用戶電能質量綜合補償器與在線UPS工作原理

摘要：敘述了用戶電力質量綜合補償器（Custompower）與在線UPS的基本工作原理與方法。

關鍵詞：用戶電力質量綜合補償器；逆變器；不間斷電源

1 引言

由于市電和負載的復雜性，例如電網容量不足，輸變電和各種配電設備的性能和質量問題，各用電設備配置的不合理，或相互之間的影響，電力電子變流器的廣泛應用與各類非線性負載的增加，自然界的雷擊、地電及人為因素的影響等，使市電電壓不穩定，并含有諧波，電能質量不斷惡化。這將會使一些對電能質量敏感的重要負載性能降低，壽命縮短，甚至造成很大的經濟損失。據有關部門統計，在有代表性的場合，計算機遭受來自市電的干擾值在數十伏的每天有上百次。計算機故障的50％～70％是由電源故障造成的。因此，對電能質量的綜合補償和采用補償式在線UPS就顯得越來越重要了。

用戶電能質量綜合補償器和補償式在線UPS的電路是相同的，在直流電路中并入蓄電池就是UPS，不并入蓄電池就是綜合補償器，其原理框圖如圖1所示。它是由兩個互為電源的雙向全橋逆變器構成的一種串并聯電路結構。通過變壓器Tr次級串入電路的逆變器Ⅰ，是市電的穩壓濾波器，其主要作用是對市電輸入電壓進行穩壓和濾波；通過電感L并入電路的逆變器Ⅱ，是電流無功補償濾波器，其主要作用是補償負載需要的無功電流，并濾除非線性負載產生的諧波電流。當作為補償式在線UPS應用時，逆變器Ⅰ輸出有功功率，逆變器Ⅱ輸出無功功率。

圖1 電能質量綜合補償與補償式在線UPS電路框圖

2 市電穩壓濾波器

對市電輸入電壓進行穩壓和濾波的穩壓濾波器電路如圖2所示。它是由高頻全橋SPWM式雙向逆變器構成的。逆變器的輸出電壓u_AB通過變比為k的輸出變壓器T_r變成補償電壓u_ac在T_r次級輸出，T_r的次級串聯在主電路中，以對市電電壓的大小變化和諧波進行補償，保持輸出電壓u_aL為穩定的正弦波電壓。u_ar為與市電同步的給定正弦基準電壓，完全補償后u_aL=u_ar。L_FC_F為低通濾波器，以濾掉市電u_a中和補償電壓u_ac中的高次諧波。由T_r次級短路阻抗、L_F及市電電源內阻組成的線路阻抗為Z，電壓降低為Zi_a，i_a為市電輸入電流。由圖2主電路可知，當實現完全補償時：

u_aL=u_a－Zi_a－u_ac=u_ar（1）

u_ac=u_a－Zi_a－u_ar（2）

圖2 市電穩壓濾波器原理電路

令=u_a－Zi_a－u_ar為全橋SPWM逆變器的調制電壓，控制電路框圖如圖3（a）所示，圖3（b）為波形圖。當用=u_a－Zi_a－u_ar作為調制波時，可以使補償電壓u_ac=u_a－Zi_a－u_ar實現完全補償。假定逆變器直流電源電壓為U_dc，載波三角波的頻率為f_c，電壓幅值為U_c，市電頻率為f_a，則

調制比：M=（3）

(a) 控制電路框圖

(b) SPWM波形圖

圖3 控制電路原理框圖與波形圖

載波比：N=f_c/f_a（4）

式（3）中U_a、I_a、U_ar為u_a、i_a、u_ar的有效值。

當市電電壓含有諧波時，即

u_a=U_a1sinωt＋U_ansinnωt（5）

而且u_a1=U_a1sinωt≠u_ar=U_arsinωt

式中下注腳“1”表示基波，“n”表示諧波次數。

此時，調制比M的值為

M==＋=M1＋Mn（6）

M₁=；M_n=（7）

按照文獻[1]的方法，推導出補償電壓u_ac的雙重傅里葉級數表示式為u_ac=ku_AB=k(u_A－u_B)，經推導并考慮到濾波器L_FC_F的作用，可得

u_ac=kM₁U_dc·sinωt＋kM_nU_dc·sinnωt（8）

由于圖1中逆變器Ⅱ的無功補償和濾波作用的存在，ia=Ia·sinωt，將式（5）、式（8）及ia的值代入式（1）得

u_aL=u_a－Zi_a－u_ac

u_aL=U_a1·sinωt＋U_an·sinnωt－ZI_a·sin_ωt－kM₁U_dc·sinωt－kM_nU_dc·sinnωt(9)

令變比k=U_c/U_dc，將k值及式（7）中的M₁和M_n的值代入式（9），當u_a1>u_ar時M₁=正值。

u_aL=U_a1·sinωt＋U_an·sinnωt－ZI_a·sinωt·－(U_a1－ZIa－U_ar)·

sinωt－U_an·sinnωt=U_ar·sinωt(10)

當u_a1u_ar時，M₁=負值，也可以得到式（10）結果。所以式（10）說明：當用瞬時值=u_a－Zi_a－u_ar作調制波時，可以使SPWM全橋逆變器通過變壓器Tr的輸出電壓u_ac，完全補償市電電壓的大小變化和諧波。保持加在負載上的電壓u_aL=u_ar為穩定的正弦波電壓。

2.1 補償的物理說明

從物理上看，由于控制電路采用的是=u_a－Zi_a－u_ar作為調制波進行的補償，當市電電壓u_a為正弦波時，u_a>u_ar是負補償u_a－u_ac；當u_au_ar是正補償u_a＋u_ac。當市電電壓含有諧波時，u_a>u_ar部分是負補償，u_au_ar部分是正補償，補償示意圖如圖4所示。補償諧波的關鍵是采用高頻SPWM全橋逆變器和瞬時值檢測。逆變器的載波比N=f_c/f_a越大，補償效果越好。

圖4 對市電電壓補償的物理示意圖