一種智能型大功率“綠色環保”UPS

1引言

目前，中大功率UPS的整流器一般采用相控式整流電路。相控式整流電路結構簡單，控制技術成熟，但交流輸入功率因數低，并向電網注入大量的諧波電流，不滿足“綠色用電”的要求。為了克服上述缺點，許繼電源公司在引進東芝公司UPS技術的基礎，采用高頻PWM整流電路，研制出30kVA～100kVA三相輸出和30kVA～50kVA單相輸出的大功率UPS。該UPS是一種在線式智能UPS，除了具有完美的輸出特性外，還具有交流輸入電流接近理想正弦波、注入電網諧波電流少、輸入功率因數接近1等優點，完全滿足“綠色用電”的要求，是一種極有發展前途的UPS。下面介紹其系統結構、工作原理及特點。

2系統結構

圖1給出了本文所研制的UPS系統結構簡圖。它是一種在線式UPS，由PWM整流電路、蓄電池組、SPWM逆變電路、輸出隔離變壓器、旁路電源、切換電路、控制電路、監控單元等組成，其中輸入PWM整流電路和輸出SPWM逆變電路均采用IGBT器件。除了整流電路不同外，其它部分的結構、工作原理和控制方法與采用相控整流電路的在線式UPS完全相同。

3PWM整流電路結構和工作原理

本文研制的UPS采用三相PWM整流電路，其電路結構如圖2所示，開關器件采用IGBT。為了更好地說明其工作原理，首先介紹單相PWM整流電路的工作原理。圖3給出了單相PWM整流電路的原理框圖。在UPS中，圖中的負載即為逆變器和蓄電池。同SPWM逆變電路控制輸出電壓相類似，可在PWM整流電路的交流輸入端AB之間產生一個正弦波調制PWM波uAB，uAB中除了含有與電源同頻率的基波分量外，還含有與開關頻率有關的高次諧波。由于電感Ls的濾波作用，這些高次諧波電壓只會使交流電流is產生很小的脈動。如果忽略這種脈動，is為頻率與電源頻率相同的正弦波。在交流電源電壓us一定時，is的幅值和相位由uAB中基波分量的幅值及其與us的相位差決定。改變uAB中基波分量的幅值和相位，就可以使is與us同相位。圖4給出了單相PWM整流電路的相量圖，其中表示電網電壓，表示PWM整流電路輸入的交流電壓，為連接電抗器Ls的電壓，為電網內阻Rs的電壓。圖中滯后的相角為φ，與的相位完全相同，電路工作在整流狀態，且功率因數為1。這就是PWM整流電路的基本工作原理。

圖1UPS系統結構簡圖

圖2三相PWM整流電路的主電路結構

圖3單相全橋PWM整流電路

圖4單相PWM整流電路的向量圖

三相PWM整流電路的工作原理同單相PWM整流電路相類似，通過對圖2電路進行SPWM控制，便可在交流輸入端得到正弦PWM電壓uAB、uBC、uCA，并通過控制uAB、uBC、uCA的基波分量的幅值和相位，就可以使各相電流為正弦波，并且與電網電壓同相位，輸入功率因數接近1。

要使三相PWM整流電路正常工作，其直流側電壓必須大于交流輸入線電壓的峰值[1]。在UPS中，整流電路輸出電壓即為蓄電池的充電電壓，一般浮充電壓為390V左右。當蓄電池放電后重新充電時，充電電壓在280V～410V范圍內變化。對于線電壓為380V的三相輸入UPS，其線電壓峰值遠遠大于280V，不滿足三相PWM整流電路正常工作的條件。本文采用自耦變壓器Tr將三相輸入電壓降低以后再輸入PWM整流電路，Tr的變比為380/210，這樣，當輸入電壓在允許的范圍變化時，在整個充電電壓范圍內均能滿足PWM整流電路的電壓變換條件。

4PWM整流電路控制方法

PWM整流電路的控制方法有直接電流控制和間接電流控制兩種[1][2]。直接電流控制引入交流輸入電流反饋實行閉環控制，其電流指令運算電路比不引入交流輸入電流反饋的間接電流控制簡單，因此，本文采用直接電流控制方法。

圖5給出了PWM整流電路控制系統的一相結構簡圖。采用雙環控制，其外環為直流電壓控制環，內環為交流電流控制環。直流輸出電壓給定信號Ud＊和實際的直流電壓Ud比較后的誤差信號送入PI調節器，PI調節器的輸出即為整流器交流輸入電流的幅值，它與標準正弦波相乘后形成交流輸入電流的給定信號ia＊（ib＊、ic＊），與實際的交流輸入電流ia（ib、ic）進行比較，電流誤差信號經比例調節器放大后送入比較器，再與三角載波信號比較形成PWM信號。該PWM信號經驅動電路后去驅動主電路開關器件，便可使實際的交流輸入電流跟蹤指令值，同時達到控制輸出電壓的目的。

5UPS的主要特性

5.1輸入特性

圖5直接電流控制系統結構圖

圖6UPS輸入電流波形

該UPS由于采用了先進的PWM整流電路，使其具有比采用相控整流電路的UPS更優的輸入特性，這主要表現如下：

（1）具有完美的正弦波輸入電流，極大地減少了UPS對電網的諧波污染。圖6給出了該系列UPS的輸入電流波形；

（2）輸入功率因數近似為1，使得UPS與電網之間幾乎沒有無功傳遞，可以降低電源系統的變壓器的容量，大幅減少無功損耗，從而可以節約能源，降低系統成本；

（3）輸入電壓范圍寬，更適合于電網電壓劇烈波動的地區，有利于減少蓄電池的充放電次數；

（4）整流輸出直流電壓紋波小，可延長蓄電池使用壽命。

5.2其他特性

(1)逆變器采用IGBT器件和SPWM控制技術，具有完美的輸出特性，始終向負載提供高品質的正弦波電壓：

輸出電壓穩壓精度高，不大于1％；

輸出電壓畸變率低，100％非線性負載時的畸變率不大于3％；

負載從0～100％突變時，輸出電壓波動小，不大于4％；

負載100％不平衡時，電壓不平衡不大于1.5％；

（2）采用數字化控制技術，大大減少了控制電路的元件數，不僅提高了可靠性，而且UPS調試簡單，維護方便。另外，數字化控制還使UPS具有故障自診斷和監控功能；

（3）UPS的逆變器供電與旁路電源供電之間可自動或手動無間斷切換；

（4）具有簡單友好的人機界面，采用LED運行狀態模擬圖清晰顯示UPS運行模式，并采用LCD中文顯示UPS的工作狀態、運行參數和故障報警信息；

（5）UPS在線記錄運行時的各種數據，并儲存在IC卡中，用于調試和故障診斷。IC卡數據構成：模擬數據27項，數字量19項，記錄時間500ms（故障發生之前450ms，發生之后50ms）；

（6）具有電池過放電保護、預報電池的備用時間、按溫度調整電池的充電電壓等蓄電池管理功能，并提供均充及浮充兩種充電模式，具有恒流和恒壓充電功能；

(7)通過RS232標準接口和UPS智能監控軟件，可以實現遠程微機監控UPS的運行狀態。

6結語

本文介紹的UPS整流部分采用PWM整流電路，集整流與諧波抑制功能于一體，在提供穩定直流電壓的同時，獲得完美的正弦波輸入電流，是一種真正意義上的“綠色環保”UPS。