1. ?設計需求分析

->?功率等級：30KW三相UPS是中型企業、關鍵業務部門和基礎設施領域保障核心設備電力連續性與質量的“中堅力量”。

->?電池輸入電壓范圍：串聯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.  ?拓撲結構選擇（三進四出6橋臂三相在線式UPS）

       三進四出六橋臂UPS是當代中大功率不間斷電源系統的核心拓撲之一，以其高性能和高可靠性被廣泛應用于數據中心、工業制造等關鍵領域。該拓撲采用全高頻化設計，最顯著的特征是取消了傳統的工頻輸入及輸出變壓器，轉而依靠高頻脈寬調制（PWM）技術完成能量變換，使得系統體積更小、重量更輕、效率更高。

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

      系統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、穩定地升壓至直流母線所需電壓，確保系統不間斷運行。

       后端是同樣由IGBT構成的三相PWM逆變器，它直接從直流母線取電，逆變產生純凈、穩定的正弦波交流輸出。由于無需輸出隔離變壓器，其動態響應更快，輸出電壓總諧波失真（THDv）低，具備優異的負載適應性與穩壓穩頻性能。整個系統通過共享的直流母線連接整流與逆變單元，結構緊湊，實現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量電力保障。

3. ?控制策略

• Ø整流雙環控制：整流器雙環控制的核心目標是控制輸入電流并穩定直流母線電壓，雙環控制兼顧了輸入電流的高輸入功率因數與低諧波失真，又保證了母線電壓的快速響應。
• Ø整流SPWM調制：采用正弦脈寬調制（SPWM）確保輸入電流精準跟蹤市電。
• Ø逆變雙環控制：采用電流內環和電壓外環的雙閉環控制策略，保證了系統帶載的穩定性。
• Ø逆變SPWM調制：采用正弦脈寬調制（SPWM）生成高質量的正弦波。

4. ?三相整流實現

4.1 三相整流控制實現

        三相整流器采用電壓外環與電流內環的雙閉環控制。電壓外環通過調節直流母線電壓偏差，輸出電流幅值指令，以維持母線穩定。電流內環則快速跟蹤該指令，控制網側電流實現正弦化且與電壓同相，從而獲得單位功率因數與極低的電流諧波失真。

控制框架如下：

4.2 三相PFC閉環系統如下：

仿真結果如下：

5. ?電池充放電實現

     高壓電池系統直接掛接于UPS直流母線是一種高效集成方案。該系統由高壓電池組、直流母線及PWM整流器構成。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于母線。PWM整流器作為雙向能量控制單元，承擔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（BMS）上傳充電電壓及電流限值，UPS控制單元據此調節整流器。電壓外環維持母線高壓（如800VDC），電流內環限制充電電流，實現先恒流再恒壓的智能化充電，能量由電網經整流器、母線向電池輸送。

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

       該方案優點顯著：取消獨立DC/DC環節，能量路徑短，效率高；結構緊湊，成本降低，可靠性提升。但也面臨挑戰：電池電壓需嚴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間高速協同通信。

綜上，該設計通過電池直掛母線及整流器的雙向控制，實現了高效、簡潔的充放電管理，其核心在于系統電壓協調與BMS的緊密交互。

6. 逆變實現

6.1 逆變雙閉環控制

      兩電平三相逆變器的DQ雙閉環控制是一種基于旋轉坐標系的高性能控制策略。通過Park變換將三相靜止坐標系（abc）下的交流量轉換為同步旋轉坐標系（dq）下的直流量，從而實現無靜差控制。電壓外環負責穩定輸出電壓，保證系統的穩態精度與抗負載擾動能力；電流內環實現輸出電流的快速跟蹤與解耦控制，提升動態響應速度與限流保護能力。該策略能有效抑制諧波、優化波形質量，廣泛應用于UPS及變頻器等場合，以實現高功率因數、低THD的高品質能量變換。

控制框架如下：

6.2 逆變閉環實現

逆變離網閉環系統如下:

仿真波形如下：

7. 三進四出6橋臂三相在線式UPS實現

     上面已經單獨實現了三相整流閉環控制、三相逆變DQ雙閉環控制，要將三相整流閉環控制系統的高壓輸出接到逆變DQ雙閉環控制系統直流輸入，即可實現三相在線式UPS的系統仿真。

仿真波形：

8. 系統總結

        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控制系統、三相逆變DQ雙閉環控制系統；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控制系統、電池充放電系統和三相逆變DQ雙閉環控制系統三個單獨控制系統串聯起來，構成了完整功能的30KW三相在線式UPS，并通過仿真驗證了系統的穩定可靠運行。