用户电能质量综合补偿器与在线UPS工作原理

摘要：叙述了用户电力质量综合补偿器（Custompower）与在线UPS的基本工作原理与方法。

关键词：用户电力质量综合补偿器；逆变器；不间断电源

1 引言

由于市电和负载的复杂性，例如电网容量不足，输变电和各种配电设备的性能和质量问题，各用电设备配置的不合理，或相互之间的影响，电力电子变流器的广泛应用与各类非线性负载的增加，自然界的雷击、地电及人为因素的影响等，使市电电压不稳定，并含有谐波，电能质量不断恶化。这将会使一些对电能质量敏感的重要负载性能降低，寿命缩短，甚至造成很大的经济损失。据有关部门统计，在有代表性的场合，计算机遭受来自市电的干扰值在数十伏的每天有上百次。计算机故障的50％～70％是由电源故障造成的。因此，对电能质量的综合补偿和采用补偿式在线UPS就显得越来越重要了。

用户电能质量综合补偿器和补偿式在线UPS的电路是相同的，在直流电路中并入蓄电池就是UPS，不并入蓄电池就是综合补偿器，其原理框图如图1所示。它是由两个互为电源的双向全桥逆变器构成的一种串并联电路结构。通过变压器Tr次级串入电路的逆变器Ⅰ，是市电的稳压滤波器，其主要作用是对市电输入电压进行稳压和滤波；通过电感L并入电路的逆变器Ⅱ，是电流无功补偿滤波器，其主要作用是补偿负载需要的无功电流，并滤除非线性负载产生的谐波电流。当作为补偿式在线UPS应用时，逆变器Ⅰ输出有功功率，逆变器Ⅱ输出无功功率。

图1 电能质量综合补偿与补偿式在线UPS电路框图

2 市电稳压滤波器

对市电输入电压进行稳压和滤波的稳压滤波器电路如图2所示。它是由高频全桥SPWM式双向逆变器构成的。逆变器的输出电压u_AB通过变比为k的输出变压器T_r变成补偿电压u_ac在T_r次级输出，T_r的次级串联在主电路中，以对市电电压的大小变化和谐波进行补偿，保持输出电压u_aL为稳定的正弦波电压。u_ar为与市电同步的给定正弦基准电压，完全补偿后u_aL=u_ar。L_FC_F为低通滤波器，以滤掉市电u_a中和补偿电压u_ac中的高次谐波。由T_r次级短路阻抗、L_F及市电电源内阻组成的线路阻抗为Z，电压降低为Zi_a，i_a为市电输入电流。由图2主电路可知，当实现完全补偿时：

u_aL=u_a－Zi_a－u_ac=u_ar（1）

u_ac=u_a－Zi_a－u_ar（2）

图2 市电稳压滤波器原理电路

令=u_a－Zi_a－u_ar为全桥SPWM逆变器的调制电压，控制电路框图如图3（a）所示，图3（b）为波形图。当用=u_a－Zi_a－u_ar作为调制波时，可以使补偿电压u_ac=u_a－Zi_a－u_ar实现完全补偿。假定逆变器直流电源电压为U_dc，载波三角波的频率为f_c，电压幅值为U_c，市电频率为f_a，则

调制比：M=（3）

(a) 控制电路框图

(b) SPWM波形图

图3 控制电路原理框图与波形图

载波比：N=f_c/f_a（4）

式（3）中U_a、I_a、U_ar为u_a、i_a、u_ar的有效值。

当市电电压含有谐波时，即

u_a=U_a1sinωt＋U_ansinnωt（5）

而且u_a1=U_a1sinωt≠u_ar=U_arsinωt

式中下注脚“1”表示基波，“n”表示谐波次数。

此时，调制比M的值为

M==＋=M1＋Mn（6）

M₁=；M_n=（7）

按照文献[1]的方法，推导出补偿电压u_ac的双重傅里叶级数表示式为u_ac=ku_AB=k(u_A－u_B)，经推导并考虑到滤波器L_FC_F的作用，可得

u_ac=kM₁U_dc·sinωt＋kM_nU_dc·sinnωt（8）

由于图1中逆变器Ⅱ的无功补偿和滤波作用的存在，ia=Ia·sinωt，将式（5）、式（8）及ia的值代入式（1）得

u_aL=u_a－Zi_a－u_ac

u_aL=U_a1·sinωt＋U_an·sinnωt－ZI_a·sin_ωt－kM₁U_dc·sinωt－kM_nU_dc·sinnωt(9)

令变比k=U_c/U_dc，将k值及式（7）中的M₁和M_n的值代入式（9），当u_a1>u_ar时M₁=正值。

u_aL=U_a1·sinωt＋U_an·sinnωt－ZI_a·sinωt·－(U_a1－ZIa－U_ar)·

sinωt－U_an·sinnωt=U_ar·sinωt(10)

当u_a1u_ar时，M₁=负值，也可以得到式（10）结果。所以式（10）说明：当用瞬时值=u_a－Zi_a－u_ar作调制波时，可以使SPWM全桥逆变器通过变压器Tr的输出电压u_ac，完全补偿市电电压的大小变化和谐波。保持加在负载上的电压u_aL=u_ar为稳定的正弦波电压。

2.1 补偿的物理说明

从物理上看，由于控制电路采用的是=u_a－Zi_a－u_ar作为调制波进行的补偿，当市电电压u_a为正弦波时，u_a>u_ar是负补偿u_a－u_ac；当u_au_ar是正补偿u_a＋u_ac。当市电电压含有谐波时，u_a>u_ar部分是负补偿，u_au_ar部分是正补偿，补偿示意图如图4所示。补偿谐波的关键是采用高频SPWM全桥逆变器和瞬时值检测。逆变器的载波比N=f_c/f_a越大，补偿效果越好。

图4 对市电电压补偿的物理示意图