一種智能型大功率“綠色環(huán)保”UPS

一種智能型大功率“綠色環(huán)?！盪PS

1引言

目前，中大功率UPS的整流器一般采用相控式整流電路。相控式整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制技術(shù)成熟，但交流輸入功率因數(shù)低，并向電網(wǎng)注入大量的諧波電流，不滿足“綠色用電”的要求。為了克服上述缺點(diǎn)，許繼電源公司在引進(jìn)東芝公司UPS技術(shù)的基礎(chǔ)，采用高頻PWM整流電路，研制出30kVA～100kVA三相輸出和30kVA～50kVA單相輸出的大功率UPS。該UPS是一種在線式智能UPS，除了具有完美的輸出特性外，還具有交流輸入電流接近理想正弦波、注入電網(wǎng)諧波電流少、輸入功率因數(shù)接近1等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足“綠色用電”的要求，是一種極有發(fā)展前途的UPS。下面介紹其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理及特點(diǎn)。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1給出了本文所研制的UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。它是一種在線式UPS，由PWM整流電路、蓄電池組、SPWM逆變電路、輸出隔離變壓器、旁路電源、切換電路、控制電路、監(jiān)控單元等組成，其中輸入PWM整流電路和輸出SPWM逆變電路均采用IGBT器件。除了整流電路不同外，其它部分的結(jié)構(gòu)、工作原理和控制方法與采用相控整流電路的在線式UPS完全相同。

3PWM整流電路結(jié)構(gòu)和工作原理

本文研制的UPS采用三相PWM整流電路，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，開(kāi)關(guān)器件采用IGBT。為了更好地說(shuō)明其工作原理，首先介紹單相PWM整流電路的工作原理。圖3給出了單相PWM整流電路的原理框圖。在UPS中，圖中的負(fù)載即為逆變器和蓄電池。同SPWM逆變電路控制輸出電壓相類似，可在PWM整流電路的交流輸入端AB之間產(chǎn)生一個(gè)正弦波調(diào)制PWM波uAB，uAB中除了含有與電源同頻率的基波分量外，還含有與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)的高次諧波。由于電感Ls的濾波作用，這些高次諧波電壓只會(huì)使交流電流is產(chǎn)生很小的脈動(dòng)。如果忽略這種脈動(dòng)，is為頻率與電源頻率相同的正弦波。在交流電源電壓us一定時(shí)，is的幅值和相位由uAB中基波分量的幅值及其與us的相位差決定。改變uAB中基波分量的幅值和相位，就可以使is與us同相位。圖4給出了單相PWM整流電路的相量圖，其中表示電網(wǎng)電壓，表示PWM整流電路輸入的交流電壓，為連接電抗器Ls的電壓，為電網(wǎng)內(nèi)阻Rs的電壓。圖中滯后的相角為φ，與的相位完全相同，電路工作在整流狀態(tài)，且功率因數(shù)為1。這就是PWM整流電路的基本工作原理。

圖1UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2三相PWM整流電路的主電路結(jié)構(gòu)

圖3單相全橋PWM整流電路

圖4單相PWM整流電路的向量圖

三相PWM整流電路的工作原理同單相PWM整流電路相類似，通過(guò)對(duì)圖2電路進(jìn)行SPWM控制，便可在交流輸入端得到正弦PWM電壓uAB、uBC、uCA，并通過(guò)控制uAB、uBC、uCA的基波分量的幅值和相位，就可以使各相電流為正弦波，并且與電網(wǎng)電壓同相位，輸入功率因數(shù)接近1。

要使三相PWM整流電路正常工作，其直流側(cè)電壓必須大于交流輸入線電壓的峰值[1]。在UPS中，整流電路輸出電壓即為蓄電池的充電電壓，一般浮充電壓為390V左右。當(dāng)蓄電池放電后重新充電時(shí)，充電電壓在280V～410V范圍內(nèi)變化。對(duì)于線電壓為380V的三相輸入U(xiǎn)PS，其線電壓峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于280V，不滿足三相PWM整流電路正常工作的條件。本文采用自耦變壓器Tr將三相輸入電壓降低以后再輸入PWM整流電路，Tr的變比為380/210，這樣，當(dāng)輸入電壓在允許的范圍變化時(shí)，在整個(gè)充電電壓范圍內(nèi)均能滿足PWM整流電路的電壓變換條件。

4PWM整流電路控制方法

PWM整流電路的控制方法有直接電流控制和間接電流控制兩種[1][2]。直接電流控制引入交流輸入電流反饋實(shí)行閉環(huán)控制，其電流指令運(yùn)算電路比不引入交流輸入電流反饋的間接電流控制簡(jiǎn)單，因此，本文采用直接電流控制方法。

圖5給出了PWM整流電路控制系統(tǒng)的一相結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。采用雙環(huán)控制，其外環(huán)為直流電壓控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為交流電流控制環(huán)。直流輸出電壓給定信號(hào)Ud＊和實(shí)際的直流電壓Ud比較后的誤差信號(hào)送入PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的輸出即為整流器交流輸入電流的幅值，它與標(biāo)準(zhǔn)正弦波相乘后形成交流輸入電流的給定信號(hào)ia＊（ib＊、ic＊），與實(shí)際的交流輸入電流ia（ib、ic）進(jìn)行比較，電流誤差信號(hào)經(jīng)比例調(diào)節(jié)器放大后送入比較器，再與三角載波信號(hào)比較形成PWM信號(hào)。該P(yáng)WM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后去驅(qū)動(dòng)主電路開(kāi)關(guān)器件，便可使實(shí)際的交流輸入電流跟蹤指令值，同時(shí)達(dá)到控制輸出電壓的目的。

5UPS的主要特性

5.1輸入特性

圖5直接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖6UPS輸入電流波形

該UPS由于采用了先進(jìn)的PWM整流電路，使其具有比采用相控整流電路的UPS更優(yōu)的輸入特性，這主要表現(xiàn)如下：

（1）具有完美的正弦波輸入電流，極大地減少了UPS對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。圖6給出了該系列UPS的輸入電流波形；

（2）輸入功率因數(shù)近似為1，使得UPS與電網(wǎng)之間幾乎沒(méi)有無(wú)功傳遞，可以降低電源系統(tǒng)的變壓器的容量，大幅減少無(wú)功損耗，從而可以節(jié)約能源，降低系統(tǒng)成本；

（3）輸入電壓范圍寬，更適合于電網(wǎng)電壓劇烈波動(dòng)的地區(qū)，有利于減少蓄電池的充放電次數(shù)；

（4）整流輸出直流電壓紋波小，可延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。

5.2其他特性

(1)逆變器采用IGBT器件和SPWM控制技術(shù)，具有完美的輸出特性，始終向負(fù)載提供高品質(zhì)的正弦波電壓：

輸出電壓穩(wěn)壓精度高，不大于1％；

輸出電壓畸變率低，100％非線性負(fù)載時(shí)的畸變率不大于3％；

負(fù)載從0～100％突變時(shí)，輸出電壓波動(dòng)小，不大于4％；

負(fù)載100％不平衡時(shí)，電壓不平衡不大于1.5％；

（2）采用數(shù)字化控制技術(shù)，大大減少了控制電路的元件數(shù)，不僅提高了可靠性，而且UPS調(diào)試簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。另外，數(shù)字化控制還使UPS具有故障自診斷和監(jiān)控功能；

（3）UPS的逆變器供電與旁路電源供電之間可自動(dòng)或手動(dòng)無(wú)間斷切換；

（4）具有簡(jiǎn)單友好的人機(jī)界面，采用LED運(yùn)行狀態(tài)模擬圖清晰顯示UPS運(yùn)行模式，并采用LCD中文顯示UPS的工作狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)和故障報(bào)警信息；

（5）UPS在線記錄運(yùn)行時(shí)的各種數(shù)據(jù)，并儲(chǔ)存在IC卡中，用于調(diào)試和故障診斷。IC卡數(shù)據(jù)構(gòu)成：模擬數(shù)據(jù)27項(xiàng)，數(shù)字量19項(xiàng)，記錄時(shí)間500ms（故障發(fā)生之前450ms，發(fā)生之后50ms）；

（6）具有電池過(guò)放電保護(hù)、預(yù)報(bào)電池的備用時(shí)間、按溫度調(diào)整電池的充電電壓等蓄電池管理功能，并提供均充及浮充兩種充電模式，具有恒流和恒壓充電功能；

(7)通過(guò)RS232標(biāo)準(zhǔn)接口和UPS智能監(jiān)控軟件，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程微機(jī)監(jiān)控UPS的運(yùn)行狀態(tài)。

6結(jié)語(yǔ)

本文介紹的UPS整流部分采用PWM整流電路，集整流與諧波抑制功能于一體，在提供穩(wěn)定直流電壓的同時(shí)，獲得完美的正弦波輸入電流，是一種真正意義上的“綠色環(huán)?！盪PS。