具有不對(duì)稱電流補(bǔ)償功能的三相串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS重點(diǎn)

1、具有不對(duì)稱電流補(bǔ)償功能的三相串并聯(lián)補(bǔ)償式 UPS摘要：敘述了這種UPS的工作原理與控制方式，提出的控制方式可以實(shí)現(xiàn)串并 聯(lián)補(bǔ)償式UPS全部控制功能，在電源電壓不是額定值且含有諧波電壓、負(fù)載含 有諧波電流和無(wú)功電流的情況下，電源輸入電流被控制成正弦，功率因數(shù)等于 1，負(fù)載電壓被控制成額定值正弦波電壓，并且具有不對(duì)稱電流補(bǔ)償功能。關(guān)鍵 詞：三相；串并聯(lián)；補(bǔ)償；UPSC引言串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS是1994年由丹麥科爾 丁硅能電子公司的奧維 2里克2托姆等 3人發(fā)明的， 1998年被摘要：敘述了這種UPS的工作原理與控制方式，提出的控制方式可以實(shí)現(xiàn)串并 聯(lián)補(bǔ)償式UPS全部控制功能，在電源電壓不是額定值且含

2、有諧波電壓、負(fù)載含 有諧波 電流和無(wú)功電流的情況下，電源輸入電流被控制成正弦， 功率因數(shù)等于 1，負(fù)載電壓被控制成額定值正弦波電壓，并且具有不對(duì)稱電流補(bǔ)償功能。 關(guān)鍵詞：三相；串并聯(lián)；補(bǔ)償； UPSO 引言 串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS是1994年由丹麥科爾丁硅能 電子公司的奧維里克2托姆等3人發(fā)明的，1998年被美國(guó)APC司收購(gòu)，并將原發(fā)明中的 AC調(diào)節(jié)器改進(jìn)成Ddt a逆變器后投入市場(chǎng)，故也稱作Delta變換式UPS根據(jù) 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC62040. 3,這種UPS屬于在線互動(dòng)式UPS三相串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS與傳統(tǒng)UPS相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：1) 能夠同時(shí)對(duì)輸入與輸出端的電能參數(shù)進(jìn)行雙在線監(jiān)測(cè)補(bǔ)償

3、，在滿足市 電輸入功率因數(shù)等于 1 的要求同時(shí)，也滿足了負(fù)載電壓為穩(wěn)定純凈的三相對(duì)稱 正弦波電壓的要求；2) 可以使電能質(zhì)量得到全面提高；3) 由于將全功率變換改成了增量補(bǔ)償式變換，使 uPs的設(shè)備容量?jī)H為額 定負(fù)載容量的 20，故提高了過(guò)載能力，減少了損耗；4) 阻斷了市電與負(fù)載之間的諧波相互干擾；5) 由于是與市電電源同步運(yùn)行，擴(kuò)容容易。但這種UPS也有缺點(diǎn)，如對(duì)無(wú)功與諧波電流補(bǔ)償?shù)男实?，效率受?fù)載 變化的影響大，不能對(duì)不對(duì)稱負(fù)載電流進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?，這些缺點(diǎn)都是由它的控制 方式造成的。為了能使這種UPS具有不對(duì)稱負(fù)載電流補(bǔ)償功能，本文介紹的 UPS控制電路中采用了特殊的方法。這里所說(shuō)的不對(duì)稱

4、負(fù)載電流補(bǔ)償功能，就 是將三相負(fù)載的不對(duì)稱電流，變換成市電輸入的三相對(duì)稱電流之義。這項(xiàng)功能 具有重要的使用價(jià)值。1 電路組成與各部分的功能及控制方式具有不對(duì)稱負(fù)載補(bǔ)償功能的三相串并聯(lián)補(bǔ)償式 UPS的原理電路如圖1所 示，它是由兩個(gè)直流側(cè)帶中性點(diǎn)的，可以雙向四象限工作的三相PWM半橋式逆變器，以串并聯(lián)補(bǔ)償式電路構(gòu)成的，其各部分的功能如下Delta 逆變器 容量取決于市電電壓波動(dòng)范圍和負(fù)載功率因數(shù)，大約只 有USP標(biāo)稱容量的20%。在輸入端通過(guò)其輸出 變壓器Tra、Trb、Trc、的次級(jí) 與負(fù)載串聯(lián)，工作在正弦波電流源狀態(tài)。其主要功能是消除市電輸入電流中的 無(wú)功與諧波分量，使市電輸入功率因數(shù)等于

5、1；對(duì)市電電壓的波動(dòng)、三相不對(duì) 稱度進(jìn)行補(bǔ)償；將三相負(fù)載的不對(duì)稱電流、變換成市電輸入的三相對(duì)稱電流； 控制UPS輸入與輸出功率的平衡和向蓄電池充電；靠電流源的無(wú)限大內(nèi)阻來(lái)阻 止市電與負(fù)載之間的諧波相互干擾。主逆變器 容量等于UPS標(biāo)稱容量，在輸出端通過(guò)其輸出 濾波電感LF2 與負(fù)載并聯(lián)，工作在正弦波電壓源狀態(tài)。其主要功能是控制負(fù)載上的電壓成為 三相穩(wěn)定的正弦波電壓；靠電壓源無(wú)限小內(nèi)阻向負(fù)載提供無(wú)功電流、諧波電流 和不對(duì)稱電流；當(dāng)市電掉電時(shí)向負(fù)載提供 100%勺功率；控制UPS1入與輸出功 率平衡和向蓄電池充電。三相基準(zhǔn)正弦電壓這是一個(gè)與市電同步鎖相的交流標(biāo)準(zhǔn)電壓發(fā)生器，其 電路如圖 2 和圖

6、3 所示，電壓穩(wěn)定度優(yōu)于 002%，波形失真小于 O5%， 相電壓的對(duì)稱度為120。0 5。，主要用來(lái)作為三相 UPS的同步坐標(biāo)基 準(zhǔn)，和控制電路的數(shù)值與波形的標(biāo)準(zhǔn)電壓電流信號(hào)。低通濾波器低通濾波器LF1、CF1主要用來(lái)濾除市電電壓和 Delta逆變 器輸出電壓和電流中的諧波；低通濾波器LF2、CFz主要用來(lái)濾除主逆變器輸出電流中的高次諧波；同時(shí)LF1和LF2也是市電與主逆變器并聯(lián)工作時(shí)的平衡電 感，LF2又是主逆變器整流工作時(shí)的升壓儲(chǔ)能電感。電流指令值運(yùn)算電路和電壓指令值運(yùn)算電路主要用來(lái)運(yùn)算出 Delta 逆變 器的電流指令值信號(hào)iac、ibc、ic c，和主逆變器的電壓指令值信號(hào) uac、

7、 ubc、 ucc、。PWMfe路DelLa逆變器和主逆變器的PWM控制電路，采用的是如圖4所 示的三角波比較控制方式，其特點(diǎn)是將指令值與補(bǔ)償量的偏差經(jīng)過(guò)放大后再與 三角波進(jìn)行比較，其目的是把偏差控制到最小，是屬于跟蹤型PWM控制方式。2 Delta 逆變器的電流指令值運(yùn)算電路Delta逆變器是一一個(gè)用IGBT作開(kāi)關(guān)的三相半橋式PWM逆變器，可以 雙向四象限工作，其開(kāi)關(guān)頻率為 520kHz,對(duì)它的控制策略就是將其控制成正 弦波電流源，以完成前面提到的功能。它的電流指令值運(yùn)算電路的原理框圖如 圖 5 所示。當(dāng)負(fù)載中含有 電阻、電感與非線性負(fù)載時(shí)，市電輸入電流將包含有 功、無(wú)功和諧波電流。例如對(duì)于

8、 A相輸入電流，其傅里葉級(jí)數(shù)表示式為式中：注腳I代表基波，n代表諧波次數(shù)， 1為基波電流滯后于電壓 的相位角。如圖5所示，ia經(jīng)過(guò)低通濾波器LPF1濾除諧波電流后得到ia1與A相基準(zhǔn)電壓uar=Unsin 31在乘法器1中相乘后得用低通濾波器LPF2濾除Fa中的二次諧波后得式中：K為L(zhǎng)PF2的放大系數(shù)。LPF2的原理電路如圖5（b）所示，這是三階切比雪夫模擬式低通濾波 器，其截止頻率為 22Hz。對(duì)于B相和C相同樣可以求出為了在負(fù)載不對(duì)稱時(shí)能使市電輸入電流三相對(duì)稱，則可以令圖5中厶Ud為蓄電池變化值，go減去 Ud再與Uar在乘法器2中相乘 后得式（ 9）、（ 1 0）、（ 1 1 ）即為 D

9、eIta 逆變器的電流指令值表示式。2.I 消除市電輸入電流中的無(wú)功與諧波分量為了敘述方便，假定負(fù)載是對(duì)稱的，并日蓄電池的電壓變化量Ud=Q貝U Ia1 = Ib1 =lc1=lo，由式（9） 式（11）可得用 iac* 、ibc* 、icc *作為 DeIta 逆變器的指令值信號(hào)，采用圖 4 所示 的三角波比較控制方式去控制 DeIta 逆變器，即可在 Tra、Trb、Trc 的次級(jí)輸 出補(bǔ)償電流 iac=-（iaq+iah）、ibc=-（ibq+ibh）、icc=-（ icq+ich） 。 iac 、ibc 、icc 。的方向與 ia 、ib 、ic 。相反，故可以消除 ia 、ib 、i

10、c 中的無(wú)功與諧波電流，使市電輸入功率因數(shù)等于 1 22 對(duì)負(fù)載不對(duì)稱電流的補(bǔ)償 為了敘述方便，假定 ua=uar，ub=ubr，uc=ucr ，三相負(fù)載為不對(duì)稱電 阻負(fù)載時(shí)，則各相輸入電流中的無(wú)功與諧波電流等于零，并假定蓄電池電壓的 變化值 Ud=O由式(9)式(11)可得iac*=locos 1sin 3 t-ia為了便于計(jì)算，假定UPS的容量為100KVA市電電壓為380/220V, A相負(fù)載R=0 49Q . B相和C相空載如圖6所示。市電輸入電流為用 iac* 、ibc* 、icc* 作為 Della 逆變器的指令值信號(hào)，采用圖 4所示 的三角波比較控制方式去控制 Delta 逆變器

11、，即可在 Tra、Trb、Tcc 次級(jí)得到 補(bǔ)償ia 、ib 、ic 相同。故可以使市電輸入電流成為三相對(duì)稱電流，即當(dāng)負(fù)載電流的有效值， laL=450A，lbL=lCL= O 時(shí)，補(bǔ)償電流有效值lac二300A, lbc=lcc= 150A,補(bǔ)償后的市電輸入電流有效值為Ia =450- 300A=150AIb =Ic =0+150=150A負(fù)載電流與市電輸入電流的向量關(guān)系如圖 7 所示。3 主逆變器的電壓指令值運(yùn)算電路 主逆變器也是一個(gè)用IGBT作開(kāi)關(guān)的三相半橋式PWM逆變器，它也可以 雙向四象限工作,其開(kāi)關(guān)頻率也為 5-20 kHz 。對(duì)于主逆變器的控制策略是將其 控制成正弦波電壓源,以完

12、成前面提到的功能。當(dāng)市電掉電時(shí)向負(fù)載提供 100的功率。31 穩(wěn)定并消除負(fù)載上電壓的諧波主逆變器的電壓指令值運(yùn)算電路如圖 8所示。以A相為例，假定市電加 到負(fù)載上的電壓為ua=uar+A Ual+Uah=UaL (12)式中：uar為A相基準(zhǔn)正弦波電壓；ual 一為市電電壓基波的波動(dòng)值; uah 為諧波電壓。以u(píng)ar為基準(zhǔn)，用市電加到負(fù)載上的電壓 ua=uarAual+uah=uaL與 uar 進(jìn)行比較，得到差值然后將此差值與 uar 相加即可得到電壓指令值 用uac*按照?qǐng)D4所示的三角波比較控制方式去控制 A相主逆變器，使其輸出電壓由于市電電壓ua與主逆變器的輸出電壓uao通過(guò)它們各自的濾波

13、電感（也是平衡電感兒F1和LF2在uPs電路的點(diǎn)并聯(lián)后共同向負(fù)載供電，如圖 1右 上角的小圖所示，故根據(jù)電工學(xué)中節(jié)點(diǎn)電壓法可知此式說(shuō)明，采用圖 8所示的電壓指令值運(yùn)算電路，按照?qǐng)D 4所示的三角 波比較控制方式對(duì)主逆變器進(jìn)行控制，即使在市電電壓中存在基波波動(dòng)值ual和諧波uah,也可以使負(fù)載上的電壓成為等于基準(zhǔn)正弦波電壓uar的穩(wěn)定正弦波電壓。對(duì)于B相和c相也是如此。由于是分相進(jìn)行的控制，故市電三 相輸入電壓的不對(duì)稱度也將會(huì)得到補(bǔ)償。3.2 向負(fù)載提供無(wú)功電流、諧波電流和不對(duì)稱電流由于主逆變器在UPS電路的點(diǎn)處與市電并聯(lián)后共同向負(fù)載供電，主逆變 器又是工作在正弦波電壓源狀態(tài)，市電輸入的電流是三相

14、對(duì)稱有功電流，根據(jù) 基爾霍夫節(jié)點(diǎn)電流刀i=0的定律，在節(jié)點(diǎn)負(fù)載所需的無(wú)功電流、諧波電流都將 由主逆變器來(lái)供給。當(dāng)三相負(fù)載不對(duì)稱時(shí)，由于主逆變器是三相四線制輸出，并與市電在電 路的點(diǎn)處并聯(lián)連接，因而它具有中性點(diǎn)形成變壓器的功能，即使市電的輸入電 流為三相對(duì)稱電流，在負(fù)載上也可以流過(guò)三相不對(duì)稱電流。各相的不對(duì)稱電流 iaL-ia ， ibL-ib,icL 一 ic 將由主逆變器來(lái)供給。如圖 6 所示，市電輸入電流 為la =lb =lc =150A 負(fù)載電流有效值為laL=450A，lbL=lcL=O，所以主逆 變器各相的輸出電流為lac =450- 150=300A Ibc =0150=150A

15、. Icc =O-150=-150A。3.3 市電掉電時(shí)向負(fù)載提供 100功率 當(dāng)市電掉電時(shí)，由于基準(zhǔn)正弦波電壓發(fā)生器中本機(jī)振蕩器的存在，用 uar、 ubr、 ucr 作為電壓指令值信號(hào)，仍然可以使主逆變器向負(fù)載供電。此時(shí) 主交流靜態(tài)開(kāi)關(guān)自動(dòng)關(guān)斷，以防止電流向市電倒灌。4 對(duì)市電電壓波動(dòng)的補(bǔ)償由于負(fù)載電壓uaL在主逆變器的控制下，保持uaL=uar穩(wěn)定不變，因 而，當(dāng)市電電壓波動(dòng)時(shí)市電輸入電壓與負(fù)載電壓之問(wèn)就會(huì)出現(xiàn)電壓差，需要由 Delta 逆變器進(jìn)行補(bǔ)償。在 Delta 逆變器的控制電路中，加入蓄電池電壓變化信號(hào)土 Ud就是專(zhuān)為此目的而設(shè)置的。Ud是直流信號(hào)、代表的是有功功率變 化，故將其

16、加到了電流指令值運(yùn)算電路中的直流信號(hào)go 上。為了敘述方便，假定三相負(fù)載是對(duì)稱的電阻負(fù)載，此時(shí)市電輸入電流中的無(wú)功與諧波電流等于 零，此時(shí)由式(9)式(11)可知41 市電電壓大于負(fù)載電壓的補(bǔ)償以A相為例，其電流指令值iac*=- UdUm2sin 31，用iac*控制 Delta逆變器產(chǎn)生出補(bǔ)償電壓厶 Uac二 UdUmSie t, Uac的方向與市電電流 i。和電壓Ua的方向相反。當(dāng)UaUaL=Ua時(shí)，如圖9所示，市電輸入功率Pa=Uala,負(fù)載所需功 率PaL=UaLiaL，貝U PPaL市電輸入的多余功率 Pa=PaPaL將通過(guò)主逆變器 整流后對(duì)蓄電池充電，暫存在蓄電池中。由于Ua的升

17、高，使點(diǎn)電壓UaL上升，上升率主逆變器的控制電路為了保持 uaL=uar 不變，控制主逆變器的輸出電 壓0降低，使UaoUdr時(shí),+Ud通過(guò)圖5所示的指令值運(yùn)算電路控 制Delta逆變器使其在變壓器T。的次級(jí)產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電壓式(21)說(shuō)明得到了完全的補(bǔ)償，市電入輸?shù)亩嘤喙β售蘌a=O,進(jìn)入功率平衡狀態(tài)。當(dāng)Ua=Uar+UAI時(shí)，市電輸入電流L必須相應(yīng)減小, Ia才能保證使 市電輸入功率等于負(fù)載所需的功率，Ia的減小是由+ Ud通過(guò)對(duì)Delta逆變器 的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此時(shí)，下面的等式成立由圖9可知，根據(jù)基爾霍夫節(jié)點(diǎn)電流刀i=0的定律，在節(jié)點(diǎn)市電輸入的 有功電流為Ia- Ia，負(fù)載所需的有功電流I

18、aL=Ia，不足的部分由蓄電池通過(guò) 主逆變器來(lái)補(bǔ)足，使主逆變器處于逆變狀態(tài)。假定X為變壓器TaL次級(jí)的等效漏抗，則市電輸入電壓 Ua在Tra次級(jí)的電壓降為X(L+AIa)+ UacAUac,所 以， Delta 逆變器處于整流狀態(tài)。使負(fù)載所需有功電流的不足部分由負(fù)補(bǔ)償電 壓- Uac減少的市電輸入功率，通過(guò) Delta逆變器的整流和主逆變器的逆變， 以電流的形式來(lái)補(bǔ)足如圖 9中的實(shí)線路徑所示。電壓的向量關(guān)系為42 市電電壓小于負(fù)載電壓的補(bǔ)償仍以 A 相為例，用 iac 控制 Delta 逆變器、產(chǎn)生出補(bǔ)償電壓 Uac/udUmsint，其方向與市電電流ia和電壓ua的方向相同。當(dāng)uaUaL二U

19、a時(shí)，如圖10所示，市電輸入功率Pa=uaIa,負(fù)載所需功 率PaL=uaLIaL,則PaUaL=Ua，主逆變器處于逆變狀態(tài)，蓄電池電壓 Ud下降，根據(jù)功率平衡的 原則，Ud的下降率應(yīng)等于市電電壓的下降率，即當(dāng)Ud下降到Udr- UdUdr時(shí)，- Ud通過(guò)圖5所示的指令值運(yùn)算電路 控制 Delta 逆變器使其在變壓器 Tra 的次級(jí)產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電壓式(24)說(shuō)明得到了完全的補(bǔ)償，市電輸入的不足功率厶Pa=O進(jìn)功率平衡狀態(tài)。當(dāng)Ua=uar- UaI時(shí)，市電輸入電流Ia必須相應(yīng)增大 Ia才能保證使 市電輸入功率等于負(fù)載所需的功率，Ia的增大是由- Ud通過(guò)對(duì)Delta逆變器 的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此時(shí)，下面的等式成立由圖10可知，根據(jù)基爾霍夫節(jié)點(diǎn)電流刀i=0的定律，在節(jié)點(diǎn)市電輸入 的有功電流為Ia+ Ia，負(fù)載所需的有功電流IaL=Ia，多余的電流由蓄電池通 過(guò)主逆變器來(lái)吸疏，使主逆變器處于整流狀態(tài)，則市電輸入電壓ua在Tra次級(jí)的電壓降為X(la+ Ia) UacAuac,所以，Della逆變器處于逆變狀態(tài)，使 負(fù)載所需有功電流的多余部分由正補(bǔ)償電壓+ uac增大的市電輸入功率，通過(guò)主逆變器的