一種三相四線制的高頻ups及其降低零地電壓的方法
【專利摘要】本發明公開了一種三相四線制的高頻UPS及其降低零地電壓的方法，該三相四線制的高頻UPS包括母線控制電路，母線控制電路包括雙環調節模塊、電壓前饋模塊和PWM輸出模塊，電壓前饋模塊包括：前饋計算單元，用于根據母線電壓和電網電壓計算電壓前饋值；前饋修正單元，用于對電壓前饋值進行修正，且修正后的電壓前饋值用于當電網電壓在過零附近時削弱PWM輸出模塊的發波；疊加單元，用于將修正后的電壓前饋值和雙環調節模塊的輸出值進行疊加，并將疊加后的值輸出至PWM輸出模塊。實施本發明的技術方案，能夠讓電感電流的正弦度變好，因此，有效降低了電感電流的諧波，從而使三次諧波電流變小，這樣就減小了零線電流，故能夠降低零地電壓。
【專利說明】—種三相四線制的高頻UPS及其降低零地電壓的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電源領域，尤其涉及一種三相四線制的高頻UPS及其降低零地電壓的方法。
【背景技術】
[0002]在三相四線制的高頻UPS (uninterrupted power supply,不間斷電源)中，其零線直接和機房的配電系統零線連接在一起，如圖1所示，如果沒有隔離變壓器，該高頻UPS必然存在零地電壓。如果高頻UPS的零地電壓達不到其所供電的設備的對最大零地電壓限制的要求，從而造成安全隱患，而使用該高頻UPS的設備廠家工程師將會拒絕上電開機。如果現場經過配線優化后，高頻UPS零地電壓還是達不到要求，往往要求增加隔離變壓器，從而造成成本增加，有的現場還可能因為場地原因，無法放下隔離變壓器。因此，高頻UPS的生產廠家希望在不增加隔離變壓器的情況下降低零地電壓，以滿足客戶的要求。
[0003]下面介紹下零地電壓的產生原理:零地電壓指在機房內的配電柜上的零線和地線之間的電壓。當高頻UPS工作后，零線上有電流，若地線上的電流可忽略不計，那么零地電壓可表示為U=Iz*Zn，其中，Zn為線路阻抗；Iz為零線電流。所以，從理論上講，雖然減小線路阻抗或零線電流都能夠降低零地電壓，但是在實際應用現場，往往零線絕對距離就比較長，同時受場地影響，走線優化也受限制。因此，線纜阻抗優化的空間就非常有限，因此只能通過降低零線電流的方式來降低零地電壓。
[0004]現有的UPS的母線控制大多是采用雙環調節和前饋控制的方式，圖2和圖3分別示出了現有的母線控制方式下電感電流和零線電流的仿真圖，由圖可得知，電感電流在電網電壓的相位角為O度附近時，出現峰值，而在電網電壓的相位角為90度附近時出現波谷。而且，最大零線電流有效值將近110A。具體分析如下:假設電壓前饋信號為(Vbus-Vin)/Vbus,在UPS的整流器中，當該電壓前饋值(Vbus-Vin)/Vbus與雙環調節模塊的輸出值一并輸入到PWM輸出模塊時，PWM的發波主要依賴于雙環調節模塊的輸出值和電壓前饋值，當整流器中電感電流較小時，雙環調節模塊的輸出值較小，可忽略不計，因此主要考慮前饋控制部分。當電網電壓在過零附近時，由于電網電壓Vin很小，電壓前饋值(Vbus-Vin)/Vbus近似等于1，因此，此時電感電流比較大，出現峰值。相反，當電網電壓在峰值時，由于Vin很大，電壓前饋值較小，因此，此時電感電流較小，出現波谷。綜上分析可知，使用現有母線控制方式，電感電流的 THDi (Total Harmonic Distortion of current on input,輸入線的電流諧波畸變總數)大于30%，三次諧波電流比較大。而且，零線電流主要為三次諧波電流。

【發明內容】

[0005]本發明要解決的技術問題在于，針對現有技術上述因零地電壓有可能過高而達不到用戶的要求的缺陷，提供一種三相四線制的高頻UPS及其降低零地電壓的方法，能降低零地電壓，從而達到該高頻UPS所供電的設備對最大零地電壓限制的要求。
[0006]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:構造一種三相四線制的高頻UPS，包括母線控制電路，所述母線控制電路包括雙環調節模塊、電壓前饋模塊和PWM輸出模塊，其特征在于，所述電壓前饋模塊包括:
[0007]前饋計算單元，用于根據母線電壓和電網電壓計算電壓前饋值；
[0008]前饋修正單元，用于對所述電壓前饋值進行修正，且修正后的電壓前饋值用于當電網電壓在過零附近時削弱所述PWM輸出模塊的發波；
[0009]疊加單元，用于將修正后的電壓前饋值和所述雙環調節模塊的輸出值進行疊加，并將疊加后的值輸出至所述PWM輸出模塊。
[0010]在本發明所述的三相四線制的高頻UPS中，所述母線控制電路還包括:
[0011]電感電流零序分量反饋模塊，用于將電感電流零序分量縮小到預設范圍內，并反饋至所述雙環調節模塊或電壓前饋模塊。
[0012]在本發明所述的三相四線制的高頻UPS中，所述電感電流零序分量反饋模塊包括:
[0013]電感電流零序分量計算單元，用于根據下面公式計算電感電流零序分量:
[0014]10=-(Ia+Ib+Ic)
[0015]其中，IA、IB、Ic分別為三相電感電流，I。為電感電流零序分量；
[0016]比例計算單元，用于將所述電感電流零序分量乘以預設的比例系數；
[0017]限定計算單元，用于將所述比例計算單元的計算結果限定在預設的范圍內。
[0018]在本發明所述的三相四線制的高頻UPS中，所述前饋計算單元根據下面其中一個公式計算電壓前饋值:
[0019]Vfg=(Vbus-Vin)Abus;
[0020]Vfg=(V*bus-Vin)/V*bus;
[0021]其中，Vfg為電壓前饋值，Vbus為母線電壓的反饋值，Vin為電網電壓，V*bus為母線電壓的給定值。
[0022]在本發明所述的三相四線制的高頻UPS中，所述前饋修正單元根據下面的公式對電壓前饋值進行修正:
[0023]N' fg=Vfg*(Ι-sin Θ )
[0024]其中，V' fg為修正后的電壓前饋值。
[0025]本發明還構造一種三相四線制的高頻UPS的降低零地電壓的方法，包括:
[0026]根據母線電壓和電網電壓計算電壓前饋值；
[0027]對所述電壓前饋值進行修正，且修正后的電壓前饋值用于當電網電壓在過零附近時削弱PWM輸出模塊的發波；
[0028]將修正后的電壓前饋值和雙環調節模塊的輸出值進行疊加，并將疊加后的值輸出至PWM輸出模塊。
[0029]在本發明所述的降低零地電壓的方法中，所述降低零地電壓的方法還包括:
[0030]將電感電流零序分量縮小到預設范圍內，并反饋至所述雙環調節模塊或電壓前饋模塊。
[0031]在本發明所述的降低零地電壓的方法中，所述將電感電流零序分量縮小到預設范圍內的步驟包括:
[0032]所述將電感電流零序分量縮小到預設范圍內的步驟包括:[0033]根據下面公式計算電感電流零序分量:
[0034]I(i=_(IA+IB+Ic)
[0035]其中，IA、IB、Ic分別為三相電感電流，Itl為電感電流零序分量；
[0036]將電感電流零序分量乘以預設的比例系數；
[0037]將乘以預設的比例系數后的電感電流零序分量限定在預設的范圍內。
[0038]在本發明所述的降低零地電壓的方法中，根據下面其中一個公式計算電壓前饋值:
[0039]Vfg=(Vbus-Vin)/Vbus;
_] Vfg=(V*bus-Vin)/V*bus;
[0041]其中，Vfg為電壓前饋值，Vbus為母線電壓的反饋值，Vin為電網電壓，V*bus為母線電壓的給定值。
[0042]在本發明所述的降低零地電壓的方法中，根據下面的公式對電壓前饋值進行修正:
[0043]N' fg=Vfg*(Ι-sin Θ )
[0044]其中，V' fg為修正后的電壓前饋值。
[0045]實施本發明的技術方案，由于在電壓前饋模塊中加入了前饋修正單元，其可對電壓前饋值進行修正，且修正后的電壓前饋值在當電網電壓在過零附近時削弱所述PWM輸出模塊的發波，而PWM的發波的削弱能夠抑制部分大占空比時電感電流的幅值。根據能量守恒定律可知，電網電壓在其它相位角度時，電感電流的幅值有增大的趨勢，從而能夠讓電感電流的正弦度變好，因此，有效降低了電感電流的諧波，從而使三次諧波電流變小，這樣就減小了零線電流，故能夠降低零地電壓。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0046]下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中:
[0047]圖1是UPS與機房的配電系統連接的示意圖；
[0048]圖2是現有的母線控制方式下電感電流的仿真圖；
[0049]圖3是現有的母線控制方式下零線電流的仿真圖；
[0050]圖4是本發明三相四線制的高頻UPS的母線控制電路實施例一的邏輯圖；
[0051]圖5是本發明三相四線制的高頻UPS的母線控制電路實施例二的邏輯圖；
[0052]圖6是本發明三相四線制的高頻UPS的母線控制電路實施例三的邏輯圖；
[0053]圖7是本發明三相四線制的高頻UPS的母線控制電路中雙環調節模塊實施例一的邏輯圖；
[0054]圖8是本發明母線控制方式下電感電流的仿真圖；
[0055]圖9是本發明母線控制方式下零線電流的仿真圖；
[0056]圖10是本發明三相四線制的高頻UPS的降低零地電壓的方法實施例一的流程圖。【具體實施方式】
[0057]如圖4所示的本發明三相四線制的高頻UPS的母線控制電路實施例一的邏輯圖中，在該三相四線制的高頻UPS中，在整流環節，母線控制電路用于根據反饋值和給定值向整流器中的開關管輸出相應的PWM信號，以使反饋值能夠很好地跟蹤給定值。該母線控制電路包括雙環調節模塊10、電壓前饋模塊20和PWM輸出模塊30，而且，電壓前饋模塊20包括依次連接的前饋計算單元21、前饋修正單元22和疊加單元23。其中，前饋計算單元21用于根據母線電壓和電網電壓計算電壓前饋值；前饋修正單元22用于對電壓前饋值進行修正，且修正后的電壓前饋值用于當電網電壓在過零附近時削弱PWM輸出模塊30的發波；疊加單元23用于將修正后的電壓前饋值和雙環調節模塊10的輸出值進行疊加，并將疊加后的值輸出至PWM輸出模塊30。實施該技術方案，由于在電壓前饋模塊20中加入了前饋修正單元22，其可對電壓前饋值進行修正，且修正后的電壓前饋值在當電網電壓在過零附近時削弱所述PWM輸出模塊的發波，而PWM的發波的削弱能夠抑制部分大占空比時電感電流的幅值。根據能量守恒定律可知，電網電壓在其它相位角度時，電感電流的幅值有增大的趨勢，從而能夠讓電感電流的正弦度變好，因此，有效降低了電感電流的諧波，從而使三次諧波電流變小，這樣就減小了零線電流，故能夠降低零地電壓。
[0058]圖5是 本發明三相四線制的高頻UPS的母線控制電路實施例二的邏輯圖，該實施例相比圖4所示的實施例，所不同的僅是，該三相四線制的高頻UPS還包括電感電流零序分量反饋模塊40，該電感電流零序分量反饋模塊40用于將電感電流零序分量縮小到預設范圍內，且該電感電流零序分量反饋模塊40包括依次連接的電感電流零序分量計算單元41、比例計算單元42和限定計算單元43，而且，電感電流零序分量計算單元41用于根據10=-(Ia+Ib+Ic)計算電感電流零序分量Itl,其中，IA、IB、I。分別為三相電感電流；比例計算單元42用于將所述電感電流零序分量乘以預設的比例系數；限定計算單元43用于將所述比例計算單元的計算結果限定在預設的范圍內。然后，將限定計算單元43的輸出值反饋至電壓前饋模塊20。電壓前饋模塊20中的疊加單元23將修正后的電壓前饋值、雙環調節模塊10的輸出值及限定計算單元43的輸出值進行疊加，并將疊加后的值輸出至PWM輸出模塊30。實施該技術方案，通過采用電感電流零序分量乘以比例系數做閉環控制，能夠有效降低零線的電流幅值。而且，對比例調節后的電感電流零序分量做限幅處理，可進一步地抑制諧波，讓電感電流的正弦度變好。
[0059]圖6是本發明三相四線制的高頻UPS的母線控制電路實施例三的邏輯圖，該實施例相比圖5所示的實施例，所不同的僅是，雙環調節模塊10包括電壓環調節單元11和電流環調節單元12，而且，該限定計算單元43的輸出值反饋至電流環調節單元12。另外，關于雙環調節模塊10，具體如圖7所示，在電壓環調節中，母線電壓給定值V\us與母線電壓反饋值Vbus之差Vbus 經過電壓調節器后得到電流環給定值I。在電流環調節中，電流環給定值I與市電輸入電壓的相位sin Θ相乘后得到電流參考值&，Μ?與電流反饋值L之差
經過電流調節器后得到指令信號，該指令信號與電壓前饋模塊的輸出值疊加后輸出至PWM輸出模塊。
[0060]在本發明三相四線制的高頻UPS的一個優選實施例中，前饋計算單元可根據下面其中一個公式計算電壓前饋值:
[0061]Vfg= (Vbus-Vin)/Vbus;
[0062]Vfg=(V*bus-Vin)/V*bus;
[0063]其中，Vfg為電壓前饋值，Vbus為母線電壓的反饋值，Vin為電網電壓，V*bus為母線電壓的給定值。[0064]在本發明三相四線制的高頻UPS的另一個優選實施例中，前饋修正單元根據下面的公式對電壓前饋值進行修正:
[0065]N' fg=Vfg*(Ι-sin Θ )
[0066]其中，V' fg為修正后的電壓前饋值。
[0067]下面以一個具體例子來分析本發明改進后的技術效果:本發明有兩方面的改進，一、加入了前饋修正單元；二、加入了電感電流零序分量做閉環控制。另外，假設電壓前饋值為(Vbus-Vin)/Vbus，對電壓前饋值的修正為將電壓前饋值乘以(ι-sin Θ)。
[0068]首先針對第一方面的改進，前饋修正單元用于將電壓前饋值(Vbus-Vin)/Vbus乘以(Ι-sin Θ )，以對電壓前饋值進行修正，且修正后的電壓前饋值與雙環調節模塊的輸出值一并輸入到PWM輸出模塊。PWM的發波主要依賴于雙環調節模塊的輸出值和電壓前饋值，雙環調節模塊的輸出值較小，可忽略不計，因此主要考慮前饋控制部分。當電網電壓在過零附近時，由于(Ι-sin Θ )小于1，因此，此時可削弱PWM輸出模塊的發波，而PWM的發波的減小能夠抑制部分大占空比時電感電流的幅值。另外，雙環調節模塊的目的是使母線電壓反饋值跟蹤母線電壓給定值，電感電流反饋值跟蹤電感電流給定值，所以，在電網電壓的其它相位角度時刻，電感電流必然有增大的趨勢。因此，能夠讓電感電流的正弦度變好，有效降低了電感電流的諧波，從而使三次諧波電流變小，進而減小了零線電流，最終使得零地電壓降低。
[0069]其次針對第二方面的改進，采用電感電流零序分量乘以比例系數做閉環控制，能夠有效降低零線的電流幅值。而且，對比例調節后的電感電流零序分量做限幅處理，可進一步地抑制諧波，讓電感電流的正弦度變好，也能降低電感電流的諧波，進而減小了零線電流，最終使得零地電壓降低。
[0070]在采用本發明以上兩個方面的改進后，圖8和圖9分別示出了本發明母線控制方式下電感電流和諧波電流的仿真圖，經與圖2和圖3對比可知，電感電流的正弦度變好，零線電流的有效值從IlOA降低到28A，進而可推測，零地電壓下降的也非常明顯。
[0071]圖10是本發明三相四線制的高頻UPS的降低零地電壓的方法實施例一的流程圖，該降低零地電壓的方法包括:
[0072]A.根據母線電壓和電網電壓計算電壓前饋值；
[0073]B.對所述電壓前饋值進行修正，且修正后的電壓前饋值用于當電網電壓在過零附近時削弱PWM輸出模塊的發波；
[0074]C.將修正后的電壓前饋值和雙環調節模塊的輸出值進行疊加，并將疊加后的值輸出至PWM輸出模塊。
[0075]在本發明三相四線制的高頻UPS的降低零地電壓的方法的一個優選實施例中，該降低零地電壓的方法還包括:
[0076]將電感電流零序分量縮小到預設范圍內，并反饋至所述雙環調節模塊或電壓前饋模塊，且該步驟可具體包括:
[0077]根據下面公式計算電感電流零序分量:
[0078]10=-(Ia+Ib+Ic)
[0079]其中，IA、IB、Ic分別為三相電感電流，Itl為電感電流零序分量；
[0080]將電感電流零序分量乘以預設的比例系數；[0081]將乘以預設的比例系數后的電感電流零序分量限定在預設的范圍內。
[0082]在本發明三相四線制的高頻UPS的降低零地電壓的方法的另一個優選實施例中，可根據下面其中一個公式計算電壓前饋值:
【權利要求】
1.一種三相四線制的高頻UPS’包括母線控制電路，所述母線控制電路包括雙環調節模塊、電壓前饋模塊和PWM輸出模塊，其特征在于，所述電壓前饋模塊包括: 前饋計算單元，用于根據母線電壓和電網電壓計算電壓前饋值； 前饋修正單元，用于對所述電壓前饋值進行修正，且修正后的電壓前饋值用于當電網電壓在過零附近時削弱所述PWM輸出模塊的發波； 疊加單元，用于將修正后的電壓前饋值和所述雙環調節模塊的輸出值進行疊加，并將疊加后的值輸出至所述PWM輸出模塊。
2.根據權利要求1所述的三相四線制的高頻UPS，其特征在于，所述母線控制電路還包括: 電感電流零序分量反饋模塊，用于將電感電流零序分量縮小到預設范圍內，并反饋至所述雙環調節模塊或電壓前饋模塊。
3.根據權利要求2所述的三相四線制的高頻UPS，其特征在于，所述電感電流零序分量反饋模塊包括: 電感電流零序分量計算單元，用于根據下面公式計算電感電流零序分量:
10=- (Ia+Ib+Ic) 其中，IA、IB、IC*別為三相電感電流，Itl為電感電流零序分量； 比例計算單元，用于將所述電感電流零序分量乘以預設的比例系數； 限定計算單元，用于將所述比例計算單元的計算結果限定在預設的范圍內。
4.根據權利要求1至3任一項所述的三相四線制的高頻UPS，其特征在于，所述前饋計算單元根據下面其中一個公式計算電壓前饋值:
Vfg= (Vbus-Vin) /Vbus;
Vfg= (V*bus-vin)/v*bus； 其中，Vfg為電壓前饋值，Vbus為母線電壓的反饋值，Vin為電網電壓，v*bus為母線電壓的給定值。
5.根據權利要求4所述的三相四線制的高頻UPS，其特征在于，所述前饋修正單元根據下面的公式對電壓前饋值進行修正:
V' fg = Vfg*(Ι-sin Θ ) 其中，V' fg為修正后的電壓前饋值。
6.一種在三相四線制的高頻UPS中降低零地電壓的方法，其特征在于，包括: 根據母線電壓和電網電壓計算電壓前饋值； 對所述電壓前饋值進行修正，且修正后的電壓前饋值用于當電網電壓在過零附近時削弱PWM輸出模塊的發波； 將修正后的電壓前饋值和雙環調節模塊的輸出值進行疊加，并將疊加后的值輸出至PWM輸出模塊。
7.根據權利要求6所述的降低零地電壓的方法，其特征在于，所述降低零地電壓的方法還包括: 將電感電流零序分量縮小到預設范圍內，并反饋至所述雙環調節模塊或電壓前饋模塊。
8.根據權利要求7所述的降低零地電壓的方法，其特征在于:所述將電感電流零序分量縮小到預設范圍內的步驟包括: 根據下面公式計算電感電流零序分量:
9.根據權利要求6至8任一項所述的降低零地電壓的方法，其特征在于，根據下面其中一個公式計算電壓前饋值:
10.根據權利要求9所述的降低零地電壓的方法，其特征在于，根據下面的公式對電壓前饋值進行修正:
【文檔編號】H02J9/00GK103701190SQ201210369903
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2012年9月27日 優先權日:2012年9月27日
【發明者】周揚, 鄭書路, 卓清鋒 申請人:力博特公司