双变流器补偿式UPS控制研究

标签：UPS 电能质量

1 引 言

现代工业的发展对电能质量的要求越来越高，如何为电力用户提供安全可靠的“绿色”电源是目前电源研究领域的热点。随着工业的发展，电力用户对电能质量提出了更高的要求，UPS作为一种不间断供电设备，是改善电能质量的重要措施之一，也是关键设备得以正常运行的重要保证。为适应发展的要求，近年来其也在不断地进行完善和改进。先后出现了后备式、在线式、三端口在线互动式及双变流器串并联补偿式等几种结构类型的UPS。其中由Kamran和Silva提出的双变流器串并联补偿式UPS，既可以补偿非线性负载中的无功电流及谐波电流，同时还可以补偿电源电压的谐波及基波偏差，较传统双变换在线式UPS而言，输入功率因数高，输出能力强，具有综合的电能质量调节能力，是一种值得推广应用的新型UPS。目前国外UPS厂家只有美国APC公司拥有此项专利技术，在市场上已经推出Silcon DP300E系列大功率UPS;国内则刚刚处在研究的初始阶段，还有许多研究工作需要进行。

本文介绍了双变流器串并联补偿式UPS的工作原理，在此基础上讨论了此类UPS基于同步旋转坐标系下PI加重复控制的系统控制方案，实现了双变流器串并联补偿式UPS的全部控制功能。

2 系统工作原理

图1示出双变流器串并联补偿式UPS的工作原理图。图中变流器Ⅰ和Ⅱ都是双向AC←→DCSPWM变流器，其直流侧接蓄电池Eb(其内阻等效为理想的恒定电阻Rb)和电容C。变流器I经电感L1和变压器T输出电压Δv串接在电源电压vs和负载电压vL之间，称之为串联补偿变流器。其输出的补偿电压由两部分组成：

Δv=Δvl+Δvh

Δvh为谐波补偿电压，它与交流电源中的谐波电压vsh大小相等，但方向相反;Δvl为基波电压补偿量，补偿电源电压基波Δvsl与负载电压额定值vR的偏差。所以变流器I提供的补偿电压Δv既抵消vs中的谐波vsh，又补偿基波电压vsl,使负载电压vL成为与电源基波电压vsl同相的正弦波额定电压vR。

变流器Ⅱ经L2、C2滤波后并接在负载两端，称之为并联补偿变流器。若负载为非线性负载，则负载电流iL由基波有功电流iLP、基波无功电流iLQ和谐波电流iLh3部分组成。对变流器Ⅱ进行实时控制，可使它输出至负载的电压为正弦波额定电压vR，并向负载输出电流i3=iLQ+iLh+(iLP-is)。其中iLQ、iLh补偿负载无功和谐波电流，使电源仅向负载输出基波有功电流is，而负载的有功电流iLP则由交流电源(is)和变流器Ⅱ(i2d)共同提供。

图1　 双变流器串并联补偿式UPS原理图

由上述分析可知，在非线性负载、电源电压高于或低于额定值vR且含有谐波电压时，这种UPS通过串、并联补偿变流器的共同作用，可使负载电压vL补偿到与电源电压同相的额定正弦电压vR，避免了网侧谐波电压对负载的影响;同时电源仅输入基波有功电流is，功率因数近乎为1，克服了传统双变换在线式UPS因输入整流部分所带来的输入功率因数较低的缺点。通常电源基波电压偏离额定值小于±15%，因此变流器Ⅰ仅补偿Δv ≤±15%的额定电压，其容量仅为系统容量的20%左右。正常时,市电与双变流器共同对负载供电，两变流器的最大功率强度只有负载功率的20%，相对始终在100%负载功率下工作的传统双变换在线式UPS而言，不仅整机效率高，功率器件损耗小，寿命长，可靠性高，而且有足够的功率裕量去应付特殊的负载(冲击负载、瞬间过载等)，因此输出能力得到很大的增强，相同容量的造价也降低了。一旦市电停电，变流器Ⅱ从蓄电池获取电能继续不间断的对负载供电;当电网正常后，重新恢复市电与双变流器共同对负载供电，在正确的控制策略作用下，可以实现输出电压无间隙、无突变。

3 系统的控制

对于图1所示的双变流器串并联补偿式UPS应使得市电输入电流is是与电源基波电压vsl同相的正弦有功电流，电源供电的功率因数为1;同时负载电压vL为基波正弦电压，且vL=vR(额定值)并与vsl同相。为实现此控制目标，采用图2所示的基于同步旋转坐标系下的控制系统。

3.1、电网输入电流的控制

控制串联变流器VSC作为基波正弦电流源运行，使其桥端输出电流il为纯正弦波，则串联变流器就可以实现通过串联变压器向电网串联注入基波正弦电流is且is与isl同相，使交流电源电流中无谐波电流，无无功电流，供电功率因数为1，其控制框图如图2所示。

图2　　基于同步旋转坐标系下的双变流器串并联补偿式UPS控制系统

由于串联变流器受控为基波正弦电流源，因此，可以采用基于同步旋转坐标系下的高频PWM整流器直接电流控制方案。图3为双变流器串并联补偿式UPS控制系统电路结构，由图3可得串联变流器输入电流满足下式 (忽略电感电阻)：

L1(dild/dt)=ωL1i1q+Vcd-V1d　　　　　　　　(1)

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

图3　双变流器串并联补偿式UPS控制系统电路结构

式中，i1d，i1q为变流器桥端输出电流i1(a，b，c)在同步旋转坐标系下的d、q轴分量，同理Vcd，Vcq为变流器电网输入电压Vc(a，b，c)的d、q分量，V1d，V1q则为控制量(即变流器桥端输出电压)。可见串联变流器桥端输出d、q轴电流除受控制量V1d，V1q的影响外，还受解耦电压ωL1i1q，ωL1i1d和串联变流器输入电网电压Vcd，Vcq的扰动影响。因此，在控制系统中引入解耦电压反馈和输入电网电压前馈，以消除它们对系统的扰动影响。

根据式(1)、式(2)可以构成如图2所示的电网输入电流控制系统。检测三相ABC系统的负载电压VL(a，b，c)、负载电流iL(a，b，c)和电源电压Vs(a，b，c)，作为电源电流指令生成模块的输入。经三相静止到两相同步旋转坐标变换(ABC/dq)和低通滤波器LPF后得到与基波交流分量对应的直流分量VLd，VLq，Ilq,Isd,Vsd,Vsq。