《Electronics》：A DC-DC Converter Reuse-Based Double-Line Frequency Ripple Suppression Method for Substation Uninterruptible Power Supply Systems
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不间断电源（Uninterruptible Power Supply, UPS）作为保障变电站稳定运行的关键设备，在维持连续供电、改善电能质量和增强系统可靠性方面发挥着至关重要的作用。然而，启动浪涌电流和回流纹波电压会显著影响直流供电设备的稳定性。本文提出了一
不间断电源（Uninterruptible Power Supply, UPS）作为保障变电站稳定运行的关键设备，在维持连续供电、改善电能质量和增强系统可靠性方面发挥着至关重要的作用。然而，启动浪涌电流和回流纹波电压会显著影响直流供电设备的稳定性。本文提出了一种针对变电站UPS系统的具备双线频率纹波抑制功能的DC-DC电路复用方法。该方法利用Boost变换器将双线频率脉动从直流输入端转移至母线电容侧，从而降低输入端的双线频率分量。值得注意的是，该Boost变换器同时作为连接电网与直流母线的功率因数校正（Power Factor Correction, PFC）电路的一部分，实现了功能集成，显著降低了系统成本。研究人员构建了3 kVA UPS实验平台对所提方法进行验证。测试结果表明，虽然母线电压表现出轻微的双线频率脉动，但输入电流转变为近似直流量。这种二次谐波纹波抑制方法有效改善了关键性能指标：与传统设计相比，启动浪涌电流降低了38%，回流纹波电压幅值被抑制在标称直流电压的0.5%以下。所提出的拓扑结构与现有变电站直流系统展现出卓越的兼容性，并为关键基础设施应用中的电能质量提升提供了一种成本优化的解决方案。
变电站UPS双线频率纹波抑制方法的论文解读
研究背景与意义
不间断电源（Uninterruptible Power Supply, UPS）在变电站等关键电力基础设施中承担着零中断功率切换和多维电能净化的职能。然而，当UPS的逆变器输出50 Hz交流电时，其瞬时输出功率会在100 Hz（即双倍工频）处产生脉动。根据功率守恒原理，这种功率脉动会导致直流侧电流或电压出现二倍频（即双线频率）纹波。对于变电站UPS而言，直流输入通常直接取自直流配电屏或蓄电池。现有的连接方式无法有效抑制这种二次谐波纹波，导致直流输入电流峰值极高，且向直流母线回馈大幅度的低频纹波电压。这不仅严重影响了开关电源的稳定性，还导致设备发热增加、寿命缩短，甚至无法满足DL/T 1074-2019等行业标准中关于浪涌电流比和回流纹波电压系数的严苛要求。因此，开展针对变电站UPS直流侧双线频率纹波的抑制研究具有重要的工程实用价值。该研究成果发表在《Electronics》期刊上。
关键技术方法
为解决上述问题，研究人员提出了一种基于DC-DC变换器复用的拓扑结构与控制策略。其核心在于将传统UPS中已有的功率因数校正（Power Factor Correction, PFC）前级Boost变换器进行功能复用。在交流输入正常时，该变换器执行常规的PFC整流功能；当交流异常转为直流供电时，同一Boost电路切换至DC-DC升压模式，专门用于抑制双线频率纹波。控制层面采用了双环控制架构：外环负责调节直流母线电压，内环则根据工作模式动态调整电感电流。在PFC模式下，内环控制电感电流跟踪正弦半波以实现高功率因数；在直流升压逆变模式下，内环将电感电流整形为稳定的直流量。此外，系统通过检测交流输入状态，利用晶闸管等半控器件的导通与关断，实现了两种模式间的无缝平滑切换。
研究结果
双线频率纹波分析与建模
研究人员首先建立了UPS逆变器输出的数学模型。假设输出电压 uo=Uosin(ωot)和输出电流 io=Iosin(ωot)，推导出瞬时输出功率 Po包含直流分量和 2ωo的余弦分量。根据功率平衡，直流输入电流 idc也必然包含这一二次谐波分量。理论计算表明，在传统直接母线连接方式下，直流输入电流的峰值可达平均值的2倍（Imax=2Idc）。这直接导致浪涌电流比超标，证明了传统方案无法满足标准要求，从而确立了纹波抑制的必要性。
控制技术设计与配置
在直流升压逆变模式下，研究人员设计了特定的双环控制策略。外环电压控制器 Gv(s)调节母线电压，内环电流控制器 Gi(s)强制电感电流 iL保持恒定直流。通过将二次谐波功率转移到母线电容吸收，使得Boost电感侧的纹波功率分量 αPr趋近于零，而母线电容侧的纹波功率分量 βPr占据主导。在PFC模式下，控制目标转变为使电感电流与整流后的交流电压同相位。通过统一的混合控制框架，系统能够根据交流输入质量动态切换这两种控制逻辑，实现复用变换器的协调运行。
仿真比较与验证
研究人员搭建了仿真模型，对比了三种拓扑：直接连接（模型1）、串联电感（模型2）和所提Boost复用（模型3）。稳态性能显示，模型1的电流总谐波失真（Total Harmonic Distortion, THD）高达101.98%，模型2降至24.15%，而模型3仅为1.45%，直流电压纹波低至0.06%。动态响应测试表明，在0.4秒模拟交流故障切换至纹波抑制模式，以及0.8秒恢复PFC模式的过程中，母线电压过渡平稳，直流输入电流迅速调整且无显著过冲。负载阶跃实验验证了在突加1 kW负载时，系统在约0.1秒内即可达到新的稳态，展现了优异的动态刚度。
实验验证
基于3 kVA样机的实验结果进一步证实了仿真结论。在直流输入总线直接连接实验中，电流峰均值比为1.99，不满足标准；串联电感实验中，该比值降至1.708，依然超标；而在所提的升压连接实验中，比值大幅降至1.1697，完美满足要求。回流纹波系数也从直接连接的0.374%和串联电感的0.238%，降低至0.16%。此外，样机成功演示了在整流逆变模式与直流侧逆变模式之间的双向无缝切换，逆变器输出电压在整个过程中保持稳定。
讨论与结论
本研究通过复用PFC级Boost变换器，在不增加额外功率级硬件成本的前提下，成功解决了变电站UPS直流输入侧的二次谐波纹波难题。研究人员指出，虽然该方法有意让直流母线电容吸收了双线频率纹波功率（母线电压纹波系数约为5.37%至6.45%），但这完全在所选电容的额定能力范围内，带来的热应力适中，对逆变器性能和电容寿命影响甚微。
综上所述，该论文得出的核心结论如下：第一，所提出的复用拓扑实现了PFC与纹波抑制的功能集成，降低了硬件成本并提高了功率密度；第二，采用的共享双环控制器以较低的处理器计算成本维持了变电站UPS的输入需求；第三，实验证明该方法将直流输入浪涌电流比降至1.1697，回流纹波系数降至0.16%，同时将直流输入电流THD保持在1.45%左右。这项研究为智能城市建设中的关键电力基础设施提供了一种可靠的电能质量优化方案，未来研究人员将致力于通过软开关技术进一步提高效率，并将该方法扩展至更高功率等级及其他类型的直流电源。
