380/220V，100kVA UPS备用发电机组的功率调节器

作者：时间：2011-02-21 来源：网络

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摘要：叙述了UPS备用发电机功率调节器的工作原理与控制方式。

本文引用地址：https://www.eepw.com.cn/article/179708.htm

关键词：不间断电源；功率调节器；补偿

1 引言

UPS备用（应急）发电机组是低压供电系统，一般都采用三相四线制输出。由它供电的负载常常是不对称负载，其中包括三相不对称电阻负载，三相不对称电感负载，三相不对称非线性负载，或包括电阻、电感、非线性负载在内的三相不对称混合负载。

所谓功率调节器，就是当UPS备用（应急）发电机组在向不对称负载供电时，即使是向最严重的单相负载供电，功率调节器也能使发电机组的输出电流，成为三相对称的纯正弦有功电流，即便是单相负载的功率达到机组额定功率时也是如此。由于功率调节器能够把三相不对称负载（包括电阻性、电感性、非线性、以及它们的混合不对称负载）的功率，变换成只让机组提供三相对称的有功功率，使机组永远工作在三相对称有功功率状态，故称作功率调节器。

由于功率调节器的上述作用，它必须具备如下的功能：

1）能够对负载的无功电流进行动态补偿，使机组的输出功率因数接近于1；

2）能够对负载的谐波电流进行动态补偿，使机组的输出电流接近于正弦波；

3）能够对三相不对称电流进行动态补偿，使机组的输出电流为三相对称电流。

由上述三个功能可知，UPS备用（应急）发电机组功率调节器，实际上就是一个可以对三相不平衡电流进行补偿的电力有源滤波器。在三相负载基本对称时，它可以对负载的无功电流与谐波电流进行补偿；在三相负载不对称时，即使在最严重的单相负载时，也能保证使发电机组输出三相对称的有功功率电流，其单相负载的功率可以达到机组的标称额定功率。这些性能表明，功率调节器提高了机组的供电质量，并能把三相不对称负载变换成机组的三相对称有功负载，从而提高了机组向不对称负载的供电能力，使单相负载时的功率可达到机组的标称额定功率。

2 功率调节器的组成与工作原理

UPS备用（应急）发电机组的功率调节器原理电路如图1所示。其中功率调节器的电路，就是一个可以补偿三相不平衡电流的并联电力有源滤波器。它由三部分组成，即可以双向四象限工作的三相电压型Delta PWM逆变器、PWM脉冲形成驱动器、由指令电流运算电路及电流跟踪控制电路组成的控制器。

图1 备用（应急）发电机与功率调节器的电路结构

图1中，u_sa，u_sb，u_sc表示交流电源，负载为不对称的电阻、电感、整流电路或由它们组成的不对称负载，是无功电流、谐波电流和不对称电流源。控制器中的指令电流运算电路的作用是，检测出负载电流i_La、

i_Lb、i_Lc中的无功分量、谐波分量和不平衡电流分量，并由这些分量作为指令电流，由电流跟踪控制电路根据指令电流产生出PWM触发脉冲，此触发脉冲经驱动器放大后去驱动Delta逆变器。由Delta逆变器产生出补偿电流，以对负载的无功电流、谐波电流和不平衡电流进行补偿，使机组的输出电流成为三相对称的有功电流。

可以补偿不平衡电流的电力有源滤波器，采用的是并联式有源滤波器。当需要补偿负载产生的无功电流、谐波电流和不平衡电流时，应首先检测出负载电流i_La、i_Lb、i_Lc中的无功电流分量i_Laq、i_Lbq、i_Lcq，谐波电流分量i_Lah、i_Lbh、i_Lch和不平衡分量i_Lao、i_Lbo、i_Lco，将这些分量反极性后相加作为补偿电流i_sac、i_sbc、i_scc的指令信号，由Delta逆变器产生的补偿电流与负载电流中的各分量电流，例如i_Laq、i_Lbq、i_Lcq等大小相等，方向相反而互相抵消，使机组输出电流i_sa、i_sb、i_sc成为只含基波有功功率电流的三相对称正弦电流，对于A相：

i_sa=i_La＋i_sac

i_La=i_Lap＋i_Laq＋i_Lah＋i_Lao

i_sac=－(i_Laq＋i_Lah＋i_Lao)

i_sa=i_La＋i_sac=i_Lap=i_Laf

上式中：i_Laf表示负载电流的基波有功分量。

当机组向最严重的单相（例如A相）不对称负载供电，单相负载的功率等于机组的额定功率时，负载电流，机组输出电流和功率调节器补偿电流的数值，如图2所示。

图2 单相负载时的负载电流、补偿电流与机组输出电流的数值示意图

这里必须指出的是，功率调节器对机组电流的补偿是动态补偿，对补偿对象的变化具有极快的响应速度，可以作到连续调节；对无功功率进行补偿时不需要储能元件，对谐波电流进行补偿时所需储能元件的容量也不大，但对不平衡电流进行补偿时却需要较大容量的储能元件；即使补偿对象电流过大，功率调节器也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用；功率调节器对机组电流的补偿受机组阻抗的影响不大，不容易和机组内阻抗发生谐振；能跟踪机组频率的变化，故补偿性能不受机组频率变化的影响；由于机组是三相四线制输出，所以负载各相的电压和相应的机组各相电压相等，当机组相电压对称时，负载各相电压也是对称的，故补偿性能也不受机组电压的影响。

3 功率调节器的指令电流运算电路

功率调节器的控制器，是由指令电流运算电路和电流跟踪控制电路两部分组成的。本节只介绍其中的指令电流运算电路，电流跟踪控制电路和驱动器一起将在下一节中介绍。

3.1 检测无功电流和谐波电流的运算电路

以A相电路为例，当负载中含有电阻、电感和非线性负载时，负载电流将滞后于机组电压，并产生畸变，此时A相负载电流i_La的傅里叶级数表达式为

i_La=I_fsin(ωt＋φ_f)＋I_nsin(nωt＋φ_n)

=I_fcosφ_fsinωt＋I_fsinφ_fcosωt＋I_nsin(nωt＋φ_n)

式中f代表基波，n代表谐波次数，φ_f为基波电流滞后于机组电压的相位角，φ_n为n次谐波电流滞后于电压的相位角，注脚f代表基波。

令i_Lap=I_fcosφ_fsinωt=I_Lapsinωt为基波有功电流；i_Laq=I_fsinφ_fcosωt=I_Laqcosωt为基波无功电流；i_Lah=I_nsin(nωt＋φ_n)为谐波电流，则

i_La=i_Lap＋i_Laq＋i_Lah

功率调节器向机组提供所需的无功与谐波电流的工作原理是，将A相负载电流i_La中的无功与谐波电流i_Laq＋i_Lah从i_La中分离出来，用i_Laq＋i_Lah作为指令电流对Delta逆变器进行跟踪控制，得到与i_Laq＋i_Lah相同的电流输入到负载，此时机组输入到负载的电流i_sa=i_Lap。