關(guān)于具有有源濾波功能的UPS電源設(shè)計(jì)

0 引言

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”和“大數(shù)據(jù)”時(shí)代的到來(lái)，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(guò)信號(hào)主動(dòng)抵消技術(shù)，對(duì)諧波有很好的濾除效果。

通過(guò)對(duì)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(chǎng)合存在諧波問(wèn)題。

(2)離線式UPS在電網(wǎng)正常時(shí)，完成對(duì)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(wèn)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(guò)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(cè)電網(wǎng)電壓，當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時(shí)，開(kāi)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(hào)，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(kāi)。

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(kāi)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(shuō)明的是，K4需使用響應(yīng)速度更快的MOSFET開(kāi)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，Tαβ為Clark變換矩陣；Tdq為Park變換矩陣；ua、ub、uc為輸入的三相電網(wǎng)電壓；wff為頻率參考信號(hào)，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(hào)。DSOGI-PLL可以很好地抑制諧波對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，并且對(duì)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(cè)

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(cè)負(fù)載側(cè)的電流，提取出諧波信號(hào)，作為逆變器輸出的電流指令信號(hào)?；谒矔r(shí)無(wú)功功率理論的ip-iq諧波檢測(cè)方法因其檢測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確性被廣泛使用，其檢測(cè)結(jié)果不受電壓波形畸變的影響，所以本文采用ip-iq法進(jìn)行諧波電流的檢測(cè)，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(hào)，即由DSOGI-PLL獲得的角度θ+、。檢測(cè)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(guò)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(guò)Clark變換和Park變換到兩相正交旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系后，其基波對(duì)應(yīng)直流分量，通過(guò)LPF濾除交流分量得到直流分量，再經(jīng)過(guò)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(hào)。

2.3 電壓跌落檢測(cè)

實(shí)時(shí)檢測(cè)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?？焖俚貦z測(cè)到電網(wǎng)電壓的跌落，有利于減少模式切換的時(shí)間，這對(duì)離線式UPS的性能至關(guān)重要。傳統(tǒng)的電壓跌落檢測(cè)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(duì)每個(gè)軸連續(xù)兩次求誤差，獲得二次變化率Δ(Δu)，并通過(guò)兩個(gè)二次變化率求峰值：

此值與α軸的二次變化率Δ(Δuα)=Y比較，當(dāng)Δ(Δuα)<Δ(Δupeak)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(duì)電壓的變化比較敏感，即使電壓跌落發(fā)生在過(guò)零點(diǎn)，此方法能快速準(zhǔn)確的做出判斷。在檢測(cè)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(jí)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(duì)蓄電池充放電，電路拓?fù)淙鐖D6所示。

充電時(shí)，開(kāi)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Vbus由電網(wǎng)電壓整流獲得。需要注意的是，無(wú)論充電還是放電，S1與S2的控制信號(hào)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。

Gv(s)和Gi(s)分別為電壓和電流控制器；KV和KL分別為蓄電池端電壓和電感電流采樣系數(shù)；1/Vm為PWM調(diào)制的等效傳遞函數(shù)。當(dāng)蓄電池端電壓沒(méi)有達(dá)到設(shè)定值Vref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(kāi)關(guān)K4。

放電時(shí)，開(kāi)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(guò)大，對(duì)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(guò)大時(shí)起作用，限制放電電流。

3 系統(tǒng)仿真

在MATLAB/SIMULINK中對(duì)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(cè)、諧波檢測(cè)、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RL=0.01 Ω，非線性負(fù)載中電阻RLoad=10 Ω，電感LLoad=5 mH。電網(wǎng)相電壓有效值VGrid=220 V，逆變器直流側(cè)電壓VDC=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(duì)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(shuō)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(guò)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(shuō)明了前文提出的電壓跌落檢測(cè)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(hào)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(guò)DSP的ADC接口采集經(jīng)過(guò)調(diào)理的信號(hào)，包括電網(wǎng)三相電壓ua、ub、uc，逆變直流母線電壓Vdc，此電壓也是蓄電池放電時(shí)的放電電壓，蓄電池端電壓Vc，充電時(shí)的充電電流Ic，逆變器的輸出電壓uInvt_a、uInvt_b、uInvt_c和電流iInvt_a、iInvt_b、iInvt_c，負(fù)載側(cè)電流iLoad_a、iLoad_b、iLoad_c。信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后輸出8路PWM信號(hào)(6路為逆變橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)，兩路為雙向DC-DC驅(qū)動(dòng)信號(hào))給功率驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路控制主電路的開(kāi)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(yǔ)

本文介紹了APF模式下的并網(wǎng)、諧波檢測(cè)方法，并提出了一種電壓降落檢測(cè)方法，闡述了蓄電池充放電策略。此外對(duì)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(duì)諧波敏感的場(chǎng)合。綜上所述，該設(shè)備具有可行性與實(shí)用性。