廣義軟開關(guān)串并聯(lián)補(bǔ)償在線UPS

摘要：介紹了采用廣義軟開關(guān)的串并聯(lián)補(bǔ)償在線UPS的工作原理與控制方式，這是一種新型在線軟開關(guān)UPS。

關(guān)鍵詞：串并聯(lián)補(bǔ)償；在線UPS；廣義軟開關(guān)

Series parallel Compensation On-line UPS with Generalized Soft Switching

LIU Feng-jun

Abstract:The operating principle and control method of series-parallel compensation on line UPS with generalized soft switching are described. This is a novel on-line UPS of soft switching.

Keywords:Series-parallel compensation; On-line UPS; Generalized soft switching

中圖分類號(hào)：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0219－2713(2003)04－0170－07

1 引言

串并聯(lián)補(bǔ)償在線UPS的電路型式、工作原理與控制方式，我已作過(guò)了全面的介紹^[1]，但采用的都是硬開關(guān)，因此效率低，電磁干擾大，而采用傳統(tǒng)的軟開關(guān)（直流諧振環(huán)或極諧振軟開關(guān)）又會(huì)使電路太復(fù)雜。折中這兩種開關(guān)狀態(tài)，采用廣義軟開關(guān)，既不增加電路的復(fù)雜性，又可以使其基本工作在軟開關(guān)狀態(tài)。

PWM逆變器的廣義軟開關(guān)定義和原理我也曾作了較詳細(xì)的介紹^[2]，所謂廣義軟開關(guān)串并聯(lián)補(bǔ)償在線UPS，實(shí)際上就是使逆變器Ⅰ和Ⅱ采用無(wú)損緩沖電路的在線UPS。

2 主電路的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)和各部分的功能

單相串并聯(lián)補(bǔ)償在線UPS的電路如圖1所示。它是由2個(gè)高頻雙向SPWM單相全橋逆變器，以串并聯(lián)結(jié)構(gòu)電路型式與晶閘管靜態(tài)開關(guān)和蓄電池等一起組合而成的，各部分的功能為

圖1 單 相 串 并 聯(lián) 補(bǔ) 償 在 線UPS電 路

逆變器Ⅰ 主要作用是控制市電，只輸入有功電流，使輸入功率因數(shù)等于1；對(duì)市電輸入電壓的波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償；控制輸入功率與輸出功率的平衡。其設(shè)計(jì)功率為標(biāo)稱功率的20％。

逆變器Ⅱ 主要作用是控制輸出電壓為穩(wěn)定純凈的正弦電壓；向負(fù)載提供無(wú)功與諧波電流；當(dāng)市電掉電時(shí)，向負(fù)載提供全部標(biāo)稱功率，設(shè)計(jì)功率與標(biāo)稱功率相同。

晶閘管靜態(tài)開關(guān)其中旁路開關(guān)的作用是當(dāng)市電正常時(shí)關(guān)斷，當(dāng)逆變器Ⅰ和Ⅱ故障時(shí)開通旁路供電；主靜態(tài)開關(guān)的作用是，當(dāng)市電正常時(shí)導(dǎo)通，當(dāng)市電掉電時(shí)自動(dòng)關(guān)斷，以防止逆變器Ⅱ的功率向市電倒灌。

蓄電池當(dāng)市電停電時(shí)，由蓄電池通過(guò)逆變器Ⅱ向負(fù)載供電；當(dāng)市電電壓波動(dòng)時(shí)，通過(guò)逆變器Ⅰ和Ⅱ維持輸入與輸出功率的平衡。

3 逆變器Ⅰ的工作與控制方式

逆變器Ⅰ是用IGBT作開關(guān)的高頻雙向SPWM全橋逆變器。它通過(guò)輸出變壓器T_r的次級(jí)，在UPS輸入端與負(fù)載串聯(lián)，主要用于市電電壓±15％變化的增量補(bǔ)償，和消除市電輸入電流中的無(wú)功與諧波分量，故也稱作增量（Delta）逆變器，其作用相當(dāng)于一個(gè)可變電流源。

當(dāng)負(fù)載中含有電感和非線性負(fù)載時(shí)，市電輸入電流i將滯后于市電電壓，并產(chǎn)生畸變。此時(shí)市電輸入電流i的傅里葉級(jí)數(shù)表示式為

i=I₁sin(ωt＋φ₁)＋I_nsin(nωt＋φ_n)=I₁cosφ₁sinωt＋I₁sinφ₁cosωt＋I_nsin(nωt＋φ_n)

式中：n為諧波次數(shù)；

φ₁為基波電流滯后于電壓的相位角；

φ_n為n次諧波電流滯后于電壓的相位角；

注腳1代表基波。令

i_p=I₁cosφ₁sinωt=I_psinωt為基波有功電流

i_q=I₁sinφ₁cosωt=I_qcosωt為基波無(wú)功電流i_h=I_nsin(nωt＋φ_n)為諧波電流

i=i_p＋i_q＋i_h要消除市電輸入電流i中的無(wú)功與諧波電流i_q＋i_h，就必須將i_q＋i_h從i中分離出來(lái)，而后用i_q＋i_h作為調(diào)制波對(duì)逆變器Ⅰ進(jìn)行SPWM調(diào)制，在變壓器T_r次級(jí)得到電壓u_c，用u_c產(chǎn)生的電流來(lái)抵消i中的電流i_q＋i_h，使輸入電流i=i_p。

電流i_q＋i_h的檢出電路如圖1所示。其中“基準(zhǔn)正弦電壓”是與市電同步的標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓。市電輸入電流i通過(guò)低通濾波器濾除i_h，將剩余的電流i_p＋i_q與基準(zhǔn)正弦電壓u_r=U_msinωt通過(guò)乘法器相乘得到F。

F=(i_p＋i_q)×u_r=(I₁cosφ₁sinωt＋I₁sinφ₁cosωt)×U_msinωt=cosφ₁－cosφ₁cos(2ωt)

＋sinφ₁sin(2ωt)

F經(jīng)過(guò)含有積分器的有源低通濾波器，濾除二次諧波交流分量后，剩下直流成分g=I₁U_mcosφ₁，式中K為有源濾波器放大倍數(shù)。將g和u_r再經(jīng)乘法器相乘后得

i_p=g×u_r=I₁U_mcosφ₁×U_msinωt=I₁U_m²cosφ₁sinωt

令U_m²=1，則得

i_p=I₁cosφ₁sinωt

從市電輸入電流i中減去i_p即可得到無(wú)功與諧波電流i_q＋i_h，即i－i_p=i_q＋i_h=i_c^＊

4 逆變器Ⅱ的工作與控制方式

逆變器Ⅱ也是用IGBT作開關(guān)的高頻雙向SPWM全橋逆變器。它通過(guò)交流濾波器L_F2C_F2，在UPS輸出端與負(fù)載并聯(lián)，主要用于使負(fù)載上電壓成為穩(wěn)定純凈的正弦電壓，當(dāng)市電掉電時(shí)向負(fù)載提供100％的功率。故逆變器Ⅱ也稱作主逆變器，其作用相當(dāng)于一個(gè)固定的電壓源。

當(dāng)市電電壓中含有諧波時(shí)，其方程式為

u=u₁＋u_h=U_1msinωt＋U_nmsinnωt

式中：u₁=U_1msinωt為基波電壓；

u_h=U_nmsinnωt為諧波電壓。

基準(zhǔn)正弦電壓u_r=U_msinωt，是一個(gè)與市電同步的標(biāo)準(zhǔn)正弦波電壓，電壓精度優(yōu)于0.02％，失真度小于0.5％，容量約為10W。故可視為是恒定不變的標(biāo)準(zhǔn)正弦波電壓。

由圖1中逆變器Ⅱ的控制電路可知，采用的是瞬時(shí)波形比較法。即用負(fù)載電壓u_L減去基準(zhǔn)正弦電壓

u_r，然后再被基準(zhǔn)正弦電壓u_r相減求出SPWM調(diào)制波的方程式

u_r－(u－u_r)=2u_r－u=2U_msinωt－U_1msinωt－U_nmsinnωt

令調(diào)制波方程式為

u_c^＊=K′〔u_r－(u－u_r)〕=2K′U_msinωt－K′U_1msinωt－K′U_nmsinnωt

式中：K′為檢測(cè)變壓器降壓變比。

假定載波三角波的頻率為f_c，幅值為U_c，則載波比N=，調(diào)制比的值為

M==－=M₁＋M₂

式中：M₁=；M₂=－

假定直流電源電壓為Ud，根據(jù)文獻(xiàn)[3]可以得到逆變器Ⅱ的輸出電壓uab的傅里葉級(jí)數(shù)式為

u_ab=M₁U_dsinωt＋·cosm πsin〔(mN＋n)ωt〕+

M₂U_dsinnωt+·cosm′πsin〔(m′N′＋n′)nωt〕

用濾波器L_F2，C_F2濾除u_ab中的高次諧波后得到基波與原市電中諧波電壓為

u_ab1=M₁U_dsinωt＋M₂U_dsinnωt

將M₁=K′；M₂=－代入上式得

u_ab1=K′U_dsinωt＋－K′U_dsinnωt