一种AC/DC电源系统及控制方法

技术领域

本发明属于电源领域，具体涉及一种AC/DC电源系统及控制方法。

背景技术

近年来，互联网、云计算、人工智能、区块链等技术蓬勃发展，对数据的存 储、交换、计算等领域的需求也呈爆发式增长，数据成为新的生产要素，社会正 快速跨入数据经济时代。数据经济时代的可持续发展离不开其大脑——数据中心 的重要支撑，数据中心行业快速发展是数据时代的必然趋势。在数据中心中，其 供电系统是咽喉，是基础设施中最重要的组成部分之一。随着未来数据中心的快 速发展，对供电系统的可靠性、节能性、可持续性等提出更高的要求。

当前数据中心常见的几种不间断供电技术包括AC UPS、HVDC和市电直供 +BBU等几种方案，但是这几种方案都存在一些不足。AC UPS方案属于交流供电 方式，设备结构复杂，设备可靠性偏低；HVDC方案属于直流供电方式，可靠性 比交流供电方式大大提高，但是仍然存在结构复杂的缺点；市电直供+BBU方案 供电效率高，但是每台服务器需要锂电池作为后备电源，故障点多、维护困难、 成本高。因此，目前数据中心供电系统存在占地空间太大、成本偏高、维护管理 复杂等缺陷。此外，随着新能源行业和电力电子技术的不断发展，越来越多电力 电子装置设备接入电网，但是由于其具有较强的非线性特点，使用过程中给电网 带来大量谐波成分。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出 一种AC/DC电源系统，所述AC/DC电源系统解决了数据中心供电系统占地空间 大、成本高且无法消除谐波的问题。本发明还提出了一种AC/DC电源系统控制 方法。

根据本发明第一方面实施例的AC/DC电源系统，包括：

移相变压器，其具有一组原边、N组副边，其原边用于连接交流输入电源；

电压调整柜，其内设置有N个维也纳三相整流器；N个所述维也纳三相整 流器的交流输入端分别与所述移相变压器的N组副边连接，N个所述维也纳三相 整流器的直流输出端并联,每个所述维也纳三相整流器皆用于将交流电转换为直 流电；

数据采集模块，用于采集所述维也纳三相整流器的输出电压、三相输入电 压和三相输入电流，以及采集所述移相变压器的总输出功率；

控制系统，分别与所述电压调整柜、数据采集模块连接。

根据本发明实施例的AC/DC电源系统，至少具有如下技术效果：移相变压 器具有多组副边，可以极大的减小副边绕组的短路电流，从而降低其下游开关的 短路电流容量，可以选用体积更小的开关，进而使得整个AC/DC电源系统的体 积得到极大的降低，且移相变压器能够抵消绝大部分低次谐波，实现了低总谐波 电流含量和高功率因数，因此可以优化去除传统AC UPS或者HVDC供电方案中 整流功率模块内部的功率因数校正环节，使得AC/DC电源系统整体的体积进一 步降低。采用维也纳三相整流器相较于传统的整流模块可以进一步降低整流所占 用体积，使AC/DC电源系统的体积进一步减小；且维也纳三相整流器结构兼有 传统三电平拓扑的优点：无桥臂直通问题，无需设定开关管死区时间，开关管电压应力只有三相全桥结构开关管的一半，功率器件选型更容易。通过将所有维也 纳三相整流器输出侧的直流正负极互相并联构成正负极直流母线，多个整流器之 间互相有冗余且可热插拔，系统可靠性极大地提高。本发明实施例的AC/DC电 源系统的站用体积相较于传统的电源系统体积减少一半以上，有效的降低了占用 体积、降低了成本、解决了低次谐波的问题。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述移相变压器N组副边之间的相位 差依次相等。

根据本发明第一方面的一些实施例，上述AC/DC电源系统还包括直流配电 柜，所述直流配电柜与所述维也纳三相整流器的直流输出端连接，用于将所述维 也纳三相整流器转换的直流电分配到用电设备。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述直流配电柜包括皆与所述维也纳 三相整流器的直流输出端连接的多个开关组件。

根据本发明第一方面的一些实施例，上述AC/DC电源系统还包括与所述直 流配电柜连接的蓄电池单元。

根据本发明第二方面实施例的AC/DC电源系统控制方法，包括以下步骤：

采集所述移相变压器的总输出功率以及每个维也纳三相整流器的输出电压、 三相输入电压和三相输入电流；

根据所述总输出功率计算出每个所述维也纳三相整流器的平均承担有功电 流；

根据所述维也纳三相整流器的输出电压与预设的第一判定参数范围确定闭 环D轴给定值；

对所述维也纳三相整流器的三相输入电压进行dq变换，获得D轴电压直流 分量e

将D轴电流直流分量i

将闭环D轴调节电压与所述D轴电压直流分量e

由所述调制波D轴分量和调制波Q轴分量通过dq变换逆变换得到三相正 弦调制波Varef1、Vbref1、Vcref1，并依据所述三相正弦调制波Varef1、Vbref1、 Vcref1控制所述维也纳三相整流器的工作。

根据本发明实施例的AC/DC电源系统控制方法，至少具有如下技术效果： 通过采集每个维也纳三相整流器的输出电压、三相输入电压和三相输入电流、以 及移相变压器的总输出功率可以便于后续对维也纳三相整流器的闭环控制。通过 对维也纳三相整流器的三相输入电压和电流进行dq变化，可以便于后续实现对 整流器网侧有功功率、无功功率进行分别控制，从而降低后续运算过程的难度， 提高控制的稳定性和准确性。本发明实施例的AC/DC电源系统控制方法可以降 低采样误差和控制误差带来的影响，控制AC/DC电源系统实现稳定输出。

根据本发明第二方面的一些实施例，所述根据所述维也纳三相整流器的输 出电压与预设的第一判定参数范围确定闭环D轴给定值包括以下步骤：

所述维也纳三相整流器的输出电压在预设的第一判定参数范围内，则将所 述平均承担有功电流作为闭环D轴给定值；

所述维也纳三相整流器的输出电压不在预设的第一判定参数范围内，则依 据预设的参考电压和所述维也纳三相整流器的输出电压计算出所述闭环D轴给 定值。

根据本发明第二方面的一些实施例，所述对所述维也纳三相整流器的三相 输入电压进行dq变换的变换公式为：

式中,e

根据本发明的一些实施例，所述对所述维也纳三相整流器的三相输入电流 进行dq变换的变换公式为：

式中，i

根据本发明第二方面的一些实施例，所述三相正弦调制波Varef1、Vbref1、Vcref1采用SVPWM调制方式得到所述维也纳三相整流器每相开关管的通断逻辑。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描 述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解，其中：

图1是传统的AC UPS电源系统的结构示意图；

图2是传统的HVDC电源系统的结构示意图；

图3是本发明第一方面实施例的AC/DC电源系统的结构示意图；

图4是本发明第一方面实施例的维也纳三相变压器的结构示意图；

图5是维也纳三相变压器中双向开关管的结构示意图；

图6是本发明第二方面实施例的AC/DC电源系统控制方法的流程示意图。

附图标记：

移相变压器100、

电压调整柜200、维也纳三相整流器210、

数据采集模块300、

控制系统400、

直流配电柜500、

蓄电池单元600。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自 始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。 下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为 对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、 后、左、右等指示的方位，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或 暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不 能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上， 大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。 如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗 示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技 术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广 义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语 在本发明中的具体含义。

下面参考图3至图6描述根据本发明第一方面实施例的AC/DC电源系统。

根据本发明实施例的AC/DC电源系统，包括：

移相变压器100，其具有一组原边、N组副边，其原边用于连接交流输入电 源；

电压调整柜200，其内设置有N个维也纳三相整流器210；N个维也纳三相 整流器210的交流输入端分别与移相变压器100的N组副边连接，N个维也纳三 相整流器210的直流输出端并联,每个维也纳三相整流器210皆用于将交流电转 换为直流电；

数据采集模块300，用于采集维也纳三相整流器210的输出电压、三相输 入电压和三相输入电流，以及采集移相变压器100的总输出功率；

控制系统400，分别与电压调整柜200、数据采集模块300连接。

在介绍本发明实施例的AC/DC电源系统前，先对传统的几种电源系统进行 一个简述。

参考图1，现有电源系统的AC UPS方案属于交流供电方式，该方案UPS内 部需要大容量的3相PFC(Power Factor Correction，即功率因数校正环节)把交流 电转化成直流电，直流侧又需要经过逆变/滤波等环节处理，因此设备结构复杂， 可靠性偏低。特别是储能蓄电池的能量需经过逆变环节到负载设备，造成单一 AC UPS设备供电的可用性无法达到数据中心的要求，还需要通过AC UPS设备冗 余来提高其供电可用性。

参考图2，现有电源系统的HVDC供电架构采用直流供电方式，虽然可靠性 提高，但是仍然存在结构复杂、设备效率低的缺点。例如，低压配电柜的开关设 备需要具备短路电流分断能力，HVDC的交流输入侧同样需要三相PFC，直流侧 还要经过DC/DC变化。这些因素都会导致HVDC供电架构占用体积大、成本高。

下面简述一下本发明实施例的AC/DC电源系统。

参考图3至图5，移相变压器100包括N(N≥2)个副边低压绕组，其原边接 入高压电网，可以将高压电网中高压交流电转化为N个低压交流电提供给电压 调整柜200。电压调整柜200内设置有N个维也纳三相整流器210，每个维也纳 三相整流器210的交流输入端与移相变压器100一路副边连接。维也纳三相整流 器210将低压交流电转化成可控直流电再从直流输出端输出。所有维也纳三相整 流器210直流输出端的直流正负极互相并联构成正负极直流母线后从电压调整 柜200输出，进而实现对外供电。

与图1和图2中方案相比，本发明实施例的AC/DC电源系统采用移相变压 器100，其具有多个低压绕组，因此，每个低压绕组容量远小于总容量，进而可 以极大的减小低压绕组的短路电流，从而降低其下游开关设备的短路开断能力要 求，进而可以选用耐压能力和载流能力更小的开关设备，从而降低了成本，且大 多数情况下，耐压能力和载流能力更小的开关设备的体积也会更小，因此可以有 效的降低本发明实施例的AC/DC电源系统的整体体积。

为使进一步了解本发明实施例的AC/DC电源系统的原理，这里对维也纳三 相整流器210的结构及工作原理进行简述。

维也纳三相整流器210的结构如图4、图5所示，其中，e

当双向开关管的动作频率远大于交流输入电源的基波频率时，维也纳三相 整流器210工作在稳态条件下，根据基尔霍夫电压定律(KVL)，建立下列两个稳 态电路方程：

上述两个方程中，V为三相交流输入电压的幅值，ω

以三相中的a相为例分析：当双向开关管Ka导通时，输入端相对直流母线 中点的电压为0；当开关管关断，且输入电流正向(或负向)流动时，交流输入侧 与直流输出侧正(或负)端通过续流二极管连接，输入端对直流母线中点的电压为 V

表一

因此，维也纳三相整流器210的拓扑结构属于三电平结构，无桥臂直通问 题，无需设定开关管死区时间，开关管电压应力只有三相全桥结构开关管的一半， 功率器件选型更容易。

根据本发明实施例的AC/DC电源系统，移相变压器100具有多组副边，可 以极大的减小副边绕组的短路电流，从而降低其下游开关的短路电流容量，可以 选用体积更小的开关，进而使得整个AC/DC电源系统的体积得到极大的降低， 且移相变压器100能够抵消绝大部分低次谐波，实现了低总谐波电流含量和高功 率因数，因此可以优化去除传统AC UPS或者HVDC供电方案中整流功率模块内 部的功率因数校正环节，使得AC/DC电源系统整体的体积进一步降低。采用维 也纳三相整流器210相较于传统的整流模块可以进一步降低整流所占用体积，使 AC/DC电源系统的体积进一步减小；且维也纳三相整流器210结构兼有传统三电 平拓扑的优点：无桥臂直通问题，无需设定开关管死区时间，开关管电压应力只 有三相全桥结构开关管的一半，功率器件选型更容易。通过将所有维也纳三相整 流器210输出侧的直流正负极互相并联构成正负极直流母线，多个整流器之间互 相有冗余且可热插拔，系统可靠性极大地提高。本发明实施例的AC/DC电源系 统的站用体积相较于传统的电源系统体积减少一半以上，有效的降低了占用体积、 降低了成本、解决了低次谐波的问题。

在本发明的一些实施例中，控制系统400的核心控制器可以采用PLC、DSP 或ARM。在本发明的一些实施例中，具体采用西门子S7系列PLC作为核心控制 器。

在本发明的一些实施例中，移相变压器100N组副边之间的相位差依次相等。 N组副边的低压绕组之间相位差相等，因此6N±1次谐波会互相抵消，实现了低 总谐波电流含量。进而，相较于传统的电源系统，可以优化省去下游整流模块三 相PFC功率因数校正环节，实现了对设备体积的降低、成本的降低。

在本发明的一些实施例中，上述AC/DC电源系统还包括直流配电柜500， 直流配电柜500与维也纳三相整流器210的直流输出端连接，用于将维也纳三相 整流器210转换的直流电分配到用电设备。直流配电柜500可以便于对多个用电 设备分别进行配电。

在本发明的一些实施例中，直流配电柜500包括与维也纳三相整流器210 的直流输出端连接的多个开关组件。通过设置多个开关组件可以实现对多个用电 设备的分别供电。

在本发明的一些实施例中，上述AC/DC电源系统还包括与直流配电柜500 连接的蓄电池单元600。蓄电池单元600中通常包括多个蓄电池、和对应设置的 多个蓄电池分路开关，蓄电池通过蓄电池分路开关直接连接到直流配电柜500 中直流母线中，即连接到维也纳三相整流器210的直流输出端；相较于传统的电 源系统，优化省掉了AC UPS方案的逆变/滤波等环节和HVDC方案的DC/DC变化 环节，极大地减小设备体积，降低成本。

根据本发明第二方面实施例的AC/DC电源系统控制方法，包括以下步骤：

采集移相变压器100的总输出功率以及每个维也纳三相整流器210的输出 电压Udc、三相输入电压e

根据总输出功率计算出每个维也纳三相整流器210的平均承担有功电流 i

根据维也纳三相整流器210的输出电压与预设的第一判定参数范围确定闭 环D轴给定值；

对维也纳三相整流器210的三相输入电压进行dq变换，获得D轴电压直流 分量e

将D轴电流直流分量i

将闭环D轴调节电压与D轴电压直流分量e

由调制波D轴分量和调制波Q轴分量通过dq变换逆变换得到三相正弦调 制波Varef1、Vbref1、Vcref1，并依据三相正弦调制波Varef1、Vbref1、Vcref1 控制维也纳三相整流器210的工作。

参考图3至图6，通过数据采集模块300采集每个维也纳三相整流器210 的输出电压、三相输入电压和三相输入电流、以及移相变压器100的总输出功率； 总输出功率可以通过采集总输出电压和总输出电流计算得出。本发明实施例的 AC/DC电源系统控制方法采用了功率均衡控制的方式，因此，可以根据总输出功 率计算出每个维也纳三相整流器210的平均承担有功电流，进而可以便于对每个 维也纳三相整流器210进行准确控制。

为了便于对维也纳三相整流器210的进行控制，本发明实施例的AC/DC电 源系统控制方法中采用了dq变化，维也纳三相整流器210的三相输入在dq变 化之后会对应到D轴、Q轴，D轴、Q轴分别表示有功分量参考轴和无功分量参 考轴，从而可以实现对有功功率、无功功率的分别控制。对维也纳三相整流器 210的三相输入电压e

闭环控制也需要使用到闭环D轴给定值i

最终，由调制波D轴分量和调制波Q轴分量通过dq变换逆变换得到三相 正弦调制波Varef1、Vbref1、Vcref1，并依据三相正弦调制波Varef1、Vbref1、 Vcref1控制维也纳三相整流器210的工作。

根据本发明实施例的AC/DC电源系统控制方法，通过采集每个维也纳三相 整流器210的输出电压、三相输入电压和三相输入电流、以及移相变压器100 的总输出功率可以便于后续对维也纳三相整流器210的闭环控制。通过对维也纳 三相整流器210的三相输入电压和电流进行dq变化，可以便于后续实现对整流 器网侧有功功率、无功功率进行分别控制，从而降低后续运算过程的难度，提高 控制的稳定性和准确性。本发明实施例的AC/DC电源系统控制方法可以降低采 样误差和控制误差带来的影响，控制AC/DC电源系统实现稳定输出。

在本发明的一些实施例中，参考图6，根据维也纳三相整流器210的输出 电压与预设的第一判定参数范围确定闭环D轴给定值i

维也纳三相整流器210的输出电压Udc在预设的第一判定参数范围内，则 将平均承担有功电流作为闭环D轴给定值i

维也纳三相整流器210的输出电压Udc不在预设的第一判定参数范围内， 则依据预设的参考电压u

维也纳三相整流器210的输出电压Udc在预设的第一判定参数范围内，则 可以认为Udc在正常范围，此时以平均承担有功电流作为闭环D轴给定值i

在本发明的一些实施例中，对维也纳三相整流器210的三相输入电压进行 dq变换的变换公式为：

式中,e

对维也纳三相整流器210的三相输入电流进行dq变换的变换公式为：

式中，i

在本发明的一些实施例中，三相正弦调制波Varef1、Vbref1、Vcref1采用 SVPWM调制方式得到维也纳三相整流器210每相开关管的通断逻辑。通过 SVPWM调制方式可以实现对所有维也纳三相整流器210的准确且稳定的控制， 保证整体输出的稳定性。

采用SVPWM调制方式得到维也纳三相整流器210每相开关管的通断逻辑 的具体过程如下：

步骤S1：三相正弦调制波Varef1、Vbref1、Vcref1经过dq/αβ变化得到u

A＝u

扇区编号N＝sign(A)+sign(B)+sign(C)，其中sign表示符号“+”或者“-”。

步骤S2：依据下列公式和表二确定矢量控制时间：

表二T1、T2赋值表

饱和判断：若T1+T2>T，则T1＝T1*T/(T1+T2)，T2＝T2*T/(T1+T2)。

步骤S3：依据下列公式和表三确定每相开关管导通时间和关断时间：

T

T

T

表三Tcom赋值表

最终，通过上述步骤得到的控制策略实现对每个维也纳三相整流器210的 开关控制，得到稳定的直流输出。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示 意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该 实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实 施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实 施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或 多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上述结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述 实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况 下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要 求及其等同物限定。