本發(fā)明涉及電源技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種不間斷電源系統(tǒng)及其輸出電壓諧波抑制電路。

背景技術(shù)：

隨著近年來數(shù)據(jù)中心電源負荷的快速增長，能效指標要求越來越高，因此對不間斷電源系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量的要求也越來越高。傳統(tǒng)的不間斷電源系統(tǒng)在在數(shù)據(jù)中心負載供電時，其輸出電壓的諧波分量較大，從而導致其輸出電能質(zhì)量不能滿足高質(zhì)量供電需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于此，有必要提供一種能夠向負載進行高電能質(zhì)量供電的不間斷電源系統(tǒng)及其輸出電壓諧波抑制電路。

一種輸出電壓諧波抑制電路，用于對不間斷電源系統(tǒng)輸出電壓中的電壓諧波分量進行抑制；包括：諧波分量提取電路，用于實時提取所述輸出電壓中的諧波電壓分量信號；增益控制電路，與所述諧波分量提取電路連接，用于根據(jù)預(yù)設(shè)總諧波失真度、所述諧波電壓分量信號和所述輸出電壓的基波分量有效值確定實時的增益放大系數(shù)；增益放大電路，分別與所述諧波分量提取電路和所述增益控制電路連接；所述增益放大電路利用所述增益放大系數(shù)對所述諧波電壓分量信號進行增益放大處理；以及信號轉(zhuǎn)換電路，與所述增益放大電路連接，用于將所述增益放大電路輸出的諧波電壓分量信號轉(zhuǎn)換為諧波補償指令信號輸出給所述不間斷電源系統(tǒng)的控制電路。

上述輸出電壓諧波抑制電路，增益控制電路會根據(jù)諧波電壓分量信號、預(yù)設(shè)總諧波失真度和輸出電壓的基波分量有效值確定實時的增益放大系數(shù)。增益放大電路利用該增益放大系數(shù)對諧波分量提取電路提取到的諧波電壓分量信號進行增益放大處理，并經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換電路的作用轉(zhuǎn)換為諧波補償指令信號后輸出給不間斷電源系統(tǒng)的控制電路?？刂齐娐房梢愿鶕?jù)該諧波補償指令信號對不間斷電源系統(tǒng)的輸出電壓中的諧波電壓分量進行實時補償，從而快速將輸出電壓中的諧波電壓分量抑制在預(yù)設(shè)總諧波失真度內(nèi)，滿足不間斷電源系統(tǒng)對負載高電能質(zhì)量供電的需求。

在其中一個實施例中，所述諧波分量提取電路包括：第一三相靜止坐標系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系轉(zhuǎn)換模塊，用于將所述不間斷電源系統(tǒng)輸出的三相輸出電壓轉(zhuǎn)換為q軸電壓和d軸電壓；以及高通濾波器，與所述第一三相靜止坐標系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接，用于將所述q軸電壓和所述d軸電壓中的直流分量濾除以得到q軸諧波電壓分量信號和d軸諧波電壓分量信號。

在其中一個實施例中，所述增益放大電路用于根據(jù)所述增益放大系數(shù)對所述q軸諧波電壓分量信號和d軸諧波電壓分量信號進行增益放大處理；所述信號轉(zhuǎn)換電路包括依次連接的第一兩相旋轉(zhuǎn)坐標系到三相靜止坐標系轉(zhuǎn)換模塊和第二三相靜止坐標系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系轉(zhuǎn)換模塊；所述第一兩相旋轉(zhuǎn)坐標系到三相靜止坐標系轉(zhuǎn)換模塊與所述增益放大電路連接，用于將所述增益放大電路輸出的d軸諧波電壓分量信號和q軸諧波電壓分量信號轉(zhuǎn)換為三相諧波補償指令信號；所述第二三相靜止坐標系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系轉(zhuǎn)換模塊用于將所述三相諧波補償指令信號轉(zhuǎn)換為d諧波補償指令信號和q軸諧波補償指令信號后輸出給所述不間斷電源系統(tǒng)的控制電路。

在其中一個實施例中，所述增益控制電路包括：第一計算單元，所述第一計算單元的輸入端與所述諧波分量提取電路的輸出端連接；所述第一計算單元用于根據(jù)所述諧波電壓分量信號求取目標次諧波分量的平方和作為反饋值；第二計算單元，所述第二計算單元的第一輸入端用于接收所述預(yù)設(shè)總諧波失真度；所述第二計算單元的第二輸入端與所述變流器的輸出端連接，以獲取所述變流器輸出電壓的基波分量有效值；所述第二計算單元用于提取所述輸出電壓的基波分量有效值并根據(jù)所述基波分量有效值和所述預(yù)設(shè)總諧波失真度求取參考電壓諧波分量的平方和作為參考值；加法器，分別與所述第一計算單元和所述第二計算單元連接，用于將所述反饋值和所述參考值做差比較后形成誤差信號；以及增益控制器，分別與所述加法器和所述增益放大電路連接；所述增益控制器用于對所述誤差信號進行閉環(huán)控制并生成所述增益放大系數(shù)。

在其中一個實施例中，所述第二計算單元根據(jù)所述基波分量有效值和所述預(yù)設(shè)總諧波失真度求取參考電壓諧波分量的平方和作為參考值的計算公式為：其中，為所述參考值，V_g為所述基波分量有效值，THD^*為所述預(yù)設(shè)總諧波失真度。

在其中一個實施例中，所述目標次諧波分量包括(6k±1)次諧波，其中k為正整數(shù)。

在其中一個實施例中，所述預(yù)設(shè)總諧波失真度小于等于5％。

在其中一個實施例中，所述增益控制器為PI控制器。

在其中一個實施例中，所述增益放大電路包括乘法器；所述乘法器的兩個輸入端分別與所述諧波分量提取電路、所述增益控制電路連接；所述乘法器的輸出端與所述信號轉(zhuǎn)換電路連接。

一種不間斷電源系統(tǒng)，包括變流器和控制電路；所述控制電路與所述變流器連接，用于對所述變流器的工作進行控制，其特征在于，還包括如前述任一實施例所述的輸出電壓諧波抑制電路；所述諧波分量提取電路與所述變流器的輸出端連接；所述信號轉(zhuǎn)換電路的輸出端與所述控制電路連接。

附圖說明

圖1為一實施例中的輸出電壓諧波抑制電路的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為一實施例中的輸出電壓諧波抑制電路的電路原理框圖；

圖3為一實施例中的不間斷電源系統(tǒng)的電路原理框圖；

圖4為不間斷電源系統(tǒng)未進行諧波補償時的A相輸出電能質(zhì)量效果示意圖；

圖5為不間斷電源系統(tǒng)通過輸出電壓諧波抑制電路進行輸出電壓諧波抑制后的A相電能質(zhì)量示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

需要說明的是，當一個元件被認為是“連接”另一元件，它可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。相反，當元件被稱作“直接”與另一元件連接時，不存在中間元件。

參見圖1，該輸出電壓諧波抑制電路用于對不間斷電源系統(tǒng)輸出電壓中的電壓諧波分量進行抑制，以使得諧波抑制后的不間斷電源系統(tǒng)輸出電壓諧波值控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)對負載的高電能質(zhì)量供電。

該輸出電壓諧波抑制電路包括諧波分量提取電路110、增益控制電路120、增益放大電路130和信號轉(zhuǎn)換電路140。其中，諧波分量提取電路110的輸入端與變流器的輸出端連接。增益控制電路120的輸入端分別與諧波分量提取電路110以及不間斷電源系統(tǒng)的輸出端連接。在本實施例中，不間斷電源系統(tǒng)中的變流器的輸出端作為不間斷電源系統(tǒng)的輸出端，如圖1所示。增益放大電路130的輸入端分別與諧波分量提取電路110和增益控制電路120連接。增益放大電路130的輸出端與信號轉(zhuǎn)換電路140連接。

諧波分量提取電路110用于實時提取變流器輸出電壓中的諧波電壓分量信號。增益控制電路120用于根據(jù)諧波分量提取電路110提取出的諧波電壓分量信號、預(yù)設(shè)總諧波失真度和輸出電壓基波分量有效值確定實時的增益放大系數(shù)并輸出給增益放大電路130。增益放大電路130利用該增益放大系數(shù)對諧波分量提取電路110輸出的諧波電壓分量信號進行增益放大后輸出給信號轉(zhuǎn)換電路140。信號轉(zhuǎn)換電路140將經(jīng)過增益放大后的諧波電壓分量信號轉(zhuǎn)換為諧波補償指令信號后輸出給不間斷電源系統(tǒng)的控制電路，以使得控制電路可以根據(jù)該諧波補償指令信號對變流器的輸出電壓進行諧波補償，進而將輸出電壓諧波抑制在預(yù)設(shè)總諧波失真度內(nèi)。

上述輸出電壓諧波抑制電路，增益控制電路120會根據(jù)諧波電壓分量信號、預(yù)設(shè)總諧波失真度和輸出電壓基波分量有效值確定實時的增益放大系數(shù)。增益放大電路130利用該增益放大系數(shù)對諧波分量提取電路110提取到的諧波電壓分量信號進行增益放大處理，并經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換電路140的作用轉(zhuǎn)換為諧波補償指令信號后輸出給不間斷電源系統(tǒng)的控制電路?？刂齐娐房梢愿鶕?jù)該諧波補償指令信號對變流器輸出電壓中的諧波電壓分量進行實時補償，從而快速將輸出電壓諧波分量抑制在預(yù)設(shè)總諧波失真度內(nèi)，滿足不間斷電源系統(tǒng)對負載高電能質(zhì)量供電的需求。上述輸出電壓諧波抑制電路會根據(jù)輸出電壓諧波的變化實時生成增益放大系數(shù)，從而使得諧波抑制實時性非常好，且具有較好的諧波抑制效果。

圖2為一實施例中的輸出電壓諧波抑制電路的電路原理框圖。在本實施例中，諧波分量提取電路包括第一三相靜止坐標系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系轉(zhuǎn)換模塊(第一abc/dq轉(zhuǎn)換模塊)212和高通濾波器214。第一abc/dq轉(zhuǎn)換模塊212的輸入端與變流器的輸出端連接，用于接收變流器輸出的三相電壓(u_gA、u_gB、u_gC)。第一abc/dq轉(zhuǎn)換模塊212的輸出端與高通濾波器214的輸入端連接。其中，第一abc/dq轉(zhuǎn)換模塊212用于將變流器輸出的三相電壓(u_gA、u_gB、u_gC)轉(zhuǎn)換為q軸電壓U_gq和d軸電壓U_gd。高通濾波器214用于將q軸電壓U_gq和d軸電壓U_gd中在直流量濾除掉，生成包含所有電壓諧波分量的q軸諧波電壓分量信號U_gqh和d軸諧波電壓分量信號U_gdh(三相電壓可分解為基波電壓和諧波電壓兩部分)。

增益控制電路包括第一計算單元222、第二計算單元224、加法器226和增益控制器228。具體地，第一計算單元222的輸入端與諧波分量提取電路中的高通濾波器214的輸出端連接。第一計算單元222的輸出端與加法器226的一個輸入端連接。第一計算單元222用于根據(jù)高通濾波器214輸出的q軸諧波電壓分量信號U_gqh和d軸諧波電壓分量信號U_gdh求取目標次諧波分量的平方和作為反饋值V_h²。在一實施例中，目標次諧波分量可以包括所有的諧波分量，也即V_h²為：

V_h²＝U_gdh²+U_gqh² (1)。

在另一實施例中，目標次諧波分量也可以僅僅為(6k±1)次諧波，其中k為正整數(shù)，也即包括5次諧波、7次諧波、11次諧波……，此時V_h²為：

V_h²＝V₅²+V₇²+V₁₁²+V₁₃²+…。

第二計算單元224的一個輸入端用于接收預(yù)設(shè)總諧波失真度THD^*，另一個輸入端與變流器的輸出端連接。第二計算單元224的輸出端與加法器226的另一個輸入端連接。預(yù)設(shè)總諧波失真度THD^*為預(yù)期要達到的值。該值可以根據(jù)適用標準或者供電質(zhì)量需求進行確定。在本實施例中，預(yù)設(shè)總諧波失真度THD*小于等于5％。第二計算單元224用于獲取輸出電壓基波分量有效值V_g，并根據(jù)該基波分量有效值V_g和預(yù)設(shè)總諧波失真度THD*求取參考電壓諧波分量的平方和作為參考值第二計算單元224計算參考值的公式如下：

公式(2)的求取過程如下：

不間斷電源系統(tǒng)(UPS)的三相輸出電壓u_gA、u_gB、u_gC表達式為：

其中，V_g為基波分量有效值，V_h為電壓諧波分量有效值，ω_g為基波角頻率，ω_h為諧波分量角頻率，_h是指對應(yīng)次諧波的相位。

abc三相靜止坐標系到dq兩相旋轉(zhuǎn)坐標系變換矩陣如下：

因此，三相輸出電壓u_gA、u_gB、u_gC通過abc/dq變換后生成包含有所有電壓諧波分量的量U_gd和U_gq的表達式為：

通過高通濾波器模塊將U_gd和U_gq中的直流分量濾掉，生成包含所有電壓諧波分量的信號U_gdh和U_gqh，并根據(jù)U_gdh和U_gqh計算出所有諧波電壓分量的平方和V_h²表達式為：

需要說明的是，由于輸出電壓中的各次諧波分量中以5次諧波和7次諧波值最大，因此上述公式推導過程中，只考慮5次諧波和7次諧波的作用，故V_h²的表達式中僅含有5次諧波分量和7次諧波分量的所有信息。進一步的，上述中，由于高頻項交流分量2V₅V₇cos(ω₁₂t+φ₅+φ₇)很小，因此將其忽略不計，從而使得V_h²的表達式等效為：

總諧波失真度THD的定義為：

因此，將式(3)帶入至上式，則有：

因此，根據(jù)預(yù)設(shè)總諧波失真度THD^*和輸出電壓的基波分量有效值V_g即可求取到參考值

加法器226的輸出端與增益控制器228的輸入端連接。加法器226用于將第一計算單元222輸入的反饋值V_h²和第二計算單元224輸入的參考值做差比較后形成誤差信號送入至增益控制器228內(nèi)。增益控制器228對該誤差信號進行閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，并生成增益放大系數(shù)K_V。增益控制器228可以采用電壓環(huán)控制器，如PI控制器。增益控制器228輸出的增益放大系數(shù)K_V為大于或等于零的數(shù)。具體地，增益控制器228在輸入的誤差信號較大，也即反饋值V_h²和參考值的差值較大時，輸出的增益放大系數(shù)K_V變大，從而使得最終得到的諧波補償分量增大，抵消實際電壓中的諧波分量，將不間斷電源系統(tǒng)輸出電壓的總諧波失真度THD抑制到目標范圍。增益控制器228在誤差信號減小時，則減小增益放大系數(shù)K_V。

在本實施例中，增益放大電路為乘法器230。乘法器230用于將增益放大系數(shù)K_V與q軸諧波電壓分量信號U_gqh、d軸諧波電壓分量信號U_gdh分別進行相乘，從而產(chǎn)生包含所有電壓諧波分量的信號i_cdh和i_cqh，也即

i_cdh＝K_V×U_gdh。

i_cqh＝K_V×U_gqh。

信號轉(zhuǎn)換電路包括依次連接的第一兩相旋轉(zhuǎn)坐標系到三相靜止坐標系轉(zhuǎn)換模塊(第一dq/abc轉(zhuǎn)換模塊)242和第二三相靜止坐標系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系轉(zhuǎn)換模塊(第二abc/dq轉(zhuǎn)換模塊)244。第一dq/abc轉(zhuǎn)換模塊242與乘法器230連接。第一dq/abc轉(zhuǎn)換模塊242用于乘法器230輸出的d軸諧波電壓分量信號i_cdh和q軸諧波電壓分量信號i_cqh轉(zhuǎn)換為三相諧波補償指令信號i_cvA、i_cvB和i_cvC。第二abc/dq轉(zhuǎn)換模塊244用于將三相諧波補償指令信號i_cvA、i_cvB和i_cvC轉(zhuǎn)換為d諧波補償指令信號i_cvd和q軸諧波補償指令信號i_cvq后輸出給不間斷電源系統(tǒng)控制電路中的離網(wǎng)控制單元中的電流環(huán)d軸和q軸上去，從而使得不間斷電源系統(tǒng)最終輸出的電壓諧波補償量能夠抵消實際輸出電壓中的諧波分量，實現(xiàn)對負載的高電能質(zhì)量供電。

本發(fā)明還提供一種不間斷電源系統(tǒng)，其包括變流器310和控制電路320，還包括輸出電壓諧波抑制電路330，如圖3所示。其中，變流器310的輸出端通過公共連接點PCC與負載和電網(wǎng)連接。控制電路320與變流器310連接，用于對變流器310的工作進行控制。在本實施例中，控制電路320包括離網(wǎng)控制單元322、并網(wǎng)控制單元324、驅(qū)動單元326和主控制單元328。主控制單元328用于對離網(wǎng)控制單元322和并網(wǎng)控制單元324的工作狀態(tài)進行切換控制。離網(wǎng)控制單元322用于生成離網(wǎng)控制信號并輸出給驅(qū)動單元326以對不間斷電源系統(tǒng)的離網(wǎng)模式進行控制。并網(wǎng)控制單元324則用于生成并網(wǎng)控制信號并輸出給驅(qū)動單元326以對不間斷系統(tǒng)的并網(wǎng)模式下的工作進行控制。輸出電壓諧波抑制電路330可以為前述任一實施例中的輸出電壓諧波抑制電路，其輸入端與變流器310的輸出端連接，輸出端則與離網(wǎng)控制單元322的輸入端連接。離網(wǎng)控制單元322根據(jù)輸出電壓諧波抑制電路330輸出的諧波補償指令信號對變流器310的輸出電壓進行諧波補償，以抵消輸出電壓中的諧波分量，從而實現(xiàn)對負載的高電能質(zhì)量供電。

圖4為不間斷電源系統(tǒng)未進行諧波補償時的A相輸出電能質(zhì)量效果示意圖，圖4中A相輸出電壓頻譜包含基波、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)電壓諧波等，總的輸出電壓諧波THD值大于5％。圖5為不間斷電源系統(tǒng)通過輸出電壓諧波抑制電路330進行輸出電壓諧波抑制后的A相電能質(zhì)量示意圖。圖5中，由于通過輸出電壓諧波抑制電路的自動閉環(huán)調(diào)節(jié)作用，使得不間斷電源系統(tǒng)中的輸出電壓中的5次、7次、11次、13次、17次、19次、23次、25次、29次、31次諧波抑制到最小，故總的輸出電壓諧波THD值小于5％，實現(xiàn)了對負載的高電能質(zhì)量供電。

以上所述實施例的各技術(shù)特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術(shù)特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當認為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準。