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；UPS

O 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·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Delta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，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%的功率；控制UPS輸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3所示，電壓穩(wěn)定度優(yōu)于0．02％，波形失真小于O．5％，三相電壓的對(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、icc，和主逆變器的電壓指令值信號(hào)uac、ubc、ucc、。

    PWM電路 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作開關(guān)的三相半橋式PWM逆變器，可以雙向四象限工作，其開關(guān)頻率為5～20kHz，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A相輸入電流，其傅里葉級(jí)數(shù)表示式為

   
    式中：注腳l代表基波，n代表諧波次數(shù)，φ1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=Umsinωt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22 Hz。

    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△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）、（10）、（11）即為Delta逆變器的電流指令值表示式。

2.l 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=0。

    則Ia1=Ib1=Ic1=Io，由式（9）~式（11）可得

   
    用iac*、ibc*、icc*作為Delta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，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、ic中的無(wú)功與諧波電流，使市電輸入功率因數(shù)等于1。

2．2 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*=Iocosφ1sinωt-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 49Ω．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，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，IaL=450A，IbL=ICL= O時(shí)，補(bǔ)償電流有效值Iac=-300A，Ibc=Icc=150A，補(bǔ)償后的市電輸入電流有效值為

    Ia′=450—300A=150A
    Ib′=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。

3．1 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+△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=uar±△uaI+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)它們各自的濾波電感(也是平衡電感)LF1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)D4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±△uaI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對(duì)稱有功電流，根據(jù)基爾霍夫節(jié)點(diǎn)電流∑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Ia′=Ib′=Ic′=150A，負(fù)載電流有效值為IaL=450A，IbL=IcL=O，所以主逆變器各相的輸出電流為Iac′=450—150=300A．Ibc′=O-150=一150A．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)±Ud就是專為此目的而設(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

   

4．1 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*=-△UdUm·sinωt，用iac*控制Delta逆變器產(chǎn)生出補(bǔ)償電壓△Uac=-△UdUmSinωt，△Uac的方向與市電電流i。和電壓Ua的方向相反。
    當(dāng)Ua>UaL=Uar時(shí)，如圖9所示，市電輸入功率Pa=UaIa，負(fù)載所需功率PaL=UaLiaL，則P>PaL，市電輸入的多余功率△Pa=Pa-PaL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‰降低，使Uao<UaL=Uar，主逆變器處于整流狀態(tài)，蓄電池電壓Ud上升。根據(jù)功率平衡的原則，Ud的上升率應(yīng)等于市電電壓的上升率，即

   

    當(dāng)Ud上升到Udr+△Ud>Udr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省鱌 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∑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，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+△Ia)+△Uac>△Uac，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

   

4．2 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)ua<UaL=Uar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Pa<PaL市電輸入的不足功率△Pa=PaL-Pa將由蓄電池通過(guò)主逆變器的逆變來(lái)補(bǔ)足。由于Ua的降低，使點(diǎn)電壓UaL下降，下降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Uao卜升，使uao>UaL=Uar，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-△Ud<Udr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△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∑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(Ia+△Ia)一△Uac<△uac,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)主逆變器的整流和Delta逆變器的逆變，以電流增大量△Ia反饋的形式來(lái)補(bǔ)償如圖10中的實(shí)線路徑所示。電壓的向量關(guān)系為

   

4．3 Tra次級(jí)電抗X的值
    Tra變壓器次級(jí)電抗X的值，可以通過(guò)如下的方法估算：普通變壓器的電抗壓降約為變壓器容量的(3～5)％，故把Tra的電抗壓降折算到負(fù)載額定電壓uar抗壓降標(biāo)么值為
    IaX=(0．03~0．05)×O．15<0．0075
    此值很小，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在圖9和圖10中向量圖內(nèi)的jXI?？梢哉J(rèn)為是近似等于零。

4．4 Delta逆變器與主逆變器的補(bǔ)償容量
    Delta逆變器與主逆變器的補(bǔ)償容量，與市電電壓的波動(dòng)范圍和負(fù)載功率因數(shù)cosφL有關(guān)
    對(duì)于Delta逆變器

   

    對(duì)于主逆變器

   
    式中：Ss與Sp為Delta逆變器和主逆變器補(bǔ)償容量；
    SL為負(fù)載容量，都是視在功率。

    作出的關(guān)系曲線如圖11（a）、（b）所示。

5 試驗(yàn)波形
    圖12給出了單相電阻負(fù)載時(shí)的源側(cè)電壓和電流的試驗(yàn)波形，可知市電輸入的三相電流波形是對(duì)稱的，說(shuō)明對(duì)不對(duì)稱電阻負(fù)載電流進(jìn)行了補(bǔ)償。圖13給出了單相電感負(fù)載時(shí)的源側(cè)電壓和電流的試驗(yàn)波形，可知其對(duì)負(fù)載的無(wú)功電流和不對(duì)稱電流同時(shí)進(jìn)行了補(bǔ)償。圖14給出了三相非線性負(fù)載時(shí)的源側(cè)電壓和電流的試驗(yàn)波形，可知對(duì)負(fù)載的諧波電流進(jìn)行了補(bǔ)償。

6 結(jié)語(yǔ)
    三相串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS，是最近幾年才發(fā)展起來(lái)的一種新型UPS，它有很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在著．些缺點(diǎn)，其中最大的缺點(diǎn)是不能對(duì)不對(duì)稱負(fù)載電流進(jìn)行補(bǔ)償。本文提出來(lái)的控制方法克服了這種缺點(diǎn)。