大功率無變壓器UPS的新理論

　　l 引言

　　在UPS電源里，成本最高、最重的元件之一是輸出變壓器。由于用來束縛頻率的變壓器磁心材料的成本和重量減小的可能性很小，在過去20年電力電子的巨大進(jìn)步中，在改變電路原理后，已經(jīng)可以做到不需要輸出變壓器。用電力電子元件替代變壓器，可以使UPS電源的制造變得更經(jīng)濟(jì)，未來的成本還會(huì)得到進(jìn)一步優(yōu)化。

　　幾年以前，這一技術(shù)已經(jīng)在較小功率、特別是在單相、lOKVA以下的UPS電源領(lǐng)域應(yīng)用，在200kVA以下的中功率領(lǐng)域也得到了開發(fā)。而大功率領(lǐng)域的開發(fā)則剛剛起步。

　　這一新原理包含在稱之為真在線UPS原理之中。利用這一原理，UPS電源可以依據(jù)EN62040標(biāo)準(zhǔn)的第三部分予以設(shè)計(jì)，并依據(jù)最大輸出功率指標(biāo)這一工作特性進(jìn)行分類，屬于VFl-SS-111類。對于中功率和大功率電源，本文的討論焦點(diǎn)集中于三相，并不關(guān)心UPS的其他技術(shù)。

　　2 變壓器的作用

　　在圖l所示的無變壓器電路原理中，過去由變壓器所完成的各項(xiàng)功能現(xiàn)在必須由電路的其他元件和(或)適當(dāng)?shù)目刂茩C(jī)制來完成。

　　變壓器的最重要功能之一是使逆變器的輸出電壓適應(yīng)設(shè)備的輸出電壓。傳統(tǒng)的UPS原理配備了一個(gè)可控的或不可控的整流器，這就產(chǎn)生了直流回路電壓，該電壓總是小于上游平均電壓的峰值，并在欠電壓工作期間產(chǎn)生DC回路電壓的最低值。如果電池照常與直流回路直接連接，那么，在充電電壓和放電終了電壓之間變化的電池電壓將成為附加電壓，已經(jīng)計(jì)算出在一個(gè)400V的UPS電源里的這一電壓大約是300V。如果一個(gè)三相逆變器在這樣的直流回路電壓下工作，那它形成的三相交流電源的線電壓約為200V，將這一電壓調(diào)整到下游400V電壓的工作由輸出變壓器完成。

　　400V電壓是絕大多數(shù)具有負(fù)載中線的四線制的電壓，而一個(gè)三相三滯環(huán)逆變器產(chǎn)生的是無中線的三相電。通過輸出變壓器的DY或DZ矢量組的設(shè)計(jì)使生成由三滯環(huán)逆變器饋電的四線制成為可能。見圖2。

　　由傳統(tǒng)SCR和二極管整流器產(chǎn)生的DC回路電壓還相對于一個(gè)恒定的DC回路電壓(從正到負(fù))進(jìn)行振蕩，該振蕩與上游以每秒l50周的頻率進(jìn)行饋電的系統(tǒng)中線有關(guān)，這時(shí)，由逆變器產(chǎn)生的三相系統(tǒng)以及它的假想振蕩中心不僅與上游中線有關(guān)，還與下游輸出中線有關(guān)，因?yàn)檩敵鲋芯€通常是直接接地，或者是經(jīng)由旁路接地，這一必要的振蕩可能只是輸出變壓器電絕緣的作用。

　　UPS的輸出電壓由逆變器產(chǎn)生，這是輸出電壓的基礎(chǔ)，還要用脈寬調(diào)制的方法，用幾kHz的脈沖頻率將它調(diào)制成方波信號(hào)。為了抑制脈沖頻率并讓波形規(guī)整，用電感和電容設(shè)計(jì)一個(gè)能夠有效過濾二次諧波的過濾器是必不可少的。因?yàn)殡姼型ǔＳ米儔浩鞯穆╇姼?，所以變壓器就成了輸出濾波器的單元之一。

　　由于輸出變壓器對三相的不平衡和直流組分極其敏感，因此必須給逆變器配以合適的電磁電流控制器，以避免電流中的直流組分。然而由于輸出變壓器的存在，自然就要對接在輸出端的負(fù)載進(jìn)行保護(hù)，以免受變壓器的作用，因?yàn)樽儔浩骺偸且ㄟ^飽和作用對逆變器的三相系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

　　3 變壓器功能的實(shí)現(xiàn)

　　為了實(shí)現(xiàn)沒有變壓器的UPS，變壓器的功能必須用電子元件和特別適合的控制原理來替代。見圖4。

　　為了產(chǎn)生每秒50周的名義上的400V輸出電壓，電路類型和逆變器控制是實(shí)質(zhì)問題。為了產(chǎn)生三相四線制輸出的中線，輸出濾波器的設(shè)汁，特別是對于非線性負(fù)載下的理想的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)，都必須在700V至800V的直流電壓區(qū)間進(jìn)行計(jì)算。這一電壓必須是在所有的工作模式下都有效(一般工作、電池工作，還有在電池的最后放電電壓下工作）。

　　無變壓器UPS的一個(gè)特殊挑戰(zhàn)是三相四線輸出的可承載中線的產(chǎn)生。對于這一功能，無變壓器UPS的逆變器與使用變壓器、或者是驅(qū)動(dòng)應(yīng)用情況下使用變頻器的UPS的逆變器具有相當(dāng)大的區(qū)別。如今，對于這樣的逆變器通常有2種電路解決方案。

　　一種解決方案是將逆變器的直流回路用2個(gè)開關(guān)串聯(lián)做成。DC回路電容的中心與輸出中線相連(見圖5)，從而DC的電勢被固定并與三相系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。結(jié)果是DC回路電壓必然處于下列范圍：

　　這種中線產(chǎn)生方法是很經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)镈C回路總是存在著2個(gè)串聯(lián)的開關(guān)電容。不利的是，由于直流回路間電位的高低不同而產(chǎn)生的三次諧波部分比較大，增加了電容負(fù)載，因此在設(shè)計(jì)DC回路電容時(shí)，必須以和單相負(fù)載一樣的方法對待。

　　可供選擇的另一個(gè)簡單的解決方案是用第四個(gè)逆變滯環(huán)產(chǎn)生中線(見圖6）。這種情況下的DC回路的直流電壓比較小。

　　這一電路的價(jià)格相對比較貴，這是因?yàn)榈谒膫€(gè)逆變滯環(huán)必須設(shè)計(jì)成一個(gè)可用于非線性負(fù)載的電源，中線電流中的三次諧波不是加在零上，而是加到額定相電流的倍上面，作為中線的逆變滯環(huán)的設(shè)計(jì)必須比三相滯環(huán)的設(shè)計(jì)嚴(yán)格很多。

　　這里還解釋了在DC回路中使用較小電壓將被受到限制的可能性。通過控制與DC回路的假想中心相關(guān)的逆變器第四滯環(huán)來改變?nèi)嘞到y(tǒng)的中心(中線)，在輸出端中線接地的情況下(主要形式：TN或TT)，將導(dǎo)致DC回路電壓相對于地的位移，反之亦然。對于一般工作模式的整流器必須能夠做到讓DC回路電勢的位移成為可能。值得注意的是，輸入和輸出網(wǎng)點(diǎn)可能變得相互太不對稱，因此，這種形式的DC回路位移是臨界的。在變壓器UPS中，這一電勢的位移是通過輸出變壓器的直流隔離來實(shí)現(xiàn)的。見圖7。

　　作為輸出濾波器一部分的變壓器漏電感是比較容易用相同電感量的扼流圈來替代的。然而必須使用單相扼流圈，因?yàn)楸仨氉孶PS能夠向不對稱負(fù)載饋電。

　　在無變壓器UPS中，要特別注意三相對稱情況及輸出電壓的直流組分的隨意性。因?yàn)檫@對于設(shè)備本身的工作并不是直接必要，但必須假定相連的負(fù)載對這些十分敏感，有可能沒有任何先兆地隨時(shí)發(fā)生。利用現(xiàn)代的程序控制和高精度的信息電子學(xué)控制，可以做到?jīng)]有任何問題。

　　4 決定無變壓器原理的其他元件

　　逆變器的DC回路電壓的增加還需要改變與DC回路相連的其他一些電路元件。

　　4.1 電池連接

　　在傳統(tǒng)的變壓器和SCR整流器UPS中，電池通常直接與DC回路連接，根據(jù)DC回路的電壓決定電池的充電。當(dāng)從普通工作狀態(tài)向電池工作狀態(tài)變化時(shí)，在供電線路上不應(yīng)該有任何變化。

　　DC回路電壓的增加可以用增加電池的數(shù)量來調(diào)整。尤其在高功率情況下，通常存在的是并聯(lián)電池組，從并聯(lián)向串聯(lián)的變化常常會(huì)有一些損耗，如保護(hù)元件和電纜必須改變以適合新的電壓要求，如果正電池組和負(fù)電池組需要分開，還得增加安裝成本。

　　由于這一原因，采用比較合適的電池?cái)?shù)量是很有意義的，然而，這已經(jīng)是過去的事情。在這種情況下，需要使用DC-DC變換器來調(diào)整電池和逆變器DC回路之間的電壓。這個(gè)DC變換器必須能夠執(zhí)行2個(gè)區(qū)的工作，允許電池充電和放電。

　　4.2 整流器

　　在UPS正常工作期間，DC回路的供電*整流器產(chǎn)生，因此，整流器必須能為逆變器提供較高的DC直流電壓，整流功能和電壓調(diào)整功能可以分別執(zhí)行，也可以同時(shí)執(zhí)行。

　　在小功率無變壓器UPS原理中，這些功能通常是分別執(zhí)行的。一個(gè)簡單的不可控整流器產(chǎn)生DC電壓，再通過升壓變換器給逆變器提供DC回路電壓。這種形式的整流器的優(yōu)點(diǎn)是在整個(gè)工作區(qū)都具有高的功率因素，然而同時(shí)伴隨的是高達(dá)30%的輸入電流的失真因子。

　　用于中功率UPS的另一個(gè)概念是使用IGBT脈沖整流器(又稱為主動(dòng)調(diào)諧器)，它也具有一致的功率因素，同時(shí)它的輸入電流失真因子低于3%。

　　用于電池連接的新原理是上面所述的不同整流器的功能與DC變換器功能的良好結(jié)合，將IGBT整流器(功率因素一致、輸入電流失真小于3%)的優(yōu)良特性與過去通常使用的電池?cái)?shù)量調(diào)整法同時(shí)結(jié)合使用。

　　這樣，無變壓器逆變器所必須的整流器和較高電壓的DC回路的成本就可以限制在節(jié)省了變壓器的限度內(nèi)。

　　5 高功率UPS電源的其他重要特性

　　如今，高功率UPS已經(jīng)被認(rèn)為是一個(gè)裝置的重要的、不可忽視的組成部分，根據(jù)這個(gè)事實(shí)，有必要對高功率UPS特別提出其他一些重要特性。

　　例如，前些年，對l6A以下UPS的輸入電流的諧波分量的限制值已經(jīng)作出了規(guī)定(標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-3-2)，而直至現(xiàn)在用于16A以上電流的標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-3-4也沒有對中、高功率的UPS及其系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

　　然而，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化輸入電流的定義并不是最重要的，更重要的是業(yè)已存在的對于網(wǎng)格中任意一點(diǎn)的電壓畸變的定義(EN50160)。并有必要依據(jù)定義確定一個(gè)短路功率或是一個(gè)對消費(fèi)者有利的網(wǎng)絡(luò)(正弦)輸入電流。見圖8。

　　高功率電源經(jīng)常是饋電變壓器的主要用戶，因此他們的特性變得與網(wǎng)格的電壓品質(zhì)有關(guān)。具有正弦輸入電流的網(wǎng)絡(luò)友好型UPS可以降低與傳統(tǒng)UPS相關(guān)的上游部分裝置的花費(fèi)。

　　另一個(gè)不可忽視的方面是在突發(fā)事件發(fā)生，動(dòng)力電失效的情況下，UPS經(jīng)常要在它的自主范圍以外供電，因此對短路能力有著很多的限制，以至很大的注意力集中在UPS輸入的網(wǎng)絡(luò)友好性，以便在沒有大的饋電發(fā)生器的條件下獲得可接受的電壓畸變。

　　再一個(gè)在高功率應(yīng)用中需要特別注意的重要特性是UPS的動(dòng)力軟接入。首先意味著從電池工作向正常工作變化的開通變化要小。對于具有分離整流器和升壓變換器的低功率UPS，整流器原理是唯一可限制的因素。因?yàn)殚_通期間功率必須取自于電池或上游網(wǎng)格。

　　還有一個(gè)需要特別關(guān)注的情況是突變情況下的工作。一種是在工作模式由電池向正常工作變化時(shí)，負(fù)載在額定輸出范圍內(nèi)的非常快的變化，這種情況幾乎是不允許發(fā)生的，它將導(dǎo)致瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)而損害電源的安全。

　　新的整流器原理利用對輸入功率的轉(zhuǎn)換速率進(jìn)行限制，使得無論是在以正弦波形連續(xù)工作時(shí)，還是在工作模式發(fā)生變化的瞬態(tài)過程，對于饋電網(wǎng)絡(luò)都是友好的。

　　6 結(jié)論

　　無變壓器UPS在更高功率領(lǐng)域的實(shí)現(xiàn)可能是沒有什么問題的。早在前些年，就已經(jīng)在中小功率范圍實(shí)現(xiàn)了，如今發(fā)現(xiàn)它也可以在高功率領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)。這些概念除了需要改變逆變器電路外，還需要改變電池連接和整流器。人們所熟悉的整流器的進(jìn)步使得它在高功率范圍，無論是穩(wěn)態(tài)還是瞬態(tài)的網(wǎng)絡(luò)友好性成為可能。

　　新一代的UPS，采用了電池陣列與無變壓器輸入電路相隔離的技術(shù)，特別是在過去幾年里在逆變器中用IGBT替代SCR，這些發(fā)展使得它在UPS的平緩變換的特性方面已經(jīng)可與具有輸入變壓器的傳統(tǒng)UPS相媲美。隨著這些基礎(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步，進(jìn)一步的優(yōu)化潛力已經(jīng)放在下一代UPS面前。用現(xiàn)代電力電子學(xué)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電工結(jié)構(gòu)元件勢必?cái)U(kuò)展到高功率范圍。