一种完美无谐波多电平ZVS UPS（一）

所谓完美无谐波UPS,是指这种UPS具有完美的输入和输出波形,在无需附加任何滤波装置的情况下,可以满足各国供电部门对谐波的严格要求,从而实现了UPS的绿色革命。

此完美无谐波ZVS UPS所以能达到理想的技术指标,是因为采用了以下三项新技术:

(1)采用了文献[1]介绍的改革后的新型多电平逆变技术,即把级联叠加与SPWM控制从逆变器移到了直流电源上进行,最大限度地减少了开关器件的数目,也减少了开关损耗,称作直流电源SPWM级联式多电平逆变器。

(2)在控制叠加与进行SPWM控制的直流电源控制开关上,采用了ZVS零电压软开关技术,进一步减少了逆变器的开关损耗。

(3)UPS的市电输入采用18相整流的三重叠加电路,显著减小市电输入电流的畸变率,从而提高了市电的输入功率因数。

1 直流电源SPWM级联式多电平逆变器

1.1 直流电源的级联叠加原理

直流电源的级联叠加原理电路如图1所示，其中图(a)为主电路，图(b)为控制电路。由主电路图可知，它是由N个独立直流电源E1=E2=…=EN-1=EN=E,N个叠加与SPWM控制开关S1～SN和N个串联连接的叠加二极管D1～DN组成的,是通过N个控制开关S1～SN与N个叠加二极管分别对应并联连接而成的。控制开关一般选用具有内置反馈二极管的IGBT,而叠加二极管D1～DN则选用单体二极管。直流电源级联电路的主要作用,是将N个独立直流电源,通过对控制开关S1～SN的SPWM控制,叠加生成类似于单相桥式整流输出电压波形的N电平SPWM直流电源。

图1  直流电源的级联叠加原理电路

N个独立直流电源的叠加原理,是利用叠加二极管D1～DN的单向导电特性实现的:当二极管的正极电位比负极电位高时,处于正偏置状态,二级管导通;反之,当二极管的正极电位比负极电位低时,处于反偏置状态,二极管关断。通过对叠加控制开关S1～SN的通、断控制,就可以控制叠加二极管的正、反偏置状态,以实现N个独立直流电源E1～EN有选择地进行叠加,叠加后的输出电压。

叠加控制开关S1～SN中的任意一个或几个开关开通时,与开通开关相对应的叠加二级管就会因反偏置而关断,相应的独立直流电源就会被接入到输出电路中,叠加后的输出电压就会包括那些相应的独立直流电源。

1.2 直流电源级联叠加SPWM控制的实现

直流电源级联叠加SPWM控制的实现与通常的钳位式或2H桥级联式多电平逆变器是不同的,即SPWM控制不是在逆变器的逆变开关上实现,而是在直流电源的级联叠加控制开关S1～SN上实现的,这样做的目的有两个:一是为了减少逆变器的开关数目,降低成本;二是为了减少逆变器的总等效开关次数,降低开关损耗,使逆变开关自然地工作在ZVS状态,以提高逆变效率。

1.3 直流电源SPWM级联式多电平逆变器

这种多电平逆变器是采用SPWM控制在直流电源上实现的。直流电源SPWM级联式多电平逆变器的原理电路如图2所示。这是一种N=3的直流电源级联式多电平逆变器。它是由直流电源SPWM级联电路和后面的2H桥逆变电路两部分组合而成,采用的是载波三角波移相SPWM控制方式(PSCPWM),N个载波三角波的移相角α=2π/N,对于图2所示的电路,N=3,故载波三角波的移相角α=2π/3。假定载波三角波uc1的初相位角α1=0°,则载波三角波uc2的初相位角α2=2π/3,uc3的初相位角α3=4π/3。3个载波三角波与一个共用的正弦调制波usA进行比较,所产生的3个SPWM控制脉冲分别去控制叠加开关SA1～SA3。用uc1与usA进行比较,在usA>uc1的部分产生SPWM脉冲去控制开关SA1,使电源E1的输出电压波形为Ud1;用uc2与usA进行比较,在usA>uc2的部分产生SPWM脉冲去控制开关SA2,使E2的输出电压波形为Ud2;用uc3与usA进行比较,在usA>uc3的部分产生SPWM脉冲去控制开关SA3,使E3的输出电压波形为Ud3。这样,3个独立直流电源E1～E3的输出电压Ud1～Ud3叠加后的输出电压为UdA=Ud1+Ud2+Ud3。此输出电压波形是一个类似于单相全桥整流器输出电压波形的3电平SPWM电压波形(见图2)。此电压经过由SA4～SA7组成的2HA桥逆变器的同步逆变后,就可以得到交流7电平SPWM电压输出。从图2所示的直流电压UdA的波形可知,UdA的过零点电压等于零,因此2HA桥中的4个逆变开关是自然工作在ZVS零电压开关状态,故可以选用低速廉价的GTO或SCR作为逆变开关。

图2  直流电源SPWM级联式多电平逆变器的原理电路

1.4 叠加开关SA1~SA3的ZVS构成

由上述可知,图2中2HA桥逆变器的4个逆变开关SA4～SA7是自然工作在ZVS零电压开关状态,但图中的叠加开关SA1～SA3仍然是工作在SPWM硬开关状态,仍具有较大的开关损耗和较大的EMI。为此,对叠加开关SA1～SA3采用了准谐振ZVS软开关技术,以进一步减少开关损耗和EMI。

叠加开关SA1～SA3可能采用的准谐振软开关方式有两种,即ZVS软开关和ZCS软开关,如图3所示,图中谐振电感Lr包括电路中可能有的杂散电感和变压器漏感,谐振电容Cr包括开关管的结电容。ZVS谐振开关和ZCS谐振开关之间具有对偶关系,如表1所示。在图3(a)所示的ZVS零电压开关中,当SA开关管关断时,LrCr串联谐振,电容Cr(包括开关SA的输出电容)上的电压,按照准正弦规律变化,当它谐振过零时,令开关管SA开通,因此图3(a)是一种ZVS谐振开关。在图3(b)所示的ZCS零电流开关中,当SA开关管开通时,LrCr并联谐振,SA中的电流按照准正弦规律变化,当电流谐振到零时,令开关管SA关断,因此图3(b)是一种ZCS谐振开关。由于谐振是按照准正弦规律变化的,所以把图3(a)、(b)所示的软开关称为准谐振软开关。这两种软开关都适合于叠加开关SA1～SA3使用,本UPS采用了ZVS软开关方式。

图3  ZVS与ZCS准谐振软开关电路的

表1  ZVS谐振开关和ZCＳ谐振开关的对偶关系

2 18相三重叠加市电输入整流电源

18相三重叠加市电输入整流电源电路,如图4所示。它的移相角为360°/(3×6)=20°。其中图(a)为电路图,图(b)～(f)为电压、电流波形,图(g)为18相矢量图。用输入整流变压器形成具有20°相角差、大小相等的3组输出电压,每组分别接入一个三相桥式全控整流器构成的18相输入整流电源。各整流桥以对其所施加电压相同的相位控制角α工作。可以看出,交流输入电流由18梯级的梯形波构成如图(f)所示,将合成的市电输入电流波形用傅里叶级数展开,则在傅里叶级数式中将不包含零序谐波。各次谐波的幅值如下:

基波幅值: 

6k±1次谐波(k=1,2,3,…):

残存的谐波为17、19;35、37;53、55;…次,其幅值与次数成反比减小。

18相整流三重叠加的特性值为:

直流输出电压Ud=9Umcosα/π

直流输出电压纹波频率为18×50=900Hz

合成输入电流有效值Ia1=2.351Id(电压变比为1:1)

输入电流畸变率=0.1011

位移因数ε1=cosα

输入总功率因数PF=0.9949cosα

图4  18相三重叠加市电输入整流电源