1. ?設(shè)計需求分析

->?功率等級：30KW三相UPS是中型企業(yè)、關(guān)鍵業(yè)務(wù)部門和基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域保障核心設(shè)備電力連續(xù)性與質(zhì)量的“中堅力量”。

->?電池輸入電壓范圍：串聯(lián)15個16串的磷酸鐵鋰電池，通常在600V-864V之間。

->?AC輸入電壓范圍：三相相交流90~264Vac。

->?AC輸出電壓：三相230±5%Vac，頻率50Hz。

2.  ?拓撲結(jié)構(gòu)選擇（三進四出6橋臂三相在線式UPS）

       三進四出六橋臂UPS是當(dāng)代中大功率不間斷電源系統(tǒng)的核心拓撲之一，以其高性能和高可靠性被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、工業(yè)制造等關(guān)鍵領(lǐng)域。該拓撲采用全高頻化設(shè)計，最顯著的特征是取消了傳統(tǒng)的工頻輸入及輸出變壓器，轉(zhuǎn)而依靠高頻脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)完成能量變換，使得系統(tǒng)體積更小、重量更輕、效率更高。

       其前端為基于IGBT的三相PWM整流器，它不僅替代了傳統(tǒng)的二極管或晶閘管整流電路，更能實現(xiàn)能量的雙向可控流動。通過先進的閉環(huán)控制策略，該整流器可使輸入電流緊密跟蹤輸入電壓波形，從而實現(xiàn)單位輸入功率因數(shù)（PF≈1），并將輸入電流諧波失真（THDi）降至5%以下，甚至優(yōu)于3%，極大減輕了對電網(wǎng)的污染，符合嚴(yán)格的能效與諧波標(biāo)準(zhǔn)。

      系統(tǒng)配備獨立的智能電池充放電管理電路，通常是一個雙向DC/DC變換器。該電路獨立于主功率通路，能對后備電池進行精確的充放電管理，支持恒流、恒壓、浮充等多種充電模式，有效延長電池使用壽命。在市電中斷時，它能將電池電壓高效、穩(wěn)定地升壓至直流母線所需電壓，確保系統(tǒng)不間斷運行。

       后端是同樣由IGBT構(gòu)成的三相PWM逆變器，它直接從直流母線取電，逆變產(chǎn)生純凈、穩(wěn)定的正弦波交流輸出。由于無需輸出隔離變壓器，其動態(tài)響應(yīng)更快，輸出電壓總諧波失真（THDv）低，具備優(yōu)異的負載適應(yīng)性與穩(wěn)壓穩(wěn)頻性能。整個系統(tǒng)通過共享的直流母線連接整流與逆變單元，結(jié)構(gòu)緊湊，實現(xiàn)了真正意義上的雙變換在線式工作，為敏感負載提供全天候的高質(zhì)量電力保障。

3. ?控制策略

• Ø整流雙環(huán)控制：整流器雙環(huán)控制的核心目標(biāo)是控制輸入電流并穩(wěn)定直流母線電壓，雙環(huán)控制兼顧了輸入電流的高輸入功率因數(shù)與低諧波失真，又保證了母線電壓的快速響應(yīng)。
• Ø整流SPWM調(diào)制：采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）確保輸入電流精準(zhǔn)跟蹤市電。
• Ø逆變雙環(huán)控制：采用電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，保證了系統(tǒng)帶載的穩(wěn)定性。
• Ø逆變SPWM調(diào)制：采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）生成高質(zhì)量的正弦波。

4. ?三相整流實現(xiàn)

4.1 三相整流控制實現(xiàn)

        三相整流器采用電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制。電壓外環(huán)通過調(diào)節(jié)直流母線電壓偏差，輸出電流幅值指令，以維持母線穩(wěn)定。電流內(nèi)環(huán)則快速跟蹤該指令，控制網(wǎng)側(cè)電流實現(xiàn)正弦化且與電壓同相，從而獲得單位功率因數(shù)與極低的電流諧波失真。

控制框架如下：

4.2 三相PFC閉環(huán)系統(tǒng)如下：

仿真結(jié)果如下：

5. ?電池充放電實現(xiàn)

     高壓電池系統(tǒng)直接掛接于UPS直流母線是一種高效集成方案。該系統(tǒng)由高壓電池組、直流母線及PWM整流器構(gòu)成。電池組額定電壓（768V）需匹配直流母線工作范圍（如700–800V），并通過接觸器直接并聯(lián)于母線。PWM整流器作為雙向能量控制單元，承擔(dān)充放電管理的核心功能。

      市電正常時，整流器工作于充電模式：電池管理系統(tǒng)（BMS）上傳充電電壓及電流限值，UPS控制單元據(jù)此調(diào)節(jié)整流器。電壓外環(huán)維持母線高壓（如800VDC），電流內(nèi)環(huán)限制充電電流，實現(xiàn)先恒流再恒壓的智能化充電，能量由電網(wǎng)經(jīng)整流器、母線向電池輸送。

     市電中斷時，系統(tǒng)切換至放電模式：整流器關(guān)斷，電池成為母線唯一能源，直接支撐電壓，逆變器持續(xù)供電，能量反向流動。市電恢復(fù)后，整流器重新軟啟動，逐步重建母線電壓，直至恢復(fù)充電。

       該方案優(yōu)點顯著：取消獨立DC/DC環(huán)節(jié)，能量路徑短，效率高；結(jié)構(gòu)緊湊，成本降低，可靠性提升。但也面臨挑戰(zhàn)：電池電壓需嚴(yán)格匹配母線工作范圍；缺乏電氣隔離，依賴高絕緣保護；充電控制需BMS與UPS間高速協(xié)同通信。

綜上，該設(shè)計通過電池直掛母線及整流器的雙向控制，實現(xiàn)了高效、簡潔的充放電管理，其核心在于系統(tǒng)電壓協(xié)調(diào)與BMS的緊密交互。

6. 逆變實現(xiàn)

6.1 逆變雙閉環(huán)控制

      兩電平三相逆變器的DQ雙閉環(huán)控制是一種基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的高性能控制策略。通過Park變換將三相靜止坐標(biāo)系（abc）下的交流量轉(zhuǎn)換為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq）下的直流量，從而實現(xiàn)無靜差控制。電壓外環(huán)負責(zé)穩(wěn)定輸出電壓，保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度與抗負載擾動能力；電流內(nèi)環(huán)實現(xiàn)輸出電流的快速跟蹤與解耦控制，提升動態(tài)響應(yīng)速度與限流保護能力。該策略能有效抑制諧波、優(yōu)化波形質(zhì)量，廣泛應(yīng)用于UPS及變頻器等場合，以實現(xiàn)高功率因數(shù)、低THD的高品質(zhì)能量變換。

控制框架如下：

6.2 逆變閉環(huán)實現(xiàn)

逆變離網(wǎng)閉環(huán)系統(tǒng)如下:

仿真波形如下：

7. 三進四出6橋臂三相在線式UPS實現(xiàn)

     上面已經(jīng)單獨實現(xiàn)了三相整流閉環(huán)控制、三相逆變DQ雙閉環(huán)控制，要將三相整流閉環(huán)控制系統(tǒng)的高壓輸出接到逆變DQ雙閉環(huán)控制系統(tǒng)直流輸入，即可實現(xiàn)三相在線式UPS的系統(tǒng)仿真。

仿真波形：

8. 系統(tǒng)總結(jié)

        本文先從30KW三相在線式UPS拓撲選擇講起，接著分別搭建三相整流閉環(huán)控制系統(tǒng)、三相逆變DQ雙閉環(huán)控制系統(tǒng)；然后通過分析UPS的功能，通過增加控制策略將三相整流閉環(huán)控制系統(tǒng)、電池充放電系統(tǒng)和三相逆變DQ雙閉環(huán)控制系統(tǒng)三個單獨控制系統(tǒng)串聯(lián)起來，構(gòu)成了完整功能的30KW三相在線式UPS，并通過仿真驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行。