_cvA、i_cvB和i_cvC转换为d谐波补偿指令信号i_cvd和q轴谐波补偿指令信号i_cvq后输出给不间断电源系统控制电路中的离网控制单元中的电流环d轴和q轴上去，从而使得不间断电源系统最终输出的电压谐波补偿量能够抵消实际输出电压中的谐波分量，实现对负载的高电能质量供电。

本发明还提供一种不间断电源系统，其包括变流器310和控制电路320，还包括输出电压谐波抑制电路330，如图3所示。其中，变流器310的输出端通过公共连接点PCC与负载和电网连接。控制电路320与变流器310连接，用于对变流器310的工作进行控制。在本实施例中，控制电路320包括离网控制单元322、并网控制单元324、驱动单元326和主控制单元328。主控制单元328用于对离网控制单元322和并网控制单元324的工作状态进行切换控制。离网控制单元322用于生成离网控制信号并输出给驱动单元326以对不间断电源系统的离网模式进行控制。并网控制单元324则用于生成并网控制信号并输出给驱动单元326以对不间断系统的并网模式下的工作进行控制。输出电压谐波抑制电路330可以为前述任一实施例中的输出电压谐波抑制电路，其输入端与变流器310的输出端连接，输出端则与离网控制单元322的输入端连接。离网控制单元322根据输出电压谐波抑制电路330输出的谐波补偿指令信号对变流器310的输出电压进行谐波补偿，以抵消输出电压中的谐波分量，从而实现对负载的高电能质量供电。

图4为不间断电源系统未进行谐波补偿时的A相输出电能质量效果示意图，图4中A相输出电压频谱包含基波、5次(5th)、7次(7th)、11次(11h)、13次(13th)、17次(17th)、19次(19th)、23次(23th)、25次(25th)、29次(29th)、31次(31th)电压谐波等，总的输出电压谐波THD值大于5％。图5为不间断电源系统通过输出电压谐波抑制电路330进行输出电压谐波抑制后的A相电能质量示意图。图5中，由于通过输出电压谐波抑制电路的自动闭环调节作用，使得不间断电源系统中的输出电压中的5次、7次、11次、13次、17次、19次、23次、25次、29次、31次谐波抑制到最小，故总的输出电压谐波THD值小于5％，实现了对负载的高电能质量供电。

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。