380/220V，100kVA UPS备用发电机组的功率调节器

刘凤君

(航天二院，北京  100854）

摘要：叙述了UPS备用发电机功率调节器的工作原理与控制方式。

关键词：不间断电源；功率调节器；补偿

1  引言

    UPS备用（应急）发电机组是低压供电系统，一般都采用三相四线制输出。由它供电的负载常常是不对称负载，其中包括三相不对称电阻负载，三相不对称电感负载，三相不对称非线性负载，或包括电阻、电感、非线性负载在内的三相不对称混合负载。

    所谓功率调节器，就是当UPS备用（应急）发电机组在向不对称负载供电时，即使是向最严重的单相负载供电，功率调节器也能使发电机组的输出电流，成为三相对称的纯正弦有功电流，即便是单相负载的功率达到机组额定功率时也是如此。由于功率调节器能够把三相不对称负载（包括电阻性、电感性、非线性、以及它们的混合不对称负载）的功率，变换成只让机组提供三相对称的有功功率，使机组永远工作在三相对称有功功率状态，故称作功率调节器。

    由于功率调节器的上述作用，它必须具备如下的功能：

    1）能够对负载的无功电流进行动态补偿，使机组的输出功率因数接近于1；

    2）能够对负载的谐波电流进行动态补偿，使机组的输出电流接近于正弦波；

    3）能够对三相不对称电流进行动态补偿，使机组的输出电流为三相对称电流。

    由上述三个功能可知，UPS备用（应急）发电机组功率调节器，实际上就是一个可以对三相不平衡电流进行补偿的电力有源滤波器。在三相负载基本对称时，它可以对负载的无功电流与谐波电流进行补偿；在三相负载不对称时，即使在最严重的单相负载时，也能保证使发电机组输出三相对称的有功功率电流，其单相负载的功率可以达到机组的标称额定功率。这些性能表明，功率调节器提高了机组的供电质量，并能把三相不对称负载变换成机组的三相对称有功负载，从而提高了机组向不对称负载的供电能力，使单相负载时的功率可达到机组的标称额定功率。

2  功率调节器的组成与工作原理

    UPS备用（应急）发电机组的功率调节器原理电路如图1所示。其中功率调节器的电路，就是一个可以补偿三相不平衡电流的并联电力有源滤波器。它由三部分组成，即可以双向四象限工作的三相电压型Delta PWM逆变器、PWM脉冲形成驱动器、由指令电流运算电路及电流跟踪控制电路组成的控制器。

图1  备 用 （ 应 急 ） 发 电 机 与 功 率 调 节 器 的 电 路 结 构

    图1中，u_sa，u_sb，u_sc表示交流电源，负载为不对称的电阻、电感、整流电路或由它们组成的不对称负载，是无功电流、谐波电流和不对称电流源。控制器中的指令电流运算电路的作用是，检测出负载电流i_La、

    i_Lb、i_Lc中的无功分量、谐波分量和不平衡电流分量，并由这些分量作为指令电流，由电流跟踪控制电路根据指令电流产生出PWM触发脉冲，此触发脉冲经驱动器放大后去驱动Delta逆变器。由Delta逆变器产生出补偿电流，以对负载的无功电流、谐波电流和不平衡电流进行补偿，使机组的输出电流成为三相对称的有功电流。

    可以补偿不平衡电流的电力有源滤波器，采用的是并联式有源滤波器。当需要补偿负载产生的无功电流、谐波电流和不平衡电流时，应首先检测出负载电流i_La、i_Lb、i_Lc中的无功电流分量i_Laq、i_Lbq、i_Lcq，谐波电流分量i_Lah、i_Lbh、i_Lch和不平衡分量i_Lao、i_Lbo、i_Lco，将这些分量反极性后相加作为补偿电流i_sac、i_sbc、i_scc的指令信号，由Delta逆变器产生的补偿电流与负载电流中的各分量电流，例如i_Laq、i_Lbq、i_Lcq等大小相等，方向相反而互相抵消，使机组输出电流i_sa、i_sb、i_sc成为只含基波有功功率电流的三相对称正弦电流，对于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表示负载电流的基波有功分量。

    当机组向最严重的单相（例如A相）不对称负载供电，单相负载的功率等于机组的额定功率时，负载电流，机组输出电流和功率调节器补偿电流的数值，如图2所示。

图2  单 相 负 载 时 的 负 载 电 流 、 补 偿 电 流 与 机 组 输 出 电 流 的 数 值 示 意 图

    这里必须指出的是，功率调节器对机组电流的补偿是动态补偿，对补偿对象的变化具有极快的响应速度，可以作到连续调节；对无功功率进行补偿时不需要储能元件，对谐波电流进行补偿时所需储能元件的容量也不大，但对不平衡电流进行补偿时却需要较大容量的储能元件；即使补偿对象电流过大，功率调节器也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用；功率调节器对机组电流的补偿受机组阻抗的影响不大，不容易和机组内阻抗发生谐振；能跟踪机组频率的变化，故补偿性能不受机组频率变化的影响；由于机组是三相四线制输出，所以负载各相的电压和相应的机组各相电压相等，当机组相电压对称时，负载各相电压也是对称的，故补偿性能也不受机组电压的影响。

3  功率调节器的指令电流运算电路

    功率调节器的控制器，是由指令电流运算电路和电流跟踪控制电路两部分组成的。本节只介绍其中的指令电流运算电路，电流跟踪控制电路和驱动器一起将在下一节中介绍。

3.1  检测无功电流和谐波电流的运算电路

    以A相电路为例，当负载中含有电阻、电感和非线性负载时，负载电流将滞后于机组电压，并产生畸变，此时A相负载电流i_La的傅里叶级数表达式为

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代表谐波次数，φ_f为基波电流滞后于机组电压的相位角，φ_n为n次谐波电流滞后于电压的相位角，注脚f代表基波。

    令i_Lap=I_fcosφ_fsinωt=I_Lapsinωt为基波有功电流；i_Laq=I_fsinφ_fcosωt=I_Laqcosωt为基波无功电流；i_Lah=I_nsin(nωt＋φ_n)为谐波电流，则

    i_La=i_Lap＋i_Laq＋i_Lah

    功率调节器向机组提供所需的无功与谐波电流的工作原理是，将A相负载电流i_La中的无功与谐波电流i_Laq＋i_Lah从i_La中分离出来，用i_Laq＋i_Lah作为指令电流对Delta逆变器进行跟踪控制，得到与i_Laq＋i_Lah相同的电流输入到负载，此时机组输入到负载的电流i_sa=i_Lap。

    电流i_Laq＋i_Lah的检出运算电路如图3所示。将A相负载电流i_La加到图3所示电路的输入端，经低通滤波器Ⅰ（见图5）滤除i_La中的谐波电流i_Lah，将剩下的基波电流i_Lap＋i_Laq与机组电压u_sa=U_msinωt输入到乘法器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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图3  A相 电 流i_La的i_Laq＋i_Lah检 出 运 算 电 路 框 图

    F经过低通滤波器Ⅱ（见图5），将二次谐波分量滤除，只剩下直流分量g=I_fU_mcosφ_f，式中K为低通滤波器Ⅱ的放大系数。将g和u_sa再输入到乘法器Ⅱ中，相乘后得到

    =gu_sa=I_fU_mcosφ_fU_msinωt=I_fU_m²cosφ_fsinωt

    调节低通滤波器Ⅱ的放大系数K，使得

    U_m²=1

则得到

    =I_fcosφ_fsinωt=i_Lap

    从负载电流中减去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作为Delta逆变器的指令电流，用三角波比较方式进行跟踪控制，即可使Delta逆变器输出补偿电流i_sac=i_Laq＋i_Lah供给负载，使机组的输出电流i_sa=i_Lap，机组的输出功率因数等于1。

3.2  可以检测出不平衡电流的三相运算电路

    可以检测出不平衡电流的三相运算电路如图4所示，它是由三个如图3所示的单相检测运算电路组成的。

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图4  可 以 检 测 不 平 衡 电 流 的 三 相 运 算 电 路 框

    在三相四线制电路中，当三相负载不平衡时，负载电流i_La、i_Lb、i_Lc中将包含零序分量，并且它们所含的零序分量是相等的，i_o=(i_La＋i_Lb＋i_Lc)。为了使机组的输出电流三相对称，最直接的办法是把三个零序分量变成机组的三相对称输出电流。为此，将各相负载电流减去2i_o，使各相负载电流中的i_o由正变负，并把i_o的方程式引入到各相负载电流中。这样利用图4所示的运算电路，就可以将i_o分离出来，并变换成机组的输出对称电流。然后用各相的负载电流，减去相应各相的机组输出对称电流，就可得到功率调节器的补偿电流指令值。这样，只须在电路中增加一个加法器和三个减法器就行了，电路的其它部分保持原样不变。

    功率调节器的补偿电流发生电路，是由电压型Delta PWM逆变器及其相应的驱动电路和电流跟踪控制电路组成。为了保证其有良好的补偿电流跟踪特性，必须将Delta逆变器直流侧电容上的电压控制为一个适当的值，图4中的IC₁和IC₂就起到这个作用。图中U_dcr是U_dc的给定值，U_dc与U_dcr之差经IC₁、IC₂后得到调节信号ΔU_dc，将它加到瞬时有功电流的直流信号g上，就能控制直流电压U_dc为某一给定值。在本功率调节器中，是控制U_dc=750V。为了控制U_dc=750V，所以在图3和图4中加入了ΔU_dc反馈信号。

    此外，在图3和图4中的低通滤波器电路如图5所示。其传递函数为

    H(S)=

    这是一种三阶切比雪夫模拟式低通滤波器，按照图中给出的参数，其截止频率为22Hz，误差小于2.5％。

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图 5  图 3和 图 4中 的 低 通 滤 波 器 电 路

3.3  不平衡负载时三相指令电流的检出

    我们以只有A相有负载R，B相和C相空载，且A相负载等于机组标称额定功率时的，最严重不平衡负载的情况为例进行说明（见图2）。

    当只有A相有负载R，B相和C相空载时，则流过中线的电流3i_o=i_La。若将机组输出电流i_sa，i_sb，i_sc补偿成三相对称电流时，则i_La中的用来对B相和C相进行补偿。所以在各相的检测电路中都将本相负载电流减去i_La作为运算电路的输入电流，将得到的运算结果再被本相负载电流减去，就可以得到各相补偿电流的指令信号。由图4所示已知：

    机组额定功率为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。

    对于A相

    输入电流为i_La－i_La=I_msinωt－I_msinωt=I_msinωt，与u_sa=U_msinωt相乘后得

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

    用低通滤波器滤掉二次谐波后只剩下g_a=I_mU_m，其中K为滤波器的放大系数。然后再与u_sa=U_msinωt相乘则得

    i_Lap=I_mU_m·U_msinωt=I_mU_m²sinωt

    令U_m²=1，则得

    i_Lap=I_msinωt=i_sa

    用i_La减去i_sa即可得到

    =I_msinωt－I_msinωt=I_msinωt

    对于B相

    输入电流为：i_Lb－i_La=0－I_msinωt=－I_msin_ωt，与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°)〕

    用低通滤波器滤掉二次谐波后只剩下

    g_b=－I_mU_m〔－cos(－60°)〕=I_mU_m，

其中K为滤波器的放大系数。然后再与u_sb=U_msin(ωt－120°)相乘则得

    i_Lbp=I_mU_m·U_msin(ωt－120°)

    令U_m²=1，则得

    i_Lbp=I_msin(ωt－120°)=i_sb

    用i_Lb减去i_sb即可得到

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

    对于C相

    输入电流为i_Lc－i_La=0－I_msinωt=－I_msinωt，与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°)〕

    用低通滤波器滤掉二次谐波后只剩下

    g_c=－I_mU_m〔－cos(60°)〕=I_mU_m，

其中K为滤波器的放大系数。然后再与u_sc=U_msin(ωt＋120°)相乘则得

    i_Lcp=I_mU_m·U_msin(ωt＋120°)

    令U_m²=1，则得

    i_Lcp=I_msin(ωt＋120°)=i_sc

    用i_Lc减去i_sc即可得到

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

    由得到补偿电流i_sac=I_msinωt

    由得到补偿电流i_sbc=－I_msin(ωt－120°)

    由得到补偿电流i_scc=－I_msin(ωt＋120°)

    当I_sac=450A×=300A，I_sbc=－450A×=－150A，I_scc=－450A×=－150A。其关系如图2及图6所示。

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图 6  单 相 负 载 时 补 偿 电 流 的 向 量 图

3.4  采用瞬时无功理论的指令电流运算电路

    瞬时无功理论是由日本学者赤木泰文于1983年提出来的，其中包括p－q运算法、i_p－i_q运算法和d－q运算法。这里只介绍一种p－q运算法，其电路如图7所示，图中

    C₃₂=；C_pq=

    C₂₃=

    但这种运算电路检测法的电路较复杂，所用乘法器较多，调整困难，故未采用。

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图 7  瞬 时 无 功 理 论p－q运 算 检 测 电 路

4  电路跟踪控制电路

    电流跟踪控制电路采用的是三角波比较方式，图8是三角波比较方式的波形图，图9是三角波比较方式的原理框图。这种方式与SPWM方式是不同的。它不直接将指令信号与三角波进行比较，而是将与i_sac的偏差Δi_sac经放大器A放大后再与三角波进行比较。放大器A采用比例放大器或比例积分放大器。这种控制方式是基于将Δi_sac控制到最小来进行设计的。其优点是输出电压中的谐波含量较小，只含有与三角波频率相同的谐波，滤波比较容易。其缺点是硬件比较复杂，跟踪误差稍大，响应速度稍慢。

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图 8  三 角 波 比 较 方 式 的 波 形 示 意 图

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图 9  三 角 波 比 较 方 式 的 原 理 框 图

    Delta逆变器的开关器件，可以选用1200V/600A的IGBT，也可以采用1200V/300A的IGBT2只并联，相应的驱动器，可以与IGBT配套购买。例如对于1200V/300A的IGBT，可以选用EXB851或EXB841型栅极驱动混合IC驱动器。

5  试验波形

    图10给出了单相电阻负载时的源侧与负载侧的试验波形，可以看出源侧电流是三相对称的，说明功率调节器可以对不平衡负载进行补偿；图11给出了单相电感负载时的源侧与负载侧的试验波形，可以看出源侧电流是几乎为零的三相对称电流，说明功率调节器可以对无功电流和不平衡负载进行补偿；图12给出了三相非线性负载时的源侧和负载侧的试验波形，可以看出源侧电流基本上是正弦的三相对称电流，说明功率调节器可以对负载的谐波电流进行补偿。

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(a)  负 载 侧

(b）  源 侧

图 10  单 相 电 阻 负 载 时 的 试 验 波 形

(a)  负 载 侧

(b)  源 侧

图 11  单 相 电 感 负 载 时 的 试 验 波 形

(a)  负 载 侧

(b)  源 侧

图 12  三 相 非 线 性 负 载 时 的 试 验 波 形

6  结语

    从上面的分析和试验波形可知，功率调节器具有如下的作用：

    1）可以对不平衡负载进行补偿，不管三相负载如何不对称，经功率调节器补偿后，能使机组的电流成为三相对称的电流，在带单相负载时机组可以提供额定的输出功率；

    2）可以补偿负载的无功功率电流，使机组的输出功率因数接近于1；

    3）可以补偿负载的谐波电流，使机组的输出电流为基本纯净的三相对称正弦波电流。

作者简介

    刘凤君（1937－），男，研究员，导师，从事航天电源与电力电子技术研究40余年，著书三本，发表论文60余篇。