用戶電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償器與在線UPS工作原理

1、用戶電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償器與在線UPS工作原理        摘要：敘述了用戶電力質(zhì)量綜合補(bǔ)償器（Custompower）與在線UPS的基本工作原理與方法。 關(guān)鍵詞：用戶電力質(zhì)量綜合補(bǔ)償器；逆變器；不間斷電源 1  引言     由于市電和負(fù)載的復(fù)雜性，例如電網(wǎng)容量不足，輸變電和各種配電設(shè)備的性能和質(zhì)量問題，各用電設(shè)備配置的不合理，或相互之間的影響，電力電子變流器的廣泛應(yīng)用與各類非線性負(fù)載的增加，自然界的雷擊、地電及人為因素的影響等，使市電電壓不穩(wěn)定，并含有諧波，電能質(zhì)量不斷惡化

2、。這將會使一些對電能質(zhì)量敏感的重要負(fù)載性能降低，壽命縮短，甚至造成很大的>' target='_blank' class='infotextkey'>經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，在有代表性的場合，計算機(jī)遭受來自市電的干擾值在數(shù)十伏的每天有上百次。計算機(jī)故障的5070是由電源故障造成的。因此，對電能質(zhì)量的綜合補(bǔ)償和采用補(bǔ)償式在線UPS就顯得越來越重要了。     用戶電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償器和補(bǔ)償式在線UPS的電路是相同的，在直流電路中并入蓄電池就是UPS，不并入蓄電池就是綜合補(bǔ)償器，其原理框圖如圖1所示。它是由兩個互為電

3、源的雙向全橋逆變器構(gòu)成的一種串并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)。通過變壓器Tr次級串入電路的逆變器，是市電的穩(wěn)壓濾波器，其主要作用是對市電輸入電壓進(jìn)行穩(wěn)壓和濾波；通過電感L并入電路的逆變器，是電流無功補(bǔ)償濾波器，其主要作用是補(bǔ)償負(fù)載需要的無功電流，并濾除非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流。當(dāng)作為補(bǔ)償式在線UPS應(yīng)用時，逆變器輸出有功功率，逆變器輸出無功功率。 圖1  電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償與補(bǔ)償式在線UPS電路框圖 2  市電穩(wěn)壓濾波器     對市電輸入電壓進(jìn)行穩(wěn)壓和濾波的穩(wěn)壓濾波器電路如圖2所示。它是由高頻全橋SPWM式雙向逆變器構(gòu)成的。逆變器的輸出電壓uAB通過變比為k的輸

4、出變壓器Tr變成補(bǔ)償電壓uac在Tr次級輸出，Tr的次級串聯(lián)在主電路中，以對市電電壓的大小變化和諧波進(jìn)行補(bǔ)償，保持輸出電壓uaL為穩(wěn)定的正弦波電壓。uar為與市電同步的給定正弦基準(zhǔn)電壓，完全補(bǔ)償后uaL=uar。LFCF為低通濾波器，以濾掉市電ua中和補(bǔ)償電壓uac中的高次諧波。由Tr次級短路阻抗、LF及市電電源內(nèi)阻組成的線路阻抗為Z，電壓降低為Zia，ia為市電輸入電流。由圖2主電路可知，當(dāng)實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償時： uaL=uaZiauac=uar（1） uac=uaZiauar（2） 圖2  市電穩(wěn)壓濾波器原理電路     令=uaZiauar為全橋SPWM

5、逆變器的調(diào)制電壓，控制電路框圖如圖3（a）所示，圖3（b）為波形圖。當(dāng)用=uaZiauar作為調(diào)制波時，可以使補(bǔ)償電壓uac=uaZiauar實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償。假定逆變器直流電源電壓為Udc，載波三角波的頻率為fc，電壓幅值為Uc，市電頻率為fa，則     調(diào)制比：M=（3） (a)   控制電路框圖 (b)  SPWM波形圖 圖3  控制電路原理框圖與波形圖     載波比：N=fc/fa（4） 式（3）中Ua、Ia、Uar為ua、ia、uar的有效值。     當(dāng)

6、市電電壓含有諧波時，即     ua=Ua1sintUansinnt（5） 而且ua1=Ua1sintuar=Uarsint 式中下注腳“1”表示基波，“n”表示諧波次數(shù)。     此時，調(diào)制比M的值為     M=M1Mn（6）     M1=；Mn=（7）     按照文獻(xiàn)1的方法，推導(dǎo)出補(bǔ)償電壓uac的雙重傅里葉級數(shù)表示式為uac=kuAB=k(uAuB)，經(jīng)推導(dǎo)并考慮到濾波器LFCF的作用，可得     ua

7、c=kM1Udc·sintkMnUdc·sinnt（8）     由于圖1中逆變器的無功補(bǔ)償和濾波作用的存在，ia=Ia·sint，將式（5）、式（8）及ia的值代入式（1）得     uaL=uaZiauac     uaL=Ua1·sintUan·sinntZIa·sintkM1Udc·sintkMnUdc·sinnt(9)     令變比k=Uc/Udc，將k值及式（7）中的M1和Mn的值代

8、入式（9），當(dāng)ua1>uar時M1=正值。     uaL=Ua1·sintUan·sinntZIa·sint·(Ua1ZIaUar)·          sintUan·sinnt=Uar·sint(10)     當(dāng)ua1<uar時，M1=負(fù)值，也可以得到式（10）結(jié)果。所以式（10）說明：當(dāng)用瞬時值=uaZiauar作調(diào)制波時，可以使SPWM全橋逆變器通過變壓器Tr的輸

9、出電壓uac，完全補(bǔ)償市電電壓的大小變化和諧波。保持加在負(fù)載上的電壓uaL=uar為穩(wěn)定的正弦波電壓。 2.1  補(bǔ)償?shù)奈锢碚f明     從物理上看，由于控制電路采用的是=uaZiauar作為調(diào)制波進(jìn)行的補(bǔ)償，當(dāng)市電電壓ua為正弦波時，ua>uar是負(fù)補(bǔ)償uauac；當(dāng)ua<uar是正補(bǔ)償uauac。當(dāng)市電電壓含有諧波時，ua>uar部分是負(fù)補(bǔ)償，ua<uar部分是正補(bǔ)償，補(bǔ)償示意圖如圖4所示。補(bǔ)償諧波的關(guān)鍵是采用高頻SPWM全橋逆變器和瞬時值檢測。逆變器的載波比N=fc/fa越大，補(bǔ)償效果越好。 圖4  對市電電壓補(bǔ)償

10、的物理示意圖 2.2  變壓器Tr的變比     變壓器Tr變比k的大小，取決于市電電壓變化的范圍。當(dāng)用作電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償器時，由于市電電壓的允許變化范圍為±10，實(shí)際有的地方變化范圍可達(dá)±20，所以變比k應(yīng)取±25；當(dāng)用于補(bǔ)償式在線UPS時，當(dāng)市電停電時電壓的變化為100，故k值應(yīng)取1：1，以全電壓對市電電壓進(jìn)行補(bǔ)償。 3  電流無功補(bǔ)償濾波器     電流無功補(bǔ)償濾波器的原理電路如圖5所示。由于感性負(fù)載和非線性負(fù)載的作用，使電流含有無功成分并發(fā)生畸變，包含無功與畸變的負(fù)載電流iaL

11、用傅里葉級數(shù)表示時為 iaL=Ian·sin(ntn)=Ia1·sin(t1)Ian·sin(ntn)=Ia1cos1·sintIa1sin1·costIan·sin(ntn1)(11)     此式表明，畸變的電流由三部分組成     i1p=Ia1cos1·sint=Iap·sint 為基波有功電流；     i1q=Ia1sin1·cost=Iaq·cost 為基波無功電流；   

12、  ian=Iansin(ntn)為高次諧波電流。 圖5  電流無功補(bǔ)償濾波器     由圖5可知：當(dāng)完全補(bǔ)償時，負(fù)載電流iaL應(yīng)由市電輸入電流ia和補(bǔ)償電流iac共同供給，即iaL=iaiac。如果用適當(dāng)?shù)目刂品绞?，使補(bǔ)償器的輸出電流iac=i1qian，則市電只須向負(fù)載提供基波有功電流i1p就可以了。這樣就完全實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償，市電輸入電流ia與市電電壓ua同相位，輸入功率因數(shù)coo=1，ia為正弦波電流。如果只需要消除高次諧波電流ian，或只需要補(bǔ)償基波無功電流i1q時，則只須使iac=ian或iac=i1q就可以了。為了能很好地完全補(bǔ)償基波無

13、功電流i1q和高次諧波電流ian，逆變器采用了雙向全橋逆變器，并采用了線性Delta滯環(huán)控制方式。 3.1  補(bǔ)償器的數(shù)學(xué)模型     對有源濾波與無功補(bǔ)償器的要求是具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力和較高的反應(yīng)速度。圖5所示電路是可以滿足上述要求的。圖中Cd為為儲能電容，R為回路電阻，根據(jù)基爾霍夫定律可得 (12) 式中：ua為市電電壓；       Udc為電容Cd上的電壓；       iac為補(bǔ)償電流；      

14、 F為逆變器開關(guān)函數(shù)。       (13)     為了使Cd上的電壓Udc恒定，Cd的值應(yīng)足夠大。由于補(bǔ)償器前面有市電電壓穩(wěn)壓濾波器，所以ua=Uam·sint，將F、ua代入式（12），解出補(bǔ)償電流iac的表示式為     iac=(LcostRsint)（14）     iac的初始值為     iac(t1)=(Lcost1Rsint1)（15）     Cd=iac(t1)(

15、Lcost1Rsint1)（16）     將Cd的值代入式（14）得到     iac=(LcostRsint)(Lcost1Rsint1)         1iac(t1)（17）     由于回路電阻R很小，當(dāng)令R=0時可得     iac=(costcost1)(tt1)iac(t1)(18)     式（18）表明，補(bǔ)償電流iac只與電感L有關(guān)。 3.2 

16、電感L的值     假定補(bǔ)償對象是整流器，其交流側(cè)的電流波形如圖6所示，由此可以得到補(bǔ)償電流參考值的波形如圖7所示。的變化是不均勻的，求解電感L的值也是很復(fù)雜的，為了節(jié)省篇幅，L的推導(dǎo)過程省略。從跟蹤角度出發(fā)，L值應(yīng)取得大些。綜合兩者要求，通過推導(dǎo)得到L值計算式為 圖6  整流器負(fù)載電流 圖7  補(bǔ)償電流參考值 式中：N為系數(shù)，N=0.30.7，參數(shù)Uam，Udc，IaL，T（開關(guān)周期），和Iap在額定情況下都是已知的，其含義見圖6。當(dāng)=30°，=15°，L=3.4mH，fs=5kHz時，仿真結(jié)果如圖8所示。此結(jié)果表明：市電

17、輸入電流ia由原來的方波，變成了準(zhǔn)正弦波。輸入功率因數(shù)cos=1。 (a)  補(bǔ)償前的電網(wǎng)電流 (b)  補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流 (c)  有源濾波器輸出電流 =30°,=15°,L=3.4mH,f=5kHz 圖8仿真波形 3.3  控制方式     電流無功補(bǔ)償濾波器的控制方式，最好采用線性Delta滯環(huán)PWM控制方式，這是由于補(bǔ)償電流參考值的變化是不均勻的，在換向期間變化較大，為了能夠準(zhǔn)確跟蹤，采用線性Delta滯環(huán)PWM控制，其電路與工作波形如圖9所示。 (a)  控制電路 (b) 

18、工作波形 圖9  線性Delta控制電路與工作波形 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)的電流無功補(bǔ)償濾波器組成的。當(dāng)直流電路并入蓄電池，變壓器Tr的變比k=1：1時就是補(bǔ)償式在線UPS；而不并入蓄電池，k=0.25：1時就是電能質(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，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

19、電時，電路工作在UPS狀態(tài)。市電穩(wěn)壓濾波器（圖10中逆變器）由給定正弦基準(zhǔn)電壓驅(qū)動提供有功功率，電流無功補(bǔ)償濾波器（圖10中逆變器）提供無功功率，保證供電不間斷，轉(zhuǎn)換時間等于零。蓄電池由逆變器和共同充電。     當(dāng)作為電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償器應(yīng)用時，市電穩(wěn)壓濾波器可以穩(wěn)定、凈化市電輸入電壓，電流無功補(bǔ)償濾波器可以補(bǔ)償無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正弦電流源，電流無功補(bǔ)償濾波器可以等效成一個正弦電壓源。工作于電流源的雙向逆變器，和工

20、作于電壓源的雙向逆變器，可以互為電源，互為對方傳輸電能協(xié)調(diào)工作。例如對于市電穩(wěn)壓濾波器的逆變器，當(dāng)市電電壓高于給定電壓時，逆變器吸收功率，對電壓進(jìn)行負(fù)補(bǔ)償，其吸收的功率通過逆變器以電流形式轉(zhuǎn)送到負(fù)載；當(dāng)市電電壓低于給定電壓時，逆變器輸出功率，對電壓進(jìn)行正補(bǔ)償，其輸出的功率通過逆變器以電流形式從市電電網(wǎng)輸入。逆變器對負(fù)載電流的無功與諧波電流的補(bǔ)償，所需的能量也是由逆變器供給和輸出的。 4.1  主電路逆變器的選型     主電路逆變器和的選型，與三相電路型式和用戶要求有關(guān)。對于三相三線制系統(tǒng)可以選用三相半橋式逆變器；對于要求輸出相電壓的三相四線制系統(tǒng)，則必

21、須選用三個單相全橋逆變器，或選用三相四橋臂逆變器。其原因有兩個：一是可以輸出相電壓，可以向不對稱負(fù)載供電；二是當(dāng)一相出現(xiàn)故障時，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，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)量的檢測與控制電路     電能質(zhì)量檢測法有多種，例如基于Fryze時域分析的有功電流分離法；基于頻域分析的FFT檢測法；基于自適應(yīng)干擾抵消原理的閉環(huán)檢測法等。我們選擇了具有較好實(shí)時性，在三相系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用的基于

22、廣意瞬時無功理論檢測法。此法是1983年由日本學(xué)者赤木泰文先生提出的。當(dāng)已知三相瞬時值電壓或電流時，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旋轉(zhuǎn)的dqo坐標(biāo)上：     idqo=·=     變換后的信號與原信號減少一個基波頻率即50Hz。所以dqo變換是一種差頻變換，輸入信號中的基頻、5次、7次等諧波，變換到dqo坐標(biāo)上時，為直流、4次、6次等諧波。因此，上式中d軸電流直流分量對應(yīng)于負(fù)載基波有功功率，q軸電流直流分量對應(yīng)于負(fù)載基波相位移無功功率，d軸交流分量和q軸交流分量對應(yīng)于負(fù)載高次諧波無功功率，o軸分

23、量io對應(yīng)于基波不對稱無功功率。     上述方法可以分離出有功分量、無功分量，諧波和三相電壓或電流的不對稱度。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進(jìn)行比較，避免了同步鎖相過程的干擾。 4.2.1  市電穩(wěn)壓濾波器的檢測控制電路     為了檢測出市電電壓基波的大小變化，諧波和不對稱度，采用了如圖11所示的檢測電路。三相正弦基準(zhǔn)參考電壓uar、ubr、ucr，通過dqo變換及低通濾波器，得到dqo坐標(biāo)的

24、直流基準(zhǔn)參考值和uor。市電電壓ua、ub、uc經(jīng)dqo變換，得到，和uo；將這些值與、uor進(jìn)行比較，將得到的誤差值udf、uqf、uof進(jìn)行dqo反變換即可得到反應(yīng)市電基波變化，諧波和不對稱度的誤差值uauah，ububh，ucuch。用這些誤差值作為SPWM逆變器的調(diào)制波，通過圖3（a）所示的電路，即可得到市電穩(wěn)壓濾波器（逆變器）的開關(guān)驅(qū)動信號。     檢測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，按照圖中給出的參數(shù)，截止頻率為22Hz。 （a）檢測電路 (b)低通濾波器電路 圖11市電電壓檢測電路 4.2.2  電流無功補(bǔ)償濾波器的檢測控制電路     檢測電路如圖12所示。將輸入電流ia、ib、ic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iap、ibp、icp。用此電流與負(fù)載電流iaL、ibL、icL進(jìn)行比較，就可以得到僅包含無功與諧波的補(bǔ)償電流參考值。然后用圖9所示的Delta控制電路，就可以得到電流無功補(bǔ)償濾波器（逆變器）的開關(guān)驅(qū)動信號。 圖12電流無功補(bǔ)償濾波器的檢測電路 4.3