用戶電能質量綜合補償器與在線UPS工作原理

4 三相電能質量綜合補償器與在線UPS

用戶電能質量綜合補償器與在線補償式UPS電路如圖10所示，它是由與電路串聯的市電穩壓濾波器，和與電路并聯的電流無功補償濾波器組成的。當直流電路并入蓄電池，變壓器T_r的變比k=1：1時就是補償式在線UPS；而不并入蓄電池，k=0.25：1時就是電能質量綜合補償器。

圖10 用戶電能質量綜合補償器與在線UPS電路框圖

當作為在線UPS應用時，如果市電存在，則電路運行在電能質量綜合補償器狀態；當市電斷電時，電路工作在UPS狀態。市電穩壓濾波器（圖10中逆變器Ⅰ）由給定正弦基準電壓驅動提供有功功率，電流無功補償濾波器（圖10中逆變器Ⅱ）提供無功功率，保證供電不間斷，轉換時間等于零。蓄電池由逆變器Ⅰ和Ⅱ共同充電。

當作為電能質量綜合補償器應用時，市電穩壓濾波器可以穩定、凈化市電輸入電壓，電流無功補償濾波器可以補償無功電流和凈化電流中的諧波，使供電質量大大提高，用戶負載不受已遭污染的市電電網的影響；用戶自己的非線性負載引起的電流畸變也不污染市電電網。所以市電穩壓濾波器可以等效成一個正弦電流源，電流無功補償濾波器可以等效成一個正弦電壓源。工作于電流源的雙向逆變器Ⅰ，和工作于電壓源的雙向逆變器Ⅱ，可以互為電源，互為對方傳輸電能協調工作。例如對于市電穩壓濾波器的逆變器Ⅰ，當市電電壓高于給定電壓時，逆變器Ⅰ吸收功率，對電壓進行負補償，其吸收的功率通過逆變器Ⅱ以電流形式轉送到負載；當市電電壓低于給定電壓時，逆變器Ⅰ輸出功率，對電壓進行正補償，其輸出的功率通過逆變器Ⅱ以電流形式從市電電網輸入。逆變器Ⅱ對負載電流的無功與諧波電流的補償，所需的能量也是由逆變器Ⅰ供給和輸出的。

4.1 主電路逆變器的選型

主電路逆變器Ⅰ和Ⅱ的選型，與三相電路型式和用戶要求有關。對于三相三線制系統可以選用三相半橋式逆變器；對于要求輸出相電壓的三相四線制系統，則必須選用三個單相全橋逆變器，或選用三相四橋臂逆變器。其原因有兩個：一是可以輸出相電壓，可以向不對稱負載供電；二是當一相出現故障時，另外兩相還可以供電，提高了供電的可靠性。

如果需要將三相三線制市電改成三相四線制供電時，可以用中性點形成變壓器形成中性點。中性點變壓器是變比為1：1的自耦變壓器。

4.2 電能質量的檢測與控制電路

電能質量檢測法有多種，例如基于Fryze時域分析的有功電流分離法；基于頻域分析的FFT檢測法；基于自適應干擾抵消原理的閉環檢測法等。我們選擇了具有較好實時性，在三相系統得到廣泛應用的基于廣意瞬時無功理論檢測法。此法是1983年由日本學者赤木泰文先生提出的。當已知三相瞬時值電壓或電流時，用下面給出的方程式將其在靜止坐標中的向量變換到以基頻速度ω旋轉的dqo坐標上：

i_dqo==·=

變換后的信號與原信號減少一個基波頻率即50Hz。所以dqo變換是一種差頻變換，輸入信號中的基頻、5次、7次等諧波，變換到dqo坐標上時，為直流、4次、6次等諧波。因此，上式中d軸電流直流分量對應于負載基波有功功率，q軸電流直流分量對應于負載基波相位移無功功率，d軸交流分量和q軸交流分量對應于負載高次諧波無功功率，o軸分量i_o對應于基波不對稱無功功率。

上述方法可以分離出有功分量、無功分量，諧波和三相電壓或電流的不對稱度。由于此法可以把三相基波電壓或電流變換成直流值表示，所以消除了頻變和相位不一致造成的影響，因此三相基準參考信號可以不必再與市電同步鎖相了，可以利用變換成的直流信號進行比較，避免了同步鎖相過程的干擾。

4.2.1 市電穩壓濾波器的檢測控制電路

為了檢測出市電電壓基波的大小變化，諧波和不對稱度，采用了如圖11所示的檢測電路。三相正弦基準參考電壓u_ar、u_br、u_cr，通過dqo變換及低通濾波器，得到dqo坐標的直流基準參考值和u_or。市電電壓u_a、u_b、u_c經dqo變換，得到，和uo；將這些值與、u_or進行比較，將得到的誤差值u_df、u_qf、u_of進行dqo反變換即可得到反應市電基波變化，諧波和不對稱度的誤差值Δu_a＋u_ah，Δu_b＋u_bh，Δu_c＋u_ch。用這些誤差值作為SPWM逆變器的調制波，通過圖3（a）所示的電路，即可得到市電穩壓濾波器（逆變器Ⅰ）的開關驅動信號。

檢測電路中的低通濾波器電路如圖11（b）所示，其傳遞函數為

H(s)=

這是一種三階切比雪夫低通模擬式濾波器，按照圖中給出的參數，截止頻率為22Hz。

（a）檢測電路

(b)低通濾波器電路

圖11市電電壓檢測電路

4.2.2 電流無功補償濾波器的檢測控制電路

檢測電路如圖12所示。將輸入電流i_a、i_b、i_c進行dqo變換及低通濾波器得到反應基波電流的，切除經dqo反變換即可得到只含有功成分的正弦波電流i_ap、i_bp、i_cp。用此電流與負載電流i_aL、i_bL、i_cL進行比較，就可以得到僅包含無功與諧波的補償電流參考值。然后用圖9所示的Delta控制電路，就可以得到電流無功補償濾波器（逆變器Ⅱ）的開關驅動信號。

圖12電流無功補償濾波器的檢測電路

4.3 電能補償器與在線UPS給用戶帶來的好處

電能質量綜合補償器與在線UPS，可以給用戶帶來如下好處：

1）可以使輸入電能的質量大大提高，使輸入電壓精度由原來的(±10～±20）％提高到±1％，波形畸變率減小到3％以內，輸入功率因數提高到96％。

2）逆變器Ⅰ和Ⅱ只承擔標稱功率的20％，工作效率可以高達96％，過載能力強。

3）可以大大減小負載設備的故障率，延長了負載壽命，提高了負載的可靠性。

4）切斷了市電與負載之間諧波影響，已遭污染的市電不影響負載的工作，非線性負載產生的諧波也不污染市電。

5）在線UPS運行時，市電故障的切換時間為零，多臺UPS可以并聯運行，擴容方便。

6）是一種綠色電源，可滿足任何負載要求。

7）輸出能力強，過載能力可達200％1min，負載電流峰值系數為5：1，對負載電流浪涌系數沒有限制，可直接起動負載，輸出kW值等于標稱kVA值，克服了UPS自身不可克服的缺點。

5 結語

本文介紹的用戶電能質量綜合補償器與補償式在線UPS，在美國和日本已經商品化，如美國電力轉換公司APC已將這項技術應用到在線UPS中，生產出了Silcon DP300E系列在線式大功率UPS，與傳統在線UPS相比使多項指標得到了改善和突破。目前我國尚未開發，但已受到重視，有的高校和科研部門正在著手研制。預計不久將會在我國得到普遍的推廣和應用。