广义软开关串并联补偿在线UPS

摘要：介绍了采用广义软开关的串并联补偿在线UPS的工作原理与控制方式，这是一种新型在线软开关UPS。

关键词：串并联补偿；在线UPS；广义软开关

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

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：0219－2713(2003)04－0170－07

1 引言

串并联补偿在线UPS的电路型式、工作原理与控制方式，我已作过了全面的介绍^[1]，但采用的都是硬开关，因此效率低，电磁干扰大，而采用传统的软开关（直流谐振环或极谐振软开关）又会使电路太复杂。折中这两种开关状态，采用广义软开关，既不增加电路的复杂性，又可以使其基本工作在软开关状态。

PWM逆变器的广义软开关定义和原理我也曾作了较详细的介绍^[2]，所谓广义软开关串并联补偿在线UPS，实际上就是使逆变器Ⅰ和Ⅱ采用无损缓冲电路的在线UPS。

2 主电路的串并联结构和各部分的功能

单相串并联补偿在线UPS的电路如图1所示。它是由2个高频双向SPWM单相全桥逆变器，以串并联结构电路型式与晶闸管静态开关和蓄电池等一起组合而成的，各部分的功能为

图1 单 相 串 并 联 补 偿 在 线UPS电 路

逆变器Ⅰ 主要作用是控制市电，只输入有功电流，使输入功率因数等于1；对市电输入电压的波动进行补偿；控制输入功率与输出功率的平衡。其设计功率为标称功率的20％。

逆变器Ⅱ 主要作用是控制输出电压为稳定纯净的正弦电压；向负载提供无功与谐波电流；当市电掉电时，向负载提供全部标称功率，设计功率与标称功率相同。

晶闸管静态开关其中旁路开关的作用是当市电正常时关断，当逆变器Ⅰ和Ⅱ故障时开通旁路供电；主静态开关的作用是，当市电正常时导通，当市电掉电时自动关断，以防止逆变器Ⅱ的功率向市电倒灌。

蓄电池当市电停电时，由蓄电池通过逆变器Ⅱ向负载供电；当市电电压波动时，通过逆变器Ⅰ和Ⅱ维持输入与输出功率的平衡。

3 逆变器Ⅰ的工作与控制方式

逆变器Ⅰ是用IGBT作开关的高频双向SPWM全桥逆变器。它通过输出变压器T_r的次级，在UPS输入端与负载串联，主要用于市电电压±15％变化的增量补偿，和消除市电输入电流中的无功与谐波分量，故也称作增量（Delta）逆变器，其作用相当于一个可变电流源。

当负载中含有电感和非线性负载时，市电输入电流i将滞后于市电电压，并产生畸变。此时市电输入电流i的傅里叶级数表示式为

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

式中：n为谐波次数；

φ₁为基波电流滞后于电压的相位角；

φ_n为n次谐波电流滞后于电压的相位角；

注脚1代表基波。令

i_p=I₁cosφ₁sinωt=I_psinωt为基波有功电流

i_q=I₁sinφ₁cosωt=I_qcosωt为基波无功电流i_h=I_nsin(nωt＋φ_n)为谐波电流

i=i_p＋i_q＋i_h要消除市电输入电流i中的无功与谐波电流i_q＋i_h，就必须将i_q＋i_h从i中分离出来，而后用i_q＋i_h作为调制波对逆变器Ⅰ进行SPWM调制，在变压器T_r次级得到电压u_c，用u_c产生的电流来抵消i中的电流i_q＋i_h，使输入电流i=i_p。

电流i_q＋i_h的检出电路如图1所示。其中“基准正弦电压”是与市电同步的标准正弦电压。市电输入电流i通过低通滤波器滤除i_h，将剩余的电流i_p＋i_q与基准正弦电压u_r=U_msinωt通过乘法器相乘得到F。

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

＋sinφ₁sin(2ωt)

F经过含有积分器的有源低通滤波器，滤除二次谐波交流分量后，剩下直流成分g=I₁U_mcosφ₁，式中K为有源滤波器放大倍数。将g和u_r再经乘法器相乘后得

i_p=g×u_r=I₁U_mcosφ₁×U_msinωt=I₁U_m²cosφ₁sinωt

令U_m²=1，则得

i_p=I₁cosφ₁sinωt

从市电输入电流i中减去i_p即可得到无功与谐波电流i_q＋i_h，即i－i_p=i_q＋i_h=i_c^＊

4 逆变器Ⅱ的工作与控制方式

逆变器Ⅱ也是用IGBT作开关的高频双向SPWM全桥逆变器。它通过交流滤波器L_F2C_F2，在UPS输出端与负载并联，主要用于使负载上电压成为稳定纯净的正弦电压，当市电掉电时向负载提供100％的功率。故逆变器Ⅱ也称作主逆变器，其作用相当于一个固定的电压源。

当市电电压中含有谐波时，其方程式为

u=u₁＋u_h=U_1msinωt＋U_nmsinnωt

式中：u₁=U_1msinωt为基波电压；

u_h=U_nmsinnωt为谐波电压。

基准正弦电压u_r=U_msinωt，是一个与市电同步的标准正弦波电压，电压精度优于0.02％，失真度小于0.5％，容量约为10W。故可视为是恒定不变的标准正弦波电压。

由图1中逆变器Ⅱ的控制电路可知，采用的是瞬时波形比较法。即用负载电压u_L减去基准正弦电压

u_r，然后再被基准正弦电压u_r相减求出SPWM调制波的方程式

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

令调制波方程式为

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

式中：K′为检测变压器降压变比。

假定载波三角波的频率为f_c，幅值为U_c，则载波比N=，调制比的值为

M==－=M₁＋M₂

式中：M₁=；M₂=－

假定直流电源电压为Ud，根据文献[3]可以得到逆变器Ⅱ的输出电压uab的傅里叶级数式为

u_ab=M₁U_dsinωt＋·cosm πsin〔(mN＋n)ωt〕+

M₂U_dsinnωt+·cosm′πsin〔(m′N′＋n′)nωt〕

用滤波器L_F2，C_F2滤除u_ab中的高次谐波后得到基波与原市电中谐波电压为

u_ab1=M₁U_dsinωt＋M₂U_dsinnωt

将M₁=K′；M₂=－代入上式得

u_ab1=K′U_dsinωt＋－K′U_dsinnωt