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摘 要: 详细分析了串并联补偿式UPS电源的控制策略和指令信号检测方式。通过研究谐波和 无功功率检测技术,以三相电路瞬时无功功率理论为基础实现了对谐波和无功电流的实时补 偿。在电源电压不是额定值且含有谐波电压、负载有谐波电流和无功电流的情况下,电源输 入电流被控制为正弦波、功率因数为1,负载电压被控制为额定值正弦波。仿真结果验证了 该控制策略的正确性。
关键词:串并联补偿式UPS;无功电流;谐波
中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1672-1098(2009)03-0031-05
UPS(Uninterrupted Power Supply)又称为不间断电源,它通常被置于市电电网和用 电负载之间,其目的是改善对负载的供电质量,并在市电故障时,保证负载设备的正常运行 。UPS不仅使供电无中断,而且还具有稳定输出电压和抗干扰等功能。目前市场上已经有不 同类型的UPS,按UPS的工作方式可分为后备式、传统双变换在线式、在线互动式及串并联在 线补偿式四大类。
串并联补偿式UPS与传统双变换UPS相比, 在系统结构和电能变化上都引入了全新的概念 , 它既保留了传统在线式UPS的全部在线功能和输出电压高质量, 又使得很多关键性能指 标 得到改善, 不仅消除了对电网的污染, 更重要的是输出能力高、 可靠性强, 可以说是目 前比较理想的UPS系统。
然而,串并补偿式UPS的性能优劣主要决定于其内部的控制策略。由于补偿式UPS有两个 变换器:串联补偿变流器和主变流器,两个变流器需要同步协调控制。因此本文主要研究两 种变流器的同步协调控制策略。该策略将串联变流器控制为基波正弦电流源,而并联变流器 被控为基波正弦电压源,从而实现在电源电压不是额定值且含有谐波电压、负载有谐波电流 和无功电流的情况下,电源输入电流被控制为正弦波、功率因数接近1,负载电压被控制为 额定值正弦波。通过仿真实验,验证了这种UPS具有输入功率因数高,输出电压稳定。在市 电正常时,两个变换器的功率强度只有输出功率的20%左右,过载能力强,整机效率高。
1 补偿式UPS的电路拓朴
串并联补偿式UPS的电路结构(只画出了一相)主要由三相补偿变压器、三相补偿逆变 器、三相主逆变器、主静态开关、旁路静态开关、输入输出滤波器及蓄电池组等部分构成( 见图1)。补偿逆变器通过补偿变压器串联连接在市电电源与负载之间,其容量约为系统总 容量的20%左右,主逆变器并联在系统输出端,其容量等于UPS系统容量。当输入电源电压波 动小于±15%,频率波动小于±3%时,由Delta逆变器和市电电源共同对负载供电,其稳压精 度为±1%(其中85%~100%来自市电电源,0%~15%来自Delta逆变器);当输入电源超过上述 电压和频率范围时,系统转入蓄电池供电方式,由主逆变器为负载提供100%的不间断纯净正 弦波电源。市电正常时,Delta逆变器只需补偿与市电电压和系统输出电压差有关的功率, 故损耗小,效率高,功率余量大,过载能力强。
2 Delta逆变器控制策略
Delta逆变器受控为基波正弦电流源,主要用来消除市电输入电流中的无功与谐波电流 和对市电电压进行波动补偿,兼有有源滤波和交流稳压的双重功能。其控制电路有两个反馈 信号:一是负载反馈电流信号iL,用来消除市电输入电流中的无功和谐波分量,使市 电输出 电流与市电电压同相位,输入功率因数为1;另一个是蓄电池电压反馈信号ΔUd ,由蓄电 池电压Ud与其基准电压进行比较后产生的,用来补偿市电电压的波动,并使市电的 输入功率与负载所需的功率达到平衡。
3 主逆变器控制策略
主逆变器受控为基波正弦电压源,用来控制负载上的电压为稳定纯净的正弦波电压,与 补偿逆变器一起完成对市电电压波动和谐波的补偿;当负载为感性和非线性负载时,向负载 提供无功和谐波电流;当市电掉电时,向负载提供100%的功率。
主逆变器采用瞬时值波形比较法,用负载输出电压减去基准正弦电压,其差值再被基准 正弦电压所减,得到主逆变器工作所需的PWM波的电压指令信号,对主逆变器进行控制,得 到负载所需的电压和谐波补偿值。
4 系统仿真分析
基于上述控制策略,在MATLAB/SIMULINK仿真环境下建立系统仿真模型。交流市电电源是标 准的三相380 V电网电压,在其额定值±15%范围内变化,电网所含谐波用两个 正弦波相叠加模拟5次和7次谐波,其幅值为基波电压值的10%。补偿逆变器和主逆变器都采 用三相半桥结构,蓄电池电压为384 V,负载用三个电阻星型连接而成,电阻值 均为20 Ω。
(1) 电压调节功能 市电电压在±15%范围内波动,当市电相电压升高到峰值电压350 V时,仿真波 形如图4所示;当市电降低到峰值电压为260 V时,仿真结果如图5所示。U a为市电A相输入电压,UaL为A相负载电压。由仿真波形(见图4)可以看出,无 论市电 处于欠压还是过压状态,电源始终输出峰值为311 V的正弦波电压,且对电网电 压的谐波具有很好的抑制作用。从Delta逆变器A相补偿 电压波形(见图6)可以看出, 补偿变压器工作在高频开关状态, 这样可以大大减少 补偿变压器的体积。t/s
(2) 功率因数调节功能 A相市电电压Ua和电流Ia的波形如图7所示,负载电 压UaL和电流IaL的波形如图8所示。由于输入 电压含有5次及7次谐波,其波形的失真度输大,通过补偿变压器的消谐波补偿,使得输出的 负载电压为纯净稳定的正弦波,并实现了市电输入电压和输入电流的相位基本一致。t/s
5 结束语
通过对串并联补偿式UPS控制策略的研究,建立了整个系统的仿真模型。在电源电压非 额定值、有谐波电压、有大量无功电流的情况下分别进行了仿真分析。从仿真结果可以看出 串并联补偿式变换型UPS能补偿电网电压的波动,抑制电网电压的谐波,使负载端电压为稳 定的正弦波电压;同时具有功率因数调节功能,使电网电流趋于与电网电压同频同相的正弦 波,输入功率因数接近于1,对市电干扰比较小。因此本文所研究的控制策略较好地实现串 并联补偿式UPS的全部功能,是一种值得推广的新型UPS控制策略。
参考文献:
[1] 王其英,刘秀荣.新型不停电电源(UPS)的管理使用与维护[M].北京 :人民邮电出版社,2005.
[2] 曹保国.UPS应用技术[M].北京:化学工业出版社,2007.
[3] 刘凤军.Delta逆变技术及其在交流电源中的应用[M].北京:机械工业 出版社,2004.
[4] 李勋,戴珂,杨荫福,等.双变流器串-并联补偿式UPS控制策略研究[J] .中国电机工程学报,2003,23(10):104-108.
[5] 刘维罡,沈颂华.Delta变换型UPS的控制策略及仿真研究[J].电力自 动化设备,2007(4):14-18.
[6] 王归新,张昌胜,康勇,等.UPS逆变器电压控制的Delta调制策略研究[J ].中国电机工程学报,2004(9):182-187.
(责任编辑:何学华,吴晓红)
关键词:串并联补偿式UPS;无功电流;谐波
中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1672-1098(2009)03-0031-05
UPS(Uninterrupted Power Supply)又称为不间断电源,它通常被置于市电电网和用 电负载之间,其目的是改善对负载的供电质量,并在市电故障时,保证负载设备的正常运行 。UPS不仅使供电无中断,而且还具有稳定输出电压和抗干扰等功能。目前市场上已经有不 同类型的UPS,按UPS的工作方式可分为后备式、传统双变换在线式、在线互动式及串并联在 线补偿式四大类。
串并联补偿式UPS与传统双变换UPS相比, 在系统结构和电能变化上都引入了全新的概念 , 它既保留了传统在线式UPS的全部在线功能和输出电压高质量, 又使得很多关键性能指 标 得到改善, 不仅消除了对电网的污染, 更重要的是输出能力高、 可靠性强, 可以说是目 前比较理想的UPS系统。
然而,串并补偿式UPS的性能优劣主要决定于其内部的控制策略。由于补偿式UPS有两个 变换器:串联补偿变流器和主变流器,两个变流器需要同步协调控制。因此本文主要研究两 种变流器的同步协调控制策略。该策略将串联变流器控制为基波正弦电流源,而并联变流器 被控为基波正弦电压源,从而实现在电源电压不是额定值且含有谐波电压、负载有谐波电流 和无功电流的情况下,电源输入电流被控制为正弦波、功率因数接近1,负载电压被控制为 额定值正弦波。通过仿真实验,验证了这种UPS具有输入功率因数高,输出电压稳定。在市 电正常时,两个变换器的功率强度只有输出功率的20%左右,过载能力强,整机效率高。
1 补偿式UPS的电路拓朴
串并联补偿式UPS的电路结构(只画出了一相)主要由三相补偿变压器、三相补偿逆变 器、三相主逆变器、主静态开关、旁路静态开关、输入输出滤波器及蓄电池组等部分构成( 见图1)。补偿逆变器通过补偿变压器串联连接在市电电源与负载之间,其容量约为系统总 容量的20%左右,主逆变器并联在系统输出端,其容量等于UPS系统容量。当输入电源电压波 动小于±15%,频率波动小于±3%时,由Delta逆变器和市电电源共同对负载供电,其稳压精 度为±1%(其中85%~100%来自市电电源,0%~15%来自Delta逆变器);当输入电源超过上述 电压和频率范围时,系统转入蓄电池供电方式,由主逆变器为负载提供100%的不间断纯净正 弦波电源。市电正常时,Delta逆变器只需补偿与市电电压和系统输出电压差有关的功率, 故损耗小,效率高,功率余量大,过载能力强。
2 Delta逆变器控制策略
Delta逆变器受控为基波正弦电流源,主要用来消除市电输入电流中的无功与谐波电流 和对市电电压进行波动补偿,兼有有源滤波和交流稳压的双重功能。其控制电路有两个反馈 信号:一是负载反馈电流信号iL,用来消除市电输入电流中的无功和谐波分量,使市 电输出 电流与市电电压同相位,输入功率因数为1;另一个是蓄电池电压反馈信号ΔUd ,由蓄电 池电压Ud与其基准电压进行比较后产生的,用来补偿市电电压的波动,并使市电的 输入功率与负载所需的功率达到平衡。
3 主逆变器控制策略
主逆变器受控为基波正弦电压源,用来控制负载上的电压为稳定纯净的正弦波电压,与 补偿逆变器一起完成对市电电压波动和谐波的补偿;当负载为感性和非线性负载时,向负载 提供无功和谐波电流;当市电掉电时,向负载提供100%的功率。
主逆变器采用瞬时值波形比较法,用负载输出电压减去基准正弦电压,其差值再被基准 正弦电压所减,得到主逆变器工作所需的PWM波的电压指令信号,对主逆变器进行控制,得 到负载所需的电压和谐波补偿值。
4 系统仿真分析
基于上述控制策略,在MATLAB/SIMULINK仿真环境下建立系统仿真模型。交流市电电源是标 准的三相380 V电网电压,在其额定值±15%范围内变化,电网所含谐波用两个 正弦波相叠加模拟5次和7次谐波,其幅值为基波电压值的10%。补偿逆变器和主逆变器都采 用三相半桥结构,蓄电池电压为384 V,负载用三个电阻星型连接而成,电阻值 均为20 Ω。
(1) 电压调节功能 市电电压在±15%范围内波动,当市电相电压升高到峰值电压350 V时,仿真波 形如图4所示;当市电降低到峰值电压为260 V时,仿真结果如图5所示。U a为市电A相输入电压,UaL为A相负载电压。由仿真波形(见图4)可以看出,无 论市电 处于欠压还是过压状态,电源始终输出峰值为311 V的正弦波电压,且对电网电 压的谐波具有很好的抑制作用。从Delta逆变器A相补偿 电压波形(见图6)可以看出, 补偿变压器工作在高频开关状态, 这样可以大大减少 补偿变压器的体积。t/s
(2) 功率因数调节功能 A相市电电压Ua和电流Ia的波形如图7所示,负载电 压UaL和电流IaL的波形如图8所示。由于输入 电压含有5次及7次谐波,其波形的失真度输大,通过补偿变压器的消谐波补偿,使得输出的 负载电压为纯净稳定的正弦波,并实现了市电输入电压和输入电流的相位基本一致。t/s
5 结束语
通过对串并联补偿式UPS控制策略的研究,建立了整个系统的仿真模型。在电源电压非 额定值、有谐波电压、有大量无功电流的情况下分别进行了仿真分析。从仿真结果可以看出 串并联补偿式变换型UPS能补偿电网电压的波动,抑制电网电压的谐波,使负载端电压为稳 定的正弦波电压;同时具有功率因数调节功能,使电网电流趋于与电网电压同频同相的正弦 波,输入功率因数接近于1,对市电干扰比较小。因此本文所研究的控制策略较好地实现串 并联补偿式UPS的全部功能,是一种值得推广的新型UPS控制策略。
参考文献:
[1] 王其英,刘秀荣.新型不停电电源(UPS)的管理使用与维护[M].北京 :人民邮电出版社,2005.
[2] 曹保国.UPS应用技术[M].北京:化学工业出版社,2007.
[3] 刘凤军.Delta逆变技术及其在交流电源中的应用[M].北京:机械工业 出版社,2004.
[4] 李勋,戴珂,杨荫福,等.双变流器串-并联补偿式UPS控制策略研究[J] .中国电机工程学报,2003,23(10):104-108.
[5] 刘维罡,沈颂华.Delta变换型UPS的控制策略及仿真研究[J].电力自 动化设备,2007(4):14-18.
[6] 王归新,张昌胜,康勇,等.UPS逆变器电压控制的Delta调制策略研究[J ].中国电机工程学报,2004(9):182-187.
(责任编辑:何学华,吴晓红)