O 引言
串并聯(lián)補償式UPS,，是1994年由丹麥科爾丁硅能電子公司的奧維·里克·托姆等3人發(fā)明的,，1998年被美國APC司收購，并將原發(fā)明中的AC調(diào)節(jié)器改進成Delta逆變器后投入市場,，故也稱作Delta變換式UPS,。根據(jù)國際標準IEC62040．3，這種UPS屬于在線互動式UPS,。
三相串并聯(lián)補償式UPS與傳統(tǒng)UPS相比具有如下優(yōu)點：
1)能夠同時對輸入與輸出端的電能參數(shù)進行雙在線監(jiān)測補償,，在滿足市電輸入功率因數(shù)等于1的要求同時，也滿足了負載電壓為穩(wěn)定純凈的三相對稱正弦波電壓的要求,；
2)可以使電能質(zhì)量得到全面提高,；
3)由于將全功率變換改成了增量補償式變換，使uPs的設備容量僅為額定負載容量的20％,，故提高了過載能力,，減少了損耗；
4)阻斷了市電與負載之間的諧波相互干擾,；
5)由于是與市電電源同步運行,，擴容容易,。
但這種UPS也有缺點，如對無功與諧波電流補償?shù)男实?，效率受負載變化的影響大,，不能對不對稱負載電流進行補償?shù)龋@些缺點都是由它的控制方式造成的,。為了能使這種UPS具有不對稱負載電流補償功能,，本文介紹的UPS控制電路中采用了特殊的方法。這里所說的不對稱負載電流補償功能,，就是將三相負載的不對稱電流,，變換成市電輸入的三相對稱電流之義。這項功能具有重要的使用價值,。
1 電路組成與各部分的功能及控制方式
具有不對稱負載補償功能的三相串并聯(lián)補償式UPS的原理電路如圖1所示,，它是由兩個直流側(cè)帶中性點的，可以雙向四象限工作的三相PWM半橋式逆變器,，以串并聯(lián)補償式電路構成的,，其各部分的功能如下。
Delta逆變器 容量取決于市電電壓波動范圍和負載功率因數(shù),，大約只有USP標稱容量的20％,。在輸入端通過其輸出變壓器Tra、Trb,、Trc,、的次級與負載串聯(lián),，工作在正弦波電流源狀態(tài),。其主要功能是消除市電輸入電流中的無功與諧波分量，使市電輸入功率因數(shù)等于1,；對市電電壓的波動,、三相不對稱度進行補償；將三相負載的不對稱電流,、變換成市電輸入的三相對稱電流,；控制UPS輸入與輸出功率的平衡和向蓄電池充電；靠電流源的無限大內(nèi)阻來阻止市電與負載之間的諧波相互干擾,。
主逆變器 容量等于UPS標稱容量,，在輸出端通過其輸出濾波電感LF2與負載并聯(lián)，工作在正弦波電壓源狀態(tài),。其主要功能是控制負載上的電壓成為三相穩(wěn)定的正弦波電壓,；靠電壓源無限小內(nèi)阻向負載提供無功電流、諧波電流和不對稱電流,；當市電掉電時向負載提供100%的功率,；控制UPS輸入與輸出功率平衡和向蓄電池充電,。
三相基準正弦電壓這是一個與市電同步鎖相的交流標準電壓發(fā)生器，其電路如圖2和圖3所示,，電壓穩(wěn)定度優(yōu)于0．02％,，波形失真小于O．5％，三相電壓的對稱度為120,。±0 5°,，主要用來作為三相UPS的同步坐標基準，和控制電路的數(shù)值與波形的標準電壓電流信號,。
低通濾波器低通濾波器LF1,、CF1主要用來濾除市電電壓和Delta逆變器輸出電壓和電流中的諧波；低通濾波器LF2,、CFz主要用來濾除主逆變器輸出電流中的高次諧波,；同時LF1和LF2也是市電與主逆變器并聯(lián)工作時的平衡電感，LF2又是主逆變器整流工作時的升壓儲能電感,。
電流指令值運算電路和電壓指令值運算電路主要用來運算出Delta逆變器的電流指令值信號iac,、ibc、icc,，和主逆變器的電壓指令值信號uac,、ubc、ucc,、,。
PWM電路 DelLa逆變器和主逆變器的PWM控制電路，采用的是如圖4所示的三角波比較控制方式,，其特點是將指令值與補償量的偏差經(jīng)過放大后再與三角波進行比較,，其目的是把偏差控制到最小，是屬于跟蹤型PWM控制方式,。
2 Delta逆變器的電流指令值運算電路
Delta逆變器是一一個用IGBT作開關的三相半橋式PWM逆變器,，可以雙向四象限工作，其開關頻率為5～20kHz,，對它的控制策略就是將其控制成正弦波電流源,，以完成前面提到的功能。它的電流指令值運算電路的原理框圖如圖5所示,。當負載中含有電阻,、電感與非線性負載時，市電輸入電流將包含有功,、無功和諧波電流,。例如對于A相輸入電流，其傅里葉級數(shù)表示式為
式中：注腳l代表基波,，n代表諧波次數(shù),，φ1為基波電流滯后于電壓的相位角,。
如圖5所示，ia經(jīng)過低通濾波器LPF1濾除諧波電流后得到
ia1與A相基準電壓uar=Umsinωt在乘法器1中相乘后得
用低通濾波器LPF2濾除Fa中的二次諧波后得
式中：K為LPF2的放大系數(shù),。
LPF2的原理電路如圖5(b)所示,，這是三階切比雪夫模擬式低通濾波器，其截止頻率為22 Hz,。
對于B相和C相同樣可以求出
為了在負載不對稱時能使市電輸入電流三相對稱,，則可以令
圖5中△Ud為蓄電池變化值，go減去△Ud再與Uar在乘法器2中相乘后得
式（9）,、（10）,、（11）即為Delta逆變器的電流指令值表示式。
2.l 消除市電輸入電流中的無功與諧波分量
為了敘述方便,，假定負載是對稱的,，并日蓄電池的電壓變化量△Ud=0。
則Ia1=Ib1=Ic1=Io,，由式（9）~式（11）可得
用iac*,、ibc*、icc*作為Delta逆變器的指令值信號,，采用圖4所示的三角波比較控制方式去控制Delta逆變器,，即可在Tra、Trb,、Trc的次級輸出補償電流iac=-(iaq+iah),、ibc=-(ibq+ibh)、icc=-( icq+ich),。iac,、ibc、icc,。的方向與ia,、ib、ic,。相反，故可以消除ia,、ib,、ic中的無功與諧波電流，使市電輸入功率因數(shù)等于1,。
2．2 對負載不對稱電流的補償
為了敘述方便,，假定ua=uar，ub=ubr,，uc=ucr,，三相負載為不對稱電阻負載時,，則各相輸入電流中的無功與諧波電流等于零，并假定蓄電池電壓的變化值△Ud=O,，由式(9)～式(11)可得
iac*=Iocosφ1sinωt-ia
為了便于計算,，假定UPS的容量為100KVA，市電電壓為380／220V,，A相負載R=0 49Ω．B相和C相空載如圖6所示,。市電輸入電流為
用iac*、ibc*,、icc*作為Della逆變器的指令值信號,，采用圖4所示的三角波比較控制方式去控制Delta逆變器，即可在Tra,、Trb,、Tcc次級得到補償
ia、ib,、ic相同,。故可以使市電輸入電流成為三相對稱電流，即
當負載電流的有效值,，IaL=450A,，IbL=ICL= O時，補償電流有效值Iac=-300A,，Ibc=Icc=150A,，補償后的市電輸入電流有效值為
Ia′=450—300A=150A
Ib′=Ic′=0+150=150A
負載電流與市電輸入電流的向量關系如圖7所示。
3 主逆變器的電壓指令值運算電路
主逆變器也是一個用IGBT作開關的三相半橋式PWM逆變器,，它也可以雙向四象限工作,，其開關頻率也為5-20 kHz。對于主逆變器的控制策略是將其控制成正弦波電壓源,，以完成前面提到的功能,。當市電掉電時向負載提供100％的功率。
3．1 穩(wěn)定并消除負載上電壓的諧波
主逆變器的電壓指令值運算電路如圖8所示,。以A相為例,，假定市電加到負載上的電壓為
ua=uar+△Ual+Uah=UaL (12)
式中：uar為A相基準正弦波電壓；
±△ual一為市電電壓基波的波動值,；
uah為諧波電壓,。
以uar為基準，用市電加到負載上的電壓ua=uar±△uaI+uah=uaL與uar進行比較,，得到差值
然后將此差值與uar相加即可得到電壓指令值
用uac*按照圖4所示的三角波比較控制方式去控制A相主逆變器,，使其輸出電壓
由于市電電壓ua與主逆變器的輸出電壓uao通過它們各自的濾波電感(也是平衡電感)LF1和LF2在uPs電路的
點并聯(lián)后共同向負載供電，如圖1右上角的小圖所示，故根據(jù)電工學中節(jié)點電壓法可知
此式說明,，采用圖8所示的電壓指令值運算電路,，按照圖4所示的三角波比較控制方式對主逆變器進行控制，即使在市電電壓中存在基波波動值±△uaI和諧波uah,，也可以使負載上的電壓成為等于基準正弦波電壓uar的穩(wěn)定正弦波電壓,。對于B相和c相也是如此。由于是分相進行的控制,，故市電三相輸入電壓的不對稱度也將會得到補償,。
3.2 向負載提供無功電流、諧波電流和不對稱電流
由于主逆變器在UPS電路的點處與市電并聯(lián)后共同向負載供電,，主逆變器又是工作在正弦波電壓源狀態(tài),，市電輸入的電流是三相對稱有功電流，根據(jù)基爾霍夫節(jié)點電流∑i=0的定律,，在節(jié)點負載所需的無功電流,、諧波電流都將由主逆變器來供給。
當三相負載不對稱時,，由于主逆變器是三相四線制輸出,，并與市電在電路的點處并聯(lián)連接，因而它具有中性點形成變壓器的功能,，即使市電的輸入電流為三相對稱電流,，在負載上也可以流過三相不對稱電流。各相的不對稱電流iaL-ia,，ibL-ib,icL一ic將由主逆變器來供給,。如圖6所示，市電輸入電流為Ia′=Ib′=Ic′=150A,，負載電流有效值為IaL=450A,，IbL=IcL=O，所以主逆變器各相的輸出電流為Iac′=450—150=300A．Ibc′=O-150=一150A．Icc′=O-150=-150A,。
3.3 市電掉電時向負載提供100％功率
當市電掉電時,，由于基準正弦波電壓發(fā)生器中本機振蕩器的存在，用uar,、ubr,、ucr作為電壓指令值信號，仍然可以使主逆變器向負載供電,。此時主交流靜態(tài)開關自動關斷,，以防止電流向市電倒灌。
4 對市電電壓波動的補償
由于負載電壓uaL在主逆變器的控制下,，保持uaL=uar穩(wěn)定不變，因而，當市電電壓波動時市電輸入電壓與負載電壓之問就會出現(xiàn)電壓差,，需要由Delta逆變器進行補償,。在Delta逆變器的控制電路中，加入蓄電池電壓變化信號±Ud就是專為此目的而設置的,。±△Ud是直流信號,、代表的是有功功率變化，故將其加到了電流指令值運算電路中的直流信號go上,。為了敘述方便,，假定三相負載是對稱的電阻負載，此時市電輸入電流中的無功與諧波電流等于零,，此時由式(9)～式(11)可知
4．1 市電電壓大于負載電壓的補償
以A相為例,，其電流指令值iac*=-△UdUm·sinωt，用iac*控制Delta逆變器產(chǎn)生出補償電壓△Uac=-△UdUmSinωt,，△Uac的方向與市電電流i,。和電壓Ua的方向相反。
當Ua>UaL=Uar時,，如圖9所示,，市電輸入功率Pa=UaIa，負載所需功率PaL=UaLiaL,，則P>PaL,，市電輸入的多余功率△Pa=Pa-PaL將通過主逆變器整流后對蓄電池充電，暫存在蓄電池中,。由于Ua的升高,，使
當Ud上升到Udr+△Ud>Udr時,+Ud通過圖5所示的指令值運算電路控制Delta逆變器使其在變壓器T,。的次級產(chǎn)生一個補償電壓
式(21)說明得到了完全的補償，市電入輸?shù)亩嘤喙β省鱌 a=O,，進入功率平衡狀態(tài),。
當Ua=Uar+△UAI時，市電輸入電流L必須相應減小△,，Ia才能保證使市電輸入功率等于負載所需的功率,，Ia的減小是由+△Ud通過對Delta逆變器的控制來實現(xiàn)的,。此時，下面的等式成立
由圖9可知,，根據(jù)基爾霍夫節(jié)點電流∑i=0的定律,，在節(jié)點
4．2 市電電壓小于負載電壓的補償
仍以A相為例,，用iac控制Delta逆變器、產(chǎn)生出補償電壓△Uac=△udUmsint,，其方向與市電電流ia和電壓ua的方向相同,。
當ua點電壓UaL上升，上升率
主逆變器的控制電路為了保持uaL=uar不變,，控制主逆變器的輸出電壓‰降低,，使Uao
市電輸入的有功電流為Ia-△Ia，負載所需的有功電流IaL=Ia,，不足的部分由蓄電池通過主逆變器來補足,，使主逆變器處于逆變狀態(tài)。假定X為變壓器TaL次級的等效漏抗,，則市電輸入電壓Ua在Tra次級的電壓降為X(L+△Ia)+△Uac>△Uac,，所以，Delta逆變器處于整流狀態(tài),。使負載所需有功電流的不足部分
由負補償電壓-△Uac減少的市電輸入功率,，通過Delta逆變器的整流和主逆變器的逆變，以電流的形式來補足如圖9中的實線路徑所示,。電壓的向量關系為
主逆變器的控制電路為了保持UaL=Uar不變,，控制主逆變器的輸出電壓Uao卜升，使uao>UaL=Uar,，主逆變器處于逆變狀態(tài),，蓄電池電壓Ud下降，根據(jù)功率平衡的原則,，Ud的下降率應等于市電電壓的下降率,，即