华中科技大学
硕士学½论文
三相四线制UPS前½PWM整流器研究
姓名：肖恩
申请学½级别：硕士
专业：电力电子与电力传动
指导教师：熊健
2011-01-04
华 中 新 科 技 大 学 硕 士 学 ½ 论 文
摘
要
UPS
电源在许多领域用来为关键负½½提供稳定可靠的电½。
高性½的
UPS
通常采
用前端三相整流后端三相逆变的在线双变换式拓扑结构。本文主要对在线双变换式
UPS
前端
PWM
整流器展开研究。
首先，本文分析比较了各类整流器的拓扑特点及应用场合，并对各种
PWM
整流
器控制技术进行了½纳。三相四桥臂拓扑结构以其强大的容错性和可靠性，十分适用
于大功率高可靠性系统中，因此，本文选择三相四桥臂结构½为前端整流器拓扑，并
采用直接电流控制方式配合谐波注入调制方式½为整流器控制技术。
根据开关状态，采用状态平均法，建立了三相四桥臂整流器在
a-b-c
静止坐标系、
α-β-γ
静止正交坐标系以及
d-q-0
同步旋½坐标系下的数学模型，并对不同坐标系下的
数学模型进行了比较分析。
依据数学模型，研究了在不同坐标系下，三相四桥臂整流器的不同控制策略，在
a-b-c
坐标系下分析了比例控制器和比例积分控制器的控制性½，提出了针对三相四
桥臂整流器
PI
参数的伯德图整定方法。在
d-q-0
坐标系下进行了控制器设计与分析，
并比较不同坐标系下的控制方式。
在瞬时功率理论基础上，将瞬时虚功率的定义方式稍½变动，½之与传统功率理
论相对应，并以此对
UPS
中的½量流动过程进行了分析，并根据
UPS
工½的特点研
究了三相四桥臂整流器的控制方法。提出了平均功率控制方法，实现了逆变器带不对
称负½½时，整流器的三相对称工½。依据
PWM
调制的特点，研究了整流器逆变器联
合控制的谐波注入方式，采用瞬时极值平均的注入方式提高了母线电压利用率。
搭建了三相四桥臂整流器的仿真模型，通过仿真方式对三相四桥臂整流器控制方
式进行了验证。分析并设计了三相四桥臂整流器主电路参数，搭建了实验平台，通过
实验手段验证了上述理论分析结果。
关键字：三相四桥臂整流器
瞬时功率 联合控制 平均功率控制 不间断电源
I
华 中 新 科 技 大 学 硕 士 学 ½ 论 文
Abstract
UPS is used to supply stable and reliable power for important loads in many industrial
filed. High-powered UPS configuration usually consists of three phase PWM rectifier at the
front-end and three phase inverter at the back-end. This paper mainly researched on the
front-end PWM rectifier in online double conversion UPS.
Firstly, this paper compared various PWM topologies and their applications, and then
summed up the control strategies. Three-phase four-leg PWM rectifier is suitable to high
power and high reliability required system for its strong fault-tolerance ability. Hereby, this
paper chose the three-phase four-leg configuration for the front-end rectifier. The rectifier is
controlled with direct current control strategy plus harmonic injection modulation.
Secondly, this paper set up the mathematic modules of the three-phase four-leg PWM
rectifier in
a-b-c
nature coordinate frame,
α-β-γ
stable coordinate frame, and
d-q-0
synchronous rotating coordinate frame respectively based on the on-off state space
averaging method. And then these modules in different coordinate frame are comparatively
analyzed.
Then according to the modules in different coordinate frame, various control strategies
of the adopted PWM rectifier are investigated. This paper particularly stressed on analyzing
the control effect of the Proportion controller and Proportion-Integration controller. An
adjusting method of PI parameters by Bode-diagram is proposed in connection with the
PWM rectifier. Controllers are designed in
d-q-0
coordinate frame.
In addition, based on the instantaneous power theory, the paper redefined the virtual
power to make it compatible with traditional power theory. And then the power flow in
UPS is analyzed according to the virtual power. Control method of the three-phase four-leg
rectifier is researched for the UPS application. An averaging power control method is
proposed to realize the rectifier always working symmetrically even when the inverter
works with asymmetrical loads. By the characteristic of PWM modulation, a research
focused on the harmonic injection of the federal control between rectifier and inverter. The
voltage utility ratio is improved through instantaneous extremum averaging injection
manner.
At last, the design procedure of the main parameters of the three-phase four-leg
rectifier was given in detail. And then a bench test is set up based on the design.
Simulation and experiment results are both given to verify the validity of the control
strategy adopted in the paper.
Keywords:
Three-phase four-leg rectifier; Instantaneous power; Federal control;
Averaging power control; UPS
II
独 创 性 声 明
本人声明所呈交的学½论文是我个人在导师的指导下进行的研究工
½及取得的研究成果。½我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不
包含任½其他人或集½已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出
贡献的个人和集½，
均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明
的法律结果由本人承担。
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日期：
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月
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日
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月
日
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 ½ 论 文
1
绪 论
1.1 UPS
综述
在很多领域如银行、电信、医疗、证券等，关键数据的丢失会带来不可½回的损
失。而公用电½的供电质量并不½满足这类关键负½½的要求。因此，这类关键负½½通
常采用不间断电源，即
UPS(Uninterruptable Power Supply)来供电，用以保证供电可靠
性。目前，主要有以下三种
UPS
[1]
：
(1)
后备式
UPS
后备式
UPS
又称为离线式
UPS。½电½电压正常时，后备式 UPS
通过变压器向
用户供电，½电½异常时，UPS 后端逆变器工½，为负½½供电，其结构如图
1.1
所示：
市电
输入
稳压控制
电路
整流
充电
变压器调
节稳压
直流
升压
输出
½换开关
蓄电池
逆变
图
1.1
后备式
UPS
结构图
其特点是可靠性高、结构简单，成本½、效率高。缺点在于输出波½质量较差，
切换时间较长,频率适应性差。
(2)
在线互动式
UPS
在线互动式
UPS
如图
1.2
所示。½市电正常时，市电经由变压器继电器阵为负½½
供电，同时双向变换器½为整流器为电池充电。½电½出现异常时，双向变换器工½
在逆变状态，采用蓄电池为负½½提供稳定的正弦波电压。
市
电
输
入
变压器继
电器阵
输出
蓄电
池
双向变换
器
图
1.2
在线互动式
UPS
结构图
市电正常时，在线互动式
UPS
只经过一级变换，因此，效率相对较高，其主要的
不足在于输出电压稳定度不够高，而对于输入功率因数也无调整½用。
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