一种智能型大功率“绿色环保”UPS

1引言

目前，中大功率UPS的整流器一般采用相控式整流电路。相控式整流电路结构简单，控制技术成熟，但交流输入功率因数低，并向电网注入大量的谐波电流，不满足“绿色用电”的要求。为了克服上述缺点，许继电源公司在引进东芝公司UPS技术的基础，采用高频PWM整流电路，研制出30kVA～100kVA三相输出和30kVA～50kVA单相输出的大功率UPS。该UPS是一种在线式智能UPS，除了具有完美的输出特性外，还具有交流输入电流接近理想正弦波、注入电网谐波电流少、输入功率因数接近1等优点，完全满足“绿色用电”的要求，是一种极有发展前途的UPS。下面介绍其系统结构、工作原理及特点。

2系统结构

图1给出了本文所研制的UPS系统结构简图。它是一种在线式UPS，由PWM整流电路、蓄电池组、SPWM逆变电路、输出隔离变压器、旁路电源、切换电路、控制电路、监控单元等组成，其中输入PWM整流电路和输出SPWM逆变电路均采用IGBT器件。除了整流电路不同外，其它部分的结构、工作原理和控制方法与采用相控整流电路的在线式UPS完全相同。

3PWM整流电路结构和工作原理

本文研制的UPS采用三相PWM整流电路，其电路结构如图2所示，开关器件采用IGBT。为了更好地说明其工作原理，首先介绍单相PWM整流电路的工作原理。图3给出了单相PWM整流电路的原理框图。在UPS中，图中的负载即为逆变器和蓄电池。同SPWM逆变电路控制输出电压相类似，可在PWM整流电路的交流输入端AB之间产生一个正弦波调制PWM波uAB，uAB中除了含有与电源同频率的基波分量外，还含有与开关频率有关的高次谐波。由于电感Ls的滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流电流is产生很小的脉动。如果忽略这种脉动，is为频率与电源频率相同的正弦波。在交流电源电压us一定时，is的幅值和相位由uAB中基波分量的幅值及其与us的相位差决定。改变uAB中基波分量的幅值和相位，就可以使is与us同相位。图4给出了单相PWM整流电路的相量图，其中表示电网电压，表示PWM整流电路输入的交流电压，为连接电抗器Ls的电压，为电网内阻Rs的电压。图中滞后的相角为φ，与的相位完全相同，电路工作在整流状态，且功率因数为1。这就是PWM整流电路的基本工作原理。

图1UPS系统结构简图

图2三相PWM整流电路的主电路结构

图3单相全桥PWM整流电路

图4单相PWM整流电路的向量图

三相PWM整流电路的工作原理同单相PWM整流电路相类似，通过对图2电路进行SPWM控制，便可在交流输入端得到正弦PWM电压uAB、uBC、uCA，并通过控制uAB、uBC、uCA的基波分量的幅值和相位，就可以使各相电流为正弦波，并且与电网电压同相位，输入功率因数接近1。

要使三相PWM整流电路正常工作，其直流侧电压必须大于交流输入线电压的峰值[1]。在UPS中，整流电路输出电压即为蓄电池的充电电压，一般浮充电压为390V左右。当蓄电池放电后重新充电时，充电电压在280V～410V范围内变化。对于线电压为380V的三相输入UPS，其线电压峰值远远大于280V，不满足三相PWM整流电路正常工作的条件。本文采用自耦变压器Tr将三相输入电压降低以后再输入PWM整流电路，Tr的变比为380/210，这样，当输入电压在允许的范围变化时，在整个充电电压范围内均能满足PWM整流电路的电压变换条件。

4PWM整流电路控制方法

PWM整流电路的控制方法有直接电流控制和间接电流控制两种[1][2]。直接电流控制引入交流输入电流反馈实行闭环控制，其电流指令运算电路比不引入交流输入电流反馈的间接电流控制简单，因此，本文采用直接电流控制方法。

图5给出了PWM整流电路控制系统的一相结构简图。采用双环控制，其外环为直流电压控制环，内环为交流电流控制环。直流输出电压给定信号Ud＊和实际的直流电压Ud比较后的误差信号送入PI调节器，PI调节器的输出即为整流器交流输入电流的幅值，它与标准正弦波相乘后形成交流输入电流的给定信号ia＊（ib＊、ic＊），与实际的交流输入电流ia（ib、ic）进行比较，电流误差信号经比例调节器放大后送入比较器，再与三角载波信号比较形成PWM信号。该PWM信号经驱动电路后去驱动主电路开关器件，便可使实际的交流输入电流跟踪指令值，同时达到控制输出电压的目的。

5UPS的主要特性

5.1输入特性

图5直接电流控制系统结构图

图6UPS输入电流波形

该UPS由于采用了先进的PWM整流电路，使其具有比采用相控整流电路的UPS更优的输入特性，这主要表现如下：

（1）具有完美的正弦波输入电流，极大地减少了UPS对电网的谐波污染。图6给出了该系列UPS的输入电流波形；

（2）输入功率因数近似为1，使得UPS与电网之间几乎没有无功传递，可以降低电源系统的变压器的容量，大幅减少无功损耗，从而可以节约能源，降低系统成本；

（3）输入电压范围宽，更适合于电网电压剧烈波动的地区，有利于减少蓄电池的充放电次数；

（4）整流输出直流电压纹波小，可延长蓄电池使用寿命。

5.2其他特性

(1)逆变器采用IGBT器件和SPWM控制技术，具有完美的输出特性，始终向负载提供高品质的正弦波电压：

输出电压稳压精度高，不大于1％；

输出电压畸变率低，100％非线性负载时的畸变率不大于3％；

负载从0～100％突变时，输出电压波动小，不大于4％；

负载100％不平衡时，电压不平衡不大于1.5％；

（2）采用数字化控制技术，大大减少了控制电路的元件数，不仅提高了可靠性，而且UPS调试简单，维护方便。另外，数字化控制还使UPS具有故障自诊断和监控功能；

（3）UPS的逆变器供电与旁路电源供电之间可自动或手动无间断切换；

（4）具有简单友好的人机界面，采用LED运行状态模拟图清晰显示UPS运行模式，并采用LCD中文显示UPS的工作状态、运行参数和故障报警信息；

（5）UPS在线记录运行时的各种数据，并储存在IC卡中，用于调试和故障诊断。IC卡数据构成：模拟数据27项，数字量19项，记录时间500ms（故障发生之前450ms，发生之后50ms）；

（6）具有电池过放电保护、预报电池的备用时间、按温度调整电池的充电电压等蓄电池管理功能，并提供均充及浮充两种充电模式，具有恒流和恒压充电功能；

(7)通过RS232标准接口和UPS智能监控软件，可以实现远程微机监控UPS的运行状态。

6结语

本文介绍的UPS整流部分采用PWM整流电路，集整流与谐波抑制功能于一体，在提供稳定直流电压的同时，获得完美的正弦波输入电流，是一种真正意义上的“绿色环保”UPS。