380/220V，100kVA UPS備用發(fā)電機組的功率調節(jié)器

摘要：敘述了UPS備用發(fā)電機功率調節(jié)器的工作原理與控制方式。

關鍵詞：不間斷電源；功率調節(jié)器；補償

1 引言

UPS備用（應急）發(fā)電機組是低壓供電系統(tǒng)，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(jié)器，就是當UPS備用（應急）發(fā)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(jié)器也能使發(fā)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(jié)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(tài)，故稱作功率調節(jié)器。

由于功率調節(jié)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(tài)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(tài)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(tài)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(fā)電機組功率調節(jié)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(fā)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(jié)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(jié)器的組成與工作原理

UPS備用（應急）發(fā)電機組的功率調節(jié)器原理電路如圖1所示。其中功率調節(jié)器的電路，就是一個可以補償三相不平衡電流的并聯(lián)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(fā) 電 機 與 功 率 調 節(jié) 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?？刂破髦械闹噶铍娏鬟\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(fā)脈沖，此觸發(fā)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(lián)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(jié)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(jié)器對機組電流的補償是動態(tài)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(xù)調節(jié)；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(jié)器也不會發(fā)生過載，并能正常發(fā)揮補償作用；功率調節(jié)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(fā)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(jié)器的指令電流運算電路

功率調節(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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)

l

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(jié)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