摘 要: 介绍了完美无谐波UPS的工作原理及控制方法

美国罗宾康公司于1994年3月申请专利,提出了输入采用多相变压器整流,输出采用2H桥级联叠加,并用载波三角波移相PWM控制的完美无谐波变频调速技术,这项技术具有完美的输入、输出波形,在无需附加任何滤波装置的条件下,可以满足各国供电部门对谐波的严格要求,达到了完美无谐波的效果,因此得到了广泛的应用。例如日本的东芝公司和三菱公司都已引入了这项技术。在一次讲座中有人问我，UPS能不能应用这项技术,我回答说：如果能克服掉它的两个缺点,就能把这项技术应用到UPS中,一是要克服2H桥级联所用开关管较多的缺点，将60个IGBT减少到30个以下;二是要克服所用独立直流电源个数较多的缺点，将15个独立直流电源减少到只用一个独立直流电源。为了克服这两个缺点，我作了长时间的研究和试验，终于找到了采用层叠式多电平逆变技术(这项逆变技术在文献中还找不到)可以很好地克服上述两个缺点。经过仿真试验证明,这项技术满足

　　了UPS应用的要求。经过小功率模型实验,这项技术可以使中、大功率UPS达到如下的技术指标:

　　①可以使输入功率因数达到0.95以上;

　　②完美的输入和输出波形，在无需附加任何滤波装置的条件下，可以满足各国供电部门对谐波的严格要求，从而实现了UPS的绿色革命;

　　③提高了UPS输出电能的质量，减少了或干脆不用交流滤波电感，使UPS的瞬态响应时间缩小了两倍以上;

　　④将开关管的dv/dt减小到1/5，使逆变开关工作在ZVS状态，减小了EMI，减小了开关损耗;

　　⑤总效率可以达到97%。

　　由上述技术指标表明，这种新型的完美无谐波UPS，是目前中、大功率UPS发展的一个重要方向。下面将这一新技术介绍给大家，以供研究应用时参考。

　　1 新型层叠式多电平逆变技术

　　所谓新型层叠式多电平逆变技术，实质上是一种将直流电源(如蓄电池)通过直流电容分压成N个(一般N =3～5)直流电源电压，然后对N 个直流电源电压采用PWM调制与二极管串联叠加，使其变换成单相全桥整流式准正弦波PWM电压波形,而后再通过全桥逆变方式将其逆变成准正弦波交流多电平PWM电压。

　　1.1 直流电容分压与二极管串联叠加

　　直流电源的电容分压与二极管串联叠加的电路如图1所示。直流电源E通过N 个相同的电解电容C 1=C 2=…=C N串联分压,使每一个分压电容上的电压为E /N ,电容上的电压通过N 个开关管VT1～VTN与N个串联叠加二极管VD1～VDN并联,开关管选用具有内置反并联二极管的IGBT(VT1～VTN-1可以选用无内置反馈二极管的IGBT),叠加二极管VD1～VDN采用相同的单体二极管。根据二极管的单向导电特性，当二极管的正极电位比负极电位高时，是正偏置，二极管导通;当二极管的正极电位比负极电位低时,是反偏置，二极管关断。根据这个特性，可以对VT1～VTN的通断控制，来使二极管实现直流电容上电压的串联叠加。

　　这里必须指明的一点是,这种电路只能采用顺序依次连续叠加的方式,不能实现间隔的叠加与隔序叠加。

　　由图1所示的电路,当VT1开通,开关VT2～VTN关断时,二极管VD1反偏置,VD2～VDN正偏置,VD1关断,VD2～VDN导通,E 1=E /N 接入电路,直流电源的输出电压u d=E 1=E /N 。

　　当VT1与VT2开通,VT3～VTN关断时,VD1、VD2反偏置,VD3～VDN正偏置,VD1、VD2关断,VD3～VDN导通,E 1、E 2接入电路,直流电源的输出电压u d=E 1+E 2=2E /N 。

　　当VT1～VT3开通,VT4～VTN关断时,VD1～VD3反偏置,VD4～VDN正偏置,VD1～VD3关断,VD4～VDN导通,E 1～E 3接入电路,直流电源的输出电压u d=E 1+E 2+E 3=3E /N 。

　　当开关VT1～VTN都开通时,VD1～VDN因反偏置而关断,E 1～E N接入电路,直流电源的输出电压u d=E 1+E 2+…+E N=NE /N =E 。

　　当开关VT1～VTN都不导通时,VD1～VDN因正偏置而导通,E 1～E N都不接入电路,直流电源的输出电压u d=0。

　　这种二极管串联叠加方式,不用变压器,也不用电感,只使用开关控制二极管进行串联叠加,因此体积小,重量轻,反应速度快。

　　图2为N =5的直流电容分压二极管串联叠加的主电路,图3为图2所示主电路的控制电路,直流电源的输出电压波形如图2中u d的波形所示。

　1.2 二极管叠加的PWM实现

　　新型层叠式多电平逆变器的PWM控制,不是在逆变开关上实现的,而是在直流电源串联叠加的开关VT1～VTN上实现的,这样作可以使逆变开关工作在ZVS状态。为此在直流电源的控制电路中采用了多电平逆变器中常用的载波三角波反向层叠式PWM控制方法(Alternative phase oppositionDisposition-PWM,简称APOD-PWM)。如图2中的波形图所示,用载波三角波uC1与正弦调制波uS进行比较产生的控制脉冲去控制VT1;用载波三角波uC2与正弦调制波uS进行比较产生的控制脉冲去控制VT2，……，用载波三角波uCS与正弦调制波uS进行比较产生的控制脉冲去控制VT5，这样直流电源的输出电压u d的波形，就是各电平都可以进行PWM控制的APOD-PWM准正弦波电压波形，如图2中的u d波形所示。输出电压u d的完整波形是一个类似于单相全桥整流电压的APOD-PWM准正弦波电压波形。此波形经过全桥逆变器的ZVS同步逆变，即可得到单相APOD-PWM准正弦波交流电压输出。

　　2 新型完美无谐波UPS电路

　　三相完美无谐波UP S的主电路如图4所示,它是由18脉波整流器与新型层叠式三相多电平逆变器组成的。对于图4中的三相多电平逆变器,

当采用图5所示

的控制电路对其进行控制时,就可以得到三相11电平APOD-PWM准正弦波交流三相电压输出,输出电压的波形完全和罗宾康5个2H桥串联叠加的输出电压波形相同,但所用的开关管(IGBT)却比罗宾康5个2H桥串联叠加的三相逆变器少用33个开关管和14个独立的直流电源。使三相逆变器的电路大大简化,造价也大大降低,为UPS采用完美无谐波技术创造了条件。

　　3 输出电压表示式的推导

　　三相完美无谐波UPS所用的三相层叠式多电平逆变器,采用的是载波三角波反向层叠式PWM控制法,即APOD-PWM控制,在参考文献[1]和[2]的两本著作中已经详细地证明了APOD-PWM控制法与载波三角波移相PWM控制法所得到的输出电压波形是完全相同的,这一点也可以用图6所示的波形得到证明:图6所示的波形是载波三角波移相控制得到的波形,如果对图6上部的波形,采用图2中波形的APOD-PWM画法进行作图就可以证明

　　,两种控制法所得到的输出电压波形完全相同。故图4所示三相层叠式多电平逆变器的输出电压表示式,可以通过图6所示的波形进行推导。

　　由图6的上图可知,5个载波三角波uC1～uC5的初相位角依次滞后2π/5,假定uC1的初相位角α1=0,则uC2的初相位角α2=2π/5,uC3的初相位角α3=2π(3-1)/5=4π/5……uC5的初相位角α5=2π(5-1)/5=8π/5。用载波三角波uC1与正弦调制波uS进行比较,所产生的控制脉冲去控制开关S1,得到E 1的输出电压uP1;用载波三角波uC2与正弦调制波uS进行比较,所产生的控制脉冲去控制开关S2,得到E 2的输出电压uP2;用载波三角波uC3与正弦调制波uS进行比较,所产生的控制脉冲去控制开关S3,得到E 3的输出电压uP3,……用载波三角波uC5与正弦调制波uS进行比较,所产生的控制脉冲去控制开关S5,得到E 5的输出电压uP5,则A相逆变器的APOD-PWM输出电压为

　　由式(9)可知,在输出相电压uA中将消除掉5F±1次以下的谐波，只包含5F ±1次以上的谐波，当载波比F =120时可以消除5×120±1=600±1次以下的谐波，故称为完美无谐波UPS。其输出的仿真波形如图7所示。

　　4 输入18脉波整流电路

　　输入18脉波整流的电路及输入电流的波形如图8所示，

输入变压器采用Y/ΔΔΔ联结，输入变压器的三个次级绕组依次滞后20°相位角，构成三相输入18相输出的多相整流电路，输入电流经过三重叠加后变成了10电平阶梯波，经过计算[3]得到A相输入电流的数学表示式为

　　由式(10)可知,三重叠加后5、7、11、13次谐波的含量减少了很多。可以使输入功率因数PF>0.95。

　　5 结束语

　　新型层叠式多电平逆变器， 是集钳位式多电平逆变器与2 H 桥级联式多电平逆变器的优点，克服其缺点而研制出来的一种新型逆变器，它的突出优点是所用开关管最少，所用独立直流电源的数目也最少(只用一个)，控制方法简单，输出电压波形最接近于正弦，可以达到完美无谐波的程度，利用这种逆变器可以使中、大功率的UP S，在不附加任何滤波装置的条件下实现“无谐波”输出。这种逆变器与1 8脉波、2 4 脉波或3 0 脉波整流电路相结合， 可以实现完美无谐波UP S技术。这项技术可以使UP S的技术指标大大提高，是UP S的重要发展方向之一。同时这项技术还使逆变开关工作在ZVS状态。

　　参考文献

　　[1]刘凤君.现代逆变技术及应用[M]，北京：电子工业出版社，2006

　　[2]刘凤君.多电平逆变技术及其应用[M]，北京：机械工业出版社，2007

　　[3]刘凤君.逆变器用整流电源[M]，北京:机械工业出版社，2004

　　作者简介

　　刘凤君(1937-)，男，研究员，博士生导师，长期从事电力电子技术研究。【红尘有你】