380/220V，100kVA UPS備用發電機組的功率調節器

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摘要：敘述了UPS備用發電機功率調節器的工作原理與控制方式。

關鍵詞：不間斷電源；功率調節器；補償

1? 引言

??? UPS備用（應急）發電機組是低壓供電系統，一般都采用三相四線制輸出。由它供電的負載常常是不對稱負載，其中包括三相不對稱電阻負載，三相不對稱電感負載，三相不對稱非線性負載，或包括電阻、電感、非線性負載在內的三相不對稱混合負載。

??? 所謂功率調節器，就是當UPS備用（應急）發電機組在向不對稱負載供電時，即使是向最嚴重的單相負載供電，功率調節器也能使發電機組的輸出電流，成為三相對稱的純正弦有功電流，即便是單相負載的功率達到機組額定功率時也是如此。由于功率調節器能夠把三相不對稱負載（包括電阻性、電感性、非線性、以及它們的混合不對稱負載）的功率，變換成只讓機組提供三相對稱的有功功率，使機組永遠工作在三相對稱有功功率狀態，故稱作功率調節器。

??? 由于功率調節器的上述作用，它必須具備如下的功能：

??? 1）能夠對負載的無功電流進行動態補償，使機組的輸出功率因數接近于1；

??? 2）能夠對負載的諧波電流進行動態補償，使機組的輸出電流接近于正弦波；

??? 3）能夠對三相不對稱電流進行動態補償，使機組的輸出電流為三相對稱電流。

??? 由上述三個功能可知，UPS備用（應急）發電機組功率調節器，實際上就是一個可以對三相不平衡電流進行補償的電力有源濾波器。在三相負載基本對稱時，它可以對負載的無功電流與諧波電流進行補償；在三相負載不對稱時，即使在最嚴重的單相負載時，也能保證使發電機組輸出三相對稱的有功功率電流，其單相負載的功率可以達到機組的標稱額定功率。這些性能表明，功率調節器提高了機組的供電質量，并能把三相不對稱負載變換成機組的三相對稱有功負載，從而提高了機組向不對稱負載的供電能力，使單相負載時的功率可達到機組的標稱額定功率。

2? 功率調節器的組成與工作原理

??? UPS備用（應急）發電機組的功率調節器原理電路如圖1所示。其中功率調節器的電路，就是一個可以補償三相不平衡電流的并聯電力有源濾波器。它由三部分組成，即可以雙向四象限工作的三相電壓型Delta PWM逆變器、PWM脈沖形成驅動器、由指令電流運算電路及電流跟蹤控制電路組成的控制器。

圖1? 備 用 （ 應 急 ） 發 電 機 與 功 率 調 節 器 的 電 路 結 構

??? 圖1中，u_sa，u_sb，u_sc表示交流電源，負載為不對稱的電阻、電感、整流電路或由它們組成的不對稱負載，是無功電流、諧波電流和不對稱電流源。控制器中的指令電流運算電路的作用是，檢測出負載電流i_La、

??? i_Lb、i_Lc中的無功分量、諧波分量和不平衡電流分量，并由這些分量作為指令電流，由電流跟蹤控制電路根據指令電流產生出PWM觸發脈沖，此觸發脈沖經驅動器放大后去驅動Delta逆變器。由Delta逆變器產生出補償電流，以對負載的無功電流、諧波電流和不平衡電流進行補償，使機組的輸出電流成為三相對稱的有功電流。

??? 可以補償不平衡電流的電力有源濾波器，采用的是并聯式有源濾波器。當需要補償負載產生的無功電流、諧波電流和不平衡電流時，應首先檢測出負載電流i_La、i_Lb、i_Lc中的無功電流分量i_Laq、i_Lbq、i_Lcq，諧波電流分量i_Lah、i_Lbh、i_Lch和不平衡分量i_Lao、i_Lbo、i_Lco，將這些分量反極性后相加作為補償電流i_sac、i_sbc、i_scc的指令信號，由Delta逆變器產生的補償電流與負載電流中的各分量電流，例如i_Laq、i_Lbq、i_Lcq等大小相等，方向相反而互相抵消，使機組輸出電流i_sa、i_sb、i_sc成為只含基波有功功率電流的三相對稱正弦電流，對于A相：

i_sa=i_La＋i_sac

i_La=i_Lap＋i_Laq＋i_Lah＋i_Lao

i_sac=－(i_Laq＋i_Lah＋i_Lao)

i_sa=i_La＋i_sac=i_Lap=i_Laf

上式中：i_Laf表示負載電流的基波有功分量。

??? 當機組向最嚴重的單相（例如A相）不對稱負載供電，單相負載的功率等于機組的額定功率時，負載電流，機組輸出電流和功率調節器補償電流的數值，如圖2所示。

圖2? 單 相 負 載 時 的 負 載 電 流 、 補 償 電 流 與 機 組 輸 出 電 流 的 數 值 示 意 圖

??? 這里必須指出的是，功率調節器對機組電流的補償是動態補償，對補償對象的變化具有極快的響應速度，可以作到連續調節；對無功功率進行補償時不需要儲能元件，對諧波電流進行補償時所需儲能元件的容量也不大，但對不平衡電流進行補償時卻需要較大容量的儲能元件；即使補償對象電流過大，功率調節器也不會發生過載，并能正常發揮補償作用；功率調節器對機組電流的補償受機組阻抗的影響不大，不容易和機組內阻抗發生諧振；能跟蹤機組頻率的變化，故補償性能不受機組頻率變化的影響；由于機組是三相四線制輸出，所以負載各相的電壓和相應的機組各相電壓相等，當機組相電壓對稱時，負載各相電壓也是對稱的，故補償性能也不受機組電壓的影響。

3? 功率調節器的指令電流運算電路

??? 功率調節器的控制器，是由指令電流運算電路和電流跟蹤控制電路兩部分組成的。本節只介紹其中的指令電流運算電路，電流跟蹤控制電路和驅動器一起將在下一節中介紹。

3.1? 檢測無功電流和諧波電流的運算電路

??? 以A相電路為例，當負載中含有電阻、電感和非線性負載時，負載電流將滯后于機組電壓，并產生畸變，此時A相負載電流i_La的傅里葉級數表達式為

i_La=I_fsin(ωt＋φ_f)＋I_nsin(nωt＋φ_n)

=I_fcosφ_fsinωt＋I_fsinφ_fcosωt＋I_nsin(nωt＋φ_n)

式中f代表基波，n代表諧波次數，φ_f為基波電流滯后于機組電壓的相位角，φ_n為n次諧波電流滯后于電壓的相位角，注腳f代表基波。

??? 令i_Lap=I_fcosφ_fsinωt=I_Lapsinωt為基波有功電流；i_Laq=I_fsinφ_fcosωt=I_Laqcosωt為基波無功電流；i_Lah=I_nsin(nωt＋φ_n)為諧波電流，則

??? i_La=i_Lap＋i_Laq＋i_Lah

_??? 功率調節器向機組提供所需的無功與諧波電流的工作原理是，將A相負載電流i_La中的無功與諧波電流i_Laq＋i_Lah從i_La中分離出來，用i_Laq＋i_Lah作為指令電流對Delta逆變器進行跟蹤控制，得到與i_Laq＋i_Lah相同的電流輸入到負載，此時機組輸入到負載的電流i_sa=i_Lap。

??? 電流i_Laq＋i_Lah的檢出運算電路如圖3所示。將A相負載電流i_La加到圖3所示電路的輸入端，經低通濾波器Ⅰ（見圖5）濾除i_La中的諧波電流i_Lah，將剩下的基波電流i_Lap＋i_Laq與機組電壓u_sa=U_msinωt輸入到乘法器Ⅰ中，相乘后得到

??? F=(i_Lap＋i_Laq)u_sa=(I_fcosφ_fsinωt＋I_fsinφ_fcosωt)U_msinωt

???? =cosφ_f－cosφ_fcos(2ωt)＋sinφ_fsin(2ωt)

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圖3? A相 電 流i_La的i_Laq＋i_Lah檢 出 運 算 電 路 框 圖

??? F經過低通濾波器Ⅱ（見圖5），將二次諧波分量濾除，只剩下直流分量g=I_fU_mcosφ_f，式中K為低通濾波器Ⅱ的放大系數。將g和u_sa再輸入到乘法器Ⅱ中，相乘后得到

??? =gu_sa=I_fU_mcosφ_fU_msinωt=I_fU_m²cosφ_fsinωt

??? 調節低通濾波器Ⅱ的放大系數K，使得

??? U_m²=1

則得到

??? =I_fcosφ_fsinωt=i_Lap

_??? 從負載電流中減去i_Lap即可得到

??? i_La－i_Lap=(i_Lap＋i_Laq＋i_Lah)－i_Lap=i_Laq＋i_Lah

_??? 用=i_Laq＋i_Lah作為Delta逆變器的指令電流，用三角波比較方式進行跟蹤控制，即可使Delta逆變器輸出補償電流i_sac=i_Laq＋i_Lah供給負載，使機組的輸出電流i_sa=i_Lap，機組的輸出功率因數等于1。

3.2? 可以檢測出不平衡電流的三相運算電路

??? 可以檢測出不平衡電流的三相運算電路如圖4所示，它是由三個如圖3所示的單相檢測運算電路組成的。

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圖4? 可 以 檢 測 不 平 衡 電 流 的 三 相 運 算 電 路 框

??? 在三相四線制電路中，當三相負載不平衡時，負載電流i_La、i_Lb、i_Lc中將包含零序分量，并且它們所含的零序分量是相等的，i_o=(i_La＋i_Lb＋i_Lc)。為了使機組的輸出電流三相對稱，最直接的辦法是把三個零序分量變成機組的三相對稱輸出電流。為此，將各相負載電流減去2i_o，使各相負載電流中的i_o由正變負，并把i_o的方程式引入到各相負載電流中。這樣利用圖4所示的運算電路，就可以將i_o分離出來，并變換成機組的輸出對稱電流。然后用各相的負載電流，減去相應各相的機組輸出對稱電流，就可得到功率調節器的補償電流指令值。這樣，只須在電路中增加一個加法器和三個減法器就行了，電路的其它部分保持原樣不變。

??? 功率調節器的補償電流發生電路，是由電壓型Delta PWM逆變器及其相應的驅動電路和電流跟蹤控制電路組成。為了保證其有良好的補償電流跟蹤特性，必須將Delta逆變器直流側電容上的電壓控制為一個適當的值，圖4中的IC₁和IC₂就起到這個作用。圖中U_dcr是U_dc的給定值，U_dc與U_dcr之差經IC₁、IC₂后得到調節信號ΔU_dc，將它加到瞬時有功電流的直流信號g上，就能控制直流電壓U_dc為某一給定值。在本功率調節器中，是控制U_dc=750V。為了控制U_dc=750V，所以在圖3和圖4中加入了ΔU_dc反饋信號。

??? 此外，在圖3和圖4中的低通濾波器電路如圖5所示。其傳遞函數為

??? H(S)=

??? 這是一種三階切比雪夫模擬式低通濾波器，按照圖中給出的參數，其截止頻率為22Hz，誤差小于2.5％。

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圖 5? 圖 3和 圖 4中 的 低 通 濾 波 器 電 路

3.3? 不平衡負載時三相指令電流的檢出

??? 我們以只有A相有負載R，B相和C相空載，且A相負載等于機組標稱額定功率時的，最嚴重不平衡負載的情況為例進行說明（見圖2）。

??? 當只有A相有負載R，B相和C相空載時，則流過中線的電流3i_o=i_La。若將機組輸出電流i_sa，i_sb，i_sc補償成三相對稱電流時，則i_La中的用來對B相和C相進行補償。所以在各相的檢測電路中都將本相負載電流減去i_La作為運算電路的輸入電流，將得到的運算結果再被本相負載電流減去，就可以得到各相補償電流的指令信號。由圖4所示已知：

??? 機組額定功率為100kVA；

??? i_La=I_msinωt，I_La=450A；

??? i_Lb=0，I_Lb=0；

??? i_Lc=0，I_Lc=0；

??? i_o=i_La，I_o==150A。

??? 對于A相

??? 輸入電流為i_La－i_La=I_msinωt－I_msinωt=I_msinωt，與u_sa=U_msinωt相乘后得

??? F_a=I_msinωtU_msinωt=I_mU_msin2ωt=I_mU_m(1－cos2ωt)

??? 用低通濾波器濾掉二次諧波后只剩下g_a=I_mU_m，其中K為濾波器的放大系數。然后再與u_sa=U_msinωt相乘則得

??? i_Lap=I_mU_m·U_msinωt=I_mU_m²sinωt

??? 令U_m²=1，則得

??? i_Lap=I_msinωt=i_sa

??? 用i_La減去i_sa即可得到

??? =I_msinωt－I_msinωt=I_msinωt

??? 對于B相

??? 輸入電流為：i_Lb－i_La=0－I_msinωt=－I_msin_ωt，與u_sb=U_msin(ωt－120°)相乘后得

??? F_b=－I_msinωtU_msin(ωt－120°)=I_msin(ωt－180°)U_msin(ωt－120°)=－I_mU_m〔cos(2ωt－300°)－ cos(－60°)〕

??? 用低通濾波器濾掉二次諧波后只剩下

??? g_b=－I_mU_m〔－cos(－60°)〕=I_mU_m，

其中K為濾波器的放大系數。然后再與u_sb=U_msin(ωt－120°)相乘則得

??? i_Lbp=I_mU_m·U_msin(ωt－120°)

??? 令U_m²=1，則得

??? i_Lbp=I_msin(ωt－120°)=i_sb

??? 用i_Lb減去i_sb即可得到

??? =0－I_msin(ωt－120°)=－I_msin(ωt－120°)

??? 對于C相

??? 輸入電流為i_Lc－i_La=0－I_msinωt=－I_msinωt，與u_sc=U_msin(ωt＋120°)相乘后得

??? F_c=－I_msinωtU_msin(ωt＋120°)=－I_mU_m〔cos(2ωt－60°)－cos(60°)〕

??? 用低通濾波器濾掉二次諧波后只剩下

??? g_c=－I_mU_m〔－cos(60°)〕=I_mU_m，

其中K為濾波器的放大系數。然后再與u_sc=U_msin(ωt＋120°)相乘則得

??? i_Lcp=I_mU_m·U_msin(ωt＋120°)

??? 令U_m²=1，則得

??? i_Lcp=I_msin(ωt＋120°)=i_sc

??? 用i_Lc減去i_sc即可得到

??? =0－I_msin(ωt＋120°)=－I_msin(ωt＋120°)

??? 由得到補償電流i_sac=I_msinωt

??? 由得到補償電流i_sbc=－I_msin(ωt－120°)

??? 由得到補償電流i_scc=－I_msin(ωt＋120°)

??? 當I_sac=450A×=300A，I_sbc=－450A×=－150A，I_scc=－450A×=－150A。其關系如圖2及圖6所示。

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圖 6? 單 相 負 載 時 補 償 電 流 的 向 量 圖

3.4? 采用瞬時無功理論的指令電流運算電路

??? 瞬時無功理論是由日本學者赤木泰文于1983年提出來的，其中包括p－q運算法、i_p－i_q運算法和d－q運算法。這里只介紹一種p－q運算法，其電路如圖7所示，圖中

??? C₃₂=；C_pq=

??? C₂₃=

??? 但這種運算電路檢測法的電路較復雜，所用乘法器較多，調整困難，故未采用。

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圖 7? 瞬 時 無 功 理 論p－q運 算 檢 測 電 路

4? 電路跟蹤控制電路

??? 電流跟蹤控制電路采用的是三角波比較方式，圖8是三角波比較方式的波形圖，圖9是三角波比較方式的原理框圖。這種方式與SPWM方式是不同的。它不直接將指令信號與三角波進行比較，而是將與i_sac的偏差Δi_sac經放大器A放大后再與三角波進行比較。放大器A采用比例放大器或比例積分放大器。這種控制方式是基于將Δi_sac控制到最小來進行設計的。其優點是輸出電壓中的諧波含量較小，只含有與三角波頻率相同的諧波，濾波比較容易。其缺點是硬件比較復雜，跟蹤誤差稍大，響應速度稍慢。

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圖 8? 三 角 波 比 較 方 式 的 波 形 示 意 圖

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圖 9? 三 角 波 比 較 方 式 的 原 理 框 圖

??? Delta逆變器的開關器件，可以選用1200V/600A的IGBT，也可以采用1200V/300A的IGBT2只并聯，相應的驅動器，可以與IGBT配套購買。例如對于1200V/300A的IGBT，可以選用EXB851或EXB841型柵極驅動混合IC驅動器。

5? 試驗波形

??? 圖10給出了單相電阻負載時的源側與負載側的試驗波形，可以看出源側電流是三相對稱的，說明功率調節器可以對不平衡負載進行補償；圖11給出了單相電感負載時的源側與負載側的試驗波形，可以看出源側電流是幾乎為零的三相對稱電流，說明功率調節器可以對無功電流和不平衡負載進行補償；圖12給出了三相非線性負載時的源側和負載側的試驗波形，可以看出源側電流基本上是正弦的三相對稱電流，說明功率調節器可以對負載的諧波電流進行補償。

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(a)? 負 載 側

(b）? 源 側

圖 10? 單 相 電 阻 負 載 時 的 試 驗 波 形

(a)? 負 載 側

(b)? 源 側

圖 11? 單 相 電 感 負 載 時 的 試 驗 波 形

(a)? 負 載 側

(b)? 源 側

圖 12? 三 相 非 線 性 負 載 時 的 試 驗 波 形

6? 結語

??? 從上面的分析和試驗波形可知，功率調節器具有如下的作用：

??? 1）可以對不平衡負載進行補償，不管三相負載如何不對稱，經功率調節器補償后，能使機組的電流成為三相對稱的電流，在帶單相負載時機組可以提供額定的輸出功率；

??? 2）可以補償負載的無功功率電流，使機組的輸出功率因數接近于1；

??? 3）可以補償負載的諧波電流，使機組的輸出電流為基本純凈的三相對稱正弦波電流。