具有不对称电流补偿功能的三相串并联补偿式UPS

摘要：叙述了这种UPS的工作原理与控制方式，提出的控制方式可以实现串并联补偿式UPS全部控制功能，在电源电压不是额定值且含有谐波电压、负载含有谐波电流和无功电流的情况下，电源输入电流被控制成正弦，功率因数等于1，负载电压被控制成额定值正弦波电压，并且具有不对称电流补偿功能。
关键词：三相；串并联；补偿；UPS

O 引言
串并联补偿式UPS，是1994年由丹麦科尔丁硅能电子公司的奥维里克托姆等3人发明的，1998年被美国APC司收购，并将原发明中的AC调节器改进成Delta逆变器后投入市场，故也称作Delta变换式UPS。根据国际标准IEC62040．3，这种UPS属于在线互动式UPS。

三相串并联补偿式UPS与传统UPS相比具有如下优点：
1)能够同时对输入与输出端的电能参数进行双在线监测补偿，在满足市电输入功率因数等于1的要求同时，也满足了负载电压为稳定纯净的三相对称正弦波电压的要求；
2)可以使电能质量得到全面提高；
3)由于将全功率变换改成了增量补偿式变换，使uPs的设备容量仅为额定负载容量的20％，故提高了过载能力，减少了损耗；
4)阻断了市电与负载之间的谐波相互干扰；
5)由于是与市电电源同步运行，扩容容易。

但这种UPS也有缺点，如对无功与谐波电流补偿的效率低，效率受负载变化的影响大，不能对不对称负载电流进行补偿等，这些缺点都是由它的控制方式造成的。为了能使这种UPS具有不对称负载电流补偿功能，本文介绍的UPS控制电路中采用了特殊的方法。这里所说的不对称负载电流补偿功能，就是将三相负载的不对称电流，变换成市电输入的三相对称电流之义。这项功能具有重要的使用价值。

1 电路组成与各部分的功能及控制方式
具有不对称负载补偿功能的三相串并联补偿式UPS的原理电路如图1所示，它是由两个直流侧带中性点的，可以双向四象限工作的三相PWM半桥式逆变器，以串并联补偿式电路构成的，其各部分的功能如下。

Delta逆变器 容量取决于市电电压波动范围和负载功率因数，大约只有USP标称容量的20％。在输入端通过其输出变压器Tra、Trb、Trc、的次级与负载串联，工作在正弦波电流源状态。其主要功能是消除市电输入电流中的无功与谐波分量，使市电输入功率因数等于1；对市电电压的波动、三相不对称度进行补偿；将三相负载的不对称电流、变换成市电输入的三相对称电流；控制UPS输入与输出功率的平衡和向蓄电池充电；靠电流源的无限大内阻来阻止市电与负载之间的谐波相互干扰。

主逆变器 容量等于UPS标称容量，在输出端通过其输出滤波电感LF2与负载并联，工作在正弦波电压源状态。其主要功能是控制负载上的电压成为三相稳定的正弦波电压；靠电压源无限小内阻向负载提供无功电流、谐波电流和不对称电流；当市电掉电时向负载提供100%的功率；控制UPS输入与输出功率平衡和向蓄电池充电。

三相基准正弦电压这是一个与市电同步锁相的交流标准电压发生器，其电路如图2和图3所示，电压稳定度优于0．02％，波形失真小于O．5％，三相电压的对称度为120。0 5，主要用来作为三相UPS的同步坐标基准，和控制电路的数值与波形的标准电压电流信号。

低通滤波器低通滤波器LF1、CF1主要用来滤除市电电压和Delta逆变器输出电压和电流中的谐波；低通滤波器LF2、CFz主要用来滤除主逆变器输出电流中的高次谐波；同时LF1和LF2也是市电与主逆变器并联工作时的平衡电感，LF2又是主逆变器整流工作时的升压储能电感。

电流指令值运算电路和电压指令值运算电路主要用来运算出Delta逆变器的电流指令值信号iac、ibc、icc，和主逆变器的电压指令值信号uac、ubc、ucc、。

PWM电路 DelLa逆变器和主逆变器的PWM控制电路，采用的是如图4所示的三角波比较控制方式，其特点是将指令值与补偿量的偏差经过放大后再与三角波进行比较，其目的是把偏差控制到最小，是属于跟踪型PWM控制方式。

2 Delta逆变器的电流指令值运算电路
Delta逆变器是一一个用IGBT作开关的三相半桥式PWM逆变器，可以双向四象限工作，其开关频率为5～20kHz，对它的控制策略就是将其控制成正弦波电流源，以完成前面提到的功能。它的电流指令值运算电路的原理框图如图5所示。当负载中含有电阻、电感与非线性负载时，市电输入电流将包含有功、无功和谐波电流。例如对于A相输入电流，其傅里叶级数表示式为

式中：注脚l代表基波，n代表谐波次数，φ1为基波电流滞后于电压的相位角。

如图5所示，ia经过低通滤波器LPF1滤除谐波电流后得到

ia1与A相基准电压uar=Umsinωt在乘法器1中相乘后得

用低通滤波器LPF2滤除Fa中的二次谐波后