廣義軟開關串并聯補償在線UPS

摘要：介紹了采用廣義軟開關的串并聯補償在線UPS的工作原理與控制方式，這是一種新型在線軟開關UPS。

關鍵詞：串并聯補償；在線UPS；廣義軟開關

Series parallel Compensation On-line UPS with Generalized Soft Switching

LIU Feng-jun

Abstract:The operating principle and control method of series-parallel compensation on line UPS with generalized soft switching are described. This is a novel on-line UPS of soft switching.

Keywords:Series-parallel compensation; On-line UPS; Generalized soft switching

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：0219－2713(2003)04－0170－07

1 引言

串并聯補償在線UPS的電路型式、工作原理與控制方式，我已作過了全面的介紹^[1]，但采用的都是硬開關，因此效率低，電磁干擾大，而采用傳統的軟開關（直流諧振環或極諧振軟開關）又會使電路太復雜。折中這兩種開關狀態，采用廣義軟開關，既不增加電路的復雜性，又可以使其基本工作在軟開關狀態。

PWM逆變器的廣義軟開關定義和原理我也曾作了較詳細的介紹^[2]，所謂廣義軟開關串并聯補償在線UPS，實際上就是使逆變器Ⅰ和Ⅱ采用無損緩沖電路的在線UPS。

2 主電路的串并聯結構和各部分的功能

單相串并聯補償在線UPS的電路如圖1所示。它是由2個高頻雙向SPWM單相全橋逆變器，以串并聯結構電路型式與晶閘管靜態開關和蓄電池等一起組合而成的，各部分的功能為

圖1 單 相 串 并 聯 補 償 在 線UPS電 路

逆變器Ⅰ 主要作用是控制市電，只輸入有功電流，使輸入功率因數等于1；對市電輸入電壓的波動進行補償；控制輸入功率與輸出功率的平衡。其設計功率為標稱功率的20％。

逆變器Ⅱ 主要作用是控制輸出電壓為穩定純凈的正弦電壓；向負載提供無功與諧波電流；當市電掉電時，向負載提供全部標稱功率，設計功率與標稱功率相同。

晶閘管靜態開關其中旁路開關的作用是當市電正常時關斷，當逆變器Ⅰ和Ⅱ故障時開通旁路供電；主靜態開關的作用是，當市電正常時導通，當市電掉電時自動關斷，以防止逆變器Ⅱ的功率向市電倒灌。

蓄電池當市電停電時，由蓄電池通過逆變器Ⅱ向負載供電；當市電電壓波動時，通過逆變器Ⅰ和Ⅱ維持輸入與輸出功率的平衡。

3 逆變器Ⅰ的工作與控制方式

逆變器Ⅰ是用IGBT作開關的高頻雙向SPWM全橋逆變器。它通過輸出變壓器T_r的次級，在UPS輸入端與負載串聯，主要用于市電電壓±15％變化的增量補償，和消除市電輸入電流中的無功與諧波分量，故也稱作增量（Delta）逆變器，其作用相當于一個可變電流源。

當負載中含有電感和非線性負載時，市電輸入電流i將滯后于市電電壓，并產生畸變。此時市電輸入電流i的傅里葉級數表示式為

i=I₁sin(ωt＋φ₁)＋I_nsin(nωt＋φ_n)=I₁cosφ₁sinωt＋I₁sinφ₁cosωt＋I_nsin(nωt＋φ_n)

式中：n為諧波次數；

φ₁為基波電流滯后于電壓的相位角；

φ_n為n次諧波電流滯后于電壓的相位角；

注腳1代表基波。令

i_p=I₁cosφ₁sinωt=I_psinωt為基波有功電流

i_q=I₁sinφ₁cosωt=I_qcosωt為基波無功電流i_h=I_nsin(nωt＋φ_n)為諧波電流

i=i_p＋i_q＋i_h要消除市電輸入電流i中的無功與諧波電流i_q＋i_h，就必須將i_q＋i_h從i中分離出來，而后用i_q＋i_h作為調制波對逆變器Ⅰ進行SPWM調制，在變壓器T_r次級得到電壓u_c，用u_c產生的電流來抵消i中的電流i_q＋i_h，使輸入電流i=i_p。

電流i_q＋i_h的檢出電路如圖1所示。其中“基準正弦電壓”是與市電同步的標準正弦電壓。市電輸入電流i通過低通濾波器濾除i_h，將剩余的電流i_p＋i_q與基準正弦電壓u_r=U_msinωt通過乘法器相乘得到F。

F=(i_p＋i_q)×u_r=(I₁cosφ₁sinωt＋I₁sinφ₁cosωt)×U_msinωt=cosφ₁－cosφ₁cos(2ωt)

＋sinφ₁sin(2ωt)

F經過含有積分器的有源低通濾波器，濾除二次諧波交流分量后，剩下直流成分g=I₁U_mcosφ₁，式中K為有源濾波器放大倍數。將g和u_r再經乘法器相乘后得

i_p=g×u_r=I₁U_mcosφ₁×U_msinωt=I₁U_m²cosφ₁sinωt

令U_m²=1，則得

i_p=I₁cosφ₁sinωt

從市電輸入電流i中減去i_p即可得到無功與諧波電流i_q＋i_h，即i－i_p=i_q＋i_h=i_c^＊

4 逆變器Ⅱ的工作與控制方式

逆變器Ⅱ也是用IGBT作開關的高頻雙向SPWM全橋逆變器。它通過交流濾波器L_F2C_F2，在UPS輸出端與負載并聯，主要用于使負載上電壓成為穩定純凈的正弦電壓，當市電掉電時向負載提供100％的功率。故逆變器Ⅱ也稱作主逆變器，其作用相當于一個固定的電壓源。

當市電電壓中含有諧波時，其方程式為

u=u₁＋u_h=U_1msinωt＋U_nmsinnωt

式中：u₁=U_1msinωt為基波電壓；

u_h=U_nmsinnωt為諧波電壓。

基準正弦電壓u_r=U_msinωt，是一個與市電同步的標準正弦波電壓，電壓精度優于0.02％，失真度小于0.5％，容量約為10W。故可視為是恒定不變的標準正弦波電壓。

由圖1中逆變器Ⅱ的控制電路可知，采用的是瞬時波形比較法。即用負載電壓u_L減去基準正弦電壓

u_r，然后再被基準正弦電壓u_r相減求出SPWM調制波的方程式

u_r－(u－u_r)=2u_r－u=2U_msinωt－U_1msinωt－U_nmsinnωt

令調制波方程式為

u_c^＊=K′〔u_r－(u－u_r)〕=2K′U_msinωt－K′U_1msinωt－K′U_nmsinnωt

式中：K′為檢測變壓器降壓變比。

假定載波三角波的頻率為f_c，幅值為U_c，則載波比N=，調制比的值為

M==－=M₁＋M₂

式中：M₁=；M₂=－

假定直流電源電壓為Ud，根據文獻[3]可以得到逆變器Ⅱ的輸出電壓uab的傅里葉級數式為

u_ab=M₁U_dsinωt＋·cosm πsin〔(mN＋n)ωt〕+

M₂U_dsinnωt+·cosm′πsin〔(m′N′＋n′)nωt〕

用濾波器L_F2，C_F2濾除u_ab中的高次諧波后得到基波與原市電中諧波電壓為

u_ab1=M₁U_dsinωt＋M₂U_dsinnωt

將M₁=K′；M₂=－代入上式得

u_ab1=K′U_dsinωt＋－K′U_dsinnωt