雙變流器補(bǔ)償式UPS控制研究

標(biāo)簽：UPS 電能質(zhì)量

1 引 言

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對(duì)電能質(zhì)量的要求越來越高，如何為電力用戶提供安全可靠的“綠色”電源是目前電源研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。隨著工業(yè)的發(fā)展，電力用戶對(duì)電能質(zhì)量提出了更高的要求，UPS作為一種不間斷供電設(shè)備，是改善電能質(zhì)量的重要措施之一，也是關(guān)鍵設(shè)備得以正常運(yùn)行的重要保證。為適應(yīng)發(fā)展的要求，近年來其也在不斷地進(jìn)行完善和改進(jìn)。先后出現(xiàn)了后備式、在線式、三端口在線互動(dòng)式及雙變流器串并聯(lián)補(bǔ)償式等幾種結(jié)構(gòu)類型的UPS。其中由Kamran和Silva提出的雙變流器串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS，既可以補(bǔ)償非線性負(fù)載中的無功電流及諧波電流，同時(shí)還可以補(bǔ)償電源電壓的諧波及基波偏差，較傳統(tǒng)雙變換在線式UPS而言，輸入功率因數(shù)高，輸出能力強(qiáng)，具有綜合的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)能力，是一種值得推廣應(yīng)用的新型UPS。目前國外UPS廠家只有美國APC公司擁有此項(xiàng)專利技術(shù)，在市場(chǎng)上已經(jīng)推出Silcon DP300E系列大功率UPS;國內(nèi)則剛剛處在研究的初始階段，還有許多研究工作需要進(jìn)行。

本文介紹了雙變流器串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS的工作原理，在此基礎(chǔ)上討論了此類UPS基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下PI加重復(fù)控制的系統(tǒng)控制方案，實(shí)現(xiàn)了雙變流器串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS的全部控制功能。

2 系統(tǒng)工作原理

圖1示出雙變流器串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS的工作原理圖。圖中變流器Ⅰ和Ⅱ都是雙向AC←→DCSPWM變流器，其直流側(cè)接蓄電池Eb(其內(nèi)阻等效為理想的恒定電阻Rb)和電容C。變流器I經(jīng)電感L1和變壓器T輸出電壓Δv串接在電源電壓vs和負(fù)載電壓vL之間，稱之為串聯(lián)補(bǔ)償變流器。其輸出的補(bǔ)償電壓由兩部分組成：

Δv=Δvl+Δvh

Δvh為諧波補(bǔ)償電壓，它與交流電源中的諧波電壓vsh大小相等，但方向相反;Δvl為基波電壓補(bǔ)償量，補(bǔ)償電源電壓基波Δvsl與負(fù)載電壓額定值vR的偏差。所以變流器I提供的補(bǔ)償電壓Δv既抵消vs中的諧波vsh，又補(bǔ)償基波電壓vsl,使負(fù)載電壓vL成為與電源基波電壓vsl同相的正弦波額定電壓vR。

變流器Ⅱ經(jīng)L2、C2濾波后并接在負(fù)載兩端，稱之為并聯(lián)補(bǔ)償變流器。若負(fù)載為非線性負(fù)載，則負(fù)載電流iL由基波有功電流iLP、基波無功電流iLQ和諧波電流iLh3部分組成。對(duì)變流器Ⅱ進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，可使它輸出至負(fù)載的電壓為正弦波額定電壓vR，并向負(fù)載輸出電流i3=iLQ+iLh+(iLP-is)。其中iLQ、iLh補(bǔ)償負(fù)載無功和諧波電流，使電源僅向負(fù)載輸出基波有功電流is，而負(fù)載的有功電流iLP則由交流電源(is)和變流器Ⅱ(i2d)共同提供。

圖1　 雙變流器串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS原理圖

由上述分析可知，在非線性負(fù)載、電源電壓高于或低于額定值vR且含有諧波電壓時(shí)，這種UPS通過串、并聯(lián)補(bǔ)償變流器的共同作用，可使負(fù)載電壓vL補(bǔ)償?shù)脚c電源電壓同相的額定正弦電壓vR，避免了網(wǎng)側(cè)諧波電壓對(duì)負(fù)載的影響;同時(shí)電源僅輸入基波有功電流is，功率因數(shù)近乎為1，克服了傳統(tǒng)雙變換在線式UPS因輸入整流部分所帶來的輸入功率因數(shù)較低的缺點(diǎn)。通常電源基波電壓偏離額定值小于±15%，因此變流器Ⅰ僅補(bǔ)償Δv ≤±15%的額定電壓，其容量?jī)H為系統(tǒng)容量的20%左右。正常時(shí),市電與雙變流器共同對(duì)負(fù)載供電，兩變流器的最大功率強(qiáng)度只有負(fù)載功率的20%，相對(duì)始終在100%負(fù)載功率下工作的傳統(tǒng)雙變換在線式UPS而言，不僅整機(jī)效率高，功率器件損耗小，壽命長(zhǎng)，可靠性高，而且有足夠的功率裕量去應(yīng)付特殊的負(fù)載(沖擊負(fù)載、瞬間過載等)，因此輸出能力得到很大的增強(qiáng)，相同容量的造價(jià)也降低了。一旦市電停電，變流器Ⅱ從蓄電池獲取電能繼續(xù)不間斷的對(duì)負(fù)載供電;當(dāng)電網(wǎng)正常后，重新恢復(fù)市電與雙變流器共同對(duì)負(fù)載供電，在正確的控制策略作用下，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓無間隙、無突變。

3 系統(tǒng)的控制

對(duì)于圖1所示的雙變流器串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS應(yīng)使得市電輸入電流is是與電源基波電壓vsl同相的正弦有功電流，電源供電的功率因數(shù)為1;同時(shí)負(fù)載電壓vL為基波正弦電壓，且vL=vR(額定值)并與vsl同相。為實(shí)現(xiàn)此控制目標(biāo)，采用圖2所示的基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的控制系統(tǒng)。

3.1、電網(wǎng)輸入電流的控制

控制串聯(lián)變流器VSC作為基波正弦電流源運(yùn)行，使其橋端輸出電流il為純正弦波，則串聯(lián)變流器就可以實(shí)現(xiàn)通過串聯(lián)變壓器向電網(wǎng)串聯(lián)注入基波正弦電流is且is與isl同相，使交流電源電流中無諧波電流，無無功電流，供電功率因數(shù)為1，其控制框圖如圖2所示。

圖2　　基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的雙變流器串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS控制系統(tǒng)

由于串聯(lián)變流器受控為基波正弦電流源，因此，可以采用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的高頻PWM整流器直接電流控制方案。圖3為雙變流器串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)，由圖3可得串聯(lián)變流器輸入電流滿足下式 (忽略電感電阻)：

L1(dild/dt)=ωL1i1q+Vcd-V1d　　　　　　　　(1)

L1(dilq/dt)=-ωL1i1d+Vcq-V1q　　　　　　　 (2)

圖3　雙變流器串并聯(lián)補(bǔ)償式UPS控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

式中，i1d，i1q為變流器橋端輸出電流i1(a，b，c)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d、q軸分量，同理Vcd，Vcq為變流器電網(wǎng)輸入電壓Vc(a，b，c)的d、q分量，V1d，V1q則為控制量(即變流器橋端輸出電壓)。可見串聯(lián)變流器橋端輸出d、q軸電流除受控制量V1d，V1q的影響外，還受解耦電壓ωL1i1q，ωL1i1d和串聯(lián)變流器輸入電網(wǎng)電壓Vcd，Vcq的擾動(dòng)影響。因此，在控制系統(tǒng)中引入解耦電壓反饋和輸入電網(wǎng)電壓前饋，以消除它們對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)影響。

根據(jù)式(1)、式(2)可以構(gòu)成如圖2所示的電網(wǎng)輸入電流控制系統(tǒng)。檢測(cè)三相ABC系統(tǒng)的負(fù)載電壓VL(a，b，c)、負(fù)載電流iL(a，b，c)和電源電壓Vs(a，b，c)，作為電源電流指令生成模塊的輸入。經(jīng)三相靜止到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換(ABC/dq)和低通濾波器LPF后得到與基波交流分量對(duì)應(yīng)的直流分量VLd，VLq，Ilq,Isd,Vsd,Vsq。