Abstract：A novel high power UPS with Delta inverting technique and without any pollution to electric power net is introduced in this article.

Keyword：UPS Rectifier inverter harmonic current double conversion inverter instantaneous harmonic compensation

1　引言

　　随着公用电网上非线性负载的增加，特别是电信、广电、银行、证券业飞速发展，使得不间断供电设备（UPS）大量使用，这些UPS所产生的谐波对电网造成的危害越来越严重，并引起了人们前所未有的关注。在许多国家和地区谐波限制标准已经制定或正在制定中。我国于1986年制定了公用电网谐波国家标准。2000年起将执行更为严格的IEC1000－3－2标准。本文从UPS发展各阶段关注重点及如何提高UPS输入功率因素及降低UPS输入电流谐波作一定性分析。　


2　UPS发展经历

　　UPS进入中国已有二十多年了。在八十年代我国使用的主流UPS产品是：整流器、逆变器及静态开关主电路全部采用可控硅器件，整流器是可控硅三相全控桥，静态开关是二组反并联可控硅。其逆变器主回路如下：（图＜1＞）

图＜1＞
　　
　　从逆变器主回路可以看出：有二个主变压器，以产生不同幅值的波形，可控硅的使用量达到20个，工作频率仅为300HZ。

　　至80年代末和90年代初我国使用的主流UPS产品是：整流器、静态开关仍未有重大变化。可逆变器实现了突破性改进，使用了大功率品体管，其主回路电路如下：

图（＜2＞）

　　从逆变器主回路可以看出：只有一个主变压器，主功率器件使用减少至四个，工作频率提高至1600HZ。

　　至90年代中期我国使用的主流UPS产品是：整流器、静态开关仍未有重大变化，可逆变器主功率器件使用IGBT，逆变器主回路结构同图＜2＞，只是用IGBT代替TS，工作频率达到10KHZ至15KHZ。

　　我们来定性分析一下这三种结构，给我们带来的好处：第一，主逆变器工作频率从300HZ升至10KHZ，整个UPS噪音指标大大下降，输出电压谐波失真度下降。第二，主逆变器工作频率上升后，主逆变器变压器及电抗器的体积大大缩小，使得整机的效率提高，可靠性大大提高。第三，在自动控制系统里，变压器、电抗器属于惰性器件。这些器件量值的变小使UPS逆变器输出动态性能大大提高。因此，UPS在这个发展过程中，每推出新一代产品，用户都能理解并采用。遗憾的是，UPS制造商把他们对UPS性能改进的努力全部关注在逆变器上――即UPS整机输出指标上。对这种产品的固有缺点――输入功率因素低（只有0.8）；输入电流谐波大（高达35％）几乎不关注。


3　传统UPS的输入谐波电流。
　　
　　众所周知，以上UPS的整流器属于相控型电力电子设备，是一种谐波发生器且功率因素低仅0.8，其大量的采用严重地污染了公用电网，带来电力品质的恶化，危及电网安全运行，其产生的电磁干扰（EMI）也危及通信、金融、航空、交通、医疗等行业的安全运行，对同一电网中的变压器、电动机、电容器产生附加的损耗，通过发热加速绝缘老化；谐波会使电动机转降低，振动加剧，噪音增大；高次谐波还会对继电保护及电气和电子设备产生干扰；谐波还会影响到电能计量的精度。所以输入功率因素和输入电流谐波是判断不间断电源优劣的极为重要的指标，对大容量的不间断电源尤其如此，采用新技术，新电路结构，实现绿色电源是必须要解决的问题。

图＜3＞

　　图＜3＞是这种整流器的主电路结构及一相的输入电压（1）及电流（2）波形。这种整流电路是6脉冲可控硅相控整流器。这些可控硅按次序在电源周期内轮流导通，由于可控硅导通后不会自关断，因此在换相时，对连接在不同相线上的两个可控硅将在短暂的时间内同时导通，造成瞬时电源相间短路，即所谓换相缺口，使电压波形失真。

　　从图＜3＞中可以看出，这种整流器的输入电流不是平滑的正弦波，这种波形的总谐波失真（THD）大于30％以上，输入功率因素仅0.8。

　　如前所述，UPS输入电压波形上的换相缺口是电源电压波形失真的一种形式，此外谐波电流还会引起严重的电源电压波形失真。大家知道，电源电压总谐波失真与负载谐波电流和电源内阻有关，负载谐波电流和电源内阻越大，电源电压谐波失真越大。因此应尽力减小负载谐波电流和电源内阻。市电电源的内阻较小，一般不会造成不可接受的电压失真。但如果由柴油发电机向传统UPS供电，因为柴油发电机容量有限，且其内阻较大，很容易受谐波电流的影响，从而使柴油发电机输出电压产生严重的电压失真。因此柴油发电机向传统UPS供电，其容量必须为UPS容量的3倍以上，否则电压失真相当严重，整流器输入电压波形上的换向缺口的深度会很大，甚至接近于零。这将导致UPS的同步取样电路产生故障，以致UPS系统不能正常工作。

　　由于存在配电线路，因此负载端的电压失真比供电端的电压失真要大。

　　由于电源电压失真，将会产生更大谐波电流，即使负载是线性负载，在此负载上亦会产生相同频次的谐波电流。

　　电源电压失真亦会使电源系统的电容器、变压器等设备产生附加发热，并使电网继电保护设备工作失常。同时低输入功率因素引起的无功电流极大，谐波电流在配电系统中流动，将引起附加损耗，使电缆、配电设备、熔丝，变压器等设备发热，从而导致配电系统可靠性及寿命大降低。

　　综上所述必须提高UPS的输入功率因素及降低具输入电流谐波。为此人们采取了各种方式来改善UPS对电网的污染。有用无滤波器或12脉冲整流器等，但效率不理想，且使UPS整机效率更加低，且成本大大增加。


4　Delta变换UPS
　　
　　Delta变换UPS是在九十年代中后期发展起来的新一代UPS系统。这种UPS与传统的双变换UPS相比，在系统结构和电能变换上都引入了全新的概念，它即保留了传统双变换UPS的所有优点，又克服了传统双变换UPS的固有缺点，在下列技术性能指标上获得了突破性的进展。

　　1、整机效率高达96.5％（传统双变换UPS仅为92％）；

　　2、输入功率因素近似为1（传统双变换UPS仅为0.8）；

　　3、输入电流谐波＜3％（传统双变换UPS高达30％以上）；

　　4、在输出功率因素-0.6-1-+0.9范围内均可全功率输出（传统双变换UPS只在输出功率
　　因数某一点上能全功率输出）；

　　5、输出过载能力200％，1分钟（传统双变换UPS仅150％，1分钟）；

　　6、输出峰值电流系数>5：1（传统双变换UPS仅为3：1）；

　　7、纯在线式，高性能输出指标（保留传统双变换UPS优点）

　　8、柴油发电机最佳配置，仅需1.2－1.5倍油机容量。（传统双变换UPS至少3倍以上油机容量）
　
　　9、可9台并联运行。

　　以上第二、第三条构成了这款新一代UPS对电网无污染，实现了绿色电源。

　　下面着重分析Delta逆变器如何实现对电网无污染。

　　图(4)是新一代高频双向变换串并联补偿式UPS主电路图。

　　图(4)所示这种新一代UPS由Delta逆变器和主逆变器组成。其中Delta逆变器是一个高阻抗的电流源。它控制输入电流，控制主逆变器对蓄电池充电，补偿输入电压，保证主逆变器输出电压恒定不变，控制调整输入功率因数，使输入电流谐波小于3％。由于Delta逆变器的高内阻性，使这种新一代UPS隔离了来自电网干扰对负载的影响，同时负载产生的各种干扰亦不会对电网产生影响（良好的双向隔离性），其技术的关健是在输入正弦波电压源上叠加其输出的15KHz的SPWM波形，在完成补偿输入电压的同时轻而易举地达到输入功率因数近似为1。主逆变器是一个低内阻的正弦波电压源，它控制并稳定输出电压。在Delta逆变器控制下，对蓄电池充电。并向负载提供所需要的谐波及无功电流。

　　从这二个逆变器功能可以看出，Delta逆变器只向电网索取有功功率。而负载所需要的无功及谐波电流由主逆变器来提供。即这种新一代UPS不管所带何种负载，输入功率因素均近似为1，输入电流谐波小于3％。
　
　　下面我们来具体分析一下Delta逆变器如何实现输入功率因数近似为1及电流谐波小于3％。　　　　　　　　　

　　将高频双向逆变器串连在50HZ交流主电路中，同样有非常理想的功率因数校正功能，我们把图（4）所示电路等效到变压器的付边，如图(5)所示，

　　图中：

　　n：变压器变比；　　　
　　
　　Ec：电池电压E1和E2
　　
　　K：图2中的开关管K1和K2，输入正半周时K1工作，负半周K2工作；
　　
　　D：图2中的二极管D1和D2，输入正半周时D2工作，负半周D1工作；

　　Vi +nEc：逆变器输出功率时加在电感L前端的电压，电感电流在电压（Vi +nEc -Vo）的作用下增加；　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　Vi –nEc：逆变器吸收功率时加在电感L前端的电压，电感在电压（Vo-Vi+ nEc）的作用下续流；

　　电压反馈：输出电压Vo反馈给主逆变器，主逆变器调整与电池并连的电容的电压，然后反馈给Delta逆变器的控制电路；

　　PFC控制：Delta逆变器的控制电路，反馈信号包括输入电压、输出电压（经主逆变器转换）、主回路电流。


　　图5电路的工作过程如下：

　　1．开关K模拟Delta逆变器的开关动作，动作方式是SPWM，工作周期固定为 T,逆变器输出 功率时K 接通，通导时间为 ton,逆变器吸收功率时K 断开，断开时间为toff, 则：
　　　　　　　　　　　　　T= ton +　toff　　　　　　(1)

　　2．由于K 的工作周期（75µs）« 20ms（市电50HZ），所以可近似在直流状态下对图5电路进行分析。

　　3．由于K 的工作周期（75µs）« 由电感和电容组成的时间常数，所以可近似地认为电感的充放电流是线性的。定义iL为电感中的电流；ILO 为在开关K开始接通的瞬间的电感电流值，此值为电感能量释放减少后的最终值；IL1为在开关K开始断开的瞬间的电感电流值，此值为电感能量储藏增加后的最终值；
　
　　在以上定义和假设条件下，下面的公式是成立的。　
　　　
　　在K开始接通的一瞬间
　　　　　　　
　　　　　　　　iL(t) = ILO+(Vi +nEc -Vo) t/ L　　　　　　　 (2)
　　　
并且，当 t =　ton 时，电感电流为　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　
　　　　　　 iL(ton) =　 IL1　　　　　(3)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　
即　　　　　　　 IL1 = ILO+( Vi +nEc -Vo) ton/ L　　　　　　(4)
　　
　　此时，开关K 进入截止状态，电感中的电流是IL1，能量是LIL1 2 / 2,在开关的动作过程中，电感能量没有变化，电流必须连续，因此就感应电压, E = L di / dt,此电压的极性是迫使二极管D 导通，给电感电流一个新的通路 ，电感两端电压被（Vi –nEc）钳位，电感在端电压（Uo-Vi +nEc ）下释放能量，电感电流开始下降，此时的电感电流为：
　　　　
　　　　　　　　iL(t) = IL1 – （Uo-Vi +nEc） t / L　　　 (5)
　　
　　当 t = toff　时，开关K重新进入导通状态，此一时刻的电感电流为
　　　　
　　　　　　　　　　　　iL（ toff） =　ILO　　　　 (6)
　　　　
　　　　　　　　 ILO = IL1 – （Uo-Vi +nEc ） toff / L　　　(7)
　
　　将公式（7）代入把公式（4） 得
　　　　
　　　　　　　　　Uo = Vi + n Ec(ton – tof　f ) /T　　　　 (8)
　
　　令

　　　　　　　　　 DV= n Ec(ton – tof　f ) /T　　　　　(9)　　
　
　　则　

　　　　　　　　　　　　 Uo = Vi +DV　　　　　　　(10)
　
DV就是由串连逆变器形成的补偿电压。

　　从公式（9）和（10）我们可以得出这样的结论：　　

　　1.输出电压Uo等于输入电压Ui加上一个附加电压
　　　　　　DV = nEc (ton – tof f ) /　T　　　　　　 (11)
　　
　　2.DU 的幅值与电池电压 Ec和变压器匝比n的乘积成正比,n、Ec、T（恒频） 都是常数,而ton 和toff 的 相对变化在50HZ一个周期内是符合正弦函数规律的（SPWM），如果逆变器的开关比为 D，D= ton / T，则在50HZ的一个周期中DU的表达式可改写为
　　　　　　　　　
　　　　　　　　　DV = nEc（2 D-1）Sinωt　　　　　 (12)

　　DV也是正弦波电压，并且与输入电压同相位。与输入电压Ui叠加后，输出电压Uo也是正弦波。　　　　　　　　

　　3.DU 的幅值和极性与Delta逆变器开关比有关，(12)式中，D值的大小是由输入电压与输出电压的差值决定的，
　　　　　　
　　Vi= Vo 时，ton = toff ，D=0.5 ，DU =0　 零补偿
　　　　　　
　　Vi › Vo 时，ton ‹ toff ，D ‹0.5 ，DU ‹ 0　 负补偿
　　　　　　
　　Vi ‹ Vo 时，ton › toff ，D ›0.5 ，DU › 0　 正补偿　　　　　　　　　　　　

　　4.当输入电压Ui或者负载电流发生变化时，这些变化都在UPS的输出端反映出来，主逆变器把这种变化反馈调整为电池电压（实际上是与电池并连的电容电压）的变化，电池电压的变化再反馈控制并调整 Delta 逆 变器的通导比，就可以保证输出电压是一个稳定纯净的正弦波电压。
关于电流源的物理概念：
　　
　　输入电流iI(t)就等于电感中的电流，并且由公式（2）和（5）决定，
　　　　　
　　　　 iL(t) = ILO+(Vi +nEc -Vo) t/ L　　 (2)
　　　　　
　　　　 iL(t) = IL1 – （Uo-Vi +nEc） t / L　　　(5)
　　
公式（2）和（5）中的IL1 和ILO由公式（4）和（7）决定，
　　　　　
　　　　 IL1 = ILO+( Vi +nEc -Vo) ton/ L　　　 (4)
　　　　　
　　　　 ILO = IL1 – （Uo-Vi +nEc ） toff / L　　 (7)　　　　　　　
　
　　可见，由公式(2)、(5) 、(4)、(7)决定的输入电流iI(t)（= iL(t)）与下列参数有关： Ui、Uo、nEc、ton、 toff、L 等有关。在这些参数中：
　
　　（1），DP300E UPS 的主逆变器是一个正弦波电压源，在稳态情况下，由它决定的输出电压Uo在正弦波的每个时刻都是固定不变的；
　
　　（2）， Delta逆变器的工作周期T(=ton + tof　f)是固定不变的， ton 和toff 的相对变化只与电池电压Ec（也即输出电压Uo）有关，在稳态情况下也是固定不变的；
　
　　（3），L和n是固定不变的电路参数。
　
　　所以，在稳态情况下，输入电流iI(t)的变化规律只与输入电压有关，在输入电压Ui波形按正弦规律变化时，输入电流iI(t)也发生相应的变化，使其成为与输入电压U完全相同的正弦波。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

图(5)所示电路的特点与功能是：
　
　　1.采用降压开关电路（Buck）；
　
　　2.输入功率因数补偿效果理想的，可达到0.99；
　
　　3.可稳定直流电压Ec，通过主逆变器的调整，实际上是补偿输入与输出之间的电压差，达到稳定输出交流电压的目的；　　　　　　　　　
　
　　4.因为功率因数补偿环节以补偿的形式串在主电路中，它的功率强度只有UPS输出功率的20%（假定输入电压变化范围是±15%），所以它可以很轻意地实现大功率的功率因数补偿。


参考文献

1．Akagi H, Nabae A. The p-q theory in three-phase systems under nonsinusodal conditions. European Trans. Electrical Power Engineering, 1993, 3 (1).

2．卓效等，30KVA并联型有源电力滤波器装置研制，电工技术杂志。2000（4）

3．王兆安等，谐波抑制和无功功率补偿。北京机械工业出版社，1998年9月