用户电能质量综合补偿器与在线UPS工作原理

4  三相电能质量综合补偿器与在线UPS

    用户电能质量综合补偿器与在线补偿式UPS电路如图10所示，它是由与电路串联的市电稳压滤波器，和与电路并联的电流无功补偿滤波器组成的。当直流电路并入蓄电池，变压器T_r的变比k=1：1时就是补偿式在线UPS；而不并入蓄电池，k=0.25：1时就是电能质量综合补偿器。

图10  用户电能质量综合补偿器与在线UPS电路框图

    当作为在线UPS应用时，如果市电存在，则电路运行在电能质量综合补偿器状态；当市电断电时，电路工作在UPS状态。市电稳压滤波器（图10中逆变器Ⅰ）由给定正弦基准电压驱动提供有功功率，电流无功补偿滤波器（图10中逆变器Ⅱ）提供无功功率，保证供电不间断，转换时间等于零。蓄电池由逆变器Ⅰ和Ⅱ共同充电。

    当作为电能质量综合补偿器应用时，市电稳压滤波器可以稳定、净化市电输入电压，电流无功补偿滤波器可以补偿无功电流和净化电流中的谐波，使供电质量大大提高，用户负载不受已遭污染的市电电网的影响；用户自己的非线性负载引起的电流畸变也不污染市电电网。所以市电稳压滤波器可以等效成一个正弦电流源，电流无功补偿滤波器可以等效成一个正弦电压源。工作于电流源的双向逆变器Ⅰ，和工作于电压源的双向逆变器Ⅱ，可以互为电源，互为对方传输电能协调工作。例如对于市电稳压滤波器的逆变器Ⅰ，当市电电压高于给定电压时，逆变器Ⅰ吸收功率，对电压进行负补偿，其吸收的功率通过逆变器Ⅱ以电流形式转送到负载；当市电电压低于给定电压时，逆变器Ⅰ输出功率，对电压进行正补偿，其输出的功率通过逆变器Ⅱ以电流形式从市电电网输入。逆变器Ⅱ对负载电流的无功与谐波电流的补偿，所需的能量也是由逆变器Ⅰ供给和输出的。

4.1  主电路逆变器的选型

    主电路逆变器Ⅰ和Ⅱ的选型，与三相电路型式和用户要求有关。对于三相三线制系统可以选用三相半桥式逆变器；对于要求输出相电压的三相四线制系统，则必须选用三个单相全桥逆变器，或选用三相四桥臂逆变器。其原因有两个：一是可以输出相电压，可以向不对称负载供电；二是当一相出现故障时，另外两相还可以供电，提高了供电的可靠性。

    如果需要将三相三线制市电改成三相四线制供电时，可以用中性点形成变压器形成中性点。中性点变压器是变比为1：1的自耦变压器。

4.2  电能质量的检测与控制电路

    电能质量检测法有多种，例如基于Fryze时域分析的有功电流分离法；基于频域分析的FFT检测法；基于自适应干扰抵消原理的闭环检测法等。我们选择了具有较好实时性，在三相系统得到广泛应用的基于广意瞬时无功理论检测法。此法是1983年由日本学者赤木泰文先生提出的。当已知三相瞬时值电压或电流时，用下面给出的方程式将其在静止坐标中的向量变换到以基频速度ω旋转的dqo坐标上：

    i_dqo==·=

    变换后的信号与原信号减少一个基波频率即50Hz。所以dqo变换是一种差频变换，输入信号中的基频、5次、7次等谐波，变换到dqo坐标上时，为直流、4次、6次等谐波。因此，上式中d轴电流直流分量对应于负载基波有功功率，q轴电流直流分量对应于负载基波相位移无功功率，d轴交流分量和q轴交流分量对应于负载高次谐波无功功率，o轴分量i_o对应于基波不对称无功功率。

    上述方法可以分离出有功分量、无功分量，谐波和三相电压或电流的不对称度。由于此法可以把三相基波电压或电流变换成直流值表示，所以消除了频变和相位不一致造成的影响，因此三相基准参考信号可以不必再与市电同步锁相了，可以利用变换成的直流信号进行比较，避免了同步锁相过程的干扰。

4.2.1  市电稳压滤波器的检测控制电路

    为了检测出市电电压基波的大小变化，谐波和不对称度，采用了如图11所示的检测电路。三相正弦基准参考电压u_ar、u_br、u_cr，通过dqo变换及低通滤波器，得到dqo坐标的直流基准参考值和u_or。市电电压u_a、u_b、u_c经dqo变换，得到，和uo；将这些值与、u_or进行比较，将得到的误差值u_df、u_qf、u_of进行dqo反变换即可得到反应市电基波变化，谐波和不对称度的误差值Δu_a＋u_ah，Δu_b＋u_bh，Δu_c＋u_ch。用这些误差值作为SPWM逆变器的调制波，通过图3（a）所示的电路，即可得到市电稳压滤波器（逆变器Ⅰ）的开关驱动信号。

    检测电路中的低通滤波器电路如图11（b）所示，其传递函数为

    H(s)=

    这是一种三阶切比雪夫低通模拟式滤波器，按照图中给出的参数，截止频率为22Hz。

（a）检测电路

(b)低通滤波器电路

图11市电电压检测电路

4.2.2  电流无功补偿滤波器的检测控制电路

    检测电路如图12所示。将输入电流i_a、i_b、i_c进行dqo变换及低通滤波器得到反应基波电流的，切除经dqo反变换即可得到只含有功成分的正弦波电流i_ap、i_bp、i_cp。用此电流与负载电流i_aL、i_bL、i_cL进行比较，就可以得到仅包含无功与谐波的补偿电流参考值。然后用图9所示的Delta控制电路，就可以得到电流无功补偿滤波器（逆变器Ⅱ）的开关驱动信号。

图12电流无功补偿滤波器的检测电路

4.3  电能补偿器与在线UPS给用户带来的好处

    电能质量综合补偿器与在线UPS，可以给用户带来如下好处：

    1）可以使输入电能的质量大大提高，使输入电压精度由原来的(±10～±20）％提高到±1％，波形畸变率减小到3％以内，输入功率因数提高到96％。

    2）逆变器Ⅰ和Ⅱ只承担标称功率的20％，工作效率可以高达96％，过载能力强。

    3）可以大大减小负载设备的故障率，延长了负载寿命，提高了负载的可靠性。

    4）切断了市电与负载之间谐波影响，已遭污染的市电不影响负载的工作，非线性负载产生的谐波也不污染市电。

    5）在线UPS运行时，市电故障的切换时间为零，多台UPS可以并联运行，扩容方便。

    6）是一种绿色电源，可满足任何负载要求。

    7）输出能力强，过载能力可达200％1min，负载电流峰值系数为5：1，对负载电流浪涌系数没有限制，可直接起动负载，输出kW值等于标称kVA值，克服了UPS自身不可克服的缺点。

5  结语

    本文介绍的用户电能质量综合补偿器与补偿式在线UPS，在美国和日本已经商品化，如美国电力转换公司APC已将这项技术应用到在线UPS中，生产出了Silcon DP300E系列在线式大功率UPS，与传统在线UPS相比使多项指标得到了改善和突破。目前我国尚未开发，但已受到重视，有的高校和科研部门正在着手研制。预计不久将会在我国得到普遍的推广和应用。