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1  引言
    現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，如何為電力用戶(hù)提供安全可靠的“綠色”電源是目前電源研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。UPS作為一種不間斷供電電源，是關(guān)鍵設(shè)備得以正常運(yùn)行的保證。為適應(yīng)發(fā)展的要求，近年來(lái)也在不斷地進(jìn)行完善和改進(jìn)。先后出現(xiàn)了后備式、在線式、三端口在線互動(dòng)式及雙變流器串-并聯(lián)補(bǔ)償式等幾種結(jié)構(gòu)類(lèi)型的UPS。其中由Kamran^[1]和Silva^[2]提出的雙變流器串－并聯(lián)補(bǔ)償式UPS^[1~4]，既可以補(bǔ)償非線性負(fù)載中的無(wú)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，較傳統(tǒng)雙變換在線式UPS而言，輸入功率因數(shù)高，輸出能力強(qiáng)，具有綜合的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)能力，是一種值得推廣應(yīng)用的新型UPS。目前國(guó)外UPS廠家只有某公司擁有此項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)，在市場(chǎng)上已經(jīng)推出Silcon DP300E系列大功率UPS，國(guó)內(nèi)則剛剛處在研究的初始階段^[5]，還有許多研究工作需要進(jìn)行。
    本文介紹了雙變流器串-并聯(lián)補(bǔ)償式UPS的工作原理，指出了其區(qū)別于傳統(tǒng)雙變換在線式UPS的優(yōu)點(diǎn)所在，提出了一種基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系^[6]下的控制策略，并通過(guò)仿真分析了其系統(tǒng)工作特性，結(jié)果表明所提控制策略的正確性，實(shí)現(xiàn)了雙變流器串－并聯(lián)補(bǔ)償式UPS的全部控制功能。
2  雙變流器串-并聯(lián)補(bǔ)償式UPS工作原理
    圖1示出雙變流器串-并聯(lián)補(bǔ)償式UPS的工作原理圖。圖中變流器Ⅰ和Ⅱ都是雙向AC→←DCSPWM變流器，其直流側(cè)接蓄電池E_b（其內(nèi)阻等效為理想的恒定電阻R_b）和電容C。變流器Ⅰ經(jīng)電感L₁和變壓器T輸出電壓Dv串接在電源電壓v_s和負(fù)載電壓v_L之間，稱(chēng)之為串聯(lián)補(bǔ)償變流器。其輸出的補(bǔ)償電壓由兩部分組成：△v=△v₁+△v_h，△v_h為諧波補(bǔ)償電壓，它與交流電源中的諧波電壓△v_sh大小相等，但方向相反；△v₁為基波電壓補(bǔ)償量，補(bǔ)償電源電壓基波△s₁與負(fù)載電壓額定值v_R的偏差。所以變流器Ⅰ提供的補(bǔ)償電壓△v既抵消v_s中的諧波v_sh，又補(bǔ)償基波電壓v_s，使負(fù)載電壓v_sh成為與電源基波電壓V_s1同相的正弦波額定電壓v_R。
    變流器Ⅱ經(jīng)L_2、C₂濾波后并接在負(fù)載兩端，稱(chēng)之為并聯(lián)補(bǔ)償變流器。若負(fù)載為非線性負(fù)載，則負(fù)載電流i_L由基波有功電流i_LP、基波無(wú)功電流i_LP和諧波電流i_Lh3部分組成。對(duì)變流器Ⅱ進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，可使它輸出至負(fù)載的電壓為正弦波額定電壓v_R，并向負(fù)載輸出電流i₃=i_LQ+i_Lh+(i_Lp-i_s)。其中i_LQ、i_Lh補(bǔ)償負(fù)載無(wú)功和諧波電流，使電源僅向負(fù)載輸出基波有功電流i_s，而負(fù)載的有功電流i_LP則由交流電源(i_s)和變流器Ⅱ(i_2d)共同提供。

    由上述分析可知，在非線性負(fù)載、電源電壓高于或低于額定值v_R且含有諧波電壓時(shí)，這種UPS通過(guò)串、并聯(lián)補(bǔ)償變流器的共同作用，可使負(fù)載電壓u_L補(bǔ)償?shù)脚c電源電壓同相的額定正弦電壓u_R，避免了網(wǎng)側(cè)諧波電壓對(duì)負(fù)載的影響；同時(shí)電源僅輸入基波有功電流i_s，功率因數(shù)近乎為1，克服了傳統(tǒng)雙變換在線式UPS因輸入整流部分所帶來(lái)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Du≤±15%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(guò)載等），因此輸出能力得到很大的增強(qiáng)，相同容量的造價(jià)也降低了。一旦市電停電，變流器Ⅱ從蓄電池獲取電能繼續(xù)不間斷的對(duì)負(fù)載供電；當(dāng)電網(wǎng)正常后，重新恢復(fù)市電與雙變流器共同對(duì)負(fù)載供電，在正確的控制策略作用下，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓無(wú)間隙、無(wú)突變。
3  雙變流器串-并聯(lián)補(bǔ)償式UPS控制策略
3.1  串聯(lián)變流器受控為基波正弦電流源
    在圖1所示UPS中，采用雙變流器串-并聯(lián)補(bǔ)償后應(yīng)實(shí)現(xiàn)：市電輸入電流i_s是與v_s1同相的正弦有功電流，電源供電的功率因數(shù)為1；同時(shí)使得負(fù)載電壓v_L為基波正弦電壓，且v_L=v_R（額定值）并與v_s1同相。
    串聯(lián)變流器Ⅰ作為基波正弦電流源運(yùn)行，向交流電網(wǎng)注入電壓△v=△v₁+△v_k，△v_k與電源諧波電壓v_sk大小相等、方向相反，△v₁=△vs₁-v_R。同時(shí)串聯(lián)變流器向電網(wǎng)串聯(lián)注入基波正弦電流i_s，i_s與v_s1同相，使交流電源電流中無(wú)諧波電流，無(wú)功電流，供電功率因數(shù)為1，其控制框圖如圖2所示。


的電流控制指令，經(jīng)dq/ABC變換后獲得三相指令電流再經(jīng)滯環(huán)電流比較后獲得串聯(lián)變流器的PWM開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，使電源電流i_s跟蹤I_S^*，則可實(shí)現(xiàn)作為正弦電流源的串聯(lián)變流器對(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。由于系統(tǒng)在運(yùn)行期間始終并接蓄電池工作，維持了直流端電壓的基本恒定，且忽略電池充電功率和系統(tǒng)中電感、電容、開(kāi)關(guān)器件的功率損耗，因此在此控制框圖中沒(méi)有添加直流端電壓控制環(huán)節(jié)。

3.2  并聯(lián)變流器受控為基波正弦電壓源
   并聯(lián)變流器Ⅱ作為基波正弦電壓源運(yùn)行，輸出與v_s1同相的額定值正弦波電壓v_R，同時(shí)經(jīng)L₂、C₂后輸出補(bǔ)償電流為

    則由圖1可得到三相靜止ABC系統(tǒng)電流平衡方程為


節(jié)器輸出、補(bǔ)償電流前饋及電容電流交叉解耦電流之和，經(jīng)電流滯環(huán)控制作用，使并聯(lián)變流器輸出電流i₂包含負(fù)載所需要的無(wú)功電流i_2q和諧波電流i_2h及恰如其分的有功電流i_2d。

     根據(jù)以上控制策略，由于串聯(lián)變流器受控為基波正弦電流源，電源電流i_s為與電源基波電壓同相的正弦有功電流，從而使得非線性負(fù)載中的無(wú)功和諧波電流經(jīng)并聯(lián)變流器得到補(bǔ)償。同時(shí)并聯(lián)變流器受控為基波正弦電壓源，使負(fù)載輸入電壓v_L為與電源基波電壓v_s1同相的正弦波額定電壓v_R，從而使得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）。
4  系統(tǒng)特性仿真結(jié)果
    基于上述控制策略，在MATLAB SIMUlink環(huán)境下建立了系統(tǒng)的連續(xù)域仿真模型， 并對(duì)其工作特性進(jìn)行了仿真。圖1中交流電源電壓v_s的基波v_s1在其額定值v_R（線電壓380V/相電壓220V）的±15%范圍變化。v_s中的5次諧波電壓v₅、7次諧波電壓v₇各為基波電壓值的5％。負(fù)載為三相相控橋整流裝置，R=19.7W，L=50mH，相控角a=30o，直流負(fù)載功率10kW。直流端接蓄電池E_b=600V，其內(nèi)阻R_b=0.1W，直流電容C=4700mf。串聯(lián)變壓器變比N=4，濾波電感L₁=1mH， L₂=0.5mH，濾波電容C₂=150mf。
    采用圖2、3所示控制系統(tǒng)和控制策略，圖4、5分別示出在電源基波電壓v_S1=1.15v_R和v_s1=0.85v_R兩種工況下，電源電壓v_s、A相負(fù)載電流i_LA、A相串聯(lián)變流器電網(wǎng)側(cè)補(bǔ)償電壓△v_A(v_CA/N )、A相并聯(lián)變流器補(bǔ)償電流i_3A、負(fù)載電壓v_L、電源電流i_s及直流電壓V_dc的示波圖。圖6則給出了上述兩種工況下，電網(wǎng)掉電和電網(wǎng)恢復(fù)供電切換動(dòng)作時(shí)的A相輸出電壓及輸入電流動(dòng)態(tài)變化波形。

5  結(jié)論
    圖4、5、6示出的仿真結(jié)果表明：所提出的控制策略可以較好地實(shí)現(xiàn)雙變流器串-并聯(lián)補(bǔ)償式UPS的全部功能。在電源電壓非額定值、有諧波電壓，負(fù)載非線性、有大量無(wú)功電流的情況下，這種UPS的交流電源輸入電流i_s為正弦波，且cosf =1，負(fù)載電壓v_L為額定值正弦波，且v_L與電源基波電壓v_s1、電源電流i_s同相。當(dāng)電網(wǎng)掉電或恢復(fù)電網(wǎng)供電時(shí)，輸出電壓無(wú)間隙、無(wú)突變。區(qū)別于傳統(tǒng)的雙變換在線式UPS，由于雙變流器串－并聯(lián)補(bǔ)償式UPS具有輸入功率因數(shù)高、輸出能力強(qiáng)的突出優(yōu)點(diǎn)，因此是一種值得推廣應(yīng)用的新型UPS。