用户电能质量综合补偿器与在线UPS工作原理

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图4 对市电电压补偿的物理示意图

2.2 变压器T_r的变比

变压器T_r变比k的大小，取决于市电电压变化的范围。当用作电能质量综合补偿器时，由于市电电压的允许变化范围为±10％，实际有的地方变化范围可达±20％，所以变比k应取±25％；当用于补偿式在线UPS时，当市电停电时电压的变化为100％，故k值应取1：1，以全电压对市电电压进行补偿。

3 电流无功补偿滤波器

电流无功补偿滤波器的原理电路如图5所示。由于感性负载和非线性负载的作用，使电流含有无功成分并发生畸变，包含无功与畸变的负载电流i_aL用傅里叶级数表示时为

i_aL=I_an·sin(nωt＋φ_n)=I_a1·sin(ωt＋φ₁)＋I_an·sin(nωt＋φ_n)=I_a1cosφ₁·sinωt＋I_a1sinφ₁·cos_ωt＋I_an·sin(nωt＋φ_n₁)(11)

此式表明，畸变的电流由三部分组成

i_1p=I_a1cosφ₁·sinωt=I_ap·sinωt

为基波有功电流；

i_1q=I_a1sinφ₁·cosωt=I_aq·cosωt

为基波无功电流；

i_an=I_ansin(nωt＋φ_n)为高次谐波电流。

图5 电流无功补偿滤波器

由图5可知：当完全补偿时，负载电流i_aL应由市电输入电流i_a和补偿电流i_ac共同供给，即i_aL=i_a＋i_ac。如果用适当的控制方式，使补偿器的输出电流i_ac=i_1q＋i_an，则市电只须向负载提供基波有功电流i_1p就可以了。这样就完全实现了补偿，市电输入电流i_a与市电电压u_a同相位，输入功率因数cooφ=1，i_a为正弦波电流。如果只需要消除高次谐波电流i_an，或只需要补偿基波无功电流i_1q时，则只须使i_ac=i_an或i_ac=i_1q就可以了。为了能很好地完全补偿基波无功电流i_1q和高次谐波电流i_an，逆变器采用了双向全桥逆变器，并采用了线性Delta滞环控制方式。

3.1 补偿器的数学模型

对有源滤波与无功补偿器的要求是具有较强的适应能力和较高的反应速度。图5所示电路是可以满足上述要求的。图中C_d为为储能电容，R为回路电阻，根据基尔霍夫定律可得

(12)

式中：u_a为市电电压；

U_dc为电容C_d上的电压；

i_ac为补偿电流；

F为逆变器开关函数。

(13)

为了使C_d上的电压U_dc恒定，C_d的值应足够大。由于补偿器前面有市电电压稳压滤波器，所以u_a=U_am·sinωt，将F、u_a代入式（12），解出补偿电流i_ac的表示式为

i_ac=(ωLcosωt－Rsinωt)＋（14）

i_ac的初始值为

i_ac(t₁)=(ωLcosωt₁－Rsinωt₁)＋（15）

C_d={i_ac(t₁)－〔(ωLcosωt₁－Rsinωt₁)＋〕}（16）

将C_d的值代入式（14）得到

i_ac=〔(ωLcosωt－Rsinωt)－(ωLcosωt₁－Rsinωt₁)〕＋

〔1－〕＋i_ac(t₁)（17）

由于回路电阻R很小，当令R=0时可得

i_ac=(cosωt－cosωt₁)＋(t－t₁)＋i_ac(t₁)(18)

式（18）表明，补偿电流i_ac只与电感L有关。

3.2 电感L的值

假定补偿对象是整流器，其交流侧的电流波形如图6所示，由此可以得到补偿电流参考值的波形如图7所示。的变化是不均匀的，求解电感L的值也是很复杂的，为了节省篇幅，L的推导过程省略。从跟踪角度出发，L值应取得大些。综合两者要求，通过推导得到L值计算式为

图6 整流器负载电流

图7 补偿电流参考值

式中：N′为系数，N′=0.3～0.7，参数U_am，U_dc，I_aL，T（开关周期），α，μ和I_ap在额定情况下都是已知的，其含义见图6。当α=30°，μ=15°，L=3.4mH，f_s=5kHz时，仿真结果如图8所示。此结果表明：市电输入电流i_a由原来的方波，变成了准正弦波。输入功率因数cosφ=1。