基于单向整流及交错并联升压器的稳定控制系统及方法与流程

本发明涉及不间断电源(ups)领域，具体来说，涉及不间断电源中 的电路控制，更具体地说，涉及一种基于单向整流及交错并联直流升压器 的稳定控制系统及方法。

背景技术：

1、在线式不间断电源能够持续不断地给负载进行供电，已经被广泛地用 于各个领域。在线式不间断电源通过整流器模块(rec)、直流转换模块 (dc/dc)等多个部分来实现不间断供电。

2、整流器模块用于将交流电转换成直流电，常见的三相整流器包括i型 npc拓扑。图1示意性地示出了三电平i型npc拓扑的一个模块，三电平 i型npc拓扑中包含三个模块，每个模块分别应用于三相交流电r、s、t (又称a、b、c)相中的一个相位。通过控制每个模块中的不同开关元件 的通断来实现功率电流从交流转换到直流，其采用了功率因数校正(pfc)控制，以获得高功率因数和低电流总谐波畸变率(thdi)。该整流器模块 的运行几乎为纯有功功率(负功率)，无功功率非常小。

3、直流转换模块通过工作在不同的模式实现电池的充放电功能。图2所 示的为常用的dc/dc双向升压/降压拓扑，其中，升压(boost)作为放电 模式即从电池(电池正端bat+，电池负端bat-)向负载供电(dc到dc)， 降压(buck)作为充电模式即从直流总线向电池充电。实际应用过程中， 为了获得更好的充放电功能，大都采用双升压/降压模式，即采用两个并 联的升压/降压电路，每个升压/降压电路为一个桥臂(为了方便描述，称 两个桥臂分别为桥臂a和桥臂b)，两个桥臂均可独立实现升压/降压功能， 使得不需要额外的总线平衡电路即可很好地实现双升压/降压功能。此外， 为了降低硬件成本，有研究者提出一种在整流器与双升压/降压电路间复 用模块的ups系统。如图3所示，将三相整流器的s相整流器和t相整流 器与双升压的一个桥臂(假设为桥臂b)复用，使得电路工作在市电模式 时，复用模块作为整流器的st相，工作在电池模式时，复用模块作为直 流升压的桥臂b，通过开关控制使复用模块在市电模式和电池模式之间切 换。进一步地，图4示出了在ups中将该复用的桥臂b与桥臂a并联以实 现双升压/降压模式的交错并联的工作逻辑示意图，图5示出了其拓扑图。 其中，桥臂a可实现双向dc-dc功能，复用的桥臂b可以实现整流(ac-dc) 或直流变换(dc-dc)的功能。对于桥臂b,在市电模式下，其用作s相整 流器和t相整流器，分别用于提供s相和t相的整流的ac-dc输出；在市 电丢失情况下，转换为电池模式，桥臂b被配置成升压电路，用于提供电 池至直流总线的输出。对于桥臂a，在电池模式下，其提供dc-dc的升压放电输出，用于在市电故障时快速启动，以快速地由电池向负载提供直流 输出，并且在桥臂b被配置为升压电路后与之并联以提供增强的直流输出； 在市电模式下，桥臂a实现dc-dc降压以利用直流总线上的电能给电池充 电。如图4(a)所示，在市电正常供电的市电模式中，r、s和t相各自 的整流器均运行，当市电丢失或故障时，则需要从市电模式切换到电池模 式以采用电池供电，此时电池桥臂a开启，在复用模块转配置为桥臂b， 使得桥臂a和b同时工作，进入电池升压模式进行电池双升压放电；反之， 如图4(b)所示，在电池模式中，电池升压桥臂a和b均在运行以提供升 压的直流输出，当市电恢复时，则需要从电池模式切换到市电模式以恢复 到市电供电，此时将升压桥臂a保持运行，在复用模块转配置为st相整流器，电池桥臂a运行在降压模式为电池充电，rst相整流器开启，进入 市电模式，实现从电池直流供电到电网交流供电的转换。

4、复用模块的方式极大地降低了硬件成本，但是，这样复用模块的方式 仍然面临一些不得不解决的问题：

5、工作在市电模式用作整流器时，对于三相逆变输出负载，整流器输入 电流中会包含明显的3次谐波，特别在这单向整流器的正负独立双交流整 流升压拓扑中，3次电流谐波分量会更大，恶化电流总谐波畸变率会导致 超规格。如何对整流器输入电流进行衰减处理以优化thdi对于提高系统 性能具有重要意义；此外，对于不平衡负载，直流总线电压会包含1次谐 波即工频纹波，若没有特定补偿器，它将传导至整流器输入电流，导致输 入电流不均衡，而为了均流，则需要补偿器对其进行优化补偿。

6、工作在电池模式用作升压桥臂b时，由于存在有两个并联升压桥臂即 桥臂a、桥臂b，为了保证桥臂间直流电流均流以及降低电流波纹，一般 采用相位交错并联方式。图6示出了并联拓扑脉宽调制示意图，从图中可 以看出，当电池工作在升压模式时，桥臂a的开关管t2与桥臂b的开关 管q1_s的pwm脉宽调制波工作于错相180度，这样电池桥臂桥臂a的电流ibat_桥臂a与电池桥臂桥臂b的电流ibat_桥臂b对应错相，从而减 低电池总电流ibat_all的纹波。这种并联及调制波工作方式即为直流升 压桥臂a、桥臂b相位交错并联，但是如何在相位交错并联方式下对电流 进行均流控制以使得两个桥臂工作且不影响电压是必须要解决的问题；对 于s、t相的整流器复用作为电池直流升压桥臂(桥臂b)的情况下，怎样保证市电模式及电池模式无缝切换(即最小的转换时间)从而实现ups的 完整功能也是必须要解决的问题。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的在于解决上述问题，提供一种基于单向整流及交 错并联升压器的稳定控制系统及方法。

2、根据本发明的第一方面，提供一种用于三相整流控制器电路的稳定控 制系统，所述系统包括：整流电压环控制器，用于获取整流输入直流总线 电压给定值、直流总线电压反馈正端值和负端值，并根据整流输入直流总 线电压给定值与直流总线电压反馈正端值和负端值之差计算电流有效参 考值；整流电压环不平衡负载优化补偿器，用于根据预设的传递函数根据 电流有效参考值计算整流电压环不平衡负载优化补偿参数，并基于整流电压环不平衡负载优化补偿参数对电流有效参考值进行反馈补偿获得电流 直流有效值，所述电流直流有效值是由整流电压环不平衡负载优化补偿参 数滤除电流有效参考值中的电压谐波后获得的。

3、在本发明的一些实施例中，所述整流电压环不平衡负载优化补偿器的 预设传递函数为：

4、

5、其中，ωi为角频率偏差值，ωo为工频纹波角频率，kopt为补偿衰减增 益系数，s为控制函数算子。

6、在本发明的一些实施例中，所述整流电压环不平衡负载优化补偿器的 预设传递函数为：

7、gopt(s)＝gubl(s)×gfil(z)

8、其中，gubl(s)为陷波滤波器，且其传递函数为其中，λ1为零点阻尼系数，λ2为极点阻尼系数，ωo为补偿点角频率，s为 控制函数算子；gfil(z)为滤波器，且其传递函数为gfil(z)＝fir(z)，fir(z) 为有限长单位脉冲滤波器，z为离散域算子。

9、优选的，所述系统还包括：整流电流反馈补偿器，用于获取整流输入 三相电流反馈值，并采用预设的传递函数根据整流输入三相电流反馈值计 算反馈补偿参数，以基于反馈补偿参数将整流输入三相电流反馈值中的谐 波进行谐波增益放大获得增益放大后的谐波电流值，其中，增益放大后的 谐波电流值用于整流输入电流反馈补偿控制以衰减整流输入电流中的谐 波。

10、在本发明的一些实施例中，所述整流电流反馈补偿器为谐波反馈补偿 器，其预设的传递函数为：

11、gatn(s)＝h1th(s)+∑h2n+1(s)，

12、其中，h1th(s)为整流电流1次谐波反馈补偿器传递函数，h2n+1(s)为 整流电流奇次谐波反馈补偿器传递函数，s为控制函数算子。

13、在本发明的一些实施例中，所述整流电流反馈补偿器为谐波反馈补偿 器，其预设传递函数为：

14、gatn_prj(s)＝h1th(s)+h3th(s)，

15、其中，h1th(s)为整流电流1次谐波反馈补偿器传递函数，h3th(s)为整 流电流3次谐波反馈补偿器传递函数，s为控制函数算子。

16、优选的，所述系统还包括：整流电流环控制器，用于获取整流电流环 三相电流给定值、整流电流反馈补偿器的输出，并采用预设的传递函数根 据整流电流环三相电流给定值与整流电流反馈补偿器的输出之差计算整 流电流环控制参数，以基于整流电流环控制参数、整流电流环三相电流给 定值和所述整流电流反馈补偿器的输出之差获得整流电流环控制输出占 空比；其中，所述整流电流环三相电流给定值通过所述整流电压环不平衡负载优化补偿器输出的电流直流有效值与整流电流环权重正弦参考函数 的乘积获得；所述整流电流环控制输出占空比被用于计算整流输入三相电 流反馈值以及整流总线电压反馈正端值和负端值。

17、根据本发明的第三方面，提供一种用于交错并联直流升压器电路的稳 定控制系统，所述交错并联直流升压器包括两个并联的桥臂，分别为直流 升压第一桥臂和直流升压第二桥臂，且每个桥臂中均配置有电感，所述系 统包括：电感电流差环控制器，用于分别获取交错并联直流升压器第一桥 臂和第二桥臂的电感电流，并采用预设的传递函数根据直流升压第一桥臂 电感电流和直流升压第二桥臂电感电流的差值计算电感电流差环控制参数，根据该电感电流差环控制参数、直流升压器第一桥臂和第二桥臂的电 感电流计算差环占空比值以用于电池桥臂间的电流均流控制；其中，所述 差环占空比值被用于计算直流升压器第一桥臂和第二桥臂之间的电流差， 以根据电流差判断直流升压器第一桥臂和第二桥臂之间是否实现均流。

18、在本发明的一些实施例中，所述电感电流差环控制器为比例滞环控制 器，其预设的传递函数为：

19、

20、其中，kdff为比例前馈增益，a为滞后环零点，b为滞后环极点，s为 控制函数算子。

21、优选的，所述系统还包括：直流升压总线瞬时电压控制器，用于获取 直流升压总线电压给定值、直流升压总线平均电压误差补偿值、直流升压 总线电压反馈正端值和负端值，并采用预设的传递函数根据直流升压总线 电压给定值、直流升压总线平均电压误差补偿值的和与直流升压总线电压 反馈正端值和负端值的差计算直流升压总线瞬时电压控制参数，根据直流 升压总线电压给定值、直流升压总线平均电压误差补偿值的和与直流升压总线电压反馈正端值和负端值的差、直流升压总线瞬时电压控制参数计算 直流升压电压占空比值；直流升压桥臂占空比模块，用于根据直流升压总 线瞬时电压控制器输出的直流升压电压占空比值、电感电流差环控制器输 出的差环占空比值按照预设的占空比计算规则分别获得直流升压第一桥 臂占空比值和直流升压第二桥臂占空比值；其中，所述直流升压第一桥臂 占空比值和直流升压第二桥臂占空比值被用于计算直流升压总线反馈正 端值和负端值。

22、在本发明的一些实施例中，所述预设的占空比计算规则为：根据直流 升压总线瞬时电压控制器输出的直流升压电压占空比值、电感电流差环控 制器输出的差环占空比值之差获得直流升压第一桥臂占空比值；根据直流 升压总线瞬时电压控制器输出的直流升压电压占空比值、电感电流差环控 制器输出的差环占空比值之和获得直流升压第二桥臂占空比值。

23、与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提出了新的整流控制和 交错升压控制。其中，整流控制通过对三相逆变输出负载进行谐波衰减可 以使电路获得高稳定性能和低thdi，同时在不平衡负载时对直流总线电压 进行滤波处理以滤除电压谐波使电路能够支持不平衡负载。交错升压控制 对升压环路的桥臂间电流进行均流控制，兼容环路控制系统，使电池具有 良好的动态效应和均流性能，实现整流到直流升压的无缝过渡。通过整流控制和交错升压控制，基于复用桥臂模块的单向整流和交错并联升压器能 够实现高性能低成本的ups系统。