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串-并聯(lián)補(bǔ)償式UPS 串聯(lián)變換器研究

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1278次  |  2019年11月07日  

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對(duì)電能質(zhì)量的要求越來越高,如何為電力用戶提供安全可靠的綠色電源是目前電源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。UpS作為一種不間斷供電設(shè)備,是改善電能質(zhì)量的重要措施之一,也是關(guān)鍵設(shè)備得以正常運(yùn)行的重要保證。目前UpS的結(jié)構(gòu)有后備式、在線式、三端口在線互動(dòng)式及雙變流器串-并聯(lián)補(bǔ)償式等幾種類型。其中雙變流器串-并聯(lián)補(bǔ)償式既可以補(bǔ)償非線性負(fù)載中的無功電流及諧波電流,同時(shí)還可以補(bǔ)償電源電壓的諧波及基波偏差,具有綜合的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)能力,是最近才出現(xiàn)的一種新型UpS。目前國(guó)外ApC公司有這種實(shí)物產(chǎn)品,國(guó)內(nèi)還處于理論研究階段。


本文介紹了雙變流器串-并聯(lián)補(bǔ)償式的工作原理,在此基礎(chǔ)上討論串并聯(lián)補(bǔ)償式UpS串聯(lián)變換器的控制方法,并通過仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)的工作特性,結(jié)果表明所提控制策略的正確性,所研究的串并聯(lián)補(bǔ)償式UpS串聯(lián)變換器部分能始終保證電網(wǎng)輸入電流總畸變率約3%,輸入功率因數(shù)接近于1的系統(tǒng)性能,證實(shí)了其改善電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量的有效性。


1雙變流器串-并聯(lián)補(bǔ)償式UpS工作原理


圖1給出了雙變換器串并聯(lián)補(bǔ)償式UpS的原理,圖中變流器Ⅰ、Ⅱ都是雙向SpWMAC/DC變換器,其直流側(cè)接蓄電池,變流器Ⅰ經(jīng)電感L1、電容C1和變壓器Ts,輸出電壓△v(電流Is)串接在電源電壓、vs和負(fù)載電壓vL之間,稱之為串聯(lián)補(bǔ)償變換器。其輸出的補(bǔ)償電壓由兩部分組成:△v=△v1+△vh,Uh為諧波補(bǔ)償電壓,它與交流電源中的諧波電壓vsh大小相等,△vh=vsh,但方向相反;△v1為基波電壓補(bǔ)償量,補(bǔ)償電源電壓的基波分量vsl與負(fù)載電壓額定值vR的偏差,所以變流器Ⅰ提供的補(bǔ)償電壓△v既抵消了電源電壓vs中的諧波vsh,又補(bǔ)償基波電壓vsl,使負(fù)載電壓vL成為與電源基波電壓vs同相的正弦波額定電壓。



圖1雙變流器串-并聯(lián)補(bǔ)償式UpS


變流器Ⅱ經(jīng)L2、C2濾波后并接在負(fù)載兩端或經(jīng)輸出變壓器Tp接至負(fù)載,稱之為并聯(lián)補(bǔ)償變換器。若負(fù)載為非線性負(fù)載,則負(fù)載電流iL由基波有功電流iLp、基波無功電流iLQ和諧波電流iLh三部分組成。對(duì)變流器Ⅱ進(jìn)行實(shí)時(shí)、適當(dāng)?shù)目刂?,可使它輸出至?fù)載的電壓為正弦波額定電壓vR,并向負(fù)載輸出電流i3=iLQ+iLh+(iLp-is),其中iLQ、iLh補(bǔ)償負(fù)載無功和諧波電流,使電源僅向負(fù)載輸出基波有功電流is,負(fù)載的有功電流iLp由交流電源(is)和變流器Ⅱ(i2d)共同提供。變流器Ⅱ向負(fù)載輸出的有功電流i2d=iLp-is。在非線性負(fù)載、電源電壓高于或低于額定值vR且含有諧波電壓時(shí),系統(tǒng)通過這種串并聯(lián)補(bǔ)償變換器共同作用,可使負(fù)載電壓vL補(bǔ)償?shù)脚c電源電壓同相的額定正弦電壓vR,同時(shí)交流電源僅輸入基波有功電流is,功率因數(shù)為1。


由上述分析可知,該UpS克服了傳統(tǒng)雙變換在線式UpS因輸入整流部分所帶來的輸入功率因數(shù)較低的缺點(diǎn)。通常電源基波電壓偏離額定值小于±15%,因此變流器Ⅰ僅補(bǔ)償v%≤15V的額定電壓,其容量?jī)H為系統(tǒng)容量的20%左右。正常時(shí)市電與雙變流器共同對(duì)負(fù)載供電,兩變流器的最大功率強(qiáng)度只有負(fù)載功率的20%,相對(duì)始終在100%負(fù)載功率下工作的傳統(tǒng)雙變換在線式UpS而言,不僅整機(jī)效率高、功率器件損耗小、壽命長(zhǎng)、可靠性高,而且有足夠的功率裕量去應(yīng)付特殊的負(fù)載(沖擊負(fù)載、瞬間過載等),因此輸出能力得到很大的增強(qiáng),相同容量的產(chǎn)品造價(jià)也降低了。


2理想電網(wǎng)電壓下串聯(lián)變換器的控制


電網(wǎng)電壓一定時(shí),對(duì)輸入電流的快速有效控制就能控制能量流動(dòng)的速度和大小。這時(shí)串聯(lián)變換器實(shí)際上可以忽略0軸的影響而視為三相三線制pWM整流器,采用dq軸交叉解耦控制技術(shù),可以獲得理想的變換器輸入電流控制效果。忽略圖1中變換器、電抗器和電容器功耗,若蓄電池既不充電又不放電,電源輸入的有功功率psdc應(yīng)等于負(fù)載的有功功率pLdc。當(dāng)串聯(lián)變換器被制成正弦基波電流源Is,且cosθ=1.0時(shí),有功率psdc為:



式中,Is是與電源基波電壓VS1同相的電流,應(yīng)選取此電流為電源指令電流I*s:



檢測(cè)三相A,B,C系統(tǒng)的負(fù)載電流、負(fù)載電壓和電源電壓,經(jīng)坐標(biāo)變換和低通濾波LpF后得到與基波對(duì)應(yīng)的直流分量VLd、VLq、ILd、ILq、VSd、VSq,按式(2)求出I*s并以此值作為串聯(lián)變換器的電流控制指令,對(duì)正弦電流源變換器上的輸出電流Is進(jìn)行pWM控制,使電源電流Is跟蹤I*s,則可實(shí)現(xiàn)作為正弦電流源的串聯(lián)變換器對(duì)電源電流的控制功能和對(duì)電源諧波電壓的補(bǔ)償(隔離)功能,如圖2所示。



圖2理想電網(wǎng)下串聯(lián)變換器控制框圖3理想電壓下的仿真波形


系統(tǒng)仿真參數(shù)如下:交流電網(wǎng)輸入電壓額定幅值VR=100V,頻率f=50Hz;負(fù)載額定電壓幅值VL=100V,負(fù)載額定容量500VA,cosθ=0.8;三相組合式串聯(lián)變壓器額定容量500VA,匝比N1/N2=1/1.5;串聯(lián)變換器輸入電感L=4mH,電感電阻R=0.1Ω,輸出濾波電容C1=1μF;并聯(lián)變換器輸出濾波電感L=1mH,電感電阻R=0.1Ω;輸出濾波電容C1=90μF。電池組E=86V,內(nèi)阻R=0.1Ω,直流母線電容Cdc=6800μF;變換器開關(guān)頻率f=9kHz。仿真波形如圖3、4、5所示。



圖3純阻型負(fù)載



圖4阻感型負(fù)載



圖5整流型負(fù)載


由仿真波形可見,在三相對(duì)稱的理想電網(wǎng)下,串聯(lián)變換器的控制作用非常好,三相電網(wǎng)輸入電流是平衡的正弦電流,直流母線電壓的紋波很小,幾乎不存在2次諧波交流分量波動(dòng);電網(wǎng)電流的畸變率約3%。4非理想電壓下的控制策略及仿真波形


串聯(lián)變換器的輸入電壓不對(duì)稱時(shí),若pWM開關(guān)函數(shù)包含諧波,會(huì)影響直流電壓中產(chǎn)生不期望的諧波,特別是2次諧波使得直流輸出電壓紋波嚴(yán)重。反過來還影響串聯(lián)變換器橋端輸入電壓,使橋端輸入電壓中包含3、5、9等次的諧波,從而增加了輸入電流的總諧波畸變率。


變換器輸入電壓三相對(duì)稱且包含某k次諧波的影響是:使得直流輸出電壓中包含(k-1)及(k+1)次諧波,由此變換器輸入電流中包含k次的諧波,也即輸入電壓的諧波完全傳遞到了三相輸入電流,從而增加了輸入電流的總畸變率,增加了輸入電流正弦性的控制難度。


圖6中三相電網(wǎng)輸入電流嚴(yán)重不平衡,B相電流明顯超出另外兩相電流幅值,且A、C兩相的電網(wǎng)電流與輸入電網(wǎng)電壓有明顯的相移,輸入功率因數(shù)不完全為1,而直流母線電壓明顯存在2次諧波交流分量的波動(dòng)。圖7中三相電網(wǎng)輸入電流保持平衡,但輸入電壓的諧波成分使得輸入電流的正弦性受到了很大影響,5次諧波含量嚴(yán)重,總畸變率大;直流母線電壓也波動(dòng)較大,特別是4次諧波分量。



圖6輸入電網(wǎng)電壓不平衡下的仿真波形



圖7輸入電網(wǎng)電壓含諧波時(shí)的仿真波形


前文的仿真波形說明,將理想電網(wǎng)下的dq軸解耦控制下的電壓電流雙閉環(huán)控制策略應(yīng)用到非理想電網(wǎng)中結(jié)果并不理想。因此針對(duì)非理想電網(wǎng),尋求一種更適合其特殊性質(zhì)的控制策略,具有電源電壓諧波前饋的dq+0軸控制,使得變換器橋端輸出電壓包含同大小的諧波分量,則交流輸入電流中就不存在諧波電流。圖8為具有電源電壓諧波前饋的dq+0軸控制系統(tǒng)框圖,圖9為其仿真波形。



圖8具有電源電壓諧波前饋的dq+0軸控制系統(tǒng)框圖



圖9具有諧波前饋的dq+0軸控制仿真波形及Isa諧波分析


從仿真波形可見,三相電網(wǎng)輸入電流的波形和不平衡度得到良好的控制,Isa的總諧波畸變率分別為1.74%,波形畸變得到了很大改善;且直流電壓穩(wěn)定,紋波較小,直流側(cè)的諧波也有所減小。


5結(jié)論


仿真結(jié)果表明:所采用的具有電源電壓諧波前饋的dq+0軸控制方法可以獲得優(yōu)良的控制效果。串聯(lián)變流器受控為基波正弦電流源,電源電流Is為與電源基波電壓同相的正弦有功電流,電源電壓中的諧波與基波偏差經(jīng)串聯(lián)變流器得到補(bǔ)償(或隔離)。


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