用戶電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償器與在線UPS工作原理

4 三相電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償器與在線UPS

用戶電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償器與在線補(bǔ)償式UPS電路如圖10所示，它是由與電路串聯(lián)的市電穩(wěn)壓濾波器，和與電路并聯(lián)的電流無(wú)功補(bǔ)償濾波器組成的。當(dāng)直流電路并入蓄電池，變壓器T_r的變比k=1：1時(shí)就是補(bǔ)償式在線UPS；而不并入蓄電池，k=0.25：1時(shí)就是電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償器。

圖10 用戶電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償器與在線UPS電路框圖

當(dāng)作為在線UPS應(yīng)用時(shí)，如果市電存在，則電路運(yùn)行在電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償器狀態(tài)；當(dāng)市電斷電時(shí)，電路工作在UPS狀態(tài)。市電穩(wěn)壓濾波器（圖10中逆變器Ⅰ）由給定正弦基準(zhǔn)電壓驅(qū)動(dòng)提供有功功率，電流無(wú)功補(bǔ)償濾波器（圖10中逆變器Ⅱ）提供無(wú)功功率，保證供電不間斷，轉(zhuǎn)換時(shí)間等于零。蓄電池由逆變器Ⅰ和Ⅱ共同充電。

當(dāng)作為電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償器應(yīng)用時(shí)，市電穩(wěn)壓濾波器可以穩(wěn)定、凈化市電輸入電壓，電流無(wú)功補(bǔ)償濾波器可以補(bǔ)償無(wú)功電流和凈化電流中的諧波，使供電質(zhì)量大大提高，用戶負(fù)載不受已遭污染的市電電網(wǎng)的影響；用戶自己的非線性負(fù)載引起的電流畸變也不污染市電電網(wǎng)。所以市電穩(wěn)壓濾波器可以等效成一個(gè)正弦電流源，電流無(wú)功補(bǔ)償濾波器可以等效成一個(gè)正弦電壓源。工作于電流源的雙向逆變器Ⅰ，和工作于電壓源的雙向逆變器Ⅱ，可以互為電源，互為對(duì)方傳輸電能協(xié)調(diào)工作。例如對(duì)于市電穩(wěn)壓濾波器的逆變器Ⅰ，當(dāng)市電電壓高于給定電壓時(shí)，逆變器Ⅰ吸收功率，對(duì)電壓進(jìn)行負(fù)補(bǔ)償，其吸收的功率通過(guò)逆變器Ⅱ以電流形式轉(zhuǎn)送到負(fù)載；當(dāng)市電電壓低于給定電壓時(shí)，逆變器Ⅰ輸出功率，對(duì)電壓進(jìn)行正補(bǔ)償，其輸出的功率通過(guò)逆變器Ⅱ以電流形式從市電電網(wǎng)輸入。逆變器Ⅱ?qū)ω?fù)載電流的無(wú)功與諧波電流的補(bǔ)償，所需的能量也是由逆變器Ⅰ供給和輸出的。

4.1 主電路逆變器的選型

主電路逆變器Ⅰ和Ⅱ的選型，與三相電路型式和用戶要求有關(guān)。對(duì)于三相三線制系統(tǒng)可以選用三相半橋式逆變器；對(duì)于要求輸出相電壓的三相四線制系統(tǒng)，則必須選用三個(gè)單相全橋逆變器，或選用三相四橋臂逆變器。其原因有兩個(gè)：一是可以輸出相電壓，可以向不對(duì)稱負(fù)載供電；二是當(dāng)一相出現(xiàn)故障時(shí)，另外兩相還可以供電，提高了供電的可靠性。

如果需要將三相三線制市電改成三相四線制供電時(shí)，可以用中性點(diǎn)形成變壓器形成中性點(diǎn)。中性點(diǎn)變壓器是變比為1：1的自耦變壓器。

4.2 電能質(zhì)量的檢測(cè)與控制電路

電能質(zhì)量檢測(cè)法有多種，例如基于Fryze時(shí)域分析的有功電流分離法；基于頻域分析的FFT檢測(cè)法；基于自適應(yīng)干擾抵消原理的閉環(huán)檢測(cè)法等。我們選擇了具有較好實(shí)時(shí)性，在三相系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用的基于廣意瞬時(shí)無(wú)功理論檢測(cè)法。此法是1983年由日本學(xué)者赤木泰文先生提出的。當(dāng)已知三相瞬時(shí)值電壓或電流時(shí)，用下面給出的方程式將其在靜止坐標(biāo)中的向量變換到以基頻速度ω旋轉(zhuǎn)的dqo坐標(biāo)上：

i_dqo==·=

變換后的信號(hào)與原信號(hào)減少一個(gè)基波頻率即50Hz。所以dqo變換是一種差頻變換，輸入信號(hào)中的基頻、5次、7次等諧波，變換到dqo坐標(biāo)上時(shí)，為直流、4次、6次等諧波。因此，上式中d軸電流直流分量對(duì)應(yīng)于負(fù)載基波有功功率，q軸電流直流分量對(duì)應(yīng)于負(fù)載基波相位移無(wú)功功率，d軸交流分量和q軸交流分量對(duì)應(yīng)于負(fù)載高次諧波無(wú)功功率，o軸分量i_o對(duì)應(yīng)于基波不對(duì)稱無(wú)功功率。

上述方法可以分離出有功分量、無(wú)功分量，諧波和三相電壓或電流的不對(duì)稱度。由于此法可以把三相基波電壓或電流變換成直流值表示，所以消除了頻變和相位不一致造成的影響，因此三相基準(zhǔn)參考信號(hào)可以不必再與市電同步鎖相了，可以利用變換成的直流信號(hào)進(jìn)行比較，避免了同步鎖相過(guò)程的干擾。

4.2.1 市電穩(wěn)壓濾波器的檢測(cè)控制電路

為了檢測(cè)出市電電壓基波的大小變化，諧波和不對(duì)稱度，采用了如圖11所示的檢測(cè)電路。三相正弦基準(zhǔn)參考電壓u_ar、u_br、u_cr，通過(guò)dqo變換及低通濾波器，得到dqo坐標(biāo)的直流基準(zhǔn)參考值和u_or。市電電壓u_a、u_b、u_c經(jīng)dqo變換，得到，和uo；將這些值與、u_or進(jìn)行比較，將得到的誤差值u_df、u_qf、u_of進(jìn)行dqo反變換即可得到反應(yīng)市電基波變化，諧波和不對(duì)稱度的誤差值Δu_a＋u_ah，Δu_b＋u_bh，Δu_c＋u_ch。用這些誤差值作為SPWM逆變器的調(diào)制波，通過(guò)圖3（a）所示的電路，即可得到市電穩(wěn)壓濾波器（逆變器Ⅰ）的開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

檢測(cè)電路中的低通濾波器電路如圖11（b）所示，其傳遞函數(shù)為

H(s)=

這是一種三階切比雪夫低通模擬式濾波器，按照?qǐng)D中給出的參數(shù)，截止頻率為22Hz。

（a）檢測(cè)電路

(b)低通濾波器電路

圖11市電電壓檢測(cè)電路

4.2.2 電流無(wú)功補(bǔ)償濾波器的檢測(cè)控制電路

檢測(cè)電路如圖12所示。將輸入電流i_a、i_b、i_c進(jìn)行dqo變換及低通濾波器得到反應(yīng)基波電流的，切除經(jīng)dqo反變換即可得到只含有功成分的正弦波電流i_ap、i_bp、i_cp。用此電流與負(fù)載電流i_aL、i_bL、i_cL進(jìn)行比較，就可以得到僅包含無(wú)功與諧波的補(bǔ)償電流參考值。然后用圖9所示的Delta控制電路，就可以得到電流無(wú)功補(bǔ)償濾波器（逆變器Ⅱ）的開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖12電流無(wú)功補(bǔ)償濾波器的檢測(cè)電路

4.3 電能補(bǔ)償器與在線UPS給用戶帶來(lái)的好處

電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償器與在線UPS，可以給用戶帶來(lái)如下好處：

1）可以使輸入電能的質(zhì)量大大提高，使輸入電壓精度由原來(lái)的(±10～±20）％提高到±1％，波形畸變率減小到3％以內(nèi)，輸入功率因數(shù)提高到96％。

2）逆變器Ⅰ和Ⅱ只承擔(dān)標(biāo)稱功率的20％，工作效率可以高達(dá)96％，過(guò)載能力強(qiáng)。

3）可以大大減小負(fù)載設(shè)備的故障率，延長(zhǎng)了負(fù)載壽命，提高了負(fù)載的可靠性。

4）切斷了市電與負(fù)載之間諧波影響，已遭污染的市電不影響負(fù)載的工作，非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波也不污染市電。

5）在線UPS運(yùn)行時(shí)，市電故障的切換時(shí)間為零，多臺(tái)UPS可以并聯(lián)運(yùn)行，擴(kuò)容方便。

6）是一種綠色電源，可滿足任何負(fù)載要求。

7）輸出能力強(qiáng)，過(guò)載能力可達(dá)200％1min，負(fù)載電流峰值系數(shù)為5：1，對(duì)負(fù)載電流浪涌系數(shù)沒(méi)有限制，可直接起動(dòng)負(fù)載，輸出kW值等于標(biāo)稱kVA值，克服了UPS自身不可克服的缺點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的用戶電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償器與補(bǔ)償式在線UPS，在美國(guó)和日本已經(jīng)商品化，如美國(guó)電力轉(zhuǎn)換公司APC已將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到在線UPS中，生產(chǎn)出了Silcon DP300E系列在線式大功率UPS，與傳統(tǒng)在線UPS相比使多項(xiàng)指標(biāo)得到了改善和突破。目前我國(guó)尚未開發(fā)，但已受到重視，有的高校和科研部門正在著手研制。預(yù)計(jì)不久將會(huì)在我國(guó)得到普遍的推廣和應(yīng)用。