张兴起1任开春1张小春1张迁1罗敏2
　　
　　(1.重庆通信学院,重庆400035)
　　
　　(2.75706部队,海丰县516400)
　　
　　摘要:Delta逆变器是对交流电源全面进行补偿的新型逆变器,是串联、并联、串并联结构补偿电路的基础。串并联补偿式UPS是采用Delta逆变器的UPS,可以完善和提高系统供电的性能。通过对串并联补偿式UPS中Delta逆变器工作原理和功能分析,对于改进UPS设计有重要意义。
　　　　
　　UPS是一种不间断供电装置,市电发生中断时,UPS仍能为重要设备持续供电一段时间,从而保证设备的正常运行。UPS广泛应用于电力、通信、医院、银行和证券等行业。Delta逆变技术是20世纪末出现的新技术,专门满足市电净化稳压、负载电流的无功补偿和有源滤波的需要。串并联补偿式UPS利用Delta逆变器的补偿技术,是当前一种新式UPS,克服了常规UPS的诸多缺点,为UPS的发展打开了新思路。
　　
　　1 Delta逆变器的构成和工作原理
　　
　　1.1Delta逆变器的定义及应用领域
　　
　　Delta逆变器,就是以电压或电流的变化增量(电压的谐波分量uh、波动量Δu或电流中的无功分量iq、谐波分量ih)作为调制波指令信号,对线性PWM逆变器进行控制,使逆变器按比例地复现调制波信号的一种新型逆变器[1]。通过对电压或电流变化的增量补偿,提高电能质量。Delta逆变器实现了由全功率电能变换电源应用方式向部分功率变换的电能参量补偿应用的转变,可以应用在以下领域[2]:
　　
　　(1)串并联补偿式UPS。
　　
　　(2)串联或并联式交流稳压电源。
　　
　　(3)电能质量综合补偿器。
　　
　　(4)交流电力有源滤波器。
　　
　　1.2Delta逆变器的工作原理分析
　　
　　Delta逆变器是对电压或电流增量进行补偿的,其增量波形比较复杂,因此逆变器为线性高开关频率的PWM逆变器。根据输入市电相数,电路拓扑为单相全桥逆变器或者三相全桥逆变器。以采用IGBT为开关管的单相全桥逆变器为例,对Delta逆变器电压补偿原理进行分析。基于IGBT的单相全桥Delta逆变器如图1所示。
　　
　　图中uL为加到负载上的市电电压,ur为与市电同步的标准正弦电压;Cd为直流滤波电容,LFCF为交流滤波器。SPWM控制器载波三角波方程为
　　
　

　式中:XLF=ωLF,ω为市电角频率,θ为市电电流相位滞后角,δ是uab1相对市电电压相位滞后角。当δ>0时,P>0,逆变器工作在整流状态,市电给蓄电池充电;当δ<0时,P<0,逆变器工作在逆变状态,市电从直流侧吸收能量。δ=0时,市电与蓄电池维持电感正常工作时所需的无功功率。当P>0时,根据式(6),使δ为90°,即θ为0°,此时,市电侧功率因数为1。
　　
　　2 基于Delta逆变器的串并联补偿式UPS原理分析
　　
　　基于Delta逆变器串并联补偿式UPS主要是由串联补偿变压器、Delta逆变器、静态开关、旁路开关以及蓄电池组等多部分构成,如图2所示。市电正常时,Delta逆变器Ⅰ通过串联补偿变压器Tr在电路的输入端与负载串联,对市电进行监视和补偿,实现有源滤波;Delta逆变器Ⅱ通过滤波器在输出端与负载并联,对输出进行监视和补偿,实现交流稳压。市电波动(一般为±15%)时,Delta逆变器Ⅰ与Delta逆变器Ⅱ联合工作,对电压波动补偿。蓄电池吸收或释放电能,使输入与输出功率平衡。当市电中断时,由Delta逆变器Ⅱ将蓄电池的直流电逆变成交流电向负载供电,因此也称为主逆变器。
　　
　　2.1Delta逆变器Ⅰ与Delta逆变器Ⅱ对无功及谐波的补偿分析
　　
　　Delta逆变器Ⅰ主要是消除市电输入电流中的无功与谐波成分,原理是:输入市电通过与给定的标准电压波形(与市电同步)比较,将负载电流中的无功电流与谐波电流分离出来,其和为ic。根据Delta逆变器工作原理,以ic为调制波信号,进行SPWM控制,在串联补偿变压器Tr二次侧(N2)形成与ic数值相同,方向相反的补偿电流,用来抵消市电输入电流中的无功与谐波电流。根据式(6)实现完全补偿时,市电输入的功率因数为1。对市电电流进行无功和谐波补偿时,不消耗直流电能。
　　
　　Delta逆变器Ⅱ与Delta逆变器Ⅰ拓扑相同,主要是使负载电压稳定,向负载提供所需的无功和谐波电流。利用波形瞬时值比较法,将采样的负载电压uL的采样电压与标准正弦电压ur进行比较(见图1),检测出负载电压的波动与谐波之和uc,以ur减去uc信号作为调制波指令信号。负载电压uL方程为
　　
　　

因为Delta逆变器Ⅰ的补偿作用,市电提供与电压同相位的有功电流。根据基尔霍夫定律,图2中A点流到负载的电流是Delta逆变器Ⅰ与Delta逆变器Ⅱ提供电流之和,Delta逆变器Ⅰ提供的只是有功电流,因此负载所需的无功与谐波电流只能由Delta逆变器Ⅱ提供。
　　
　　2.2Delta逆变器Ⅰ与Delta逆变器Ⅱ对市电电压波动补偿时的工作状态分析
　　
　　Delta逆变器Ⅱ与输出并联,使输出电压为标准纯净的交流电压。当输入市电波动时,必然导致输入端与输出端产生电压差。因为负载不变,电压差反映出输入与输出有功功率不一致,需要两个逆变器与蓄电池一起对市电电压波动进行补偿。由图2可知,市电功率从Tr的二次侧(N2)输出到负载,而流过的电流可以由Delta逆变器Ⅰ进行控制。补偿功率由蓄电池提供,因此蓄电池电压Ud也将改变。因此用在线测量值Ud与标准值之差ΔUd作为反馈信号。通过ΔUd控制Delta逆变器Ⅰ与Delta逆变器Ⅱ工作状态,使电能在电网与蓄电池间双向流动,实现对市电电压波动的补偿。
　　
　　当市电电压升高,输入功率大于输出功率时,为保持输出电压不变,调节Delta逆变器Ⅱ处于整流状态,使输出电压降低,蓄电池吸收多余功率,此时Ud上升。ΔUd控制Delta逆变器Ⅰ处于整流状态,在Tr二次侧产生负补偿电压,使输入电流减小。当ΔUd超过一定值时,使逆变器Ⅱ输出电压稍大于参考值时,逆变器Ⅱ由整流变换到逆变,此时逆变器Ⅰ吸收功率,逆变器Ⅱ输出功率,当两者平衡时,实现功率平衡。由于蓄电池暂时储存了电能,其电压比补偿前高,用于维持逆变器Ⅰ产生负补偿电压。当市电电压降低时,为保持输出电压与参考电压一致,Delta逆变器Ⅱ处于逆变状态,以提高输出电压,此时蓄电池电压Ud降低。ΔUd控制Delta逆变器Ⅰ处于逆变状态,产生正补偿电压,增大输入电流。当Ud下降到一定值时,使逆变器Ⅱ输出电压稍低于参考值时,逆变器Ⅱ由逆变变换到整流状态,此时逆变器Ⅱ吸收功率,逆变器Ⅰ输出功率,当两者相等时,实现功率平衡。由于蓄电池释放了电能,所以电压比补偿前要低,降低部分用来维持正补偿电压。
　　
　　【红尘有你】