本帖最后由 电笔小新 于 2025-9-4 11:48 编辑
1. 设计需求分析
->功率等级：30KW三相UPS是中型企业、关键业务部门和基础设施领域保障核心设备电力连续性与质量的“中坚力量”。
->电池输入电压范围：串联15个16串的磷酸铁锂电池，通常在600V-864V之间。
->AC输入电压范围：三相相交流90~264Vac。
->AC输出电压：三相230±5%Vac，频率50Hz。
2. 拓扑结构选择（三进四出6桥臂三相在线式UPS）
三进四出六桥臂UPS是当代中大功率不间断电源系统的核心拓扑之一，以其高性能和高可靠性被广泛应用于数据中心、工业制造等关键领域。该拓扑采用全高频化设计，最显著的特征是取消了传统的工频输入及输出变压器，转而依靠高频脉宽调制（PWM）技术完成能量变换，使得系统体积更小、重量更轻、效率更高。
其前端为基于IGBT的三相PWM整流器，它不仅替代了传统的二极管或晶闸管整流电路，更能实现能量的双向可控流动。通过先进的闭环控制策略，该整流器可使输入电流紧密跟踪输入电压波形，从而实现单位输入功率因数（PF≈1），并将输入电流谐波失真（THDi）降至5%以下，甚至优于3%，极大减轻了对电网的污染，符合严格的能效与谐波标准。
系统配备**的智能电池充放电管理电路，通常是一个双向DC/DC变换器。该电路**于主功率通路，能对后备电池进行精确的充放电管理，支持恒流、恒压、浮充等多种充电模式，有效延长电池使用寿命。在市电中断时，它能将电池电压高效、稳定地升压至直流母线所需电压，确保系统不间断运行。
后端是同样由IGBT构成的三相PWM逆变器，它直接从直流母线取电，逆变产生纯净、稳定的正弦波交流输出。由于无需输出隔离变压器，其动态响应更快，输出电压总谐波失真（THDv）低，具备优异的负载适应性与稳压稳频性能。整个系统通过共享的直流母线连接整流与逆变单元，结构紧凑，实现了真正意义上的双变换在线式工作，为敏感负载提供全天候的高质量电力保障。
3. 控制策略- Ø整流双环控制：整流器双环控制的核心目标是控制输入电流并稳定直流母线电压，双环控制兼顾了输入电流的高输入功率因数与低谐波失真，又保证了母线电压的快速响应。
- Ø整流SPWM调制：采用正弦脉宽调制（SPWM）确保输入电流精准跟踪市电。
- Ø逆变双环控制：采用电流内环和电压外环的双闭环控制策略，保证了系统带载的稳定性。
- Ø逆变SPWM调制：采用正弦脉宽调制（SPWM）生成高质量的正弦波。
4. 三相整流实现
4.1 三相整流控制实现
三相整流器采用电压外环与电流内环的双闭环控制。电压外环通过调节直流母线电压偏差，输出电流幅值指令，以维持母线稳定。电流内环则快速跟踪该指令，控制网侧电流实现正弦化且与电压同相，从而获得单位功率因数与极低的电流谐波失真。
控制框架如下：
4.2 三相PFC闭环系统如下：
仿真结果如下：
5. 电池充放电实现
高压电池系统直接挂接于UPS直流母线是一种高效集成方案。该系统由高压电池组、直流母线及PWM整流器构成。电池组额定电压（768V）需匹配直流母线工作范围（如700–800V），并通过接触器直接并联于母线。PWM整流器作为双向能量控制单元，承担充放电管理的核心功能。
市电正常时，整流器工作于充电模式：电池管理系统（BMS）上传充电电压及电流限值，UPS控制单元据此调节整流器。电压外环维持母线高压（如800VDC），电流内环限制充电电流，实现先恒流再恒压的智能化充电，能量由电网经整流器、母线向电池输送。
市电中断时，系统切换至放电模式：整流器关断，电池成为母线唯一能源，直接支撑电压，逆变器持续供电，能量反向流动。市电恢复后，整流器重新软启动，逐步重建母线电压，直至恢复充电。
该方案优点显著：取消**DC/DC环节，能量路径短，效率高；结构紧凑，成本降低，可靠性提升。但也面临挑战：电池电压需严格匹配母线工作范围；缺乏电气隔离，依赖高绝缘保护；充电控制需BMS与UPS间高速协同通信。
综上，该设计通过电池直挂母线及整流器的双向控制，实现了高效、简洁的充放电管理，其核心在于系统电压协调与BMS的紧密交互。
6. 逆变实现
6.1 逆变双闭环控制
两电平三相逆变器的DQ双闭环控制是一种基于旋转坐标系的高性能控制策略。通过Park变换将三相静止坐标系（abc）下的交流量转换为同步旋转坐标系（dq）下的直流量，从而实现无静差控制。电压外环负责稳定输出电压，保证系统的稳态精度与抗负载扰动能力；电流内环实现输出电流的快速跟踪与解耦控制，提升动态响应速度与限流保护能力。该策略能有效抑制谐波、优化波形质量，广泛应用于UPS及变频器等场合，以实现高功率因数、低THD的高品质能量变换。
控制框架如下：
6.2 逆变闭环实现
逆变离网闭环系统如下:
仿真波形如下：
7. 三进四出6桥臂三相在线式UPS实现
上面已经单独实现了三相整流闭环控制、三相逆变DQ双闭环控制，要将三相整流闭环控制系统的高压输出接到逆变DQ双闭环控制系统直流输入，即可实现三相在线式UPS的系统仿真。
仿真波形：
8. 系统总结
本文先从30KW三相在线式UPS拓扑选择讲起，接着分别搭建三相整流闭环控制系统、三相逆变DQ双闭环控制系统；然后通过分析UPS的功能，通过增加控制策略将三相整流闭环控制系统、电池充放电系统和三相逆变DQ双闭环控制系统三个单独控制系统串联起来，构成了完整功能的30KW三相在线式UPS，并通过仿真验证了系统的稳定可靠运行。
关注公众号，可获取相关仿真资料
|
本帖子中包含更多资源
您需要 登录 才可以下载或查看，没有账号？注册
×
|
