具有不对称电流补偿功能的三相串并联补偿式UPS重点

1、具有不对称电流补偿功能的三相串并联补偿式 UPS摘要：叙述了这种UPS的工作原理与控制方式，提出的控制方式可以实现串并 联补偿式UPS全部控制功能，在电源电压不是额定值且含有谐波电压、负载含 有谐波电流和无功电流的情况下，电源输入电流被控制成正弦，功率因数等于 1，负载电压被控制成额定值正弦波电压，并且具有不对称电流补偿功能。关键 词：三相；串并联；补偿；UPSC引言串并联补偿式UPS是1994年由丹麦科尔 丁硅能电子公司的奥维 2里克2托姆等 3人发明的， 1998年被摘要：叙述了这种UPS的工作原理与控制方式，提出的控制方式可以实现串并 联补偿式UPS全部控制功能，在电源电压不是额定值且含

2、有谐波电压、负载含 有谐波 电流和无功电流的情况下，电源输入电流被控制成正弦， 功率因数等于 1，负载电压被控制成额定值正弦波电压，并且具有不对称电流补偿功能。 关键词：三相；串并联；补偿； UPSO 引言 串并联补偿式UPS是1994年由丹麦科尔丁硅能 电子公司的奥维里克2托姆等3人发明的，1998年被美国APC司收购，并将原发明中的 AC调节器改进成Ddt a逆变器后投入市场，故也称作Delta变换式UPS根据 国际标准IEC62040. 3,这种UPS属于在线互动式UPS三相串并联补偿式UPS与传统UPS相比具有如下优点：1) 能够同时对输入与输出端的电能参数进行双在线监测补偿

3、，在满足市 电输入功率因数等于 1 的要求同时，也满足了负载电压为稳定纯净的三相对称 正弦波电压的要求；2) 可以使电能质量得到全面提高；3) 由于将全功率变换改成了增量补偿式变换，使 uPs的设备容量仅为额 定负载容量的 20，故提高了过载能力，减少了损耗；4) 阻断了市电与负载之间的谐波相互干扰；5) 由于是与市电电源同步运行，扩容容易。但这种UPS也有缺点，如对无功与谐波电流补偿的效率低，效率受负载 变化的影响大，不能对不对称负载电流进行补偿等，这些缺点都是由它的控制 方式造成的。为了能使这种UPS具有不对称负载电流补偿功能，本文介绍的 UPS控制电路中采用了特殊的方法。这里所说的不对称

4、负载电流补偿功能，就 是将三相负载的不对称电流，变换成市电输入的三相对称电流之义。这项功能 具有重要的使用价值。1 电路组成与各部分的功能及控制方式具有不对称负载补偿功能的三相串并联补偿式 UPS的原理电路如图1所 示，它是由两个直流侧带中性点的，可以双向四象限工作的三相PWM半桥式逆变器，以串并联补偿式电路构成的，其各部分的功能如下Delta 逆变器 容量取决于市电电压波动范围和负载功率因数，大约只 有USP标称容量的20%。在输入端通过其输出 变压器Tra、Trb、Trc、的次级 与负载串联，工作在正弦波电流源状态。其主要功能是消除市电输入电流中的 无功与谐波分量，使市电输入功率因数等于

5、1；对市电电压的波动、三相不对 称度进行补偿；将三相负载的不对称电流、变换成市电输入的三相对称电流； 控制UPS输入与输出功率的平衡和向蓄电池充电；靠电流源的无限大内阻来阻 止市电与负载之间的谐波相互干扰。主逆变器 容量等于UPS标称容量，在输出端通过其输出 滤波电感LF2 与负载并联，工作在正弦波电压源状态。其主要功能是控制负载上的电压成为 三相稳定的正弦波电压；靠电压源无限小内阻向负载提供无功电流、谐波电流 和不对称电流；当市电掉电时向负载提供 100%勺功率；控制UPS1入与输出功 率平衡和向蓄电池充电。三相基准正弦电压这是一个与市电同步锁相的交流标准电压发生器，其 电路如图 2 和图

6、3 所示，电压稳定度优于 002%，波形失真小于 O5%， 相电压的对称度为120。0 5。，主要用来作为三相 UPS的同步坐标基 准，和控制电路的数值与波形的标准电压电流信号。低通滤波器低通滤波器LF1、CF1主要用来滤除市电电压和 Delta逆变 器输出电压和电流中的谐波；低通滤波器LF2、CFz主要用来滤除主逆变器输出电流中的高次谐波；同时LF1和LF2也是市电与主逆变器并联工作时的平衡电 感，LF2又是主逆变器整流工作时的升压储能电感。电流指令值运算电路和电压指令值运算电路主要用来运算出 Delta 逆变 器的电流指令值信号iac、ibc、ic c，和主逆变器的电压指令值信号 uac、

7、 ubc、 ucc、。PWMfe路DelLa逆变器和主逆变器的PWM控制电路，采用的是如图4所 示的三角波比较控制方式，其特点是将指令值与补偿量的偏差经过放大后再与 三角波进行比较，其目的是把偏差控制到最小，是属于跟踪型PWM控制方式。2 Delta 逆变器的电流指令值运算电路Delta逆变器是一一个用IGBT作开关的三相半桥式PWM逆变器，可以 双向四象限工作，其开关频率为 520kHz,对它的控制策略就是将其控制成正 弦波电流源，以完成前面提到的功能。它的电流指令值运算电路的原理框图如 图 5 所示。当负载中含有 电阻、电感与非线性负载时，市电输入电流将包含有 功、无功和谐波电流。例如对于

8、 A相输入电流，其傅里叶级数表示式为式中：注脚I代表基波，n代表谐波次数， 1为基波电流滞后于电压 的相位角。如图5所示，ia经过低通滤波器LPF1滤除谐波电流后得到ia1与A相基准电压uar=Unsin 31在乘法器1中相乘后得用低通滤波器LPF2滤除Fa中的二次谐波后得式中：K为LPF2的放大系数。LPF2的原理电路如图5（b）所示，这是三阶切比雪夫模拟式低通滤波 器，其截止频率为 22Hz。对于B相和C相同样可以求出为了在负载不对称时能使市电输入电流三相对称，则可以令图5中厶Ud为蓄电池变化值，go减去 Ud再与Uar在乘法器2中相乘 后得式（ 9）、（ 1 0）、（ 1 1 ）即为 D

9、eIta 逆变器的电流指令值表示式。2.I 消除市电输入电流中的无功与谐波分量为了叙述方便，假定负载是对称的，并日蓄电池的电压变化量Ud=Q贝U Ia1 = Ib1 =lc1=lo，由式（9） 式（11）可得用 iac* 、ibc* 、icc *作为 DeIta 逆变器的指令值信号，采用图 4 所示 的三角波比较控制方式去控制 DeIta 逆变器，即可在 Tra、Trb、Trc 的次级输 出补偿电流 iac=-（iaq+iah）、ibc=-（ibq+ibh）、icc=-（ icq+ich） 。 iac 、ibc 、icc 。的方向与 ia 、ib 、ic 。相反，故可以消除 ia 、ib 、i

10、c 中的无功与谐波电流，使市电输入功率因数等于 1 22 对负载不对称电流的补偿 为了叙述方便，假定 ua=uar，ub=ubr，uc=ucr ，三相负载为不对称电 阻负载时，则各相输入电流中的无功与谐波电流等于零，并假定蓄电池电压的 变化值 Ud=O由式(9)式(11)可得iac*=locos 1sin 3 t-ia为了便于计算，假定UPS的容量为100KVA市电电压为380/220V, A相负载R=0 49Q . B相和C相空载如图6所示。市电输入电流为用 iac* 、ibc* 、icc* 作为 Della 逆变器的指令值信号，采用图 4所示 的三角波比较控制方式去控制 Delta 逆变器

11、，即可在 Tra、Trb、Tcc 次级得到 补偿ia 、ib 、ic 相同。故可以使市电输入电流成为三相对称电流，即当负载电流的有效值， laL=450A，lbL=lCL= O 时，补偿电流有效值lac二300A, lbc=lcc= 150A,补偿后的市电输入电流有效值为Ia =450- 300A=150AIb =Ic =0+150=150A负载电流与市电输入电流的向量关系如图 7 所示。3 主逆变器的电压指令值运算电路 主逆变器也是一个用IGBT作开关的三相半桥式PWM逆变器，它也可以 双向四象限工作,其开关频率也为 5-20 kHz 。对于主逆变器的控制策略是将其 控制成正弦波电压源,以完

12、成前面提到的功能。当市电掉电时向负载提供 100的功率。31 稳定并消除负载上电压的谐波主逆变器的电压指令值运算电路如图 8所示。以A相为例，假定市电加 到负载上的电压为ua=uar+A Ual+Uah=UaL (12)式中：uar为A相基准正弦波电压；ual 一为市电电压基波的波动值; uah 为谐波电压。以uar为基准，用市电加到负载上的电压 ua=uarAual+uah=uaL与 uar 进行比较，得到差值然后将此差值与 uar 相加即可得到电压指令值 用uac*按照图4所示的三角波比较控制方式去控制 A相主逆变器，使其输出电压由于市电电压ua与主逆变器的输出电压uao通过它们各自的滤波

13、电感（也是平衡电感儿F1和LF2在uPs电路的点并联后共同向负载供电，如图 1右 上角的小图所示，故根据电工学中节点电压法可知此式说明，采用图 8所示的电压指令值运算电路，按照图 4所示的三角 波比较控制方式对主逆变器进行控制，即使在市电电压中存在基波波动值ual和谐波uah,也可以使负载上的电压成为等于基准正弦波电压uar的稳定正弦波电压。对于B相和c相也是如此。由于是分相进行的控制，故市电三 相输入电压的不对称度也将会得到补偿。3.2 向负载提供无功电流、谐波电流和不对称电流由于主逆变器在UPS电路的点处与市电并联后共同向负载供电，主逆变 器又是工作在正弦波电压源状态，市电输入的电流是三相

14、对称有功电流，根据 基尔霍夫节点电流刀i=0的定律，在节点负载所需的无功电流、谐波电流都将 由主逆变器来供给。当三相负载不对称时，由于主逆变器是三相四线制输出，并与市电在电 路的点处并联连接，因而它具有中性点形成变压器的功能，即使市电的输入电 流为三相对称电流，在负载上也可以流过三相不对称电流。各相的不对称电流 iaL-ia ， ibL-ib,icL 一 ic 将由主逆变器来供给。如图 6 所示，市电输入电流 为la =lb =lc =150A 负载电流有效值为laL=450A，lbL=lcL=O，所以主逆 变器各相的输出电流为lac =450- 150=300A Ibc =0150=150A

15、. Icc =O-150=-150A。3.3 市电掉电时向负载提供 100功率 当市电掉电时，由于基准正弦波电压发生器中本机振荡器的存在，用 uar、 ubr、 ucr 作为电压指令值信号，仍然可以使主逆变器向负载供电。此时 主交流静态开关自动关断，以防止电流向市电倒灌。4 对市电电压波动的补偿由于负载电压uaL在主逆变器的控制下，保持uaL=uar稳定不变，因 而，当市电电压波动时市电输入电压与负载电压之问就会出现电压差，需要由 Delta 逆变器进行补偿。在 Delta 逆变器的控制电路中，加入蓄电池电压变化信号土 Ud就是专为此目的而设置的。Ud是直流信号、代表的是有功功率变 化，故将其

16、加到了电流指令值运算电路中的直流信号go 上。为了叙述方便，假定三相负载是对称的电阻负载，此时市电输入电流中的无功与谐波电流等于 零，此时由式(9)式(11)可知41 市电电压大于负载电压的补偿以A相为例，其电流指令值iac*=- UdUm2sin 31，用iac*控制 Delta逆变器产生出补偿电压厶 Uac二 UdUmSie t, Uac的方向与市电电流 i。和电压Ua的方向相反。当UaUaL=Ua时，如图9所示，市电输入功率Pa=Uala,负载所需功 率PaL=UaLiaL，贝U PPaL市电输入的多余功率 Pa=PaPaL将通过主逆变器 整流后对蓄电池充电，暂存在蓄电池中。由于Ua的升

17、高，使点电压UaL上升，上升率主逆变器的控制电路为了保持 uaL=uar 不变，控制主逆变器的输出电 压0降低，使UaoUdr时,+Ud通过图5所示的指令值运算电路控 制Delta逆变器使其在变压器T。的次级产生一个补偿电压式(21)说明得到了完全的补偿，市电入输的多余功率厶Pa=O,进入功率平衡状态。当Ua=Uar+UAI时，市电输入电流L必须相应减小, Ia才能保证使 市电输入功率等于负载所需的功率，Ia的减小是由+ Ud通过对Delta逆变器 的控制来实现的。此时，下面的等式成立由图9可知，根据基尔霍夫节点电流刀i=0的定律，在节点市电输入的 有功电流为Ia- Ia，负载所需的有功电流I

18、aL=Ia，不足的部分由蓄电池通过 主逆变器来补足，使主逆变器处于逆变状态。假定X为变压器TaL次级的等效漏抗，则市电输入电压 Ua在Tra次级的电压降为X(L+AIa)+ UacAUac,所 以， Delta 逆变器处于整流状态。使负载所需有功电流的不足部分由负补偿电 压- Uac减少的市电输入功率，通过 Delta逆变器的整流和主逆变器的逆变， 以电流的形式来补足如图 9中的实线路径所示。电压的向量关系为42 市电电压小于负载电压的补偿仍以 A 相为例，用 iac 控制 Delta 逆变器、产生出补偿电压 Uac/udUmsint，其方向与市电电流ia和电压ua的方向相同。当uaUaL二U

19、a时，如图10所示，市电输入功率Pa=uaIa,负载所需功 率PaL=uaLIaL,则PaUaL=Ua，主逆变器处于逆变状态，蓄电池电压 Ud下降，根据功率平衡的 原则，Ud的下降率应等于市电电压的下降率，即当Ud下降到Udr- UdUdr时，- Ud通过图5所示的指令值运算电路 控制 Delta 逆变器使其在变压器 Tra 的次级产生一个补偿电压式(24)说明得到了完全的补偿，市电输入的不足功率厶Pa=O进功率平衡状态。当Ua=uar- UaI时，市电输入电流Ia必须相应增大 Ia才能保证使 市电输入功率等于负载所需的功率，Ia的增大是由- Ud通过对Delta逆变器 的控制来实现的。此时，下面的等式成立由图10可知，根据基尔霍夫节点电流刀i=0的定律，在节点市电输入 的有功电流为Ia+ Ia，负载所需的有功电流IaL=Ia，多余的电流由蓄电池通 过主逆变器来吸疏，使主逆变器处于整流状态，则市电输入电压ua在Tra次级的电压降为X(la+ Ia) UacAuac,所以，Della逆变器处于逆变状态，使 负载所需有功电流的多余部分由正补偿电压+ uac增大的市电输入功率，通过主逆变器的