具有不對稱電流補償功能的三相串并聯補償式UPS

O 引言
串并聯補償式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人發明的，1998年被美國APC司收購，并將原發明中的AC調節器改進成Delta逆變器后投入市場，故也稱作Delta變換式UPS。根據國際標準IEC62040．3，這種UPS屬于在線互動式UPS。

三相串并聯補償式UPS與傳統UPS相比具有如下優點：
1)能夠同時對輸入與輸出端的電能參數進行雙在線監測補償，在滿足市電輸入功率因數等于1的要求同時，也滿足了負載電壓為穩定純凈的三相對稱正弦波電壓的要求；
2)可以使電能質量得到全面提高；
3)由于將全功率變換改成了增量補償式變換，使uPs的設備容量僅為額定負載容量的20％，故提高了過載能力，減少了損耗；
4)阻斷了市電與負載之間的諧波相互干擾；
5)由于是與市電電源同步運行，擴容容易。

但這種UPS也有缺點，如對無功與諧波電流補償的效率低，效率受負載變化的影響大，不能對不對稱負載電流進行補償等，這些缺點都是由它的控制方式造成的。為了能使這種UPS具有不對稱負載電流補償功能，本文介紹的UPS控制電路中采用了特殊的方法。這里所說的不對稱負載電流補償功能，就是將三相負載的不對稱電流，變換成市電輸入的三相對稱電流之義。這項功能具有重要的使用價值。

1 電路組成與各部分的功能及控制方式
具有不對稱負載補償功能的三相串并聯補償式UPS的原理電路如圖1所示，它是由兩個直流側帶中性點的，可以雙向四象限工作的三相PWM半橋式逆變器，以串并聯補償式電路構成的，其各部分的功能如下。

Delta逆變器 容量取決于市電電壓波動范圍和負載功率因數，大約只有USP標稱容量的20％。在輸入端通過其輸出變壓器Tra、Trb、Trc、的次級與負載串聯，工作在正弦波電流源狀態。其主要功能是消除市電輸入電流中的無功與諧波分量，使市電輸入功率因數等于1；對市電電壓的波動、三相不對稱度進行補償；將三相負載的不對稱電流、變換成市電輸入的三相對稱電流；控制UPS輸入與輸出功率的平衡和向蓄電池充電；靠電流源的無限大內阻來阻止市電與負載之間的諧波相互干擾。

主逆變器 容量等于UPS標稱容量，在輸出端通過其輸出濾波電感LF2與負載并聯，工作在正弦波電壓源狀態。其主要功能是控制負載上的電壓成為三相穩定的正弦波電壓；靠電壓源無限小內阻向負載提供無功電流、諧波電流和不對稱電流；當市電掉電時向負載提供100%的功率；控制UPS輸入與輸出功率平衡和向蓄電池充電。

三相基準正弦電壓這是一個與市電同步鎖相的交流標準電壓發生器，其電路如圖2和圖3所示，電壓穩定度優于0．02％，波形失真小于O．5％，三相電壓的對稱度為120。0 5，主要用來作為三相UPS的同步坐標基準，和控制電路的數值與波形的標準電壓電流信號。

低通濾波器低通濾波器LF1、CF1主要用來濾除市電電壓和Delta逆變器輸出電壓和電流中的諧波；低通濾波器LF2、CFz主要用來濾除主逆變器輸出電流中的高次諧波；同時LF1和LF2也是市電與主逆變器并聯工作時的平衡電感，LF2又是主逆變器整流工作時的升壓儲能電感。

電流指令值運算電路和電壓指令值運算電路主要用來運算出Delta逆變器的電流指令值信號iac、ibc、icc，和主逆變器的電壓指令值信號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，其特點是將指令值與補償量的偏差經過放大后再與三角波進行比較，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算電路
Delta逆變器是一一個用IGBT作開關的三相半橋式PWM逆變器，可以雙向四象限工作，其開關頻率為5～20kHz，對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。它的電流指令值運算電路的原理框圖如圖5所示。當負載中含有電阻、電感與非線性負載時，市電輸入電流將包含有功、無功和諧波電流。例如對于A相輸入電流，其傅里葉級數表示式為

式中：注腳l代表基波，n代表諧波次數，φ1為基波電流滯后于電壓的相位角。

如圖5所示，ia經過低通濾波器LPF1濾除諧波電流后得到

ia1與A相基準電壓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LPF2的放大系數。

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。

對于B相和C相同樣可以求出

為了在負載不對稱時能使市電輸入電流三相對稱，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功與諧波分量
為了敘述方便，假定負載是對稱的，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，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的次級輸出補償電流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中的無功與諧波電流，使市電輸入功率因數等于1。

2．2 對負載不對稱電流的補償
為了敘述方便，假定ua=uar，ub=ubr，uc=ucr，三相負載為不對稱電阻負載時，則各相輸入電流中的無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

為了便于計算，假定UPS的容量為100KVA，市電電壓為380／220V，A相負載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，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次級得到補償

ia、ib、ic相同。故可以使市電輸入電流成為三相對稱電流，即

當負載電流的有效值，IaL=450A，IbL=ICL= O時，補償電流有效值Iac=-300A，Ibc=Icc=150A，補償后的市電輸入電流有效值為

Ia′=450―300A=150A
Ib′=Ic′=0+150=150A
負載電流與市電輸入電流的向量關系如圖7所示。

3 主逆變器的電壓指令值運算電路
主逆變器也是一個用IGBT作開關的三相半橋式PWM逆變器，它也可以雙向四象限工作，其開關頻率也為5-20 kHz。對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。當市電掉電時向負載提供100％的功率。

3．1 穩定并消除負載上電壓的諧波
主逆變器的電壓指令值運算電路如圖8所示。以A相為例，假定市電加到負載上的電壓為

ua=uar+△Ual+Uah=UaL (12)
式中：uar為A相基準正弦波電壓；
△ual一為市電電壓基波的波動值；
uah為諧波電壓。

以uar為基準，用市電加到負載上的電壓ua=uar△uaI+uah=uaL與uar進行比較，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*按照圖4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通過它們各自的濾波電感(也是平衡電感)LF1和LF2在uPs電路的點并聯后共同向負載供電，如圖1右上角的小圖所示，故根據電工學中節點電壓法可知

此式說明，采用圖8所示的電壓指令值運算電路，按照圖4所示的三角波比較控制方式對主逆變器進行控制，即使在市電電壓中存在基波波動值△uaI和諧波uah，也可以使負載上的電壓成為等于基準正弦波電壓uar的穩定正弦波電壓。對于B相和c相也是如此。由于是分相進行的控制，故市電三相輸入電壓的不對稱度也將會得到補償。

3.2 向負載提供無功電流、諧波電流和不對稱電流
由于主逆變器在UPS電路的點處與市電并聯后共同向負載供電，主逆變器又是工作在正弦波電壓源狀態，市電輸入的電流是三相對稱有功電流，根據基爾霍夫節點電流∑i=0的定律，在節點負載所需的無功電流、諧波電流都將由主逆變器來供給。
當三相負載不對稱時，由于主逆變器是三相四線制輸出，并與市電在電路的點處并聯連接，因而它具有中性點形成變壓器的功能，即使市電的輸入電流為三相對稱電流，在負載上也可以流過三相不對稱電流。各相的不對稱電流iaL-ia，ibL-ib,icL一ic將由主逆變器來供給。如圖6所示，市電輸入電流為Ia′=Ib′=Ic′=150A，負載電流有效值為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 市電掉電時向負載提供100％功率
當市電掉電時，由于基準正弦波電壓發生器中本機振蕩器的存在，用uar、ubr、ucr作為電壓指令值信號，仍然可以使主逆變器向負載供電。此時主交流靜態開關自動關斷，以防止電流向市電倒灌。

4 對市電電壓波動的補償
由于負載電壓uaL在主逆變器的控制下，保持uaL=uar穩定不變，因而，當市電電壓波動時市電輸入電壓與負載電壓之問就會出現電壓差，需要由Delta逆變器進行補償。在Delta逆變器的控制電路中，加入蓄電池電壓變化信號Ud就是專為此目的而設置的。△Ud是直流信號、代表的是有功功率變化，故將其加到了電流指令值運算電路中的直流信號go上。為了敘述方便，假定三相負載是對稱的電阻負載，此時市電輸入電流中的無功與諧波電流等于零，此時由式(9)～式(11)可知

4．1 市電電壓大于負載電壓的補償
以A相為例，其電流指令值iac*=-△UdUmsinωt，用iac*控制Delta逆變器產生出補償電壓△Uac=-△UdUmSinωt，△Uac的方向與市電電流i。和電壓Ua的方向相反。
當Ua>UaL=Uar時，如圖9所示，市電輸入功率Pa=UaIa，負載所需功率PaL=UaLiaL，則P>PaL，市電輸入的多余功率△Pa=Pa-PaL將通過主逆變器整流后對蓄電池充電，暫存在蓄電池中。由于Ua的升高，使點電壓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UaoUaL=Uar，主逆變器處于整流狀態，蓄電池電壓Ud上升。根據功率平衡的原則，Ud的上升率應等于市電電壓的上升率，即

當Ud上升到Udr+△Ud>Udr時,+Ud通過圖5所示的指令值運算電路控制Delta逆變器使其在變壓器T。的次級產生一個補償電壓

式(21)說明得到了完全的補償，市電入輸的多余功率△P a=O，進入功率平衡狀態。

當Ua=Uar+△UAI時，市電輸入電流L必須相應減小△，Ia才能保證使市電輸入功率等于負載所需的功率，Ia的減小是由+△Ud通過對Delta逆變器的控制來實現的。此時，下面的等式成立

由圖9可知，根據基爾霍夫節點電流∑i=0的定律，在節點市電輸入的有功電流為Ia-△Ia，負載所需的有功電流IaL=Ia，不足的部分由蓄電池通過主逆變器來補足，使主逆變器處于逆變狀態。假定X為變壓器TaL次級的等效漏抗，則市電輸入電壓Ua在Tra次級的電壓降為X(L+△Ia)+△Uac>△Uac，所以，Delta逆變器處于整流狀態。使負載所需有功電流的不足部分由負補償電壓-△Uac減少的市電輸入功率，通過Delta逆變器的整流和主逆變器的逆變，以電流的形式來補足如圖9中的實線路徑所示。電壓的向量關系為

4．2 市電電壓小于負載電壓的補償
仍以A相為例，用iac控制Delta逆變器、產生出補償電壓△Uac=△udUmsint，其方向與市電電流ia和電壓ua的方向相同。

當uaUaL=Uar時，如圖10所示，市電輸入功率Pa=uaIa,負載所需功率PaL=uaLIaL,則PaPaL市電輸入的不足功率△Pa=PaL-Pa將由蓄電池通過主逆變器的逆變來補足。由于Ua的降低，使點電壓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，蓄電池電壓Ud下降，根據功率平衡的原則，Ud的下降率應等于市電電壓的下降率，即

當Ud下降到Udr-△UdUdr時，-△Ud通過圖5所示的指令值運算電路控制Delta逆變器使其在變壓器Tra的次級產生一個補償電壓

式(24)說明得到了完全的補償，市電輸入的不足功率△Pa=O，進功率平衡狀態。

當Ua=uar-△UaI時，市電輸入電流Ia必須相應增大△Ia才能保證使市電輸入功率等于負載所需的功率，Ia的增大是由-△Ud通過對Delta逆變器的控制來實現的。此時，下面的等式成立

由圖10可知，根據基爾霍夫節點電流∑i=0的定律，在節點市電輸入的有功電流為Ia+△Ia，負載所需的有功電流IaL=Ia，多余的電流由蓄電池通過主逆變器來吸疏，使主逆變器處于整流狀態，則市電輸入電壓ua在Tra次級的電壓降為X(Ia+△Ia)一△Uac△uac,所以，Della逆變器處于逆變狀態，使負載所需有功電流的多余部分由正補償電壓+△uac增大的市電輸入功率，通過主逆變器的整流和Delta逆變器的逆變，以電流增大量△Ia反饋的形式來補償如圖10中的實線路徑所示。電壓的向量關系為

4．3 Tra次級電抗X的值
Tra變壓器次級電抗X的值，可以通過如下的方法估算：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載額定電壓uar抗壓降標么值為
IaX=(0．03~0．05)O．150．0075
此值很小，為了簡化計算，在圖9和圖10中向量圖內的jXI。可以認為是近似等于零。

4．4 Delta逆變器與主逆變器的補償容量
Delta逆變器與主逆變器的補償容量，與市電電壓的波動范圍和負載功率因數cosφL有關
對于Delta逆變器

對于主逆變器

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

作出的關系曲線如圖11（a）、（b）所示。

5 試驗波形
圖12給出了單相電阻負載時的源側電壓和電流的試驗波形，可知市電輸入的三相電流波形是對稱的，說明對不對稱電阻負載電流進行了補償。圖13給出了單相電感負載時的源側電壓和電流的試驗波形，可知其對負載的無功電流和不對稱電流同時進行了補償。圖14給出了三相非線性負載時的源側電壓和電流的試驗波形，可知對負載的諧波電流進行了補償。

6 結語
三相串并聯補償式UPS，是最近幾年才發展起來的一種新型UPS，它有很多優點，但也存在著．些缺點，其中最大的缺點是不能對不對稱負載電流進行補償。本文提出來的控制方法克服了這種缺點。