具有APF及UPS功能的交流稳压电源——并联调整UPS

刘凤君

(中国航天科工集团公司206所，北京    100854）

1    引言

    随着Delta逆变技术及其相应控制技术的发展，逆变器作为控制器应用的发展方向，越来越得到人们的认可和重视。下面介绍一种Delta逆变器在并联式交流稳压电源中应用的实例，即具有电力有源滤波器（APF）及不停电电源（UPS）功能的交流稳压电源。这种交流稳压电源具有如下功能：

    1）可以对市电输入的三相电压的波动，谐波和不对称度进行补偿；

    2）可以对负载的无功功率与谐波电流进行补偿（APF功能）；

    3）可以将市电输入的三相三线制电源，变换成三相四线制电源向负载供电，以满足应用相电压的单相负载和不对称负载的需要；

    4）具有不停电电源的作用（UPS功能）。

2    电路组成与各部功能

    具有APF及UPS功能的交流稳压电源的原理电路如图1所示。电路各部分的组成及其作用如下。

(a)    原理电路图

(b)    市电与逆变器并联供电等效电路

图1    具有APF及UPS功能的交流稳压电源的原理电路

    1）三相半桥式Delta逆变器是一种用IGBT作开关的，直流侧带中性点抽头的三相半桥式PWM逆变器。此逆变器可以双向四象限工作，并通过滤波电感L_F2，在主电路的输出端与负载并联，采用的是SPWM控制方式，容量等于交流稳压电源的标称容量。它的主要作用是：

    （1）对市电输入的三相电压的波动，谐波和不对称度进行补偿；

    （2）将市电输入的三相三线制电源，变换成三相四线制电源向负载供电；

    （3）当市电掉电时向负载提供100％功率；

    （4）当市电电压高于给定值，对电压进行负补偿时向蓄电池充电。

    2）三相基准正弦电压是一种与市电同步的“交流标准电压发生器”，其简化电路如图2所示。其中图2（a）为单相电路，图2（b）为图2（a）中的功率级，图2（c）为三相电路框图。容量约为15W，电压精度优于0.02％，波形失真度小于0.5％，主要作用是作为Delta逆变器控制电路中的标准电压信号，即电压幅值和波形的标准。

(a)    单相电路

(b)图(a)中的功放级                        (c)三相电路框图

图2    三相交流标准电压发生器电路

3）SPWM控制电路Delta逆变器采用的是

SPWM控制方式，但它与一般的SPWM控制方式是不同的，它不是直接将调制波指令信号与三角波进行比较，而是将指令信号与得到的补偿电压uao，ubo，uco进行比较，将它们的差值经过放大器A放大后再与三角波进行比较，其控制电路框图和控制波形如图3（a）及图3（b）所示。放大器可以采用比例放大器或比例积分放大器。这种控制方式是基于将指令信号和补偿电压的差值控制到最小为目的，优点是谐波含量小，所含谐波与三角波同频，滤波容易。

(a)控制框图(b)波形图

图3SPWM控制电路框图及其波形

    4）低通滤波器L_F1，C_F组成市电输入低通滤波器，以滤除市电电压中的高次谐波，脉冲和闪变；L_F2，C_F组成Delta逆变器的输出滤波器，以滤除逆变器输出电压中的高次谐波。同时L_F1和L_F2也是市电与Dleta逆变器并联供电的平衡电抗器，L_F2还兼任Delta逆变器在开关整流状态时的Boost储能电感。电容C_F还兼任负载的无功与谐波电流的补偿源应用。

    5）交流静态开关是由两个反并联晶闸管组成，在市电正常时是导通的，当市电掉电时自动关断，以防止Delta逆变器的电流向市电倒灌。

3    对市电电压波动与谐波及不对称度的补偿

    以A相为例，当市电电压波动并含有谐波时，u_a为

    u_a=u_a1＋u_ah=U_a1msinωt＋U^ahmsinnωt

式中：u_a1=U_a1msinωt为基波电压；

      u_ah=U_ahmsinnωt为谐波电压。

    A相基准正弦电压u_ar=U_armsinωt是一个与市电同步的标准正弦波电压，稳定精度优于0.02％，波形失真度小于0.5％。

    当市电电压波动并含有谐波时，用市电电压u_a与u_ar进行波形瞬时值比较，即可检测出市电电压的波动值和谐波分量。用负载上的电压u_aL减去基准正弦电压u_ar即可得到市电加到负载上电压的波动值和谐波分量。然后再用基准正弦电压u_ar减去这个波动值和谐波分量，即可得到Delta逆变器SPWM控制的调制波指信信号

    u_ar－(u_aL－u_ar)=2u_ar－u_aL=2U_armsinωt－U_a1msinωt－U_ahmsinnωt

    令调制波指信信号

    =K〔u_ar－(u_aL－u_ar)〕

    则

    =2KU_armsinωt－KU_a1msinωt－KU_ahmsinnωt

式中：K为信号检测变压器的降压变比。

    假定三角波的频率为f_c，幅值为U_c，市电频率为50Hz，则载波比N=f_c/50，调制比M的值为

    M===M₁＋M₂    （1）

    M₁=    （2）

    M₂=    （3）

    假定逆变器的直流电源电压为U_d，可以得到逆变器的输出电压u_ao的傅里叶级数表示式为

    u_ao=M₁U_dsinωt＋·cosmπ·sin〔(mN＋n)ωt〕＋M₂U_dsinnωt＋cosm′π·sin〔(m′N′＋n′)nωt〕

    由低通滤波器L_F2，C_F滤除u_ao中的高次谐波后，得到基波与原市电中的谐波电压u_ao1为

    u_ao1=M₁U_dsinωt＋M₂U_dsinnωt    （4）

    将式（2）和式（3）的M1和M2的值代入式（4）得

    u_ao1=kU_dsinωt＋－KU_dsinnωt

    令K=U_c/U_d代入上式得

    u_ao1=2U_armsinωt－U_a1msinωt－U_ahmsinnωt    （5）

    由于市电电压u_a与Delta逆变器的输出电压u_ao1，通过它们各自的滤波电感（并联供电的平衡电感）L_F1和L_F2，在电路的A点处并联后再向负载供电，如图1（b）所示。故根据电工学中的节点电压法可知

    u_aL=

    u_aL=/

    如果取L_F1=L_F2，则负载电压u_aL为

    u_aL==    （6）

    将u_a=U_a1msinωt＋U_ahmsinnωt

    u_ao1=2U_armsinωt－U_a1msinωt－U_ahmsinnωt

    代入式（6）得

    u_aL=(u_a＋u_ao1)

    =(U_a1msinωt＋U_ahmsinnωt＋2U_armsinωt－U_a1msinωt－U_ahmsinnωt)=U_armsinωt=u_ar

    此式表明，按照图1(a)中Delta逆变器的稳压控制方法，即使市电电压中含有谐波，也可以使市电加到负载上的电压u_aL，成为等于基准正弦电压u_ar的稳定纯净的正弦波电压，输出电压稳定精度优于±1％，波形失真度小于3％。

    由于Delta逆变器对市电加到负载上的电压u_aL，u_bL，u_cL的稳压调节，是在三个相中分别进行控制的，只要能保证每一相的负载电压u_aL=u_ar，u_bL=u_br，u_cL=u_cr时，则三相市电电压的不对称度也就得到了补偿。

4    对市电电压波动补偿时Delta逆变器的工作情况

    当Delta逆变器对市电电压波动进行补偿时，有u_a>u_ar，u_a=u_ar，和u_a<u_ar三种情况。

    1）u_a>u_ar由于u_a的升高，而使图1（a）电路中A点处的负载电压u_aL上升，Delta逆变器的控制电路为保持u_aL=u_ar不变，对逆变器的输出电压进行调节，使其输出电压u_ao1下降以补偿u_a的上升引起的u_aL上升。当u_ao1下降到u_aL>u_ao1时，迫使Delta逆变器由逆变转入到整流工作状态（Boost开关整流状态），市电通过Delta逆变器向蓄电池充电，Ud上升，使逆变器的输出电压u_ao1=M₁U_dsinωt也上升。当u_ao1上升到u_ao1=u_ar(1＋1％)时，控制电路停止调节，并保持在u_ao1=u_aL=u_ar(1＋1％)，市电通过逆变器对蓄电池的充电停止。

    2）u_a=u_arDelta逆变器的控制电路不进行调节，并维持在u_ao1=u_aL=u_ar不变。

    3）u_a<u_ar由于u_a的降低，而使图1（a）电路中A点处的负载电压u_aL下降，Delta逆变器的控制电路为保持u_aL=u_ar不变，对逆变器的输出电压进行调节，使其输出电压u_ao1上升以补偿u_a的下降引起的u_aL下降。当u_ao1上升到u_aL<u_ao1时，迫使Delta逆变器由整流转入到逆变工作状态。蓄电池通过Delta逆变器向负载放电，U_d下降，使逆变器的输出电压u_ao1=M₁U_dsinωt也下降。当u_ao1下降到u_ao1=u_ar(1－1％)时，控制电路停止调节，并保持在u_ao1=u_aL=u_ar(1－1％)，蓄电池的放电停止。

5    市电掉电时Delta逆变器向负载提供100％的功率

    以A相为例，当市电掉电时，交流静态开关自动关断，此时，市电输入电压u_a=0，滤波电感L_F1的阻抗ωL_F1=∞，由式（6）可知=0，=0，所以    u_aL=/=u_ao1。

    由于u_a=0，u_a中的谐波电压

    U_ahmsinmωt=0

所以    u_ao1=2U_armsinωt－U_a1msinωtu_aL=u_ao1=2U_armsinωt－U_a1msinωt此时，在图1(a)电路的A点处负载上的电压u_aL=U_a1msinωt时，

    u_aL=2U_armsinωt－u_aL

    2u_aL=2U_armsinωt=2u_ar

    u_aL=u_ar

    此式表明，当市电掉电时，交流静态开关自动关断，负载上的全部功率将由Delta逆变器供给，并保持负载上的电压uaL=uar。从市电供电转换到由Delta逆变器供电的时间等于零，是属在线UPS。

6    将市电三相三线制电源变换成三相四线制电源

    市电三相三线制电源，在向对称负载供电时是一个三相对称系统。u_a＋u_b＋u_c=0，所以，u_o′o=0，即0′点与0点同电位，如图1（a）所示。因此，各相的计算具有独立性，三相电路的计算可以归结为一相来计算。但是，三相三线制市电电源不能向不对称负载供电。

    Delta逆变器是一个三相四线制电源，它的三相输出通过L_F2在图1(a)电路的A点处与市电并联，它的直流侧中性点0与负载的中性点相连，构成了三相四线制逆变电源，与三相三线制市电电源并联的供电系统。由于L_F2，C_d1=C_d2的阻抗都很小，且L_F2的阻抗大于C_d1=C_d2的阻抗（因为蓄电池内阻很小），所以从电路结构形式上来看，Delta逆变器相当于一个中性点形成变压器（Neutral Formed Transformer－NFT），将市电的三相三线制电源，变成了一个三相四线制供电电源。因此，可以使三相三线制的市电电源，通过Delta逆变器的中性点形成变压器的作用也可以带不对称负载。

    Delta逆变器与市电构成的电路是一个比较特殊的电路，这个电路可以带不对称负载，并将不对称负载变换成市电的对称负载的物理过程可以这样理解：Delta逆变器是可以双向四象限工作的，在电路中Delta逆变器既是市电电源的三相对称整流负载，也是负载的三相四线制交流电源。市电的三相对称电流通过Delta逆变器器的Boost开关整流器工作方式向蓄电池充电，同时，蓄电池又通过Delta逆变器以SPWM方式逆变成交流向负载供电，以达到蓄电池充电和放电功率的平衡，蓄电池电压U_d保持恒定不变。所以，从功能上来看，Delta逆变器具有有源中性点形成变压器（APNFT）的作用。由于这个作用，将Delta逆变器的三相四线制负载，变换成了市电的三相三线制负载，亦即将Delta逆变器的不对称负载变换成了市电电源的对称负载。

    图4为单相100％不对称负载时的试验电路，其中图4（a）为等效试验电路，图4（b）为Delta逆变器的中性点形成变压器功能的等效电路。假定交流稳压电源的标称功率为100kV·A，电压为380/220V，A相负载电阻R_A=0.448Ω，B相和C相空载时，则A相负载电流有效值I_aL=450A，B相和C相负载电流有效值I_bL=I_cL=0，市电的输入电流有效值I_a=I_b=I_c=150A，为三相对称电流。这是由于Delta逆变器具有APNFT作用的结果。

(a)    等效试验电路

(b)    Delta逆变器的NFT功能等效电路

图4    单相100％不对称负载的试验电路

7    对负载无功与谐波电流的补偿

    负载所需的无功与谐波电流，主要由滤波电容C_F（也是无功与谐波电流补偿电容）来供给，Delta逆变器也供给一部分。由于低通滤波器L_F1，C_F的作用，使市电输入到负载的无功与谐波电流大大减少，特别是谐波电流减少得比较明显。例如负载的零序电流，由于市电电源是三相三线制电源，零序电流无通路，故不会由市电输入，而只能由Delta逆变器来提供。

    由于电容C_F和Delta逆变器对负载无功与谐波电流的补偿作用（即APF功能），使市电输入的无功与谐波电流大大减少，也使市电的输入功率因数大大提高。

8    试验波形

    为了证明交流稳压电源对市电电压波动的补偿性能，APF性能和UPS性能，而给出了4种波形如图5—图8所示。图5表明，当市电输入电压变化30％时，输出电压维持恒定，说明Delta逆变器对市电电压的波动进行了有效的补偿。图6表明，当负载为不对称非线性负载时，市电输入的三相电流是对称的，说明Delta逆变器具有中性点形成变压器的作用，而且市电输入的三相电流都非常接近正弦，说明电路具有APF功能。图7表明，在突加突减负载时，输出电压维持恒定，说明Delta逆变器对负载引起的电压变化也有补偿作用。图8表明，在市电电压中断时，输出电压维持不变，说明电路具有UPS功能。

图5    市电输入电压变化30％时，输出电压维持恒定

图6    在不对称非线性负载时，市电输入的三相电流是对称的

图7    在突加突减负载时，输出电压维持恒定

图8    在市电电压中断时，输出电压维持不变

9    结语

    具有APF和UPS功能的交流稳压电源，实际上就是一种“并联调整UPS”（parallel processing UPS），它具有对市电压波动，谐波和不对称度进行补偿的功能及APF功能。它可以使输出电压稳定在±1％的精度，并使电压的波形畸变率小于3％，可以对市电输入电流的无功与谐波分量进行补偿，使市电输入功率因数大大提高。

    并联调整UPS与一般UPS相比，有如下优点：

    1）可以同时满足市电输入功率因数提高，输出电压为稳定纯净正弦电压的要求；

    2）由于工作在补偿状态，在市电正常时UPS的容量小于负载容量，因此，过载能力强、效率高；

    3）能够减小市电与负载之间的谐波互相干扰；

    4）扩容并机容易（因为都与市电同步工作）；

    5）电路简单，成本低。

    并联调整UPS的性能较好，值得推广。