0 引言

    隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”和“大數(shù)據(jù)”時(shí)代的到來，信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信息設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性變得更加重要,。然而，由于電網(wǎng)電壓的突然跌落或者中斷,，引起的相關(guān)設(shè)備不穩(wěn)定運(yùn)行或者斷電關(guān)機(jī)可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失,，甚至安全事故。UPS電源的作用是在電網(wǎng)電壓跌落或者中斷時(shí)保證用電設(shè)備的持續(xù)運(yùn)行,。目前,，UPS作為后備電源，在醫(yī)院,、銀行以及數(shù)據(jù)管理等領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用,，在電網(wǎng)電壓中斷時(shí)發(fā)揮著不可替代的作用。

    另一方面，大量非線性電力電子裝置的存在給電網(wǎng)引入了諧波電流,，使電能質(zhì)量嚴(yán)重惡化,，進(jìn)而影響設(shè)備控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。有源電力濾波器（APF）是一種可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償諧波的裝置,，通過信號主動(dòng)抵消技術(shù),，對諧波有很好的濾除效果。

    通過對UPS和APF研究發(fā)現(xiàn)了以下三個(gè)情況：

    (1)UPS的直接負(fù)載通常為設(shè)備的電源系統(tǒng),，而大多數(shù)電源系統(tǒng)中均含有自然整流等非線性電力電子裝置,，所以可以認(rèn)為在UPS使用的場合存在諧波問題。

    (2)離線式UPS在電網(wǎng)正常時(shí),，完成對蓄電池充電后處于旁路狀態(tài),，這樣導(dǎo)致UPS存在利用率低的問題。

    (3)離線式UPS和并聯(lián)型APF都與電網(wǎng)并聯(lián),，核心均為三相橋式逆變器,，兩者具有結(jié)構(gòu)上的統(tǒng)一性。

    基于以上論述,，本文設(shè)計(jì)一種具有APF功能的UPS電源,，在基本不增加硬件成本的情況下，通過資源整合,，實(shí)現(xiàn)單機(jī)多功能,，使離線式UPS具有了有源濾波功能，既可改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量,，又可提高設(shè)備的利用率,。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

    具有有源濾波功能的UPS電源結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    設(shè)備有兩種工作模式,，實(shí)時(shí)檢測電網(wǎng)電壓,，當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時(shí)，開關(guān)K1,、K2,、K3閉合，工作于APF模式,，其直流側(cè)電壓由電網(wǎng)電壓整流后提供,。采集電網(wǎng)電流，提取諧波電流,，作為逆變器電流閉環(huán)的參考信號,，輸出補(bǔ)償電流，抵消諧波電流,；與此同時(shí),，K4閉合,，控制雙向DC-DC電路，使其工作在BUCK狀態(tài),，給蓄電池充電,，充電完成后K4斷開。

    當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落或者中斷時(shí),，控制雙向DC-DC電路,，使其工作在BOOST狀態(tài)，并立刻閉合K4,，斷開K1和K3,，蓄電池升壓后給逆變橋直流母線供電，此時(shí)設(shè)備工作于UPS模式,，輸出三相交流電壓,，向負(fù)載提供功率，保證負(fù)載持續(xù)運(yùn)行,。要說明的是,，K4需使用響應(yīng)速度更快的MOSFET開關(guān)管，以便在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)蓄電池迅速地被投入到系統(tǒng)中,，為逆變直流母線提供電壓,。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 并網(wǎng)技術(shù)

    在APF模式下，系統(tǒng)與電網(wǎng)并聯(lián),，需保證補(bǔ)償電流與電網(wǎng)電壓同頻同相以進(jìn)行并網(wǎng),。因此，電網(wǎng)電壓鎖相是并網(wǎng)的關(guān)鍵,，采用基于雙二階廣義積分器的軟件鎖相環(huán)（DSOGI-PLL）實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓的鎖相,，其系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    其中,，T_αβ為Clark變換矩陣,；T_dq為Park變換矩陣；u_a,、u_b,、u_c為輸入的三相電網(wǎng)電壓；w_ff為頻率參考信號,，在工頻下其取值通常為100π,；θ^+′、為輸出的電網(wǎng)電壓相位角度信號,。DSOGI-PLL可以很好地抑制諧波對系統(tǒng)輸出的影響，并且對頻率變化具有良好的自適應(yīng)性,，即使在三相不平衡時(shí)也能快速準(zhǔn)確地獲得電網(wǎng)電壓正序分量的頻率和相位信息,。其實(shí)現(xiàn)的核心是構(gòu)建基于雙二階廣義積分器(SOGI)的自適應(yīng)濾波器,實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示,。

    SOGI-QSG系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

2.2 諧波檢測

    非線性負(fù)載給電網(wǎng)引入了電流諧波，在APF模式下,，系統(tǒng)要實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流,，所以需要檢測負(fù)載側(cè)的電流，提取出諧波信號,，作為逆變器輸出的電流指令信號,。基于瞬時(shí)無功功率理論的i_p-i_q諧波檢測方法因其檢測結(jié)果的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確性被廣泛使用,，其檢測結(jié)果不受電壓波形畸變的影響,，所以本文采用i_p-i_q法進(jìn)行諧波電流的檢測，其控制原理框圖如圖4所示,。

    其中,，分別為Clark和Park變換矩陣的逆陣；wt為電網(wǎng)電壓的同步角度信號,，即由DSOGI-PLL獲得的角度θ^+,、。檢測諧波電流時(shí),，由于采用的LPF不同,，會(huì)有不同的延時(shí)，但延時(shí)不會(huì)超過一個(gè)周期,，所以其具有良好的實(shí)時(shí)性,。三相電流經(jīng)過Clark變換和Park變換到兩相正交旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系后，其基波對應(yīng)直流分量,，通過LPF濾除交流分量得到直流分量,，再經(jīng)過逆變換得到三相電流的基波，與三相電網(wǎng)電流作差便得到諧波電流,，諧波電流取反作為逆變器電流控制的指令信號,。

2.3 電壓跌落檢測

    實(shí)時(shí)檢測電網(wǎng)電壓，當(dāng)發(fā)生跌落的時(shí)候,，實(shí)現(xiàn)從APF模式到UPS模式的切換,。快速地檢測到電網(wǎng)電壓的跌落,，有利于減少模式切換的時(shí)間,，這對離線式UPS的性能至關(guān)重要。傳統(tǒng)的電壓跌落檢測通常采用同步正交旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的有效值比較法,，有效值如式(5)：

    將電網(wǎng)電壓變換到α-β坐標(biāo)系,，分別對每個(gè)軸連續(xù)兩次求誤差，獲得二次變化率Δ(Δu),，并通過兩個(gè)二次變化率求峰值：

    此值與α軸的二次變化率Δ(Δu_α)=Y比較,，當(dāng)Δ(Δu_α)<Δ(Δu_peak)時(shí),，則電網(wǎng)電壓正常，否則電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落,。由于利用電壓的二次變化率進(jìn)行比較,，所以對電壓的變化比較敏感，即使電壓跌落發(fā)生在過零點(diǎn),，此方法能快速準(zhǔn)確的做出判斷,。在檢測到電壓跌落發(fā)生時(shí)，立即控制系統(tǒng)從APF模式轉(zhuǎn)換到UPS模式,。

2.4 蓄電池充放電

    當(dāng)電網(wǎng)電壓異常時(shí),，電網(wǎng)立刻被切斷，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到UPS模式,，此時(shí)蓄電池給后級提供能量,。蓄電池充電在APF模式下完成，而放電在UPS模式下進(jìn)行,。采用雙向DC-DC電路對蓄電池充放電,，電路拓?fù)淙鐖D6所示。

    充電時(shí),，開關(guān)管S1工作在PWM狀態(tài),，S2起續(xù)流作用，整個(gè)電路等效為BUCK電路,，輸入直流電壓V_bus由電網(wǎng)電壓整流獲得,。需要注意的是，無論充電還是放電,，S1與S2的控制信號始終互補(bǔ),。充電方式采用先恒流充電，當(dāng)蓄電池電壓快要達(dá)到額定電壓時(shí)變換到恒壓充電,?？刂撇呗圆捎秒姼须娏鲀?nèi)環(huán)和蓄電池電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制，雙環(huán)均為PI控制器,，控制框圖如圖7所示,。

    G_v(s)和G_i(s)分別為電壓和電流控制器；K_V和K_L分別為蓄電池端電壓和電感電流采樣系數(shù),；1/V_m為PWM調(diào)制的等效傳遞函數(shù),。當(dāng)蓄電池端電壓沒有達(dá)到設(shè)定值V_ref時(shí)，電壓環(huán)輸出飽和,，此飽和值作為電流環(huán)的給定,，蓄電池處于恒流充電狀態(tài)；當(dāng)蓄電池端電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電壓環(huán)起作用,，蓄電池處于恒壓充電狀態(tài),，電壓穩(wěn)定后充電完成，關(guān)閉充放電控制開關(guān)K4,。

    放電時(shí)，開關(guān)管S1起續(xù)流作用,，S2工作在PWM狀態(tài),，等效為BOOST電路。此時(shí)電網(wǎng)已經(jīng)被切斷,，BOOST輸出電壓作為逆變直流母線電壓,，為了保證母線電壓穩(wěn)定，采用電壓閉環(huán)控制,。同時(shí),，為了防止蓄電池放電電流過大，對其進(jìn)行了限幅處理,，所以蓄電池放電也采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán),，與充電時(shí)不同的是電壓環(huán)為BOOST輸出電壓，電流環(huán)為蓄電池的放電電流,，此電流可以與充電時(shí)的電感電流使用同一個(gè)傳感器采集,，只是兩者的電流方向相反?？刂撇呗耘c充電時(shí)相同,。電壓環(huán)根據(jù)逆變直流母線電壓與給定電壓的偏差，作為電流環(huán)的給定,，維持直流母線電壓的穩(wěn)定,，電流環(huán)在放電電流過大時(shí)起作用，限制放電電流,。

3 系統(tǒng)仿真

    在MATLAB/SIMULINK中對系統(tǒng)的APF模式以及APF模式到UPS模式的切換進(jìn)行了仿真,，仿真模型如圖8所示。

    系統(tǒng)由電網(wǎng),、逆變器(UPS電源),、非線性負(fù)載三大部分組成，其中非線性負(fù)載為不可控三相整流器帶阻感性負(fù)載,；控制部分由電壓跌落檢測,、諧波檢測、電流/電壓控制器,、電壓鎖相環(huán)及脈寬調(diào)制器組成,。其中，濾波電感L=3 mH,，內(nèi)阻R_L=0.01 Ω,，非線性負(fù)載中電阻R_Load=10 Ω,，電感L_Load=5 mH。電網(wǎng)相電壓有效值V_Grid=220 V,，逆變器直流側(cè)電壓V_DC=580 V,。

    圖9為系統(tǒng)在APF模式下的情況，從上到下的波形依次為負(fù)載側(cè)電流,、諧波電流,、逆變器補(bǔ)償電流、電網(wǎng)側(cè)電流,。前0.04 s逆變器未投入工作,，可以看出電網(wǎng)電流嚴(yán)重畸變，第0.04 s逆變器投入工作,，對諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償,，補(bǔ)償電流與諧波電流相位相反，補(bǔ)償之后,，電網(wǎng)電流明顯成為正弦波形,。

    圖10（a）和10（b）分別為補(bǔ)償前后電網(wǎng)電流的諧波分析，可以看出非線性負(fù)載給電網(wǎng)中引入了5次,、7次,、11次等諧波，總諧波畸變率達(dá)97.74%,，補(bǔ)償后低次諧波含量明顯下降,，諧波畸變率為4.83%。說明APF的投入濾除了電網(wǎng)中的電流諧波,，使電網(wǎng)電流保持清潔,。

    圖11為APF模式向UPS模式的切換過程，從上到下分別為電網(wǎng)電壓,、逆變器電壓,、負(fù)載電壓、負(fù)載電流,。

    前0.04 s為電網(wǎng)電壓正常時(shí),，逆變器電壓和負(fù)載電壓均與電網(wǎng)電壓相同，第0.04 s電網(wǎng)電壓出現(xiàn)跌落,，立刻切斷電網(wǎng),，由逆變器給負(fù)載供電，可以看出0.04 s以后,，負(fù)載電壓變?yōu)槟孀兤麟妷?，?fù)載電流在電網(wǎng)電壓跌落瞬間有一個(gè)短暫的下降，但是很快又恢復(fù)，恢復(fù)時(shí)間在2 ms以內(nèi),，負(fù)載電壓電流重新建立成功,，即模式切換時(shí)間在2 ms以內(nèi)，此后負(fù)載由UPS供電,，模式切換成功,。這也說明了前文提出的電壓跌落檢測算法的有效性。

4 硬件接口設(shè)計(jì)

    采用TI公司的數(shù)字信號處理器DSP TMS320F28335作為系統(tǒng)的核心控制器,，系統(tǒng)硬件接口如圖12所示,。

    通過DSP的ADC接口采集經(jīng)過調(diào)理的信號，包括電網(wǎng)三相電壓u_a,、u_b、u_c,，逆變直流母線電壓V_dc,，此電壓也是蓄電池放電時(shí)的放電電壓，蓄電池端電壓V_c,，充電時(shí)的充電電流I_c,，逆變器的輸出電壓u_{Invt_a}、u_{Invt_b},、u_{Invt_c}和電流i_{Invt_a},、i_{Invt_b}、i_{Invt_c},，負(fù)載側(cè)電流i_{Load_a},、i_{Load_b}、i_{Load_c},。信號經(jīng)過處理后輸出8路PWM信號(6路為逆變橋驅(qū)動(dòng)信號,，兩路為雙向DC-DC驅(qū)動(dòng)信號)給功率驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路控制主電路的開關(guān)管通斷使系統(tǒng)工作于需要模式,，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的有源濾波與不間斷供電,。

5 結(jié)語

    本文介紹了APF模式下的并網(wǎng)、諧波檢測方法,，并提出了一種電壓降落檢測方法,，闡述了蓄電池充放電策略。此外對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,，并設(shè)計(jì)了硬件電路接口,。在傳統(tǒng)離線式UPS基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，充分利用離線式UPS在電網(wǎng)正常時(shí)處于待機(jī)狀態(tài),，運(yùn)行效率低,，使其在電網(wǎng)正常時(shí)工作于APF模式，補(bǔ)償電網(wǎng)諧波，系統(tǒng)可以根據(jù)電網(wǎng)電壓狀況在APF模式與UPS模式之間自動(dòng)切換,，實(shí)現(xiàn)了一種具有有源濾波功能的UPS電源,，提高了設(shè)備的利用率。該UPS電源可應(yīng)用于計(jì)算機(jī)機(jī)房,、數(shù)據(jù)管理中心以及醫(yī)療設(shè)備等需要不間斷供電又對諧波敏感的場合,。綜上所述，該設(shè)備具有可行性與實(shí)用性,。

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作者信息：

王素娥,，王科磊,，郝鵬飛

（陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安710021）